坐标测量机(CMM)上的现代传感器系统
触觉或接触式探头是坐标测量领域最常见的计量技术，包括更专业的齿轮测量领域。触觉探针可以是有源的或无源的、仅扫描或触摸的，并且成本和性能可能因系统本身而异。它们由多家工业公司作为独立的OEM产品(例如Renishaw)提供，或者仅包含在其坐标测量机中(例如Zeiss、Klingelnberg和Hexagon)。它们的整体性能，尤其是稳健性和灵活性，已成为大多数计量任务的黄金标准。
多家公司(例如Wenzel、Gleason、Klingelnberg、Zeiss、Hexagon)提供不同的光学计量更新作为附加组件或包含在其坐标测量机的混合测量概念中。与触觉计量相比，其主要思想是提高测量速度。对于某些应用，非接触式光学系统的好处是对样品表面本身的影响可以忽略不计，也可能有利于减少对涂层或其他易碎表面的损坏。其他方法包括使用光学系统提供的附加信息，例如，分析颜色、材料吸收或有关表面粗糙度的信息。
CMM上的光学计量使用多种具有不同优势的技术。常见的传感器系统包括结构光扫描仪、采用点或线配置的不同激光颜色的激光三角测量，以及使用干涉或共焦彩色方法的白光传感器系统。大多数这些系统可从OEM公司购买或直接包含在他们的计量系统中(例如Keyence、Mitutoyo、Zeiss/GOM)。不太常见但可商用的系统包括共焦激光传感器、激光飞行时间系统和频率梳的使用。
光学齿轮计量
随着光学计量在坐标计量界的影响力不断增强，LED、激光器、数码相机和光学传感器等光学技术以不断提高的性能和越来越低的价格进入大众市场，使用光学技术进行快速、精确的齿轮计量的想法日益增多。过去二十年。本文简要概述了齿轮计量光学技术的历史，并描述了一种具有实际效果的混合(光学和触觉)齿轮测量方法。
在学术领域，光学齿轮计量在2000年左右开始受到更多关注。1997年，一份出版物试图推销在齿轮计量中使用光栅的想法。2003年，讨论了齿轮计量和分析的新方法，包括光学计量。2005年和2006年，演示了用于齿轮计量的条纹投影(结构光)。GOM(蔡司)使用并优化的一项技术，用于快速3D采集相当大的零件，例如汽车零件(例如门)甚至整车。2011年，展示了干涉测量系统。随着尼康于2012年为其光学轮廓测量设备申请了专利，业界慢慢开始加入这一进程。格里森于2017年展示了用于多传感器齿轮检测系统的激光技术，并于2019年展示了采用集成激光技术的齿轮滚动系统。此外，学术界于2019年展示了一种使用先进干涉技术的复杂方法，即数字多波长全息术。DWFritz因其使用多个激光三角测量传感器的非接触式计量技术ZeroTouch荣获2020年Fest & Sullivan 最佳实践奖。
Klingelnberg从1992年开始展示了学术级和工业级原型，包括激光三角测量、2004年的条纹图案投影、2011年的白光传感器和2015年的干涉光纤传感器。由此，定制的激光三角测量系统于2017年推向市场，定制的白光传感器于2018年展示。第一个白光传感器系统与P 26 齿轮测量机完全集成，并用于Klingelnberg的混合计量概念不久后就交付给客户了。
应该指出的是，混合计量学一词确实缺乏明确的定义。混合计量用于使用光学和触觉元件的直接组合(值得注意的提及)来表征混合传感器，以及以串行或并行方式使用分离的触觉和光学传感器的方法。该出版物中更详细地描述了该方法，该方法结合使用了触觉系统和单独的光学传感器。
用于齿轮计量的光学传感器
虽然计量行业和科学界使用了几种不同的传感器，但光学齿轮计量的三种主要传感器类型是激光三角测量、结构光投影和白光传感器。
