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    數字化精密量儀的發展

    2006-12-28 控制工程

    數字化測量技術是數字化制造技術中的關鍵技術之一。開發亞微米、納米級高精度測量儀器,提高環境適應能力,增強魯棒性,使精密測量裝備從計量室進入生產現場,集成、融入加工機床和制造系統,形成先進的數字化閉環制造系統,是當今精密測量技術的發展趨勢。  

        數字化精密測量儀器的新動向——進入生產現場,非接觸掃描測量倍受重視 

           三坐標測量機作為精密測量儀器的基本型主導產品,繼續在機械制造業中得到重視和發展。以三坐標測量機為代表的精密測量儀器進入車間、服務于生產現場是發展的一個重要趨勢。例如,LEITZ公司的精密三坐標測量機在車間用于測量大型齒輪就是一例。將數字化測量系統集成到數控加工機床上是另一個發展趨勢。例如,秦川機床廠的CNC成型齒輪磨床集成了在機齒輪測量系統。與光學/激光非接觸式掃描測量技術相結合,實現多功能、多種傳感器的集成和融合,使坐標測量技術的應用更加豐富,更適用于生產現場。 

        ① 汽車大型覆蓋件的非接觸掃描測量精確而快速 

           配備有光學/激光式非接觸掃描傳感器的水平臂三坐標測量機實現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集團等世界著名三坐標測量機制造廠在該領域進行了開發。瑞典HEXAGON集團所屬DEA公司的PRIMA C1系列水平臂測量機在CW43L型連續伺服關節測座上,可配備觸發式測頭、連續掃描測頭、光學或激光掃描測頭等多種測頭,以適應不同測量環境和任務的要求。德國ZEISS公司的PROR Premium坐標測量機配備有EagleEye導航系統和可控測座,能夠在汽車車身大型覆蓋件尤其是車身分總成的質量過程控制中,對工件的幾何參數、表面和邊緣的特征點、間隙和貼合性等實施高速精密測量。 

        ② 帶激光掃描測量系統的便攜式柔性關節臂測量機功能增強 

           美國CIMCORE公司推出了配備有先進激光掃描測量系統的關節臂測量機。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。配上管件測量系統附件,還可實現對管件的長度、彎曲度、回彈等多種數據的測量和比較。測量范圍為1.2m的儀器點測重復精度達0.010mm,空間精度達0.015mm。用于反求工程時,不僅測量速度快,而且可實現測量過程的實時顯示和補漏測量數據的無縫拼接。該儀器可用于三坐標測量、三維造型、產品測繪、反求工程、現場測量以及模具設計制造等涉及到設計、制造、過程檢測、在線檢測以及產品最終檢測等測量工作。美國FARO技術公司的FaroARM系列便攜式三坐標測量臂具備類似的技術指標和性能。我國西安愛德華測量機公司2005年也公開展示了自主開發的柔性關節臂測量機的樣機。 

          ③ 軸類零件光電非接觸測量儀器發展迅速 

            汽車制造業的需求大大推進了軸類精密零件非接觸測量技術的發展。瑞士TESA公司的TESA Scan系列軸類零件快速掃描測量儀采用2個線陣CCD組件,通過工件的回轉和軸向移動對工件進行投影掃描,可實現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估比較以及統計質量分析,還能對零件的局部(如過渡曲線、微小溝槽等)進行放大測量。由于工件立柱可以傾斜,因而能對螺紋、蝸桿、絲桿等進行全參數精度的精確測量,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據。儀器數顯分辨力為0.0001mm,長度測量不確定度為E2=(2.0+L/200)μm(L單位為mm)。 

