數(shù)字化精密量儀的發(fā)展趨勢

數(shù)字化精密量儀的發(fā)展趨勢

數(shù)字化測量技術(shù)是數(shù)字化制造技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。開發(fā)亞微米、納米級(jí)高精度測量儀器，提高環(huán)境適應(yīng)能力，增強(qiáng)魯棒性，使精密測量裝備從計(jì)量室進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)場，集成、融入加工機(jī)床和制造系統(tǒng)，形成先進(jìn)的數(shù)字化閉環(huán)制造系統(tǒng)，是當(dāng)今精密測量技術(shù)的發(fā)展趨勢。

（1）數(shù)字化精密測量儀器的新動(dòng)向——進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)場，非接觸掃描測量倍受重視

　　三坐標(biāo)測量機(jī)作為精密測量儀器的基本型主導(dǎo)產(chǎn)品，繼續(xù)在機(jī)械制造業(yè)中得到重視和發(fā)展。以三坐標(biāo)測量機(jī)為代表的精密測量儀器進(jìn)入車間、服務(wù)于生產(chǎn)現(xiàn)場是發(fā)展的一個(gè)重要趨勢。例如，LEITZ公司的精密三坐標(biāo)測量機(jī)在車間用于測量大型齒輪就是一例。將數(shù)字化測量系統(tǒng)集成到數(shù)控加工機(jī)床上是另一個(gè)發(fā)展趨勢。例如，秦川機(jī)床廠的CNC成型齒輪磨床集成了在機(jī)齒輪測量系統(tǒng)。與光學(xué)/激光非接觸式掃描測量技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多功能、多種傳感器的集成和融合，使坐標(biāo)測量技術(shù)的應(yīng)用更加豐富，更適用于生產(chǎn)現(xiàn)場。

　�、倨�車大型覆蓋件的非接觸掃描測量精確而快速

　　配備有光學(xué)/激光式非接觸掃描傳感器的水平臂三坐標(biāo)測量機(jī)實(shí)現(xiàn)了對汽車大型覆蓋件的快速精密檢測。德國ZEISS公司和瑞典HEXAGON集團(tuán)等世界著名三坐標(biāo)測量機(jī)制造廠在該領(lǐng)域進(jìn)行了開發(fā)。瑞典HEXAGON集團(tuán)所屬DEA公司的PRIMA

　　C1系列水平臂測量機(jī)在CW43L型連續(xù)伺服關(guān)節(jié)測座上，可配備觸發(fā)式測頭、連續(xù)掃描測頭、光學(xué)或激光掃描測頭等多種測頭，以適應(yīng)不同測量環(huán)境和任務(wù)的要求。德國ZEISS公司的PROR Premium坐標(biāo)測量機(jī)配備有EagleEye導(dǎo)航系統(tǒng)和可控測座，能夠在汽車車身大型覆蓋件尤其是車身分總成的質(zhì)量過程控制中，對工件的幾何參數(shù)、表面和邊緣的特征點(diǎn)、間隙和貼合性等實(shí)施高速精密測量。

　�、趲Ъす鈷呙铚y量系統(tǒng)的便攜式柔性關(guān)節(jié)臂測量機(jī)功能增強(qiáng)

　　美國CIMCORE公司推出了配備有先進(jìn)激光掃描測量系統(tǒng)的關(guān)節(jié)臂測量機(jī)。該儀器采用碳纖維材料制造，重量輕而剛性好，其中INFINITE系列的還具有無線通訊功能。儀器采用PC-DMIS軟件，測量功能強(qiáng)。配上管件測量系統(tǒng)附件，還可實(shí)現(xiàn)對管件的長度、彎曲度、回彈等多種數(shù)據(jù)的測量和比較。測量范圍為1.2m的儀器點(diǎn)測重復(fù)精度達(dá)0.010mm，空間精度達(dá)0.015mm。用于反求工程時(shí)，不僅測量速度快，而且可實(shí)現(xiàn)測量過程的實(shí)時(shí)顯示和補(bǔ)漏測量數(shù)據(jù)的無縫拼接。該儀器可用于三坐標(biāo)測量、三維造型、產(chǎn)品測繪、反求工程、現(xiàn)場測量以及模具設(shè)計(jì)制造等涉及到設(shè)計(jì)、制造、過程檢測、在線檢測以及產(chǎn)品最終檢測等測量工作。美國FARO技術(shù)公司的FaroARM系列便攜式三坐標(biāo)測量臂具備類似的技術(shù)指標(biāo)和性能。我國西安愛德華測量機(jī)公司2005年也公開展示了自主開發(fā)的柔性關(guān)節(jié)臂測量機(jī)的樣機(jī)。

