快速而精确的激光测量技术
Automated Precision Inc.（API）出品的5或6维激光系统，显示出由激光测量系统可以达到的独特性能的种类。由该公司设计的系统，是以一个精密干涉仪的5或6维传感器为基础用来测量CNC机床和坐标测量机的定位精度。干涉仪发送的激光光束进入传感器，然后分为三个分光束。第一个分光束将返回光源，以进行线性位移测量，第二个分光束进入双向传感器以测量水平和垂直方向的不直度误差。第三个分光束通过一个光学结构，测量偏转和仰俯。由一个集成的微分激光系统来测量转动角偏差。
用户可以在机床的一个坐标轴上（如X轴）安装6维激光器，可同时测量所有的六个坐标轴的误差。
API的Mike Glossinger说，“如果您是在普通机床上测量，则Y轴应该与X轴成90°。将激光器定位好，如定位在X轴上，插入一个五棱镜，让光束折弯至Y轴上，折弯度正好为90度。”激光器保持静止，只有6维传感器移动对Y轴进行测量。利用从X和Y轴上取得的不直度数据，测量器上的专利软件可以确定每个坐标轴在测试平面中的走向并计算其垂直度。
三轴机床上的每个轴都有6个可能的位置误差：轴移动定位误差；在垂直于移动轴的轴方向上的直线度误差和三个角度误差（转动、俯仰、偏转）。此外，机床三个相互垂直的平面生成的正方度误差。
通过三次安装和三次测量操作，系统可以确定机床上17个轴误差和两个正方度误差。API现有的转动传感器不能测量垂直轴的转动。在5次安装和操作中，系统可以确定21个可能误差中的20个。
Glossinger说，“我们可以在约4-5小时内对一台机床进行完整的分析。”他相信，由像API的5或6维系统收集的数据，为机床制造厂提供达到新的精度水准的机会。“最终，机床制造厂在补偿方面要做的事情将比只在纯直线度方面要做的事情要多。在当今，他们试图用很好的机械方法制造系统，但是留给他们的恰好是无法修正的小误差。现在，通过某些补偿，我们可以把机床做得更好（更确切地说是性能价格比）。”
在更一般的场合，由Mitutoyo（MIT）Corp.出品的激光千分尺在连续过程中证实了激光的测量方法的速度和精度。这些系统将激光光束对准一个旋转的反射镜。当反射镜自转时，激光束射向一个光电单元。该单元的输出量随达到其上的光束量大小成正比地发生变化，使系统可以确定位于单元和激光之间的工件的直径。常用的MTI激光千分尺如Series544，对于直径为1mm~51mm的工件，其精度约为±0.0030mm，重复精度约为±0.00013mm。
MTI的Dale Schauer说，“一些制造厂采用He—Ne管作为激光光源，但我们却采用二极管，因为其使用寿命更长。有些He—Ne管其使用寿命超过600h，但采用激光二极管，有时候，其寿命竟超出7000h。”激光千分尺往往作为较大型系统的一个组成部分加以使用。Schauer观察到，“有一半以上激光器是深藏在某些讲师仪器的过程控制部分中。”当今的激光千分尺还具备增强的功能度。“与旧装置相比，它们具备更多的编程控制能力以及更快的输出能力。”
在线测量时，用户仍然要注意零件的清洁度和粗糙度。Schauer警告说：“一层油或水基冷却液的薄膜其厚度可能达十分之几毫米。此外，您还要受到表面粗糙度的某种影响。这些装置中某些分辨力只有0.5μm。此外，零件的找正很关键。任何微量倾斜都将引起错误的读数。任何粘在零件上的东西均可能影响测量结果。”
他不同意激光的测量比机械式或机电式测量要贵的观点。“如果说到用机械系统测量拨丝模之间的丝流，则必须制造某各轧辊系统，而这种系统并不便宜。对于激光系统，如果产品是圆的，您可能采用一个X—Y调整。每个送接装置现价约为5000美元，而显示箱的运转费约为2500美元。对于一个不需要很多夹紧调整和维护的过程系统，您将要花12500美元。”他指出，当今，工业应用在独特的加工中工业常常采用激光器。考虑到这些加工所制作的产品具备较高的价值，那么激光测量系统的成本便显得微不足道。
据Schauer称，“将来，特别是在高速加工中，会提供越来越多的激光产品。在接下的10-20年中，计量工业将变得明显的不同。”
