解密|不可替代的接触式测量技术 蔡司计量学堂

配备接触式测量技术的坐标测量机（CMM）已广泛应用于工业生产中的工件量测。随着工件检测尤其形状轮廓量测要求日益普遍，接触式扫描技术不断展示其优越性，虽然光学测量的重要性不断提高，然时至今日尚未能替代接触式测量技术。
传统配备接触式触发或接触式扫描测头的测量机已无法满足现代化生产节拍的需要，如何避免其成为制约生产的瓶颈？寻求一种提高测量机测量产能而不损失精度的方法至关重要。德国蔡司航者扫描技术（Navigator Scanning Technology）使之成为可能，其有效补偿动态影响所引入的误差分量，使得扫描速度有了大幅提升，但不仅如此。
动态作用力影响扫描测量结果
业内将探针沿工件表面运动过程中持续获取测量点数据的过程称之为扫描，亦日渐成为坐标测量机的一种标准能力。通过扫描可大幅提升测量点数据的获取，尤其对于有形状误差检测要求的工件，扫描测量技术显著提升了坐标测量的可靠及精确性。
然而，坐标测量机的测量时间相较于现代加工中心的生产周期仍有一定的差距，其原因在于，尽管坐标测量机采用现代驱动设计可达到较高的运行速度，但常见较缓慢的扫描速度或于接触工件前近乎停止然后慢速触测工件表面，此类速度骤降有利于避免高速及急加速所导致的动态作用力提升，避免机体及探针几何形状非预期形变所引入的测量误差。（参见图1）

图1：动态形变导致不同位置环规的非补偿量测差异（简化、定性分析示意图）

相对校正补偿动态影响
对于动态形变补偿现已有不同的方法可选用，常见基于比对仪原理的方法，亦即是业内所述的“量规校正”，被测工件需与相似的标准件于同一或相近位置使用同一探针进行量测，高精度标准件的校准值与实测值之差异用以修正被测工件测量值，其对于测量精确性有着显著提升，亦广泛应用于量规校正域。
量规校正原理同样可促进扫描速度提升，以扫描内孔为例，以慢速扫描，继而以高速再次扫描，所获取的结果可用于修正高速扫描的测量值，由于未曾采用标准件，此过程称为“相对校正”。由于相对校正假定慢速条件下的测量值为正确值或“校准值”，因此应重复多次该过程以确认修正准确与否，但安全起见，该方法仅于被测元素已具有校准值的条件下方可确保的精确性。
更好的方法？
采用航者“Navigator”技术，元素自主补偿
Navigator（航者）技术显而采用了不同的思维，当动态作用力、机体及探针等形变相互关系已知，则可将元素自主形变补偿量植入控制系统中。
德国蔡司使用一种D-CAA（动态弯曲CAA）技术，此误差分量由CAA(计算机辅助精度)提取，诠释了机体几何形状的相关位置及动态形变行为，并可据不同的机型及尺寸将补偿量嵌入设备的控制系统。
动态作用力可导致探针及机体形变，由于探针形变主要受使用者及其检测任务等因素影响，作为Navigator（航者）技术的一部分，探针的动态形变行为必须于动态探针校准阶段即定义，正如D-CAA技术用于修正机体的形变，此动态探针校准阶段之数据获取主要用于与速度相关的探针形变补偿。
更重要的是，独到的德国蔡司主动式扫描测头的测力直接受内部电磁发生器所控制，该影响测力之功能使得由于离心力影响所导致的变化得以主动地修正，实际测量力实现大化稳定对应于预设值，确保探针弯曲量变化小及高精确补偿，同时即便于高速扫描条件下探针亦不会偏离表面轨迹。
满足完整的动态补偿所需的Navigator（航者）关键要素如下：
D-CAA 补偿机体几何动态形变
探针形变动态补偿补偿探针动态形变
离心力补偿缩小测量力的动态变化，使得测量速度可大幅提升而无显著测量值偏差 （参见图2）

图2：使用（红）及非使用Navigator（蓝）条件下的扫描速度与直径偏差关系（测量直径112mm直径）

研究表明，相对校正与Navigator（航者）技术在相同的扫描速度条件下可达到近乎一致的精度（参见表1），但Navigator(航者)技术可适用于全量程近乎所有的测量任务，而无需要求每一被测要素均需校准。
再者，Navigator（航者）技术通过软件功能进一步优化了移动速度及大简化扫描参数选择以提高编程及程序修改的效率。
表1：相对校正与Navigator(航者)技术比对

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