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數(shù)字化精密量儀的發(fā)展前景
數(shù)字化測(cè)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(cè)量儀器,提高環(huán)境適應(yīng)能力,增強(qiáng)魯棒性,使精密測(cè)量裝備從計(jì)量室進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),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(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
(1)數(shù)字化精密測(cè)量儀器的新動(dòng)向——進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),非接觸掃描測(cè)量倍受重視
三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為
精密測(cè)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(cè)量機(jī)為代表的精密測(cè)量儀器進(jìn)入車間、服務(wù)于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)是發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。例如,LEITZ公司的精密三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在車間用于測(cè)量大型齒輪就是一例。將數(shù)字化測(cè)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(shì)。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(cè)量系統(tǒng)。與光學(xué)/激光非接觸式掃描測(cè)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(cè)量技術(shù)的應(yīng)用更加豐富,更適用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。
①汽車大型覆蓋件的非接觸掃描測(cè)量**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(cè)量機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車大型覆蓋件的快速精密檢測(cè)。德國ZEISS公司和瑞典HEXAGON集團(tuán)等世界有名三坐標(biāo)測(cè)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(cè)量機(jī)在CW43L型連續(xù)伺服關(guān)節(jié)測(cè)座上,可配備觸發(fā)式測(cè)頭、連續(xù)掃描測(cè)頭、光學(xué)或激光掃描測(cè)頭等多種測(cè)頭,以適應(yīng)不同測(cè)量環(huán)境和任務(wù)的要求。德國ZEISS公司的PROR Premium坐標(biāo)測(cè)量機(jī)配備有EagleEye導(dǎo)航系統(tǒng)和可控測(cè)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(duì)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(cè)量。
②帶激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的便攜式柔性關(guān)節(jié)臂測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的關(guān)節(jié)臂測(cè)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(cè)量功能強(qiáng)。配上管件測(cè)量系統(tǒng)附件,還可實(shí)現(xiàn)對(duì)管件的長度、彎曲度、回彈等多種數(shù)據(jù)的測(cè)量和比較。測(cè)量范圍為 1.2m的儀器點(diǎn)測(cè)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(cè)量速度快,而且可實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程的實(shí)時(shí)顯示和補(bǔ)漏測(cè)量數(shù)據(jù)的無縫拼接。該儀器可用于三坐標(biāo)測(cè)量、三維造型、產(chǎn)品測(cè)繪、反求工程、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)、在線檢測(cè)以及產(chǎn)品*終檢測(cè)等測(cè)量工作。美國FARO技術(shù)公司的FaroARM系列便攜式三坐標(biāo)測(cè)量臂具備類似的技術(shù)指標(biāo)和性能。我國西安愛德華測(cè)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(cè)量機(jī)的樣機(jī)。
③軸類零件光電非接觸測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)工件進(jìn)行投影掃描,可實(shí)現(xiàn)對(duì)軸類零件位置誤差和形狀誤差的**檢測(cè)、對(duì)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(duì)零件的局部(如過渡曲線、微小溝槽等)進(jìn)行放大測(cè)量。由于工件立柱可以傾斜,因而能對(duì)螺紋、蝸桿、絲桿等進(jìn)行全參數(shù)精度的**測(cè)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) ?m,重復(fù)性0.001mm。德國SCHNEIDER的WMM系列軸類及工具測(cè)量儀操作簡單、測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)。儀器數(shù)顯分辨力為0.0001mm,長度測(cè)量不確定度為E2=(2.0+L/200)?m(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(cè)量儀器應(yīng)用廣泛
帶CCD數(shù)字?jǐn)z像頭、激光測(cè)頭、觸發(fā)測(cè)頭的多傳感測(cè)頭光學(xué)坐標(biāo)測(cè)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(cè)量機(jī)、瑞士TESA公司的三坐標(biāo)成像測(cè)量系統(tǒng)TESA SIO、德國SCHNEIDER公司的SKM系列3D多測(cè)頭坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等典型產(chǎn)品外,美國OGP公司等有名廠商也有相應(yīng)產(chǎn)品展示。日本三豐公司CNC視像測(cè)量系統(tǒng)系列產(chǎn)品中的SV350-pro型測(cè)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0.01?m,X、Y軸測(cè)量精度為(0.3+L/1000)?m,Z軸測(cè)量精度為(1+2L/1000)?m。三豐公司的Hyper
MF型測(cè)量顯微鏡的X、Y軸測(cè)量精度超過日本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0級(jí),達(dá)±(0.9+3L/1000)?m,儀器分辨力0.01?m,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(cè)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(cè)量精度達(dá)到(1.0+L/100)?m,采用半導(dǎo)體激光導(dǎo)向快速確定測(cè)量位置。JX15A/B型視頻測(cè)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(cè)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(cè),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(cè)儀,在CCD視覺測(cè)量系統(tǒng)上配備上高精度觸發(fā)式測(cè)頭,實(shí)現(xiàn)了多功能測(cè)量。
(2)數(shù)控機(jī)床精度檢測(cè)用激光測(cè)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(duì)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(cè)外,在加工前對(duì)數(shù)控機(jī)床的精度和性能進(jìn)行檢測(cè),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*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,國外有名廠商Renishaw、API及HP等公司生產(chǎn)的激光干涉儀測(cè)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(cè)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**M10激光干涉測(cè)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(cè)量精度得到進(jìn)一步提高;API公司的Rmtea六維激光測(cè)量系統(tǒng)可同時(shí)測(cè)量6個(gè)數(shù)控機(jī)床精度項(xiàng)目的誤差,縮短了檢測(cè)時(shí)間,為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)和診斷提供了更為快速高效的精密測(cè)量手段。成都工具研究所的MJS系列雙頻激光干涉儀,分辨力0.01?m,測(cè)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(duì)角線的激光矢量測(cè)量技術(shù)是快速測(cè)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**,它遵循了ASME B5.54
(1)和ISO0230-6(2)機(jī)床測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)體對(duì)角線誤差測(cè)量的要求。對(duì)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(cè)相當(dāng)費(fèi)時(shí)。基于分步體對(duì)角線矢量測(cè)量原理,光動(dòng)公司采用**的激光多普勒位移測(cè)量儀,借助大平面反射鏡完成四條對(duì)角線空間位置誤差的測(cè)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),*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(cè)量和補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用實(shí)例,借此表明該測(cè)量新技術(shù)在數(shù)控加工機(jī)床的精度檢測(cè)和精度補(bǔ)償上的可行性。對(duì)該項(xiàng)測(cè)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(cè)量儀器和加工對(duì)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)。可以認(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(jìng)爭(zhēng)力,根本途徑就是提高自主**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**意識(shí)不斷加強(qiáng),**能力不斷提高,**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。
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