　　③軸類零件光電非接觸測量儀器發(fā)展迅速

　　汽車制造業(yè)的需求大大推進(jìn)了軸類精密零件非接觸測量技術(shù)的發(fā)展。瑞士TESA公司的TESA

　　Scan系列軸類零件快速掃描測量儀采用2個(gè)線陣CCD組件，通過工件的回轉(zhuǎn)和軸向移動(dòng)對工件進(jìn)行投影掃描，可實(shí)現(xiàn)對軸類零件位置誤差和形狀誤差的精確檢測、對截面形狀和輪廓度的評(píng)估比較以及統(tǒng)計(jì)質(zhì)量分析，還能對零件的局部（如過渡曲線、微小溝槽等）進(jìn)行放大測量。由于工件立柱可以傾斜，因而能對螺紋、蝸桿、絲桿等進(jìn)行全參數(shù)精度的精確測量，這是該儀器PLUS系列的一大特色。儀器在直徑方向上的分辨力為0.0003mm，精度2+（0.01D） µm，重復(fù)性0.001mm。德國SCHNEIDER的WMM系列軸類及工具測量儀操作簡單、測量速度高，特別適用于車間檢查站。儀器采用高分辨力的 Matrix攝像頭，可以快速獲取測量數(shù)據(jù)。儀器數(shù)顯分辨力為0.0001mm，長度測量不確定度為E2=（2.0+L/200）µm（L單位為mm）。

　�、苤行〕叽缙矫骖惥�密零件的二維、三維非接觸測量儀器應(yīng)用廣泛

　　帶CCD數(shù)字?jǐn)z像頭、激光測頭、觸發(fā)測頭的多傳感測頭光學(xué)坐標(biāo)測量儀器得到了快速發(fā)展。除德國MAHR公司的MARVISION系列三維光學(xué)坐標(biāo)測量機(jī)、瑞士TESA公司的三坐標(biāo)成像測量系統(tǒng)TESA SIO、德國SCHNEIDER公司的SKM系列3D多測頭坐標(biāo)測量機(jī)等典型產(chǎn)品外，美國OGP公司等著名廠商也有相應(yīng)產(chǎn)品展示。日本三豐公司CNC視像測量系統(tǒng)系列產(chǎn)品中的SV350-pro型測量機(jī)采用了自制的超高精度、高分辨力、低膨脹玻璃光柵基準(zhǔn)尺，儀器分辨力0.01µm，X、Y軸測量精度為（0.3+L/1000）µm，Z軸測量精度為（1+2L/1000）µm。三豐公司的Hyper

　　MF型測量顯微鏡的X、Y軸測量精度超過日本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0級(jí)，達(dá)±(0.9+3L/1000)µm，儀器分辨力0.01µm，是用于精密模具、精密切削刀具以及超小半導(dǎo)體電子元件（如芯片和集成電路等）精密檢測的理想選擇。國內(nèi)西安愛德華、東莞萬濠、蘇州怡信、深圳鑫磊以及北京天地宇等公司也開發(fā)了類似產(chǎn)品。貴陽新天光電公司近年注重新品開發(fā)，2004年成功推出了JX13C圖像處理萬能工具顯微鏡，采用金屬光柵和高分辨力的CCD攝像頭，儀器測量精度達(dá)到（1.0+L/100）µm，采用半導(dǎo)體激光導(dǎo)向快速確定測量位置。JX15A/B型視頻測量顯微鏡同樣采用了CCD數(shù)字成像技術(shù)，將采集到的被測工件圖像送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，進(jìn)行相應(yīng)幾何精度的檢測，產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)和水平上了一個(gè)檔次。深圳智泰公司VMT系列的3D影像量測儀，在CCD視覺測量系統(tǒng)上配備上高精度觸發(fā)式測頭，實(shí)現(xiàn)了多功能測量。

（2）數(shù)控機(jī)床精度檢測用激光測量技術(shù)的新進(jìn)展

　　為確保數(shù)控切削加工的質(zhì)量，除了在加工過程中和加工完成后對數(shù)控切削加工系統(tǒng)（包括工件在內(nèi)）進(jìn)行可行的監(jiān)控檢測外，在加工前對數(shù)控機(jī)床的精度和性能進(jìn)行檢測，以便確切了解掌握機(jī)床質(zhì)量現(xiàn)狀，進(jìn)而進(jìn)行必要的調(diào)整補(bǔ)償，使其達(dá)到最佳運(yùn)行性能，是一項(xiàng)非常重要的質(zhì)量控制措施。

