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傳感器精密測頭技術的演變與發展趨勢
  2010-04-20 12:25:35 作者:中國金屬加工在線 來源: 文字大小:[][][]

 

威爾信量儀精密傳感器系列

三門峽威爾信量儀為您提供各種精密傳感器
                      
    測頭是精密量儀的關鍵部件之一,作為傳感器提供被測工件的幾何信息,其發展水平直接影響著精密量儀的測量精度、工作性能、使用效率和柔性程度。
坐標測量機是一種典型的精密量儀,其發展歷史也表明,只有在精密測頭為坐標測量機提供新的觸測原理、新的測量精度后,坐標測量機才能發生一次根本的變化。換言之,精密測頭是限制精密量儀精度和速度的主要因素,精密量儀能否滿足現代測量要求也依賴于精密測頭系統的不斷創新與發展。

    2 精密測頭的演變
                     
    精密測頭的發展有悠久的歷史,最早可追溯到上世紀20年代電感測微儀的出現;但真正快速發展卻得益于上世紀50年代末三坐標測量機的出現。迄今,精密測頭通常分為接觸式測頭與非接觸式測頭兩種,其中接觸式測頭又分為機械式測頭、觸發式測頭和掃描式測頭;非接觸式測頭分為激光測頭和光學視頻測頭。
                     
    機械式測頭又稱接觸式硬測頭,是精密量儀使用較早的一種測頭。通過測頭測端與被測工件直接接觸進行定位瞄準而完成測量,主要用于手動測量。該類測頭結構簡單、操作方便,但精度不高,很難滿足當前數控精密量儀的要求,除了個別場合,目前這種測頭已很少使用。
                     
    目前市面上廣泛存在的精密測頭是觸發式測頭。第一個觸發式測頭于1972年由英國Renishaw公司研制。觸發式測頭的測量原理是當測頭測端與被測工件接觸時精密量儀發出采樣脈沖信號,并通過儀器的定位系統鎖存此時測端球心的坐標值,以此來確定測端與被測工件接觸點的坐標。該類測頭具有結構簡單、使用方便、制作成本低及較高觸發精度等優點,是三維測頭中應用最廣泛的測頭。但該類測頭也存在各向異性(三角效應)、預行程等誤差,限制了其測量精度的進一步提高,最高精度只能達零點幾微米。在精密量儀上采用觸發式測頭進行測量時,通常是兩點定線、三點定面、三點或四點定圓等方法,其實質是用幾個點的坐標來確定理想幾何要素的尺寸大小,而在形位誤差測量方面就顯示出明顯缺陷;掃描測頭的出現彌補了觸發式測頭這方面的不足。
                     
    掃描式測頭也稱量化測頭,測頭輸出量與測頭偏移量成正比,作為一種精度高、功能強、適應性廣的測頭,同時具備空間坐標點的位置探測和曲線曲面的掃描測量的功能。該類測頭的測量原理是測頭測端在接觸被測工件后,連續測得接觸位移,測頭的轉換裝置輸出與測桿的微小偏移成正比的信號,該信號和精密量儀的相應坐標值疊加便可得到被測工件上點的精確坐標。若不考慮測桿的變形,掃描式測頭是各向同性的,故其精度遠遠高于觸發式測頭。該類測頭的缺點是結構復雜,制造成本高,目前世界上只有少數公司可以生產。
                     
    不論是觸發式測頭還是掃描式測頭,都是采用接觸式探針與被測工件接觸采集輪廓點,然后進行數據處理,進而得到被測工件的位置或形狀信息。由于接觸式探針有一定的大小,不能對一些孔、槽等內尺寸較小的工件進行測量;另外,測頭測端與被測工件接觸時產生的壓力會引起被測工件的變形和劃傷,也難以對一些薄片、刀口輪廓及柔軟的材料進行測量。而非接觸式測頭由于采用光學方法可以避免接觸式測頭這方面的限制。
                     
