接觸式掃描測量的重大革新—─Renscan5^TM和REVO^TM的技術(shù)與應(yīng)用

Renscan5^TM和REVO^TM是接觸式觸發(fā)測頭發(fā)明以來的重大革新，REVO^TM是可應(yīng)用Renscan5^TM技術(shù)進(jìn)行高速度毛凶、高精度五軸掃描測量的測頭系統(tǒng)话贯。本文著重介紹REVOTM測頭系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點帘圣、控制系統(tǒng)露使、應(yīng)用與校準(zhǔn)。

Renscan5^TM和REVO^TM的技術(shù)與應(yīng)用

Renscan5^TM和REVO^TM是“自接觸觸發(fā)式測頭發(fā)明以來最具創(chuàng)新意義的量測產(chǎn)品”饼酱。

概述

Renscan5^TM是Renishaw品牌系列之一答肤，其下涵蓋有多項五軸掃描產(chǎn)品。它僅適用于Renishaw通用型三次元量測儀（三坐標(biāo)測量機）控制器UCC2中瘾显，奠定了Renishaw未來高速掃描產(chǎn)品的基礎(chǔ)愧杯。

采用Renscan5^TM技術(shù)的五軸系統(tǒng)的優(yōu)勢主要是在于它將三次元量測儀移動時因結(jié)構(gòu)之重量所導(dǎo)致的動態(tài)誤差降至最小，顯著地提高掃描速度鞋既。
Renscan5^TM無疑是掃描業(yè)界的未來力九，因此Renishaw已對該項必要技術(shù)進(jìn)行大量投資，以期在市場上推出這項革命性的量測方法邑闺。

傳統(tǒng)上跌前，由于三次元量測儀使用固定測頭或旋轉(zhuǎn)測頭座來掃描表面棕兼，因此存在著動態(tài)性能的限制，超過這一限度時抵乓，三次元量測儀的計量工作特性將變得無法預(yù)測伴挚。這一動態(tài)限制不但影響到掃描速度，而且限制了生產(chǎn)率灾炭。在大多數(shù)情況下章鲤，如果要確保精確度，傳統(tǒng)三次元量測儀的掃描都要限制在10毫米/秒左右的速度咆贬。但是只要在使用Renishaw公司先進(jìn)的RenscanDC動態(tài)補償功能時，也可以進(jìn)行更快速的掃描帚呼、表面速度可達(dá)100至150毫米/秒之間呆逼，這一功能可以使三次元量測儀的重復(fù)性誤差得以補償，維持在動態(tài)限度以內(nèi)皮向。

當(dāng)采用五軸量測系統(tǒng)時嘲陋，由于絕大多數(shù)的工作都由該量測頭完成，因而許多三次元量測儀不希望出現(xiàn)的動態(tài)誤差得以避免盘荸。因為這種量測頭相對于三次元量測儀來說不但更輕巧而且動態(tài)性能更好铸烈，它的頻率響應(yīng)特性非常出色，因此能夠快速地跟隨工件幾何形狀的變化售检，而不會引起有害的動態(tài)誤差砰吻。這就使得三次元量測儀可以按照其最佳的原設(shè)計方式工作，即量測時可定速地向量移動彤擒。

REVO^TM是一系列正在開發(fā)中產(chǎn)品的第一個且险，它將為使用Renscan5^TM技術(shù)來進(jìn)行超高速、高準(zhǔn)確度的五軸掃描運用開啟康莊大道锯叮。

圖1 Renscan5TM── 一種革命性的測量技術(shù)

REVO^TM系統(tǒng)概述

REVO^TM是Renishaw公司推出的新一代動態(tài)量測掃描測頭敛旗。這一革命性的新產(chǎn)品是為了讓三次元量測儀在保持其系統(tǒng)高精度的同時，仍能發(fā)揮最高的量測效率而設(shè)計的坦报。

REVO^TM量測頭的特點是它的兩軸都采用了球面空氣軸承技術(shù)库说，由連接于高分辨率編碼器之現(xiàn)代化的無刷電動機驅(qū)動來提供最快速且超精密的定位精度。