        ④ 中小尺寸平面類精密零件的二維、三維非接觸測量儀器應用廣泛 

           帶CCD數字攝像頭、激光測頭、觸發測頭的多傳感測頭光學坐標測量儀器得到了快速發展。除德國MAHR公司的MARVISION系列三維光學坐標測量機、瑞士TESA公司的三坐標成像測量系統TESA VISIO、德國SCHNEIDER公司的SKM系列3D多測頭坐標測量機等典型產品外,美國OGP公司等著名廠商也有相應產品展示。日本三豐公司CNC視像測量系統系列產品中的SV350-pro型測量機采用了自制的超高精度、高分辨力、低膨脹玻璃光柵基準尺,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準規定的0級,達±(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了類似產品。貴陽新天光電公司近年注重新品開發,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,儀器測量精度達到(1.0+L/100)μm,采用半導體激光導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數字成像技術,將采集到的被測工件圖像送入計算機進行處理,進行相應幾何精度的檢測,產品技術指標和水平上了一 
    個檔次。深圳智泰公司VMT系列的3D影像量測儀,在CCD視覺測量系統上配備上高精度觸發式測頭,實現了多功能測量。 

           數控機床精度檢測用激光測量技術的新進展 

          為確保數控切削加工的質量,除了在加工過程中和加工完成后對數控切削加工系統(包括工件在內)進行可行的監控檢測外,在加工前對數控機床的精度和性能進行檢測,以便確切了解掌握機床質量現狀,進而進行必要的調整補償,使其達到最佳運行性能,是一項非常重要的質量控制措施。 

           眾所周知,國外著名廠商Renishaw、API及HP等公司生產的激光干涉儀測量系統和球桿儀等在數控機床的幾何精度和運動精度的檢測和監控中,無論在機床制造廠還是機床使用廠,都得到了廣泛的應用。Renishaw公司的金牌M10激光干涉測量系統,配備了高精度、高靈敏度的溫度、氣壓、濕度傳感器及EC10環境補償裝置,在工作環境下測量精度得到進一步提高;API公司的Rmtea六維激光測量系統可同時測量6個數控機床精度項目的誤差,縮短了檢測時間,為生產現場數控機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國的數控機床精度標準評定方法和指標,動態采樣功能可用于自動補償。 

           美國光動(Optodyne)公司近年推出的基于體對角線的激光矢量測量技術是快速測量和補償數控機床、加工中心三維空間位置誤差的一個新途徑。該技術由美國光動公司發明并獲得專利,它遵循了ASME B5.54(1)和ISO0230-6(2)機床測量標準中對體對角線誤差測量的要求。對于構成(X,Y,Z)直角坐標系的三軸機床的21項幾何誤差,采用傳統激光干涉儀等來進行檢測相當費時。基于分步體對角線矢量測量原理,光動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組數據。通過計算確定機床12項基本誤差(3項位移誤差,6項直線度誤差和3項垂直度誤差),最終得到數控機床三維空間位置(定位)誤差。該公司曾介紹了在加工中心上進行實際測量和補償的應用實例,借此表明該測量新技術在數控加工機床的精度檢測和精度補償上的可行性。對該項測量技術的認識、推廣應用的實際效果和前景值得行業關注。 

           結束語 

           數字化制造技術是先進制造技術的基礎。在數字化制造技術的基礎上,通過計算機技術、通訊技術將數控機床、數控刀具、數控測量儀器和加工對象(工件)以及相應的信息集成融合在一起,構成了的一個數字化閉環切削加工系統。可以認為這是CIMS理念中的一種具體實施形式。CIMS應該具有多樣性,即具有不同水平和不同層次。從近年數控刀具閉環制造系統和圓柱齒輪、錐齒輪制造閉環系統的發展,可以得到啟示:應結合實際,大處著眼,小處著手。專項(產品)數字化閉環制造系統也許是當前CIMS領域的一條切實可行的發展途徑。 

           要提高我國機床工具行業的技術水平,增強競爭力,根本途徑就是提高自主創新能力,發展具有自主知識產權的產品和技術。從近幾屆我國舉辦的國際機床展覽會來看,我國精密工具行業的創新意識不斷加強,創新能力不斷提高,創新技術成果和產品不斷出現。但是,我國精密工具制造行業的發展相比于我國機床制造行業數控機床的發展,無論在規模上還是技術先進程度上都差距較大,遠遠不能滿足和適應先進制造行業如轎車制造業、航空航天制造業、微電子制造業等的需求。工具行業需要緊跟機床制造行業,加強合作,加快發展。


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