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三坐标测量机 |
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精密制造的“守护神”﹕坐标测量机 |
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作者：北京工业大学 石照耀 来源：中国机械与金属 |
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1959年，随着苏格兰Ferranti公司推出世界上第一台坐标测量机，坐标测量技术应运而生。半个多世纪以来，坐标测量机因其通用性强、精度高，已成为现代精密制造不可或缺的“守护神”。
坐标测量机是衡量精密制造和测量水平的重要标志。坐标测量技术也已成为发展先进制造技术、确保产品质量的重要组成部分。
坐标测量机的发展历程
纵观坐标测量技术的发展与演变，在测量自动化程度上，经历了手动测量、机动测量、CNC控制测量的发展；在测量精度上，实现了从一般精度、高精度、超高精度的发展；在测量软件上，实现了各自为政到遵循DMIS和I 等通用标准的发展。
自动化程度
坐标测量技术的显著特点是通用性和灵活性，自动化技术起到了重要的促进作用。手动型测量机由操作者直接手动推动测量机的移动部件完成测量，其主要功能是将位移测量系统产生的信号经处理后，获得空间坐标点值，并计算出尺寸和形位误差。这类坐标测量机操作简便，价格低廉，曾在车间中广泛应用。
CNC控制的测量机，可以实现各轴测量和运动控制系统的全自动化，操作人员也可通过操作器控制各轴运动。这类测量机的精度高、效率高，既可集成于柔性制造系统，适合生产线和批量零件的检测，又可用于计量室，进行校准检测。
精度
精度是测量机的关键技术性能指标，ISO标准和中国国家标准均采用示值误差、探测误差和扫描探测误差来表示，它和标尺、机械结构、采样策略、探测系统、软件等因素有关。测量机制造商应提供允许的最大示值误差、探测误差和扫描探测误差值，以便用户判断该测量机是否满足其测量要求。选择测量机时既要避免测量机精度过高而使成本过高，也要避免精度过低而降低测量的可信度。应考虑被测零件的精度，按照一定的比例来确定。一般认为，测量机的示值误差与被测零件的制造公差之比为1:3至1:5之间。
测头是确保测量精度的关键
由于普遍采用误差补偿技术，测量机标示的多为已补偿的精度指标。为了判断测量机精度的长期稳定性，保障用户利益，应鼓励测量机制造商提供未经补偿的坐标测量机精度值。
虚拟坐标测量技术发展迅速。所谓虚拟测量就是把坐标测量机、测头和被测零件的三维实体模型放到计算机的图形环境中，通过虚拟测头与被测零件的接触和移动实现对真实环境下坐标测量机的零件测量过程的仿真，从而判断测量机能否满足该测量任务的要求。
测量软件
软件是测量机的“大脑”，普遍遵循DMIS标准。基本测量软件和运动控制软件是测量机的基础，专用测量评价软件和统计分析软件则扩展了测量机的功能。误差评定上，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，而后者符合形状误差的定义，是仲裁方法。
软件的算法精度直接影响测量的不确定度。德国联邦物理技术研究院（PTB）于1983年起着手研究坐标测量机算法精度测试。他们将数据组发送给坐标测量软件提供商，软件提供商利用他们的软件对这些数据进行评定，并将结果与PTB的标准软件评定结果比较。软件提供商的软件通过测试后将获得PTB颁发的证书。美国国家标准与技术研究院（NIST），英国国家物理实验室（NPL）也已开展软件认证工作。用户可参考认证机构颁发的软件认证证书。
坐标测量机的未来挑战与方向
坐标测量技术是衡量测量水平的重要标志。先进制造技术的发展，客观上对坐标测量提出了更高的要求。
四大挑战
大量程和高精度要求。现代制造业要求坐标测量机既有大量程又有高精度。众所周知，量程越大，对导轨等机械结构件的几何误差就越敏感，对零部件的安装精度要求也更加苛刻。为提高精度，普遍采用软件补偿误差的方法。理论上，软件补偿技术是特定条件下硬件精度已达极限时采取的措施，必须首先从机械结构及环境条件控制下，减小随机误差及热变形，补偿才有意义；滥用软件补偿技术，不利于测量机精度的长期稳定性。
智能化水平较低。现有的智能坐标测量技术依赖于CAD图纸，而科学研究和工业实践常要求对没有CAD图纸的零部件实现快速高精度测量。智能坐标测量技术应既能测量有CAD图纸的零件，也能测量无CAD图纸的零件，实现比人脑更加快速和精准的判断与识别，从而真正实现无操作人员干预下的任务优化、故障诊断、完整测量、数据处理及不确定度评定过程。
经济性差，通用性不足。对于齿轮、凸轮、涡轮、蜗杆、螺纹等零部件，坐标测量机常配置转台、专用夹具和专用软件，降低了其经济性。特别地，当为已有测量机增加专用配置时，用户常常别无选择，只能购买该测量机厂家提供的产品。
