蔡司三坐標(biāo)接觸式測(cè)頭與光學(xué)測(cè)頭的區(qū)別

近年來(lái)流行著一些帶有誤導(dǎo)性的宣傳，導(dǎo)致部分用戶對(duì)光學(xué)掃描測(cè)頭有過(guò)高的期待，例如“用光學(xué)測(cè)頭一掃，零件的所有尺寸都出來(lái)了”等等，這對(duì)光學(xué)測(cè)頭實(shí)際上存在很大的誤解。從目前的狀態(tài)來(lái)說(shuō)，接觸式與光學(xué)測(cè)頭之間主要是相互補(bǔ)充的關(guān)系，而非競(jìng)爭(zhēng)。 那接觸式和光學(xué)測(cè)頭究竟在哪些方面可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)呢?這一點(diǎn)還需從光學(xué)測(cè)頭的種類說(shuō)起。三維光學(xué)測(cè)頭有不同的分類，比如點(diǎn)光源、線光源、面光源，不同的測(cè)頭其應(yīng)用場(chǎng)合有顯著區(qū)別。我們將光學(xué)測(cè)頭的應(yīng)用大致分成兩類：表面數(shù)字化和三維測(cè)量。有人不禁會(huì)有疑問(wèn)：表面數(shù)字化和三維測(cè)量不是一回事嗎?其實(shí)，區(qū)分兩種應(yīng)用的關(guān)鍵在于是否生成數(shù)字表面模型 (Digital Surface Model)，也就是我們常說(shuō)的點(diǎn)云或是三角網(wǎng)格。當(dāng)然在很多實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，生成的數(shù)字表面模型后續(xù)也會(huì)用于表面或特征元素測(cè)量，但這種測(cè)量模式是基于數(shù)字化后的零件模型，與傳統(tǒng)的直接測(cè)量特征元素還是有根本區(qū)別。

對(duì)于表面數(shù)字化，其目的是要獲取零件表面輪廓，這就需要大量獲取輪廓的空間點(diǎn)坐標(biāo)。而對(duì)于接觸式測(cè)頭來(lái)說(shuō)，一個(gè)一個(gè)點(diǎn)逐次獲取的方式是無(wú)法勝任百萬(wàn)數(shù)量級(jí)點(diǎn)數(shù)的要求的，哪怕是連續(xù)掃描測(cè)頭，也只是通過(guò)測(cè)頭不離開(kāi)零件表面的方式來(lái)提高取點(diǎn)速度，本質(zhì)上還是單點(diǎn)采集。這類應(yīng)用當(dāng)中，線光源和面光源測(cè)頭就很好彌補(bǔ)了接觸式測(cè)頭的不足，線掃描測(cè)頭通過(guò)一條由若干點(diǎn)的激光在工件表面移動(dòng)，即可掃描出一片區(qū)域;而面拍照測(cè)頭則是通過(guò)一組編碼的光線柵格，一次性獲取一個(gè)特定大小區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云。 在得到了數(shù)字化表面模型后，用戶可以把數(shù)據(jù)用于各種目的，比如和CAD模型做對(duì)比，獲取零件整體/局部輪廓的偏差，三維尺寸測(cè)量或者逆向工程等等。但是這種測(cè)量方式用于尺寸與行為公差測(cè)量時(shí)，通常無(wú)法符合測(cè)量工藝流程的要求(如建立測(cè)量基準(zhǔn)、選擇元素?cái)M合方法、選取評(píng)價(jià)參考等等)。但是，有的零件或出于零件特殊性，如軟性材質(zhì)、不允許接觸的表面、微小特征等，或出于測(cè)量效率的要求，確實(shí)需要非接觸式測(cè)量。對(duì)于此類應(yīng)用，點(diǎn)光源測(cè)頭也很好彌補(bǔ)了接觸式測(cè)頭的不足。 其實(shí)，光學(xué)測(cè)頭相比接觸式測(cè)頭還有另一方面的優(yōu)勢(shì)。接觸式測(cè)頭采點(diǎn)時(shí)，測(cè)頭記錄的是測(cè)球中心的空間坐標(biāo)，然后根據(jù)測(cè)球半徑來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，得出實(shí)際點(diǎn)的坐標(biāo)。但當(dāng)測(cè)量特定位置的三維曲線時(shí)，如果不按照測(cè)點(diǎn)的法線方向去采點(diǎn)，會(huì)存在半徑補(bǔ)償余弦誤差;而如果按照測(cè)點(diǎn)的法線方向去采點(diǎn)，又會(huì)產(chǎn)生實(shí)際測(cè)點(diǎn)位置出現(xiàn)偏差的情況。這種情形在測(cè)量透平葉片時(shí)尤為常見(jiàn)。

▲ 接觸式測(cè)頭采點(diǎn)

非接觸式光學(xué)測(cè)頭直接利用光點(diǎn)的反射信號(hào)來(lái)獲取被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，不存在半徑補(bǔ)償?shù)沫h(huán)節(jié)，因此能夠完全杜絕余弦誤差產(chǎn)生的源頭。再者，在測(cè)量易變性零件時(shí)，雖然測(cè)力不大，但零件還是會(huì)在力的作用下造成一定變形(例如下圖中的薄葉片，測(cè)量頂部截面時(shí)，葉盆時(shí)葉片受到測(cè)力影響朝葉背方向彎曲，反之亦然)。雖然彎曲變形量不大，但是考慮到葉片本身極薄，其相對(duì)變形量還是非常可觀的，會(huì)對(duì)得出的輪廓度與位置度都造成非常大的影響。

▲ 彎曲變形

除點(diǎn)測(cè)頭以外，面光源拍照式測(cè)頭也能具備三維測(cè)量能力，但是拍照式測(cè)頭在用作三維測(cè)量時(shí)，并不是基于獲得的點(diǎn)云來(lái)進(jìn)行的，而是直接依靠捕捉的三維圖像提取被測(cè)元素。而且，當(dāng)拍照式測(cè)頭用于三維測(cè)量時(shí)并不單獨(dú)使用，而是配合接觸式測(cè)頭一起，由接觸式測(cè)頭負(fù)責(zé)建立測(cè)量基準(zhǔn)，而拍照式測(cè)頭則是針對(duì)一些特殊元素特征(例如孔、槽等)進(jìn)行測(cè)量。 光學(xué)測(cè)頭雖然有一些接觸式測(cè)頭無(wú)法提供的優(yōu)勢(shì)，但并無(wú)法完全替代接觸式測(cè)頭，其原因在于光線的可觸及性不如接觸式測(cè)頭。測(cè)球的各個(gè)部位都可以去接觸被測(cè)物體來(lái)采點(diǎn)，但光的傳播是沿直線的，我們無(wú)法讓光“轉(zhuǎn)彎”，必然有一些特征讓光線力所不能及，比如徑深比很小的孔、或是需要L型測(cè)針的場(chǎng)合，接觸式測(cè)頭比光學(xué)測(cè)頭更方便。

沒(méi)有最好的測(cè)頭，更沒(méi)有萬(wàn)能的測(cè)頭，究竟怎么選擇最終還是取決于測(cè)量需求。在繁多的測(cè)頭種類面前，應(yīng)該不只是以預(yù)算為導(dǎo)向，也不一定要追求全能型的測(cè)頭，找到真正合適的產(chǎn)品，才能既快又好地做好質(zhì)量控制。