此系統(tǒng)包括以下組件：

REVO^TM測頭座

RSP2 2D端部感應(yīng)測頭

RSP3 3D測頭

UCC2通用型三次元量測儀控制器

UCC2專用REVO^TMPCI適配卡（接口插件）

SPA2伺服功率放大器

測頭座技術(shù)

REVO^TM測頭座是使用先進(jìn)的空氣軸承專利技術(shù)所構(gòu)建片择，用來提供超高剛性的量測平臺潜的。而低阻力和低摩擦力可提供其高加速性和轉(zhuǎn)向性。軸承（每個軸中有一個）內(nèi)裝有連接著0.08弧秒編碼器的高標(biāo)準(zhǔn)無刷電動機字管，這個編碼器能夠讀出250毫米長測頭的探針端部0.1μm以內(nèi)的位置讀數(shù)夏块。

圖2

通過各軸間堅硬的金制滑動環(huán)接觸而作無限制旋轉(zhuǎn)。這是設(shè)計中唯一表面有接觸而運動的部分纤掸。我們對它們進(jìn)行了5千萬個周期的測試脐供，并且在測試結(jié)束時仍未發(fā)覺到性能有所降低浑塞。這相當(dāng)于按正常的工作周期運行5年以上的時間，還不需要維修政己。這些滑動環(huán)只是用來提供電力的酌壕；通過各軸間的電容鏈路來進(jìn)行通信，所以不會使滑動環(huán)產(chǎn)生劣化歇由。

空氣軸承的軸向剛度達(dá)到了30牛頓/微米卵牍，這就會產(chǎn)生一個可以快速加速的穩(wěn)定量測平臺，其表面掃描速度可以高達(dá)500毫米/秒桌懊。這些技術(shù)條件與測頭和伺服控制系統(tǒng)的特點相結(jié)合陋锚，可實現(xiàn)超高精度的量測，大大提高了量測效率英嬉。這就使得三次元量測儀的使用更加有效是菇，并減少瓶頸限制。

除了可以進(jìn)行高速量測之外份肠，Renscan5^TM五軸系統(tǒng)還可以實現(xiàn)快速定位枣肚，即能夠隨三次元量測儀同步移動的測頭座進(jìn)行快速重新定位。五軸運動也可以對一些特殊的形狀進(jìn)行檢測僧少，以前檢測這些形狀時會需要復(fù)雜的探針結(jié)構(gòu)和更大的三次元量測儀工作區(qū)丐鸽，這二者都不利于成本控制和量測運用。

測頭技術(shù)

為將測頭機構(gòu)在高速運動狀態(tài)下的動態(tài)效應(yīng)降至最低供撵，采用了新穎的測頭設(shè)計郊男，使用激光來精確檢測測頭探針端部的確切位置。一束激光從安裝在REVO^TM測頭座上的測頭體內(nèi)光源處射出蔗括，向下穿過一個中空的探針杆坪，一直射到探針端部的反射鏡上。

圖3

不同于傳統(tǒng)的探針鸿市，傳統(tǒng)探針必須越不易彎曲越好锯梁，而REVO^TM探針則為彎曲設(shè)計，通常是在離探針端部約50微米處焰情。這可偏轉(zhuǎn)激光束的返回路徑陌凳，光束將由同樣安裝在測頭體內(nèi)部的PSD（位置傳感器）接收。

射在PSD上的激光點移動將與測頭座和測頭幾何運動變化以及三次元量測儀每軸光學(xué)尺的輸出值結(jié)合在一起内舟，并被轉(zhuǎn)換成量測值輸出合敦。從而即可推算出探針端部在空間中的確切位置。這一切都是在測頭座隨三次元量測儀同步移動验游、探針端部對工件進(jìn)行動態(tài)掃描的時候發(fā)生的充岛。