   非接觸式測頭一般采用光學的方法進行測量,由于測頭無需接觸被測工件,故不存在測量力,更不會劃傷被測工件,同時可以測量軟質介質的表面形貌。但該類測頭受外界影響因素較多,如被測物體的形貌特征、輻射特性以及表面反射情況都會影響測量結果。到目前為止,非接觸式測頭的測量精度還不是很高,還無法取代接觸式測頭在精密量儀中的位置。
 3 各類精密測頭的現狀

     3.1 觸發式測頭
                     
    當觸發式測頭的測端觸碰到被測工件時,測頭發出觸發信號。
其核心是判斷接觸與否,類似電子開關的工作性質,故又稱開關測頭。實現此功能的方法有電子機械開關的通斷、壓電晶體的壓電效應和應變片的形變等。
                     
    早期的觸發式測頭采用彈簧力作用下的機械定位機構,當測端與被測工件接觸時,產生的接觸力由測桿傳遞至測頭體內部的觸發機構,當該力增大到足以克服內部彈簧的預壓力時,觸發機構的機械觸點便脫離接觸,進而發出觸發信號。采用此方式觸發的測頭存在以下弊端:當測頭從不同方向觸測工件時,克服內部彈簧所需的接觸力并不相同,這就導致了測頭從不同方向觸測工件時測頭的預行程也不同,降低了重復性精度。這是引起測量誤差的最大誤差源,而該設計方式根本無法避免預行程的變化。另外,測頭測端與被測工件接觸時,測桿由于受力會發生彎曲變形,同樣會引入測量誤差,且該誤差隨著測桿的長度增加而增加。Renishaw公司早期的觸發式測頭TP2,只能支持10mm長的測桿,預行程變化量為3.28μm,單向重復性精度為0.35μm。
                     
    固態傳感技術在觸發測頭中的使用,顯著提高了測頭的精度,特別是減小了在使用較長的測桿時由于預行程變化引起的測量誤差。Renishaw公司新一代觸發式測頭TP200采用靈敏度更高的應變片技術進行觸發,大大減小了測頭的各項異性,減小了預行程變化。其結構設計采取感應接觸形變的應變片和機械復位機構相隔離,此設計可以消除很大部分由振動引起的測量誤差;并且,該測頭的設計非常緊湊,直徑僅為13mm,可以容易地伸入被測工件中進行測量,增加了測頭的測量范圍。TP200測頭不僅在精度、測量范圍和工作壽命方面有很大進步,而且在使用較長測桿時的預行程變化也減小許多。在測桿長達100mm的情況下,單向重復性精度為0.5μm,預行程變化量小于1μm;另外,該測頭有著很低的測量力,XY向測力僅為0.02N,Z向測力為0.07N。
                     
     為適應不同測量需求,可將兩種或更多的觸發技術集成到一個觸發式測頭內,即雙觸發或多觸發技術。德國Zeiss公司ST3測頭采用壓電傳感器和電子機械開關兩種技術相結合的觸發方式,當采用壓電傳感器方式觸發時,測量力可以減小到0.01N,配合電子機械觸發方式,可以避免靈敏的壓電傳感器引起誤觸發。另外,Renishaw公司TP800測頭集合電子機械開關、壓電傳感器和應變片技術與一體,可以以三種觸發方式工作。當采用壓電傳感器觸發方式時,測頭預行程變化量最小;當采用電子機械開關觸發方式時,預行程變化量最大,精度也最低;采用應變片觸發方式時,預行程變化量適中。該測頭的測量精度也很高,當攜帶長度為50mm測桿時,各方向上的單向重復精度僅為0.25μm,預行程變化量小于0.5μm。采用多種觸發方式的測頭一般能支持較傳統觸發式測頭更重更長的測桿,例如,Renishaw的TP800測頭可支持長達350mm的測桿;且可以根據實際測量需要選擇不同的觸發方式、測量速度和測桿,擴大了測頭的應用范圍。

    3.2 掃描式測頭
                     
    掃描式測頭又稱線性測頭,與觸發式測頭不同的是,當測頭測端接觸到被測工件后,不僅發出瞄準信號,還要給出測端的微位移,即同時具有瞄準和測微的功能。該類測頭的技術關鍵是能否提供一種無摩擦、無回程誤差、靈敏度高、運動直線性好的三維微導軌系統。

