提高测量技术的重要性

作者：王文光 编译

欢迎访问e展厅 展厅 5 三维打印机展厅 三维打印机, 快速成型机, 3D打印材料/光固化材料, 快速成型制造软件, ... 在高质量产品的制造和高效率生产环境的构建中，测量技术起到了很大的作用，其重要性与日俱增。尤其在生产国际化、全球经济一体化迅速发展的时期，要求不同地区生产的高精度零部件，必须具有良好的互换性，因此，急需建立一种基于国际标准的拥有极佳测量精度及可靠性的测量体制。为了满足上述要求，精密测量仪器必须具有更高的精度、质量和可靠性。各个仪器生产厂商也都在积极开发功能更强、服务性能更好的新产品，而从中我们可以看到测量仪器的最新动向。 加工和测量犹如车上的两个轮子 近年来，随着经济的复苏，制造业设备运转率不断提高，长期处于不景气的测量仪器生产也有较大的增长。日本通商产业省机械统计资料表明，2003年精密测量机（含光学测量机）的产值比2002年增长20.7%，2004年1～6月，比2003年同期增长22.1%。 目前，生产现场非常重视提高加工效率和降低生产成本，其中，最重要的便是生产出高质量的产品。为此，必须实行严格的质量管理，只有在保证高质量生产的前提下，制造业才能生存和发展。作为保证制造业顺利发展的重要手段，高精度零部件构成的加工机床和由高精度测量仪器组合集成的加工生产线构建成的自律式加工系统，是很有必要的。据此可以预计，今后，市场对用于质量管理的测量系统和机器设备的需求将不断增长。 制造业生产现场对测量仪器及装置的要求大致如下：①能够适应广泛范围的环境温度；②抗污染和防振动性能优异；③测量重复精度高；④使用方便。目前，各厂家以便于在加工环境使用为前提，正积极地开发新产品，这些新产品能够进行高速、高精度测量，而且稳定性极佳，操作便捷。 在测量技术方面，日本精密测量仪器工业协会常务理事龟井明敏指出：“任何一种加工设备，无论其多么先进，均会出现由热变形引起的偏移和由工具磨损产生的误差，而要掌握这些偏移和误差，则必须依靠测量技术。”龟井认为，在现场加工过程中，进行测量作业的目标应该是：“①判断产品质量是否合格：即在加工过程中配置测量环节，保证其能够进行最终加工；②检测工具磨损、热变形等引起的误差：根据输出的补偿信号，采取相应的措施；③选取生产节拍和制品精度的最佳配合：不仅要保证所选适应技术等绝对精度，还应保证获得相对精度，从而提高总体生产效率。在这些过程中，测量技术起着举足轻重的作用。” 不久前举办的第22届日本国际机床工具展览会（JIMTOF 2004）上反映出，人们普遍认识到测量技术在产品质量管理中的重要作用，因此，在测量仪器相关展台前，参观者总是络绎不绝。 提高测量技术的认识 在汽车零件及其它各种机械零件的测量中，目前已大量采用三坐标测量机，在电气及电子零件测量方面，则大量采用显微镜或图像测量仪。随着加工精度的提高，测量精度的要求也不断提高。目前，测量精度达1μm以内的超高精度三坐标测量机、显微镜、图像测量机等已开始普及。其中，初项（首项）误差为0.35μm的三坐标测量机已投放市场。另外，整个零件均采用摄像头（照相机）或激光进行测量，并可对尺寸测量及整体形貌进行评价的测量机也已大量使用。 近期，人们对大幅度提高测量精度极为关注。原来为0.1mm左右的精度，现在已能达到10μm甚至几μm的水平。带摄像头的专用测量机或三坐标测量机已配置带有在线激光测头系统等附属装置，使之具有多种测量功能。另外，推出的能与接触式测头自动切换、配备轻而小的图像测头的三坐标测量机，可在一台仪器上实现接触式和非接触式的测量。 如何抑制高速运动和加减速时产生的振动，提高测量机的可靠性，也是人们关注的问题。各公司在设计产品时，均尽可能提高测量机的刚性和采用高水平的驱动控制技术，以减轻测量过程中的振动。 目前，在测量仪器制造业中，各方面均占有很大优势的三丰公司（Mitutoyo）、德国卡尔蔡司+东京精密及海克斯康集团（Leitz、Brown&sharpe、DEA、Tesa、Sheffield及其他）形成了三大巨头鼎立态势。当然，还有一些公司分别以其独创的技术，尽可能开展一些有别于同行企业的营销战略。