圖4

測頭范圍的特點為兩種傳感器。如前介紹的一種是為了量測大多數(shù)形狀而設(shè)計的耕蝉，具有2D感測功能崔梗。另外夜只，還有一種基于SP25M技術(shù)的3D掃描測頭，即Renishaw的創(chuàng)新產(chǎn)品：PH10安裝式掃描測頭蒜魄。這兩種測頭分別稱為RSP2（REVO^TM 2D掃描測頭）和RSP3（REVO^TM 3D掃描測頭）扔亥。RSP2將進(jìn)行大部分的動作，而RSP3則只是在出現(xiàn)曲柄式探針和盤式探針時才會被運用盯辅。RSP2只包含一個測頭體摹跑，探針夾部分的長度自測頭座下方軸線中心算起在250毫米至500毫米之間，而RSP3則使用標(biāo)準(zhǔn)的SP25M規(guī)格探針夾趴鹰。

基于常用的MRS系統(tǒng)胚砰，測頭和探針可透過交換架來重新配置，您可以使用帶插槽的單獨端口來定制一個系統(tǒng)纠沉，以滿足量測應(yīng)用的具體需要敬魏。

控制系統(tǒng)技術(shù)

圖5

Renscan5^TM和REVO^TM是基于UCC2/SPA2的系統(tǒng)。UCC2是Renishaw為了進(jìn)行三軸和五軸掃描而設(shè)計的通用型三次元量測儀控制器庸颂，并含有處理器動力以同時運行測頭座和三次元量測儀。它與SPA2伺服功率放大器連接在一起沸稻，后者在REVO^TM/Renscan5^TM型式扁钥，具有五軸掃描功能。

三次元量測儀控制器接口

我們采用UCC2的主要原因是為了控制三次元量測儀和REVO^TM測頭座系統(tǒng)所饺。為了使三次元量測儀和測頭座軸部能夠同步捐煤，必須使用單一處理器才能克服準(zhǔn)確計時和數(shù)據(jù)管理問題。

UCC以2 Khz的更新速率運行蓄诽，能夠在掃描時每秒收集2,000個點數(shù)據(jù)薛训，就如同以500毫米/秒的速度在100毫米的孔內(nèi)掃描時，每一轉(zhuǎn)或是每0.25毫米即可收集約1250個數(shù)據(jù)點仑氛。

圖6

而測頭座和測頭則以6 Khz的速度收集點數(shù)據(jù)乙埃，是UCC處理速度的三倍。這就意味著更多的數(shù)據(jù)可予緩沖锯岖，并對之前的過程進(jìn)行分析且存放在所需的位置介袜，這樣不但不占用三次元量測儀的寶貴時間，而且還進(jìn)一步提高了生產(chǎn)率出吹。

除了要挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)管理的問題遇伞，還有一些同步問題也需要解決。工件表面的所有數(shù)據(jù)都來自于測頭的探針端部捶牢。雖然已大致“知道”了基本的幾何形狀鸠珠，但還必須對實際表面進(jìn)行追蹤。這就要求使用響應(yīng)能力很強的伺服控制系統(tǒng)秋麸，使得當(dāng)測頭座的旋轉(zhuǎn)方向改變和三次元量測儀的運動狀況改變時渐排，仍能夠保持表面的接觸馆柬。

所有的掃描系統(tǒng)都必須利用三次元量測儀三軸間的運動來保持表面接觸，但是用于三軸掃描的掃描測頭卻是一種比REVO^TM測頭掃描范圍大但低頻率響應(yīng)的裝置谍潮，這才能讓三次元量測儀的結(jié)構(gòu)得以準(zhǔn)確地作動溯侦，而測頭足以在特定范圍內(nèi)保持偏轉(zhuǎn)運動，但是這終究也會導(dǎo)致運動速度大幅降低慷啊。

圖7

與傳統(tǒng)的掃描測頭相比况魔，REVO^TM具有更高的頻率響應(yīng)能力，因而會造成在設(shè)計上不得不考慮降低測頭的掃描范圍某扑。但實際上奢赡，因為當(dāng)三次元量測儀提供X、Y和Z軸的運動時筐积，測頭座可以保持測頭的作動范圍掷暇，所以這并不會有甚麼真正影響。當(dāng)然珊求，主要的問題是對各種輸入和輸出值進(jìn)行同步處理以確定五軸運動层攀。重要的是，必須組合測頭座和三次元量測儀的比例輸出赃阀，并采用一種特定方式處理霎肯，使得三次元量測儀和測頭座的動作能夠同步響應(yīng)測頭來自工件表面的反饋數(shù)據(jù)。所有這些操作都是在UCC2和SPA2系統(tǒng)中完成的榛斯。