　　眾所周知，國外著名廠商Renishaw、API及HP等公司生產(chǎn)的激光干涉儀測量系統(tǒng)和球桿儀等在數(shù)控機(jī)床的幾何精度和運(yùn)動(dòng)精度的檢測和監(jiān)控中，無論在機(jī)床制造廠還是機(jī)床使用廠，都得到了廣泛的應(yīng)用。Renishaw公司的金牌M10激光干涉測量系統(tǒng)，配備了高精度、高靈敏度的溫度、氣壓、濕度傳感器及EC10環(huán)境補(bǔ)償裝置，在工作環(huán)境下測量精度得到進(jìn)一步提高；API公司的Rmtea六維激光測量系統(tǒng)可同時(shí)測量6個(gè)數(shù)控機(jī)床精度項(xiàng)目的誤差，縮短了檢測時(shí)間，為生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)控機(jī)床的檢測和診斷提供了更為快速高效的精密測量手段。成都工具研究所的MJS系列雙頻激光干涉儀，分辨力0.01µm，測量軟件覆蓋了我國和世界主要工業(yè)國的數(shù)控機(jī)床精度標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定方法和指標(biāo)，動(dòng)態(tài)采樣功能可用于自動(dòng)補(bǔ)償。

　　美國光動(dòng)（Optodyne）公司近年推出的基于體對角線的激光矢量測量技術(shù)是快速測量和補(bǔ)償數(shù)控機(jī)床、加工中心三維空間位置誤差的一個(gè)新途徑。該技術(shù)由美國光動(dòng)公司發(fā)明并獲得專利，它遵循了ASME B5.54

　�。�1）和ISO0230-6（2）機(jī)床測量標(biāo)準(zhǔn)中對體對角線誤差測量的要求。對于構(gòu)成（X，Y，Z）直角坐標(biāo)系的三軸機(jī)床的21項(xiàng)幾何誤差，采用傳統(tǒng)激光干涉儀等來進(jìn)行檢測相當(dāng)費(fèi)時(shí)�；�于分步體對角線矢量測量原理，光動(dòng)公司采用專利的激光多普勒位移測量儀，借助大平面反射鏡完成四條對角線空間位置誤差的測量，獲得12組數(shù)據(jù)。通過計(jì)算確定機(jī)床12項(xiàng)基本誤差（3項(xiàng)位移誤差，6項(xiàng)直線度誤差和3項(xiàng)垂直度誤差），最終得到數(shù)控機(jī)床三維空間位置（定位）誤差。該公司曾介紹了在加工中心上進(jìn)行實(shí)際測量和補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用實(shí)例，借此表明該測量新技術(shù)在數(shù)控加工機(jī)床的精度檢測和精度補(bǔ)償上的可行性。對該項(xiàng)測量技術(shù)的認(rèn)識(shí)、推廣應(yīng)用的實(shí)際效果和前景值得行業(yè)關(guān)注。

結(jié)束語

　　數(shù)字化制造技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)。在數(shù)字化制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)將數(shù)控機(jī)床、數(shù)控刀具、數(shù)控測量儀器和加工對象（工件）以及相應(yīng)的信息集成融合在一起，構(gòu)成了的一個(gè)數(shù)字化閉環(huán)切削加工系統(tǒng)�？梢哉J(rèn)為這是CIMS理念中的一種具體實(shí)施形式。CIMS應(yīng)該具有多樣性，即具有不同水平和不同層次。從近年數(shù)控刀具閉環(huán)制造系統(tǒng)和圓柱齒輪、錐齒輪制造閉環(huán)系統(tǒng)的發(fā)展，可以得到啟示：應(yīng)結(jié)合實(shí)際，大處著眼，小處著手。專項(xiàng)（產(chǎn)品）數(shù)字化閉環(huán)制造系統(tǒng)也許是當(dāng)前CIMS領(lǐng)域的一條切實(shí)可行的發(fā)展途徑。

　　要提高我國機(jī)床工具行業(yè)的技術(shù)水平，增強(qiáng)競爭力，根本途徑就是提高自主創(chuàng)新能力，發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品和技術(shù)。從近幾屆我國舉辦的國際機(jī)床展覽會(huì)來看，我國精密工具行業(yè)的創(chuàng)新意識(shí)不斷加強(qiáng)，創(chuàng)新能力不斷提高，創(chuàng)新技術(shù)成果和產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。但是，我國精密工具制造行業(yè)的發(fā)展相比于我國機(jī)床制造行業(yè)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，無論在規(guī)模上還是技術(shù)先進(jìn)程度上都差距較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足和適應(yīng)先進(jìn)制造行業(yè)如轎車制造業(yè)、航空航天制造業(yè)、微電子制造業(yè)等的需求。工具行業(yè)需要緊跟機(jī)床制造行業(yè)，加強(qiáng)合作，加快發(fā)展。