譬如阿卡西公司就特别重视抑制振动的技术，为了满足用户对高灵敏度、高分辨力振动消除器的需求，该公司将进一步扩大多种振动消除器系列产品的销售业务。大塞公司是一家自动测量检测机生产企业，该公司将根据市场需求变化及不同用户的特殊需要，开发出新的软件技术，以满足用户的需求。 更高精度要求的应对和竞争 目前，尺寸精度已经由单纯的长度测量进入了综合的形状测量阶段。随着制品不断向高精度和高质量化发展，对测量技术也提出了更严格的要求。 作为长度基准的测量尺领域内，一方面长度增加和高分辨力是发展的趋势，而对应于按顺序对微细刻划线技术的增量式测量，已经开发出不计数就能检测出测量尺位置的绝对式测量尺。索尼公司已开发出短波长磁尺，牌号为SR33/34，并已作为商品投放市场，这种刻度尺采用高密度磁性材料，抗环境干扰性优异，操作方便，采用屏蔽式结构，响应速度为150m/min。 用于角度测量的圆编码器（角度传感器）也已开发出可进行绝对测量的新产品。如海登海因公司已开发出可检测绝对位置角度的绝对测量型圆编码器RCN827，其特点是：①采用φ100mm大口径中空轴；②外表设有油槽，可排除冷却润滑液；③配有自共振频率范围广的软件，可控制性能良好；④最高操作速度300rpm；⑤最小分辨力为27bit/r。 为了满足设备小型化的测量要求，西铁城钟表公司开发出30×16.5mm极小尺寸的长编码器测量单元，最小读数1μm，量程3mm。 在齿轮测量方面，对形状精度要求极为严格，大阪精密机械公司开发出一种高精度齿轮测量仪MGL－26（见图1），其特点是：①采用高精度激光位置检测传感器，可精密测量出齿面形状；②可自动计算出误差值；③由于采用激光测量，可避免过去测量机驱动系统产生的振动；④测量重复精度0.3μm，最小分辨力达1nm。 在轴类工件测量方面，已开发出采用CCD阵列传感器的非接触测量技术，可在数10s时间内，测量出旋转轴的长度、直径、同轴度、圆度、重直度及跳动等多种数据。如Tesa公司开发出一种CNC非接触式轴类零件测量仪TESASCAN，其测量精度为2+0.01Dμm（D为被测量件的直径）。 微细、小型零件的测量不断增多 在圆度、圆柱度测量仪方面，对其测量精度的要求进一步提高，尤其是随着微小孔和微细零件测量需求的增多，各公司相继开发出能够满足高精度测量指标的产品。 Taylor Hobson公司开发出一种全自动圆度测量仪Talyrond295，其特点是：①依靠高速调同心和调水平机构，工件能很容易的迅速调整安装。由于工件和仪器发生干涉的可能性小，测量范围广；②采用新开发的可动防振台、防风罩，测量精度稳定；③在机器校正方面，已获得英国UKAS（英国检测协会）的检测鉴定保证书规定的各种相关数据，便于用户购置该机后，进行对比检测；④配有高速找正机构及水平测量器，工件可快速定位进行测量。该公司负责人指出：“目前，圆度测量仪和表面粗糙度检查仪虽已制定了行业标准，但只能在表面质量和圆度精度测量方面满足用户的需要。随着自动化的迅速进展，广大用户要求快速测量工件的整体形状精度，这已成为该领域近期的发展趋势。”“该领域目前正由接触式测量向非接触测量过渡，Taylor Hobson公司开发出一种综合测量仪CLI 2000，可在大范围（□200mm）采用接触式和非接触式两种方式进行测量。公司还销售一种与超精密镜面加工机床NANOFORM850（纳米级）配套的测量仪，目前，公司正以超精密测量技术为战略性开发方向。” 在表面粗糙度测量方面，各公司已开发出能一次将表面粗糙度和轮廓形状检测出来的表面形状测量仪。如三丰公司的CS-5000CNC，可自动测量工件的表面形状，而且可同时对多个同一类型或不同类型工件进行测量。东京精密公司开发出一种牌号为SURFCOM 2000 DX的测量仪，驱动部分采用直线电机，可实现低振动高速驱动，测量精度和测量效率均大幅度提高。 激光测量系统方面，雷尼肖公司开发的ML 10测量系统适用于机械加工现场，可保持很高的可靠性，定位精度为±0.7ppm（0～40℃条件下），分辨力为0.001μm，可用于超精密测量领域。东京贸易技术系统公司的Leica激光跟踪仪，利用激光线性光传感器进行非接触测量，测量范围的半径达40m，测量精度为25μm/2.5m。 