蔡司三坐標(biāo)接觸式測頭與光學(xué)測頭的區(qū)別

近年來流行著一些帶有誤導(dǎo)性的宣傳，導(dǎo)致部分用戶對光學(xué)掃描測頭有過高的期待，例如“用光學(xué)測頭一掃，零件的所有尺寸都出來了”等等，這對光學(xué)測頭實(shí)際上存在很大的誤解。從目前的狀態(tài)來說，接觸式與光學(xué)測頭之間主要是相互補(bǔ)充的關(guān)系，而非競爭。 那接觸式和光學(xué)測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)測頭的種類說起。三維光學(xué)測頭有不同的分類，比如點(diǎn)光源、線光源、面光源，不同的測頭其應(yīng)用場合有顯著區(qū)別。我們將光學(xué)測頭的應(yīng)用大致分成兩類：表面數(shù)字化和三維測量。有人不禁會(huì)有疑問：表面數(shù)字化和三維測量不是一回事嗎?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量，但這種測量模式是基于數(shù)字化后的零件模型，與傳統(tǒng)的直接測量特征元素還是有根本區(qū)別。

對于表面數(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)。而對于接觸式測頭來說，一個(gè)一個(gè)點(diǎn)逐次獲取的方式是無法勝任百萬數(shù)量級點(diǎn)數(shù)的要求的，哪怕是連續(xù)掃描測頭，也只是通過測頭不離開零件表面的方式來提高取點(diǎn)速度，本質(zhì)上還是單點(diǎn)采集。這類應(yīng)用當(dāng)中，線光源和面光源測頭就很好彌補(bǔ)了接觸式測頭的不足，線掃描測頭通過一條由若干點(diǎn)的激光在工件表面移動(dòng)，即可掃描出一片區(qū)域;而面拍照測頭則是通過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模型做對比，獲取零件整體/局部輪廓的偏差，三維尺寸測量或者逆向工程等等。但是這種測量方式用于尺寸與行為公差測量時(shí)，通常無法符合測量工藝流程的要求(如建立測量基準(zhǔn)、選擇元素?cái)M合方法、選取評價(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，或出于測量效率的要求，確實(shí)需要非接觸式測量。對于此類應(yīng)用，點(diǎn)光源測頭也很好彌補(bǔ)了接觸式測頭的不足。 其實(shí)，光學(xué)測頭相比接觸式測頭還有另一方面的優(yōu)勢。接觸式測頭采點(diǎn)時(shí)，測頭記錄的是測球中心的空間坐標(biāo)，然后根據(jù)測球半徑來進(jìn)行補(bǔ)償，得出實(shí)際點(diǎn)的坐標(biāo)。但當(dāng)測量特定位置的三維曲線時(shí)，如果不按照測點(diǎn)的法線方向去采點(diǎn)，會(huì)存在半徑補(bǔ)償余弦誤差;而如果按照測點(diǎn)的法線方向去采點(diǎn)，又會(huì)產(chǎn)生實(shí)際測點(diǎn)位置出現(xiàn)偏差的情況。這種情形在測量透平葉片時(shí)尤為常見。

▲ 接觸式測頭采點(diǎn)

非接觸式光學(xué)測頭直接利用光點(diǎn)的反射信號(hào)來獲取被測點(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，在測量易變性零件時(shí)，雖然測力不大，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，測量頂部截面時(shí)，葉盆時(shí)葉片受到測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，其相對變形量還是非常可觀的，會(huì)對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)測頭以外，面光源拍照式測頭也能具備三維測量能力，但是拍照式測頭在用作三維測量時(shí)，并不是基于獲得的點(diǎn)云來進(jìn)行的，而是直接依靠捕捉的三維圖像提取被測元素。而且，當(dāng)拍照式測頭用于三維測量時(shí)并不單獨(dú)使用，而是配合接觸式測頭一起，由接觸式測頭負(fù)責(zé)建立測量基準(zhǔn)，而拍照式測頭則是針對一些特殊元素特征(例如孔、槽等)進(jìn)行測量。 光學(xué)測頭雖然有一些接觸式測頭無法提供的優(yōu)勢，但并無法完全替代接觸式測頭，其原因在于光線的可觸及性不如接觸式測頭。測球的各個(gè)部位都可以去接觸被測物體來采點(diǎn)，但光的傳播是沿直線的，我們無法讓光“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型測針的場合，接觸式測頭比光學(xué)測頭更方便。

沒有最好的測頭，更沒有萬能的測頭，究竟怎么選擇最終還是取決于測量需求。在繁多的測頭種類面前，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。