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坐标测量技术半世纪--演变与趋势
作者:北京工业大学机电学院 石照耀
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坐标测量技术是衡量精密制造和测量水平的重要标志。美、德、日等工业发达国家都曾投入大量人力物力发展坐标测量技术,产生了如Hexagon、Zeiss、Mitutoyo等全球知名品牌。直至目前,中小型坐标测量技术已成熟,大型和微型坐标测量技术发展迅速,智能坐标测量技术则成为研究热点。

回顾:十大标志性事件

第一台坐标测量机

1959年,法国巴黎国际机床博览会上,苏格兰Ferranti公司展出了第一台坐标测量机。该测量机为直角坐标测量机,在 x 轴和 y 轴上设置了2个可移动的导轨和读数装置,并在 z 向上放置位移传感器,测量精度为0.001 inch。自此,坐标测量机将测量技术革命性地从传统的比较式测量模式带入空间点坐标测量模式。

第一台激光跟踪仪

1968年,美国Sandia国家实验室研制了激光跟踪仪。激光跟踪仪基于球坐标测量原理进行坐标测量,跟踪镜发出的激光在安置于目标点的反射镜上发生反射,回到跟踪镜,当目标移动时,跟踪镜调整光束方向来对准反射镜;返回光束为检测系统所接收,用来测算目标的空间位置。激光跟踪仪量程为几十米甚至上百米,分辨率为微米或亚微米级。

第一个触发式测头

1972年,David McMurtry发明了触发式测头。其原理是,当测球和被测工件接触时,电开关发出脉冲信号,仪器定位系统锁存测球球心坐标值。触发式测头的出现使测量从依靠人工读数转入了借助工具读数,提高了探测的重复性和精度。

第一台CNC控制的坐标测量机

1973年,德国Zeiss公司推出了第一台计算器数字控制(CNC)的三坐标测量机UMM 500(如右图)。该测量机采用HP9810计算器,并配置了接触式扫描测头,三轴测量精度达到0.5μm。CNC数控系统提高了坐标测量技术的自动化水平,奠定了快速扫描测量的基础,提高了测量效率和精度,并增强了坐标测量机的功能。

第一次提出软件补偿误差技术

1977年,R. Hocken 等在Moore N.5 坐标测量机上实现了误差的软件补偿,并为此获得了国际生产工程科学院的泰勒奖章。1985年天津大学精密仪器与光电子工程学院张国雄教授等对坐标测量机进行了软件误差补偿,将精度从20μm 提高到2μm。此后,各种软件误差补偿技术迅速发展,如热误差补偿、动态误差补偿等,并获得广泛应用。

第一台并联机构坐标测量机

1978年,前苏联Lapik 公司推出了并联机构坐标测量机。该测量机具有结构刚性大、运动速度高、误差不叠加等特点,改善了测量精度和效率。

第一次提出智能坐标测量技术

1984年,Theodore H. Hopp等对智能坐标测量技术进行了初步探索,提出从CAD数据库中提取公差项和测量项目,并利用它们来驱动测量的规划和伺服控制。此后,智能坐标测量技术不断发展。2004 年,笔者提出了“免形状(form-free)”测量模式,并据此研制了复杂形状测量机FormFree300。该测量机的意义在于:一台仪器就是一个“开放”的平台,不依赖于被测对象;能快速实现未知形状的识别;在“免形状”测量模式下,扩展了精密量仪的功能,减少了仪器配置;更彻底地避免了操作人员的干预,有利于提高测量精度并降低了人员的劳动强度。

第一台关节式坐标测量机

1986年,日本小坂研究所的小美浓武久等研制了关节式坐标测量机。关节式坐标测量机由多个关节组成,安装有探测系统的测量臂可由人牵引对零件表面进行测量。安装在关节上的角度传感器获得转动角度,结合臂长可计算出测量点的坐标值。其主要优点为量程大、体积小、质量轻、灵活方便、便于现场测量。

第一个测量软件国际标准

1983年,美国CAM–I公司对坐标测量机编程规范和尺寸测量接口标准(DMIS)发起讨论,最早的DMIS版本于1987年问世。DMIS的目的是为计算器系统和检测设备之间提供一个双向的检测数据标准,利用这些标准可以为检测程序和检测结果建立一个中性格式。DMIS综合了用户和制造商的意见,开创了编制坐标测量行业规范的先河,奠定了坐标测量软件的标准基础。

第一台纳米坐标测量机

1999年,英国国家物理实验室(NPL)基于商用测量机PMM12106研制了一台小量程测量机。该测量机的空间量程为50mm×50mm×50mm,测量不确定度为50nm。纳米三坐标测量机开创了坐标测量精度新纪元,从而为微型制造奠定了坚定的技术基础。

现状:竞争造就精细技术

基本情况

当前,坐标测量技术的发展现状可概括为5大点,分别是:直角(正交)坐标测量机和非直角(非正交)坐标测量机并存;中小型坐标测量技术已趋成熟,生产型、精密型和计量型等多种精度等级的坐标测量机日益满足现代先进制造与科学研究需要;大尺寸坐标测量机发展迅速;微型/纳米级坐标测量机成为研究热点;新材料在测量机中应用普遍。

