大工件测量的现状和发展方向

作者：上海大学机械自动化工程系 李明    来源：MM现代制造

欢迎访问e展厅 展厅 6 三坐标测量机展厅 三坐标测量机, 关节臂测量机, 逆向工程/测量机软件, ... 随着大型极端制造技术的发展，大工件形状越来越复杂、精度要求越来越高，这些都对测量和质量保障提出了要求，尽管目前出现了多种高精度、大范围的测量技术和仪器，但由于大工件自身要求和环境等方面的约束，在实际测量与质量控制过程中出现了许多问题，这里就一些主要问题展开初步讨论，以起到抛砖引玉的作用。 什么是大工件 目前对大工件的概念并没有一个严格的定义。一般认为，大工件就是具有一定测量精度要求，体量特别大，找不到合适固定坐标测量机测量的工件。 但从目前大型机械极端制造的角度看，大工件可以从以下两个方面大致框定：①工件一般由机加工成形或机加工件装配成形，其被测量内容不仅包括尺寸，还包括几何公差（俗称形位公差）。测量精度和几何公差的测量要求是大工件的第一个特征，它在相当程度上制约了诸如经纬仪、全站仪等测量仪器以及一般光学（包括激光）测量方法的应用；②其形状和体量是目前常规尺寸的坐标测量机所无法应对的。这里强调的是常规尺寸，不包括专用的坐标测量系统。在这种情况下，移动测量就成为了大工件测量的第二个特征。 所以说，大工件应该是精度和体量的统一体。如果一定要从尺寸上来区分的话，也许以2m体量起，有机加工精度要求的机械零件就可以认为是大工件。比较典型的如大型注塑机壳体（2000mm×2000mm×800mm）、小的风电轮毂(球径3000mm左右)等，而且其孔系的位置度要求非常高（0.03mm左右），能应对其长宽高体量特征和测量精度的常规固定式坐标测量机已不多。 以此类推，那么汽车白车身这一类工件的测量则不被认为是大工件，因为已经有成系列的专用坐标测量机，同时由于是钣金成形及拼接件，其总体精度与机加工件相比还有一定的差距。而在白车身车间的那些在线测量工具，其检测与调整则常被认为是大工件，因为它们一般都会用到移动测量工具。 大工件的常用测量手段 从对大工件的初步定义来看，其测量手段应具有三种功能：①具有足够的精度，即根据测量精度分配的原则和要求，以及现场实际测量情况，当在图纸规范的1/3～1/10；②具有移动性，并能在多次定位（俗称转站、蛙跳等）情况下保证测量精度；③具有坐标测量功能，即配备有几何数字测量软件功能，能进行采样测量、几何要素拟合、测量坐标和评定基准构建、尺寸计算和公差评定、几何公差计算和评定等。 目前市场上满足上述要求的测量手段主要有：激光跟踪仪、便携式测量臂（俗称关节臂）、3D摄影测量系统等。 事实上，从这些测量仪器的测量原理来看，都是通过对被测几何特征上点的提取、采样、拟合、计算和评定来完成测量工作的，都属于坐标测量机范畴。 但各种测量仪器有其各自的技术特点、应用范围，当然价格也有差别，下面就此作义简单比较： 1. 激光跟踪仪 这是目前测量精度最高的大工件几何尺寸和几何公差测量工具，而且一次定位的测量范围最大（目前最大的可达球径60m）。此外，通过隐藏点（如Leica的T－probe）和扫描附件（如Lecia的T－Scan）的配置，应用范围十分广。此外，激光跟踪仪的自动跟踪功能，使其还具有动态测量的功能，在相关附件的配合下（如Lecia的T－MAC）,能完成物体的空间6D测量与评定。 2. 便携式测量臂 这类测量装置的精度相对较低，一次定位的测量范围也较小（一般达1.5m球径左右），同时由于其多关节的结构特点，精度保持性相对较差，一般用于生产现场等精度要求较低的场合。 3. 3D摄影测量系统 这类通过摄影及靶标系统进行测量和拼接的系统，其测量精度比较低，但其测量速度远高于使用单点测量方法的上述两种仪器，不仅能作为移动测量，也可以用于生产线中的在线测量工位，其主要功能为形面的快速测量和评定。