同质化突出，人才匮乏。主机结构大同小异，且普遍采用功能趋同的商品化探测系统、控制系统和测量软件。特别对于探测系统、控制系统、测量软件等核心部件基本依赖进口的国产测量机厂家，市场竞争演变为劳动力成本的竞争，致使从事坐标测量技术研究的人才匮乏，新技术发展更加缓慢。
发展方向
创新测量原理。发达国家正在研究具有普适性、不受被测工件形状和参数影响的精密测量新原理，拓展测量机功能。中国已开展“免形状测量”相关研究，并取得突破性成果。新的测量原理将提升测量机智能化水平，加强测量机的经济性和通用性。
再造仪器设计理论。对测量机机械主机结构的创新性设计，是解决大量程和高精度矛盾的必然方向。通过对精密工程的基本原则——阿贝原则的再认识，研究人员揭示了阿贝原则的隐含条件，提出了广义阿贝原则，对精密测量具有基础性意义。
发展极大极小尺寸测量技术。大尺寸测量技术保障飞机、火箭、船舶等战略领域测量需求；小尺寸测量技术推动纳米材料等新兴领域发展。其关键技术包括基于激光跟踪的坐标测量技术、大尺寸测量标定技术、室内GPS测量技术、微测头技术、多传感器信息融合技术等。
研究开放式测控技术。测控系统的开放性、包容性影响测量机的灵活性和通用性。利用开放式数控技术，研究灵活多变、满足个性化需求、可二次开发的测控系统和测量软件；研究快速自校准和补偿技术，构建柔性制造系统，满足现代先进制造业需求。
国产坐标测量机的现状与问题
现状
坐标测量机的关键部件包括机械主机、测头、测控系统、测量软件等。
机械主机是测量机实现测量功能的主体，也是测量精度、定位精度和运动精度的基础。生产型和精密型坐标测量机较多，能够满足中小尺寸测量需要；天津大学、北京工业大学、西安交通大学等研究了大尺寸测量技术，能够测量飞机、汽车、船舶及特大型工件。
测头是确保测量精度的关键。国际上，著名的测头生产厂家包括英国Renishaw、德国Zeiss、德国Leitz、瑞士TESA等；既有接触式测头，也有非接触式测头。中国天津大学、哈尔滨工业大学、合肥工业大学、北京工业大学等研制了精密测头，部分测头的分辨率和重复性已达到纳米级技术水平。
测控系统由伺服控制器、驱动器、电机、位移传感器等元件组成。清华大学、天津大学、哈尔滨工业大学、北京工业大学等研究了测控系统集成技术。元器件方面，清华大学研究了激光位移传感技术；重庆理工大学发明了时栅位移传感器；北京工业大学研制了基于ARM和无线传输技术的操纵器；天准科技有限公司研制并生产了伺服控制器。
测量软件是测量机的“大脑”。天津大学、西安爱德华公司等开发了坐标测量软件，爱德华公司的测量软件通过了德国联邦物理技术研究院（PTB）认证；北京工业大学研究了符合最小条件的形状误差评定算法，该算法面向海量测量数据，实现快速精确评定，为研究坐标测量基标准软件奠定了基础。
问题
机械主机方面，结构部件大多处于仿制阶段，创新型设计很少；国产计量型测量机尚是空白，高端测量机市场全部备进口品牌占领；微/纳坐标测量机技术尚处于实验室研究阶段；陶瓷、微晶玻璃等新材料应用较少。
进口测头一统天下。迄今，中国尚无拥有自主知识产权的坐标测量机测头产品。国产坐标测量机主要采用英国Renishaw公司和瑞士TESA公司的测头。
测控系统基本依赖进口。英国Renishaw的UCC1和UCC2测控系统或PANTEC的EAGL BASIC和EAGLE PRO测控系统为国产坐标测量机广泛选用；而位移传感器则以英国Renishaw、德国Heidenhain、德国SIOS、美国API等产品为主，这些产品价格昂贵，一些高精度产品还对中国实行出口管制。
测量软件方面，大多采用Hexagon的PC-DMIS或美国External-Array的RationalDMIS软件。国产软件太少，对算法精度重视不够。PTB、美国国家标准技术研究院和英国国家物理实验室都已开展软件认证工作；中国相关研究还是空白。
总体看，国产测量机核心部件如控制器、测头、软件等基本依赖进口，客观上限制了测量机功能的扩展和性能的提高。
品牌形象
坐标测量机市场上最具有竞争力的品牌包括德国Zeiss和瑞典Hexagon。Zeiss集团拥有测控系统、测头、测量软件等全套核心技术，其测量机在中高端市场首屈一指。Hexagon集团旗下品牌包括Leitz、Leica、brown & sharpe、DEA、TESA、Sheffield、ROMER等，产品类型囊括直角坐标测量机、关节臂式测量机、激光跟踪仪、全站仪等，拥有测控系统、测头、测量软件的研发和生产能力。此外，德国Wenzel公司、日本Mitutoyo公司、日本东京精密机械公司等在全球坐标测量机市场中也具有较高知名度。
中国从事坐标测量机制造的企业较多，但品牌知名度较小。改变国产坐标测量机落后局面，要求相关部门提高认识，突破重点，形成具有自主知识产权的坐标测量关键技术，推动创建国产坐标测量机知名品牌，为促进中国先进制造业发展提供测量保障。
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(10/25/2013) |
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