激光三角测量
激光三角测量是齿轮计量最常见的系统，也经常用于其他工业应用。激光三角测量可实现紧凑、快速且经济实惠的系统，这些系统可从不同的OEM制造商处获得。根据应用，可以使用单点系统和线传感器。典型的激光颜色为红色(约655 nm)或蓝色波长范围(455 nm)，每种颜色对表面散射过程都有不同的影响。激光系统的功率通常为3R级或更低，从而产生输出功率小于5 mW 的可见光。具有较高输出功率或不可见光束的激光器可能很危险，并且计量系统可能需要特殊的保护和安全功能。虽然商用系统可以达到50 kHz 左右的采集速率(Keyence、Micro-Epsilon、和其他)以公平的价格计算，众所周知，可实现的精度存在根本限制。该主题在2021年针对齿轮形状测量进行了讨论，并与共焦色原理进行了比较。对于长时间测量，必须仔细控制紧凑型传感器的温度行为。
结构光投影
结构光投影或条纹图案投影的想法是基于对不同的众所周知的图案的不同行为的了解，这些图案被投影到目标上并使用立体相机设置进行成像。所使用的软件算法、图案结构、所使用的图案的数量、甚至所使用的光的波长可能会根据制造商或科学家的不同而有所不同。然而，传感器系统适用于较大零件的快速、完全数字化。因此，该技术已经成熟，可以从不同的制造商(GOM Metrology、Keyence等)购买。自2005年左右以来，学术界一直在讨论准确性和提高准确性的潜力。根据样品的表面类型，如齿轮。
白光传感器
白光传感器一词并不具体，可以应用于多种传感器技术。在大多数情况下，共焦彩色传感器或干涉传感器都用术语白光传感器来描述。共焦彩色传感器是共焦传感器的高级版本，用宽带光源取代单色光源，并用更复杂的光谱仪取代简单的基于强度的点检测器。通过对光谱仪光谱信息的智能解释，对共焦设置的这种修改获得了获取空间线区域距离信息的能力，但失去了原始设置的横向分辨率和简单性。OEM和独立系统可从不同的供应商处获得(例如Micro-Epsilon、Precitec、Keyence)。干涉传感器利用宽带光源的低时间相干性以及光谱仪或可调谐光源与更简单的强度检测器相结合来生成距离信息。更详细的解释可以在一篇有关光学相干断层扫描(OCT)的评论论文中找到，这是一种广泛应用于医学和生物界的技术。这两种技术都可以使用光纤轻松分离不同的光学组件(例如，传感器头、电子器件和光源)，从而更容易进行热管理。更详细的解释可以在一篇有关光学相干断层扫描(OCT)的评论论文中找到，这是一种广泛应用于医学和生物界的技术。这两种技术都可以使用光纤轻松分离不同的光学组件(例如，传感器头、电子器件和光源)，从而更容易进行热管理。更详细的解释可以在一篇有关光学相干断层扫描(OCT)的评论论文中找到，这是一种广泛应用于医学和生物界的技术。这两种技术都可以使用光纤轻松分离不同的光学组件(例如，传感器头、电子器件和光源)，从而更容易进行热管理。
值得注意的提及
有组合式触觉/光学测量系统，例如Werth光纤探头或Renishaw SP25M。虽然技术方面很有趣，但它们对齿轮计量界的影响似乎有限。对于其他方法来说也是如此，例如使用光学频率梳或纯激光共焦传感器。对于齿轮的小特征或非常小的齿轮(微型齿轮)，可以使用焦点变化技术或先进的散射光技术。这两种方法均可从不同的公司购买，包括Confovis、Keyence、Alicona和Optosurf。然而，即使对于小齿轮或粗糙度等特征，触觉系统仍然是黄金标准。针对不同技术(例如干涉测量)出现的相位展开问题，Wang等人讨论了齿轮齿面。2020年。