直角坐标测量机包括移动桥式坐标测量机、固定桥式坐标测量机、移动工作台式坐标测量机、悬臂式坐标测量机等形式。非直角坐标测量机则包括并联机构坐标测量机、关节式坐标测量机、激光跟踪仪、全站仪等。其中,激光跟踪仪、全站仪、经纬仪等已成为移动测量和大尺寸测量的重要工具。

生产型测量机的测量不确定度大于3μm,精密型测量机的测量不确定度大于1μm而小于3μm,测量不确定度小于1μm的测量机为计量型测量机,用于计量器具的检定和量值传递。

大尺寸坐标测量技术则重在保证机械结构的高精度和稳定性。德国Wenzel公司研制了一种双臂测量机。它的左右两边的测量臂分别安装在大花岗岩基座上,左右基座中间安装了一个直径2,200 mm的大型静压回转平台,最大承载质量为45,360kg,工件最大直径可达6,000 mm。20世纪末,美国ArcSecond公司开发了基于全球定位系统(GPS)理念的室内GPS–iGPS,成为一种兼具高精度、高可靠性和高效率的三维坐标测量技术。iGPS 为大尺寸精密测量以及定位提供了全新的思路,将应用于航空航天、飞机制造、汽车工业等领域。

过去十几年,世界范围内的众多科研院校纷纷开展了微型/纳米级坐标测量技术的研究。微型/纳米级坐标测量机的量程多不超过100 mm×100 mm×100 mm,分辨率可达纳米级。其主要特点包括:采用激光标尺,以实现米定义的溯源;采用微测头系统获得高探测精度;采用微晶玻璃等零膨胀系数材料构筑测量机主体测量框架,消除温度的影响;在结构布局上尽可能符合阿贝原则,减小阿贝误差。

刚度高、重量轻、受温度影响小的新材料应用日渐普遍。例如,美国Brown & Sharpe公司的桥式结构测量机多采用铝合金材料,德国Leitz公司的PMM–C型测量机采用陶瓷材料作为z轴,德国Zeiss公司的UPMC系列测量机采用CARAT技术的光栅尺以保证测量精度。

探测技术发展迅速

触发式测头应用普遍。常规的触发式测头,其测球材质为红宝石,接触变形和侧向摩擦小,结构简单,使用方便。但测杆会产生弯曲变形,且存在各向异性、预行程、触发行程分散、复位死区等误差,限制了其测量精度的进一步提高。英国Renishaw公司推出了PH20新型五轴触发式测头,运用独特的“测座碰触”方法进行快速触发测量和五轴无级定位,确保实现最佳工件测量。

扫描式测头发展成熟。其测量原理是,测头测端在接触被测工件后,连续测得接触位移,测头的转换装置输出与测杆的微小偏移成正比的信号。这类测头既能测量空间点的坐标位置,又能扫描测量曲线曲面,不仅可以发出触测信号,而且可以给出测端微位移。但该类测头结构复杂,目前只有少数公司可以生产。

非接触式测头成为研究重点。这类测头测量时不接触被测物,测量力为0,可以测量软质材料、高温材料等前产品化的非接触式测头较多,例如德国Zeiss 公司的Viscan光学扫描测头、德国Wolf & Bec的OTM系列光学测头、日本Mitutoyo公司的图像测头QVP等,这些测头大多采用光的三角测量原理。微测头技术成为一个新兴领域,微测头也已成为高精度坐标测量机的重要组成部分。

CNC控制技术日趋成熟

基于数字信号处理器(DSP)的计算器数控系统,不仅可以实现自动测量、自学习测量、扫描测量,也可以通过操作杆进行机动测量,其控制精度高、速度快、插补运算功能强,测量机在高速运行的过程中,系统的跟随控制精度和定位控制精度高,点位测量和扫描测量精度高。

光栅、激光干涉仪等位移传感技术的发展,提高了坐标测量的精度。高精度光栅采用殷钢等热膨胀系数小的材料和细分技术,提高了分辨率和稳定性。激光干涉仪的分辨率可达1nm。

多数测量机采用旋转电机配置传动机构的驱动形式。旋转电机配置传动机构的驱动形式结构简单,易于控制,但存在传动误差和摩擦生热。直线电机驱动坐标测量技术正在发展。直线电机具有零传动、非接触、无摩擦、快速度、微进给等优点,彻底消除了传统驱动的背隙、摩擦损耗及变形的影响,可实现测量的高效率、高精度和高可靠性。

坐标测量机与柔性制造系统(FMS)的集成技术得到发展,坐标测量机被用作测量机器人。物流集成和信息流集成技术得到发展。前者的关键在于坐标测量机和制造系统之间的机械接口,后者主要包括控制信息和质量及工艺过程信息的集成。