與坐標(biāo)測量機應(yīng)用軟件的集成

Renscan5^TM和REVO^TM通過I++DME接口而集成观游。I++DME是用于量測設(shè)備的應(yīng)用軟件間的共享接口。它是在量測設(shè)備硬件和編程用量測應(yīng)用軟件間之客戶端/服務(wù)器模式的連接驮俗。

三次元量測儀制造商或應(yīng)用軟件公司必須提供客戶端一種可以使用I++DME的通信協(xié)議懂缕。三次元量測儀控制器必須具有可通過I++DME通信協(xié)議的服務(wù)器應(yīng)用程序。就像Renishaw公司的UCC是由UCCserver^TM做到的王凑。

這種方法的顯著優(yōu)點就是提高了Renscan5^TM的能力搪柑，讓所有量測應(yīng)用軟體包皆適用，通過UCCserver^TM的所謂單一的“轉(zhuǎn)匯出”索烹，使該軟件可以有后向兼容能力拌屏。

REVO^TM應(yīng)用

Renscan5^TM毫無疑問地為三次元量測儀的更高量測效率打開了大門。它還將創(chuàng)造出更多令人興奮的機會术荤，使得人們可以研發(fā)更多應(yīng)用倚喂，更能滿足當(dāng)前和未來的工業(yè)技術(shù)發(fā)展以及制造方法的需要。

REVO^TM校準(zhǔn)

使用任何量測系統(tǒng)時瓣戚，都會涉及一個基本要素：校正笛吱。過去，必須對鉸接式測頭座每個轉(zhuǎn)向位置的測頭與探針組都進(jìn)行校正挥痊。同時途培，對于固定測頭座的掃描系統(tǒng)及其應(yīng)用的探針群組建搞，也必須進(jìn)行校正。

采用REVO^TM技術(shù)后注欧，通過一種更成熟的方式來進(jìn)行校正祈岔，轉(zhuǎn)而將更多時間用來量測，而非花在校正上钙蕉。重要的是口纸，通過校正可以確定測頭座和測頭的幾何關(guān)系。這使得所有位置都可以通過校正過程推論出來官孝，舉凡任何位置或軸相間的運動組合都可以準(zhǔn)確地應(yīng)用于量測上努禽。通過編碼器的讀數(shù)和相關(guān)的編碼器誤差圖，并將其與幾何運算以及測頭輸出值相結(jié)合门俏，從而計算出所有位置上的確切探針端點所在丸匀。

整個校正的程序與ISO10360-4測試的程序類似，該測試需要幾分鐘的時間危融；當(dāng)此過程結(jié)束后畏铆，就可以推斷出所有的位置。接下來的工作就是校正不同的測頭和探針夾吉殃。同樣辞居，該程序也與幾何校正的程序類似，只是更短一些寨腔。這樣就可顯著地節(jié)省時間速侈，并使量測效率和精度方面已經(jīng)非常明顯的優(yōu)勢更令人印象深刻率寡。

系統(tǒng)優(yōu)點總結(jié)

引入Renscan5^TM五軸掃描技術(shù)迫卢，可以大大地減少三次元量測儀的運動誤差和相關(guān)動態(tài)誤差。

將量測速度提高到最快500毫米/秒冶共，也就相應(yīng)提高了量測效率乾蛤。

很高的點數(shù)據(jù)收集速率，最多為每秒收集6,000個點捅僵。

無限定位和五軸運動減少了在不同形狀間的非必要性轉(zhuǎn)換家卖。

由于掃描作用力極小，探針幾乎不會磨損荷右。

由于采用了無限定位和五軸運動度堤，因此可以量測難度大的復(fù)雜工件。

可以迅速校正完簿，并推斷出所有的位置沙螺，從而可將更多時間用于量測上。

有效工作長度最大可達(dá)500毫米聚灸。

連續(xù)旋轉(zhuǎn)的能力得以簡化工件之程序編制娇皇。

標(biāo)準(zhǔn)的M2探針阅牛，使用方便。

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