     近年來,非接觸式測頭的研制在世界范圍內是精密量儀制造廠家的研究重點。非接觸式測量的實現方式有多種,目前應用于實踐并產品化的非接觸式測頭已經為數不少。德國Wolf&Beck的OTM系列光學測頭,日本三豐公司的圖像測頭Mitutoyo QVP,美國普賽(Perceptron)公司的SCANWORKS三維激光掃描測頭,比利時METRIS公司的LC系列光學掃描測頭,以色列NEXTEC公司的WIZPROBE激光掃描測頭以及德國Zeiss公司的Viscan光學掃描測頭,都已廣泛應用于精密量儀的非接觸測量。
                     
    以色列NEXTEC公司的WIZPROBE激光掃描測頭采用獨特的三角法測量原理,測量精度受材料類型、表面加工形式、激光光柱角度和環境條件影響較小。適用于掃描小型、精密、軟輕薄等特殊零件,也可用于覆蓋件的掃描。該測頭采樣頻率50點/s,激光光斑直徑為30μm,測量范圍為50mm±5mm,測量分辨率1μm,單點精度為6μm,單點重復性可達0.3μm。
                     
    美國Perceptron公司的SCANWORKS激光掃描測頭采用三角法進行三維測量。當激光投影平面與物體表面相交時,一個CCD照像機得到包含該交線的投影圖像,通過準確的標定程序,該交線被轉換到三維空間,從而得到被測物體表面的三維值。該測頭系統的測量精度為50μm,重復性精度為20μm。


    4 精密測頭的發展趨勢

    從整體上考察,近年來無論哪類精密測頭主要向著精度更高、尺寸更小、互換性更好、綜合功能更強、數字化的方向發展。
                     
    由于觸發式測頭成本低、結構簡單,并能滿足常用的測量要求,在一定時期內仍是市場上應用最多的測頭,其發展方向是尺寸小、集成度高、精度高、各向異性小。目前,Renishaw公司占據了該類測頭全世界90%的市場,在近期內這種狀況還不會改變。

     “非接觸式測頭”的研制,在世界范圍內是精密量儀制造廠家近年的研究重點。非接觸式測量的實現方式有多種,目前應用于實踐并產品化的非接觸式測頭已經為數不少。德國Wolf&Beck的OTM系列光學測頭,日本三豐公司的圖像測頭Mitutoyo QVP,美國普賽(Perceptron)公司的SCANWORKS三維激光掃描測頭,比利時METRIS公司的LC系列光學掃描測頭,以色列NEXTEC公司的WIZPROBE激光掃描測頭以及德國Zeiss公司的Viscan光學掃描測頭,都已廣泛應用于精密量儀的非接觸測量。
                     
    以色列NEXTEC公司的WIZPROBE激光掃描測頭采用獨特的三角法測量原理,測量精度受材料類型、表面加工形式、激光光柱角度和環境條件影響較小。適用于掃描小型、精密、軟輕薄等特殊零件,也可用于覆蓋件的掃描。該測頭采樣頻率50點/s,激光光斑直徑為30μm,測量范圍為50mm±5mm,測量分辨率1μm,單點精度為6μm,單點重復性可達0.3μm。
                     
    美國Perceptron公司的SCANWORKS激光掃描測頭采用三角法進行三維測量。當激光投影平面與物體表面相交時,一個CCD照像機得到包含該交線的投影圖像,通過準確的標定程序,該交線被轉換到三維空間,從而得到被測物體表面的三維值。該測頭系統的測量精度為50μm,重復性精度為20μm。

    5 精密測頭的發展趨勢

    從整體上考察,近年來無論哪類精密測頭主要向著精度更高、尺寸更小、互換性更好、綜合功能更強、數字化的方向發展。
                     
    由于觸發式測頭成本低、結構簡單,并能滿足常用的測量要求,在一定時期內仍是市場上應用最多的測頭,其發展方向是尺寸小、集成度高、精度高、各向異性小。目前,Renishaw公司占據了該類測頭全世界90%的市場,在近期內這種狀況還不會改變。

 

 

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