可以看出,目前CNC控制技术正朝4大方向发展,即高速化、高精度化、智能化以及网络化。

测量软件功能全面

测量软件是影响测量机性能的关键因素,包括基本测量软件、专用测量评价软件、统计分析软件、驱动和补偿功能软件等。测量软件大多符合DMIS标准,能确保数据互用性。商用测量软件大多同时提供最小二乘法和最小区域法等评定算法。

精度评定与溯源技术发展迅速

对测量不确定度影响因素的研究比较深入。对坐标测量机进行不确定度评定需综合考虑测量环境、标准量、设备、测量任务、软件和算法、测量过程、操作者等因素。

点位测量精度评定技术已成熟。国际标准ISO 10360采用量块和检测球评定示值误差和探测误差。德国VDI/VDE2617标准采用量块和步距规对一维、二维、三维长度测量不确定度指标进行评定。美国B89标准则采用检测球、激光和球棒对重复性、轴向位置精度、空间球棒误差性能、偏置测头的测量性能、短量块探测误差等技术指标来评定。

在动态测量日益普遍的情况下,动态测量误差的评定方法取得进展。笔者提出了评定动态测量重复性的均值平移法,可应用于坐标测量技术中。

大尺寸测量仪器的溯源成为研究热点,其核心是如何从实验室溯源转向现场溯源。美国NIST开发了针对激光干涉仪的校准系统,实现了现场溯源。此外,激光干涉法、样板法、多边测量系统等方法已应用于大型三坐标测量机校准。

趋势:5大技术方向

基本趋势

发展精度和经济性兼具的坐标测量技术。网络化坐标测量技术将得到发展。坐标测量机与数控机床结合的死循环制造系统已经出现。随着互联网和物流网技术的发展,上下游多台测量机之间可共享信息,以实现智能化地监控和分析全过程制造质量趋势,适时调整加工方案,提高制造质量并降低制造成本。

发展并联机构坐标测量技术和关节臂式测量技术,研究其数学模型和参数误差标定技术,完善误差分析和误差补偿技术,形成高精度中小型非直角坐标测量技术。

激光跟踪测量技术迅速发展,将成为测量大型零部件、组装件及整体外形几何参数和运动轨迹不可替代的方法。全站仪和经纬仪等便携式坐标测量技术将得到发展。

位移传感技术和探测技术

位移传感器是坐标测量技术的基础,光栅、激光干涉仪等已普遍应用于坐标测量技术中。随着坐标测量精度的提高,应研究如何减小热量对激光干涉仪精度的影响,提高激光干涉仪的经济性,提高时栅等新兴位移传感器的精度,推动这些技术在坐标测量机中的应用。

发展非接触式探测技术,研究非接触式测头性能检定方法,提高探测精度。目前,结合接触式和非接触式的混合探测系统已经出现,多传感器信息融合技术还将继续发展。

控制技术

发展快速数据传输技术。随着探测技术的发展,要求控制系统具有每秒上万个点的快速传输海量数据的能力,光纤等速度更快的传输方式将应用在控制系统上。同时,抗干扰能力强的多功能控制技术将得到发展,基于功能强大的嵌入式系统和显示触摸技术的操纵器将得到应用,无线传输技术将是发展方向。

发展应用于车间条件的坐标测量控制技术,形成开放性、兼容性、柔性和抗干扰性俱佳的控制系统。发展与数控机床控制系统接口兼容性好的坐标测量控制系统,提高坐标测量机效率。此外,研究高速驱动系统以及完善测量机配置也将是控制技术的重要发展方向。

测量软件

研制面向车间工人的测量软件。随着坐标测量机应用于生产现场,测量软件将力图实现制造工程师意图,而非质量工程师意图。面向车间工人的软件需要简单易懂,便于操作。

实现软件标准化。其基本要求是从CAD图纸开始,经由制造过程到测量报表,都基于标准化的语言和通讯接口,便于坐标测量机之间以及测量机和数控机床之间的信息交换、报告查阅和数据分析。

发展复杂曲面测量软件。研发包含采样策略、路径规划、测头半径补偿、数据处理与误差评定等关键技术的复杂曲面测量软件包,为复杂曲面测量和评定提供解决方案。

编制基于最小区域、最大内接与最小外接准则的误差评定软件,建立国家基标准软件,形成技术仲裁标准。深入研究动态测量误差的统一评定方法,完善动态测量重复性评价指标。

此外,还要完善反求工程软件、发展智能坐标测量技术、研究统计分析软件和专家系统、完善“免形状”测量技术、完善虚拟坐标测量技术等。

精度评定与溯源

修订精度评定标准,完善测量机检测手段。随着对ISO 10360的不断修订,以及ISO/TS 15530坐标测量机测量不确定度评定标准、ISO/TS 23165坐标测量机检定不确定度评定导则的发布,对坐标测量机的验收和不确定度的评定将更加科学全面。

发展面向测量任务的坐标测量机校准方法和量值溯源方案、发展远程校准技术、同时研究大尺寸坐标测量仪器校准标准装置及在线校准和量值溯源方法,推动大尺寸坐标测量机的发展。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (4/15/2013)
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