这类仪器逆向工程中也有较广泛的应用。 大工件测量技术的应用主要集中在以下几个方面：①几何测量和评定（GD＆T）：对已加工几何特征的检测，包括尺寸公差、几何公差的测量和评定等；②测量辅助加工（MAM：Measurement Aided Machining）:主要用于大型工件在加工过程中的测量、安装调整及在线检验等；③测量辅助装配（MAA：Measurement Aided Assemble）:主要用于大型部件装配过程中调整的辅助测量。 随着大型极端制造技术和工艺的发展，后两类在生产现场的辅助需求正变得越来越多，特别是在核电站、船舶、航空、航天等有高精度要求的领域。 影响大工件测量的因素 从一个完整的测量系统来看，目前大工件测量可以说问题很多，而且相互交织。主要体现在以下几个方面。 1. 测量仪器的精度问题 目前对移动测量系统精度检定在标准和规范上还未完善，即使已有相关标准和规范，其检验的条件并不与实际应用相符，因此在现场实际使用时的精度状况是一个值得我们关注的重要问题。 2. 被测对象的影响 这里包括工件被测表面的质量、它将直接影响测点的采集。此外，当需要多个方位测量时，测量转站给测量结果带来的影响是不可避免的，尽可能多和分散的公共点分布将有利于减少转站引起的误差 3. 温度对测量的影响 现场测量条件下温度的变化是目前大工件测量中最容易忽略，也是最致命的一个问题。如果工件无法等温，那么对于具有很大热容量的工件而言，在测量时其实际的尺寸状况是不稳定的，其造成的影响就会难以估计，这也将是整个测量工艺中需要认真考虑的一个问题。 4. 测量现场的影响 现场测量环境的影响主要表现在地面振动对测量过程的影响。 5. 测量工艺规范的影响 传统测量方法，特别是对几何公差的测量都已成熟，并有相关的标准与规范可以参照，但坐标测量方面的规范目前还未形成，因此这将是影响测量结果准确性、复现性和再现性的最根本因素，也恰恰是目前大工件甚至是整个坐标测量领域没引起足够重视的一个方面。还会严重影响工作效率。 6. 测量人员的影响 由于大工件测量过程一般都是人工操作，因此操作人员的水平直接影响了整个测量原始数据的采集质量。此外，在对测量要求和测量工艺的理解、对测量现场和测量过程的感知、对测量结果的判断等方面，对大工件测量人员的技能和经验方面的要求远高于一般的固定式三坐标测量人员，尽管从理论上讲他们都是在操作坐标测量机。 从上面我们可以看到，要想控制大工件的测量质量，其根本在测量人员的技术素养和测量工艺规范的制订，以及对测量系统分析（MSA：Measurement Systems Analysis）技术的应用。 国企在坐标测量技术应用中存在的问题 从目前国内制造企业在坐标测量机的应用情况来看，问题很多，而大工件测量由于其测量精度、测量体量和现场测量等特点，其所暴露出来的问题就更为全面和严重。 首先，企业对新技术的了解和掌握程度有待提高。相当多的企业并不了解大工件的数字坐标测量技术，在进行许多高精度几何测量时，还在沿用原来的方法，如全站仪、经纬仪、水平仪，以及一般常规的光学方法，这不但影响了测量精度，同时也影响了测量的效率。 其次，整个制造业对坐标测量人员技术要求缺乏理解。大工件对测量人员本身的技术要求非常高，如果以职称来衡量，那么至少需要能独挡一面的测量工程师，即具有理论知识、操作技能和实际经验等。 最后，就是企业对测量过程管理方面的要求认识明显不够。数字测量是产品几何尺寸的公差过程控制的源头，但许多企业将坐标测量设备作为一种摆设，这实际上是对产品质量的不重视。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/12/2010)