低成本激光测量对行业中的每个人仍然是目标。而Optodyne Inc.相信它的新MCV—500激光校准系统就是向这一方向迈出的一步。其价格低于10000美元。它可以对CNC机床、坐标测量机、滚珠丝杠和DRO进行内部线性校正。系统包括两个可对准的元件，即激光头部件和一个12.7mm的反光镜。以多普勒技术为基础，MCV—500带有一个用于发射和接收的单孔的激光头。激光头和反光镜均安装在机床上，无须在地面安装三脚架。
提供收集4m/s的运行速度，系统使用支持Windows软件来进行数据采集和分析。尺寸为51mm×51mm×216mm的激光头，特点是优于0.1ppm的稳定性检查，精度为1.0ppm（百万分之一），分辨力为0.03μm。
在一次安装中，Optodyne公司出品的激光球杆技术，允许用户完成一系列功能：校验直线位置精度；测量伺服失配；测量切线速度；测量反向误差；生成用于补偿文件的数据；测量切线速度；产生伺服控制器调谐用数据允许从2.54mm至76mm连续变化半径。该系统的分辨力为0.0000254mm，可以以4m/s的速度进行测量。利用该激光杆，该主轴运动的X轴坐标甚至可测量与其一般大的Y向运动，结合X和Y轴坐标数据，可以生成主轴的被测量的圆轨迹曲线图。
除了这些设备外，Optodyne将提供测量三轴机床上所有21个可能位置误差的系统。Optodyne公司的总裁Charles Wang说，“我们称这种技术为Vector Measue-ment（矢量测量）。通过四次安装，可在2h-4h的时间内测出所有21个误差。”他相信，这种新系统综合了好几种仪器的功能。
在测量机床误差时。Wang说，“常规方法是采用激光干涉仪射击机床，并获得位置精度。然后用一个球杆来检查动态性。我们现在拥有的是一台可以检查所有尺寸的激光器。我们可以测量所有21项几何误差。在此之后，可以用同一个激光器进行球杆测量。一台仪器就可以完成静态和动态精度测量。”
由Optical Dimensions Inc.出品的激光表面测量系统为特殊的检测问题提供了高技术、高速度解决方法。这种系统名为Lasercheck系统，以10Hz工作的激光在加工过程中进行自动表面粗糙度测量。它完整地说明了光亮表面的范围为Ra0.0025μm~0.0013μm，精度达±0.1%。自动地节约了直接输入到SPC的ASCII格式数据，并在制造和QC中使用电子数据表软件。
Optical Dimensions Inc.公司的总裁兼总经理J.Glenn Valliant称，该测量仪器设备可测量一个表面的镜面反射和漫反射。“当表面粗糙度改变时，来自表面的分布变化完全可以确定。可以根据镜面反射和漫反射的分布来计算表面粗糙度。”当前独立的Lasercheck系统的安装价格约25000美元，包括一个激光器（调整关键的照明角度）和将近40个检测来自表面的镜面反射和漫反射光的传感器。
Valliant说：“激光接通时间大约为30ms，在这段时间内，仪器记录来自劣于它的表面的各种反射。”然后专用算法利用为计算表面粗糙度采集到的数据。他解释道：“一般地，笔式表面粗糙度仪扫描长度可达4mm-5mm，扫描宽度由测笔尖的宽度确定。我们的光束轨迹长约5mm-6mm，宽约1mm。”
Lasercheck测量的表面可以是静止的或运动的。他说：“我们获得了接近607m/min的过程，而这种设备不需照管。”由三个主要的软件设置模式来操纵测量仪器。零件检测方式表示系统测量由上料系统依次提供的离散的零件。滚子或输送带检测表示一个大型连续的表面测量操作。实验室检测用于由操作员手动上料的零件。用户选择相应的软件模式和测量仪器的本身调整。
用Lasercheck测量表面，则表面必须干净。Optical Dimensins开发了清洁方法设备来配合测量仪器的应用。Valliant说：“我们在零件上有很多的工艺时间就像在核心技术上所做的。一般我们用压缩空气和定制的吹除器并固定。我们提供为我们的测量适当地清洁表面所必需的设备和附件。”
Lasercheck测量仪所产生的数据可以表明如像磨削工序中所出现的变化。此数据反映砂轮加载时砂轮中的变化，并反映磨削过程中砂轮修整的影响。可超时监控和记录过程中的趋势。
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