分辨率、准确性和再现性
在光学计量领域，术语分辨率用于描述系统的性能。详细讨论了具有不同标准(例如瑞利、Sparrow和阿贝)的横向和轴向分辨率以及相干和非相干照明的情况。对于工业环境中的齿轮计量来说，这个讨论不太重要。尽管如此，还是值得更精确地指出一些方面。
光斑尺寸与触觉触摸尺寸
众所周知，触觉测量系统所使用的球体的尺寸(直径)会影响测量结果。可以使用数学形态滤波器来描述影响，以描述或模拟触笔的机械滤波器，如DIN EN ISO 16610-41中的标准化。甚至还讨论了多尺度形态滤波器是否可以直接用于齿轮故障检测，但使用噪声数据而不是几何数据。关键的一点是，样本(齿轮)的实际表面与测量表上看到的特征数据点之间存在差异。一般来说，这种差异取决于测量点的大小和物理行为以及测量软件使用的附加滤波器。典型结果如图1所示。
图1 顶部的行显示了齿轮轮廓6.5毫米滚动路径上的480个数据点的模拟轮廓偏差。中间的行显示了使用1.5毫米触笔的形态滤波器的影响。底部的行显示应用高斯滤波器(3%窗口)的数据。
通过解释结果，读者必须记住，数据是模拟数据，其唯一目的是演示触笔的机械滤波器(由形态滤波器说明)和高斯滤波器(如在典型齿轮上看到的)的影响测量表。从这个例子可以看出，虽然高频分量可能发生巨大变化，但信号的低频分量(轮廓偏差)大部分保持不变。因此，根据齿轮特征的类型，数据可能会根据触针尺寸以及测量技术而变化。其原因是，与技术表面上的触觉笔相比，大多数光学系统在齿轮侧面上的光斑尺寸或触摸面积较小。此外，事实上，机械系统和光学系统之间的“接触”物理现象或测量系统与物体之间的相互作用是不同的。换句话说，数据的准确性与齿轮上的特征类型(低频或高频)以及所使用的计量技术(接触尺寸和物理)有关。为了实现最高精度，需要某种专业知识，可能由计量制造商或科学界开发的智能软件算法提供。
准确性和重复性
测量系统分析常用的方法是类型1研究，该方法将产生 从一系列至少 n = 25 次测量中获取的Cg 和 Cgk值 (参考文献26、27)。Cg值提供了有关再现性的信息，主要由测量过程的标准偏差(西格玛)表示，而Cgk 值 则添加了有关研究的准确性(测量值与实际值之间的差异)的信息。
Cg 值定义为：
其中 dt 是绘图公差系数，默认值为20% (0.2)，T是绘图公差本身，si 是西格玛间隔系数(通常为4，有时为6)， v 是标准差。Cg 和 Cgk常用的目标值为 1.33。标准差 v 由下式给出：
其中n(25或更多)表示测量次数，x i 是索引i的测量结果，x̄是所有n个测量结果的平均值。
图2显示了客户的目标Cg为1.33、dt为0.2、si为6的给定公差所需标准差的快速示例。
图2 目标Cg为1.33的示例的图纸公差和所需标准偏差。
虽然所需的再现性由图纸公差给出并且取决于应用，但对于汽车行业中的大多数齿轮特征来说，一个好的值是0.1 µm 左右的标准偏差。
设置
在实验中，使用了第六代Klingelnberg P26 计量系统，该系统配置用于混合计量，具有光学传感器包以及相应的2021年9月版本的软件。所采用的触觉系统是Klingelnberg专有的3D Nanoscan 触觉探测系统。该光学系统是专有的非接触式HISPEED OPTOSCAN，基于定制白光传感器，光斑尺寸约为12 µm。
CMM上光学传感器的基本精度和再现性
CMM精度和再现性方面的基本限制是由其定义和检索其中心/零位置的能力给出的，或者换句话说，由校准定义的。虽然该限制受到光学传感器本身的能力(例如分辨率)的影响，但它也受到CMM底盘的机械和热稳定性、平移台的质量、电机控制单元、温度控制、软件应用的过滤器和多种其他影响。
