KLINGELNBERG (克林貝格)光學測量：來自于實驗室應用到標準常規測量

GUIDE

導讀

光學測量的初始研發階段主要集中在實驗室領域的應用，而現在可用的解決方案將系統地應用到圓柱齒輪批量測量中。主要優勢是通過將測量時間*多縮短40%，從而達到更高的效率。

在2017年的漢諾威EMO展會上，Klingelnberg(克林貝格)就**展示了光學測量混合解決方案的初始研發階段。當時的應用主要集中在軸對稱齒輪零部件的數字化上。

因此，錐齒輪和圓柱齒輪等部件以及其它幾何形狀都可以采用極高的點密度(數字化)進行測量，然后進行額外的處理。

這種額外的處理非常靈活。除了簡單地將結果描繪為3D模型之外，還可以與CAD目標幾何體進行比較，或者可以通過創建截面圖形進行幾何評估。例如，此應用被使用在逆向工程中。

“在過去三年中，我們顯著地提升了我們的Klingelnberg(克林貝格)光學測量系統，”Klingelnberg(克林貝格)光學測量項目經理Markus Finkeldey解釋說。“特別是在傳感器系統、測量數據采集和進一步處理方面，取得了重大進展。”

*亞微米級的高精度

在初始研發階段，使用了高精度激光三角傳感器。這種傳感器技術非常適合上述數字化應用。然而，激光三角測量的物理限制約束了其對齒輪部件的亞微米級測量。

“由于多年來精密測量中心的齒輪接觸式測量已經極其成熟，測量精度也令人印象深刻，因此我們的客戶對Klingelnberg(克林貝格)測量中心的光學測量的期望也相應很高，”Klingelnberg(克林貝格)的應用工程師Peter Mancasola指出。“僅進行數字化可接受的精度限制對于其他測量任務是不可接受的。”

*新型白光測量系統

為此，Klingelnberg(克林貝格)一直專注于光學測量的整個信號鏈，并與其他研發合作伙伴聯手開發了針對齒輪測量要求量身定制的白光測量系統。 

在該系統中，有載流元件，例如大功率光源、電子元件和信號處理裝置，與控制柜中的傳感器分開布置。

這樣做的顯著優勢在于可以防止在傳感器本身以及傳感器周圍區域，例如：3D測頭上發生熱效應。與激光傳感器相比，該傳感器具有更有利的、緊湊的設計。

此外，與激光傳感器相比，由于同軸光直接指向零件表面并返回，因此該傳感器在所有方向上均同等工作。

圖1:采用HISPEED OPTOSCAN測量齒距

大鏡頭光圈可以在高度傾斜的表面上進行測量，這在齒輪測量上是必然發生的情況。得益于系統的高分辨率，現在可以確保在亞微米范圍內進行測量。

小結：

Klingelnberg(克林貝格)光學測量——新的起點

Klingelnberg (克林貝格)擁有系統性先進的光學測量，并引入了一種新的白光傳感器技術，非常適合亞微米范圍內的測量。這將允許接觸式齒距測量被光學測量所取代，從而顯著減少批量測量應用中的測量時間。

*降低批量測量時間

整個零件的數字化是光學測量非常適合的應用。然而，對于高精度磨削傳動齒輪的批量測量，沒有必要以高密度點測量整個零件的幾何形狀。

相反，重點是有接觸式測量級別的高測量精度，同時減少測量時間。出于這個原因，Klingelnberg (克林貝格)在其光學測量的*新發展階段制定了解決方案。

圖2:測量運行示意圖

在圓錐齒輪的批量測量中，通常在三個或四個齒上測量齒形和齒向，對所有齒進行齒距測量。這種接觸式齒距測量必然需要將測針伸入每個齒槽中。

相比之下，通過光學測量，測針無需伸入到齒槽中。
因此，齒距測量提供了很大的可能性來減少測量時間。
通過對零件進行一次連續、不間斷的轉動，對齒距進行光學測量，測量時間的優勢隨著齒數的增加而提升80%。無需多次旋轉掃描齒輪的大片區域。

圖3:光學傳感器縮回狀態

這種光學式齒距測量將與接觸式齒形齒向測量相結合。總的來說，總測量時間*多可減少40%。
因此，在測量中心使用率高的情況下，光學測量配置的成本很快就可以收回。

圖4:光學傳感器伸出狀態

*高精度測量結果

然而，減少測量時間并不是唯壹的關鍵因素。同樣重要的是實現測量結果的高精度，即使是針對磨削表面和大齒形角的極其復雜的齒輪也是如此。
這是對傳感器技術、分析算法和測量策略進行深入優化后的結果。

圖5:產品范圍

操作上唯壹的區別是用戶必須在已經熟悉的圓柱齒輪測量軟件中選擇光學齒距測量。測量過程會相應地自動修改，并使用光學傳感器進行齒距測量。
接觸式3D NANOSCAN探測系統和光學HISPEED OPTOSCAN傳感器在整個測量過程中自動切換，耗時約1.5秒。

圖6:用戶界面測量軟件，選擇光學齒距測量

通過從接觸式測量切換到光學齒距測量，圓柱齒輪的批量測量時間*多可減少40%。

在一系列內部分析中, Klingelnberg(克林貝格)評估了一組典型的來自于乘用車變速器、電動汽車和量規領域的圓柱齒輪。

在具有不同反射和吸收特性、以及不同精度等級的一系列齒輪形狀下，實現了與接觸式測量同等的精度。該系統甚至可以用于具有極其精細的表面和粗糙度Rz=1μm的齒輪。

Klingelnberg(克林貝格)應用工程技術主管Holger Haybach說道:“為了毫無疑問地確定一個零件是否適合光學測量以及是否可以實現相應的測量時間優勢，我們可以給用戶提供試測和演示”。

*越多，越好

就可以實現的測量時間優勢而言，有一點是正確的:齒數越多，優勢就越大。

然而，如下表中的示例所示，即使是具有29個齒的零件也能從顯著的時間優勢中受益。

圖7:測量結果,齒形和齒向

*下一個發展階段

該系統為進一步的應用提供了巨大的潛力。尤其是對于涉及耗時的單個觸碰和復雜運動模式的接觸操作組成的測量任務，光學測量能夠減少測量時間。 但光學測量也是復雜幾何形狀上快速掃描步驟的理想選擇。

接觸式測量

接觸式測量                 光學測量

圖8:齒距測量結果,接觸式和光學測量結果對比

圖9:測量示例

Klingelnberg (克林貝格)精密測量中心產品線總監Christof Gorgels博士展望道：

“對于系統的進一步開發，我們已經有了很多想法，包括齒根和齒頂測量，軸向位置，圓度和其它形狀測量任務。 我們希望利用客戶的反饋來確定優先項目。這就是為什么我們對Klingelnberg(克林貝格)光學測量有濃厚的興趣以及我們對與用戶進行對話而感到高興。”

“我們使用光學測量來減少測量時間，從而為降低質量成本做出重大貢獻。”—— Christof Gorgels 博士精密測量中心產品線總監

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