在图像测量系统方面，三丰公司开发出一种快速扫描系统Quick vision，它可以不停止地进行高速图像测量，测量效率比过去提高数倍。YKT公司开发出的显微摄像系统，是在美国OGP公司生产的直接录像显微镜（VDM）上使用配置光纤光源的EDF镜片，能显示出大深度小孔和看不见的被测物体，获得彩色三维图像。 接触和非接触测量的优劣之争 三坐标测量机是形状测量的主导产品，目前，三坐标测量正在开发能够适应测量环境变化的新机种，这种新型三坐标测量机在保持原有精密测量性能的前提下，可以离开恒温恒湿的测量室，在机械加工现场或装配到机床上使用。例如三丰公司开发的新产品MACH－V9106，便是一种可进行在线测量的三坐标测量机，它具有很高的测量效率，最大移动速度866mm/s，最大加速度0.86G，指示误差E=2.5+3L/1000μm。该测量机的环境适应性能十分优异，标准产品带有温度补偿功能，可在15～35℃环境条件下使用。 东京精密公司开发出一种能适应环境变化的三坐标测量机GageMax（与卡尔蔡司公司合作生产），它不需要专用检测室即可进行高精度测量。GageMax为悬臂式测量机，所需安置面积较小，可实时处理生产线上反馈的信息，为了补偿工件温度变化，测量机配有相应的温度传感器，在15～40℃的环境条件，可保证获得良好的测量精度。 DEA开发出了DCC GAGE 等CNC三坐标测量机，并已正式投放市场。这种测量机采用独立的二段减速系统，可进行高速测量，移动速度305mm/s，加速度为290mm/s2。 目前，在几何参数测量方面，由于精度要求和传统操作习惯的缘故，测量时大都使用接触传感器。不过，随着非接触式传感器品种的增多，非接触式测量的范围正在不断扩大。非接触传感器的测量效率非常高，如在自由曲面整体评价或厚度判断、反求工程等领域的测量中，可快速连续获得由数万个点形成的点阵参数。工件形状变得复杂时，非接触传感器的姿态也将随之相应改变。因此，采用按编程可自动改变测量形式进行精密测量的三坐标测量方式，对提高测量效果将更为有利。 接触式和非接触式测量方法孰优孰次，是测量技术行业长期议论的话题。有关人士指出：“近来，非接触式测量虽已逐渐成为主流，但要获得高度精确的测量值，则仍需进行接触测量。非接触式测量速度快，可减轻对工件的损伤，与接触式测量相比较，优点很多。但在测量精度和稳定性方面，接触式测量仍高出一筹。接触式测量是测头与工件表面的某一个点接触进行测量，沿着工件形状进行扫描，可在短时间内高密度地获得大量点数，测量点数越多，越能获得更为正确的形状参数。” 测量技术的展望 通过问卷调查，测量机用户的需求动向和测量技术的发展前景可归纳如下： （1）“随着防振要求的提高，测量机正向两极分化的方向发展，面向汽车行业用户的测量机，通常均为价格较便宜（不需要很高精度）的机种，另一类则是用于设备检测、防灾、防震领域的高灵敏度机种。根据不同的用途，要求开发相应的最佳测量技术。”（阿卡西公司） （2）“刀具预调测量仪，目前正由投影仪类型向监测器类型转变。”（大阪工机公司）“仪表校正等精密工具的测量需求增多。”（柯灵斯公司） （3）“特殊零件的测量增多，这些零件采用接触式测量时，往往会因测量力而变形；采用非接触式测量又易出现精度不稳定，因此，需要开发新型测量技术。”（西铁城钟表公司） （4）“市场需要易于操作的非接触式测量技术。”（FARO日本公司）“测量技术应便于操作，且具有多种功能。同时，应配装千分尺和个人计算机等装置，提高测量机的附加值。”（大塞公司） （5）“用户希望开发出高精度、高速、低价格的齿轮测量机。”（大阪精密机械公司） （6）“汽车行业存在着减少最终集中测试的趋势。主动检测和在线（序后）检测等在加工中得到推广应用。其中，在保证质量方面，许多用户希望测量技术能实现数据的无线传输。”（日本电气） 如上所述，测量技术的主攻方面仍然是进一步提高测量精度；同时，人们对测量技术的重要性和存在价值的认识应大幅度提高，这是测量技术今后不断发展的巨大推动力。 原载《工具展望》 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/29/2006)