定义该校准过程的可重复性的研究通常是在高度受控环境中的明确条件下进行的，例如在用户影响最小的隔振气候室中。在这些条件下使用克林贝格杂交P26，并在样本量为 n = 100 的研究中进行分析。结果如图3所示。
图3 在受控条件下进行n = 100 次测量的预设研究。顶部的图表显示了每个轴(xyz)与平均值的偏差，底部的图表显示了测量之间的变化。
结果表明，在近乎完美的条件下，最大误差约为200 nm，x轴分量的标准偏差为28 nm，y轴分量的标准偏差为35 nm，z轴分量的标准偏差为38 nm。就测量系统分析而言，这将导致工艺就绪的公差，对于 Cg = 1.33 的相当具有挑战性的目标，具有6 v 间隔和1.6 µm 的0.2拉伸公差。
物理限制
虽然光学计量广泛应用于不同的工业、医学和生物领域，但齿轮界对其性能和行为一直持怀疑态度，而且光与物质之间的物理相互作用给光学齿轮计量带来了局限性。
吸收和反射
这种方法的主要限制是每个光学计量系统都需要返回某种类型检测器单元的光。两个物理过程可能会限制此路径：吸收和反射。例如，具有相当高光吸收率的目标(例如哑光黑色目标)永远不会成为光学计量的良好目标。对于反射率非常高的目标(例如镜状物体)也是如此，因为光将遵循反射定律，这在齿轮计量的情况下通常意味着反射光不会再次到达传感器。虽然这两种情况在齿轮行业都有可能出现，但在汽车行业甚至整个行业本身却不太可能出现。类似但不常见的情况是透明(塑料)齿轮，
污垢、灰尘、铁锈和油污
与污垢对测量结果的影响有限的触觉笔不同，非接触式光学技术将光路中的每个障碍物作为物体的一部分进行测量。为了达到最高的质量水平，需要清洁和干燥的物体。如果在生产过程中仔细执行齿轮的标准清洁过程(离心和使用气压)，则认为这不会对结果产生重大影响。不过，这需要提前检查。
阴影和探测角度
例如，根据所使用的传感器技术，如果照明光束和检测光束分开，齿轮的典型几何形状可能会导致阴影。这意味着齿轮的一部分被其他部分阻挡，从而导致齿轮上出现死角。通过对测量运动进行复杂的计算，通常与传感器头的附加旋转和/或平移台相结合，可以部分避免这种情况。
与接触过程始终与表面正交的触觉探头相比，大多数光学传感器系统并非如此。如果光学传感器头遵循齿轮的几何形状，则其速度优势的主要部分将被削弱。需要考虑这个过程的影响。然而，这主要与高频特征相关，例如粗糙度。
在下一节中，将提供用于齿轮分析的光学/混合计量任务的实际示例。此示例重点关注齿轮的节距测量。这是齿轮的行业标准计量任务，与其他计量任务相比，它占用了大部分测量时间。目标是展示混合计量概念相对于仅触觉测量速度的方法的改进。此外，通过进行校准研究证明了系统的总体精度。
混合计量用例示例
虽然在非常受控的环境中测量的结果是最佳情况的演示，但经验丰富的工程师会询问现实世界的情况。
在Klingelnberg Hybrid P 26的标准预验收过程中收到了以下结果。测量条件与温控车间相当。这意味着这绝对不是一个高级计量室，但也不是最糟糕的车间场景。对于验收程序的第一部分， 进行了n = 25 的校准(预设)研究。结果如图4所示。
图4 使用Klingelnberg Hybrid P 26 的光学传感器在生产车间中进行n = 100 次测量的预设研究。顶部的图显示了每个轴(xyz)与平均值的偏差，底部的图显示了显示测量之间的变化。
结果表明，最大误差约为640 nm，x轴分量的标准偏差为156 nm，y轴分量的标准偏差为161 nm，z轴分量的标准偏差为200 nm。
对于第二部分，在类型1研究中使用了 经过DAkkS认证的齿轮，其z = 63 个齿、法向模数 mn = 1.52 mm、压力角为17度、螺旋角为31.5度，并进行了n = 25 次测量。使用基于DIN ISO 1328 的质量等级4的齿轮公差，满足基于VDI/VDE 2612 / 2613 的A级测量机的要求。根据预验收程序，绘图公差系数为0.2，并使用四西格玛区间。结果如图5所示。
图5 对n = 25 次测量的1类研究进行统计分析，显示所有指数特征的Cg和Cgk值均显着大于1.33的目标，表明测量工具功能强大。在生产环境中使用Klingelnberg Hybrid P 26 的光学传感器进行测量。
ISO 1328 中描述了用于螺距偏差分析的参数，fpMax 是单个螺距偏差的最大值，Fp 是总累积螺距偏差，单位为µm，Fr 是跳动，单位为µm，mdK 是球的直径尺寸，单位为µm。微米。下标l表示齿轮的左齿面，r 表示齿轮的右齿面。
与触觉(点)方法相比，对于所使用的齿轮，光学指数测量方法的速度提高了约70%，而对于触觉侧面方法，速度提高甚至更大。这取决于齿轮的法向模数以及压力角。与压力角为17度的齿轮相比，稍大的压力角(例如20度)将带来更大的速度优势，通常达到80%左右的速度增益。说到相对值，测量时间的绝对增益还取决于齿数。一般来说，更多的牙齿会给光学方法带来更大的时间效益。
讨论
在Klingelnberg Hybrid P 26 上执行的光学指数测量方法的实际结果表明了几个结论：
用于指数测量的光学计量是一种能够加速齿轮测量的强大工具，即使是基于类型1研究结果的高质量齿轮，还留有一些余量。
索引测量的相对加速可能相当高(80%)，这对总体测量时间有影响，因为索引测量是最耗时的测量。一般时间的改进或齿轮吞吐量的更好的每日增益取决于为完整的质量控制过程执行的其他任务的数量以及齿轮的几何形状。测量四个齿上的轮廓和导程、第一个齿上的扭转检查、索引测量、跳动以及尖端和根部直径以及工件轴位置检测的典型过程仍然可以受益于15之间的光学索引测量指示。齿轮每日吞吐量增加%至30%。
正常生产环境中的预设测量显示，预设值会根据温度变化而出现微小漂移，如图4所示。预设值的这种漂移与材料(例如，用于固定光学元件)的膨胀有关，基于温度变化。通过对温度补偿模型进行额外调整以将光学系统包括在内，将来可以将这种漂移降至最低。目标是在标准生产环境中实现优化的标准偏差。
仅当速度的提高不会带来精度或再现性的损失时，齿轮的光学计量才被接受。两者都需要在现实环境中使用经过认证的主零件进行研究来检查。齿轮测量界面临着现代齿轮公差相当低的挑战，特别是在电动汽车、触觉和光学计量领域。
这项研究的结果表明，与纯触觉方法相比，混合音高测量具有很大的优势。未来将证明这项技术是否会在业界得到广泛接受。然而，从我们的角度来看，这项技术是有前途的。
总结与展望
基于当今的技术，光学计量如果嵌入混合计量概念中，将是一种强大的工具，可以增强用户的齿轮计量体验。它可以提高特定任务(例如指标测量)的测量速度，从而降低质量成本。
此外，如果未来的测量任务具有相当大的复杂性，光学计量将有利于它们。所有未来的质量控制策略，例如地形测量、100%工业4.0、闭环或整体方法，都将需要复杂的测量策略。因此，现代质量控制将受益于快速光学计量。与触觉金标准相比，光学计量是否具有相似或更好的精度。
我们认为混合方法虽然仍需要一些微调和更广泛的功能，但它是齿轮计量的未来。