復雜幾何形狀工件的計量解決方案

摘要:復雜幾何形狀工件的計量解決方案    在計量科學領域，人們根據被測對象幾何形狀的復雜程度，將工業領域中的測量問題分為箱體類工件測量和具有復雜幾何形狀工件測量。所謂箱體類工件就是指那些由基本幾何元素（點、線、面、圓、圓柱、圓錐、球）組成的幾何工件，包括齒輪箱工件，發動機箱體，機床加工部件或者是由簡單的自由形狀曲面組成的沖壓模、鑄模、玻殼工件等等。與箱體類工件相對應的是復雜幾何形狀工件，這類工件主要由具有明確數學定義的復雜曲線曲面構成，例如各種類型的齒輪，齒輪加工刀具，凸輪軸，配對螺旋壓縮機轉子部件，蝸桿蝸輪以及步進齒輪等等。     在傳統測量方法選擇上，人們主要依靠下述兩種測量手段完成工業領域上述工件的測量，即通過三坐標測量機執行箱體類工件的檢測，通過專用測量設備，例如專用齒輪檢測儀、專用凸輪檢測設備等完成具有復雜幾何形狀工件的測量。因此對于從事生產復雜幾何形狀工件的企業來說，完成上述產品的質量控制企業不僅需要配置通用測量設備，例如三坐標測量機，通用標準量具、量儀，同時還需要配置專用檢測設備，例如各種尺寸類型的齒輪專用檢測儀器，凸輪檢測儀器等。這樣往往導致企業的計量部門需要配置多類型的計量設備和從事計量操作的專業檢測人員，因此企業無法實現柔性、通用計量檢測，計量設備使用效率較低，同時企業負擔較高的計量人員的培訓費用和計量設備使用和維護費用。因此，如何降低企業的測量成本，計量人員的培訓費用，測量設備的使用和維修費用，達到提高測量檢測效率的目的，使企業具備生產過程的實時質量控制能力。這將關系到企業在市場活動中的應變能力，對幫助企業建立并維護良好的市場信譽，具有重要的決定作用。    在高精度測量領域，德國LEITZ公司憑借其在高精度測量領域積累的世界級測量技術以及豐富的應用理論知識，通過高性能、高精確度的PMM-C三坐標測量機與功能強大的工業級計量軟件QUINDOS的結合，不斷解決來自工業各個領域的高精度和復雜幾何形狀的計量需求。LEITZ在公司的發展歷史上，主要從事研制、開發、制造超高精度坐標測量機，包括在世界高精度三坐標測量機的發展歷史上具有里程碑意義的PMM機型，由于PMM機型在測量能力上具有超高精度，同時使用性能上具備長期運行的穩定性。因此PMM型坐標測量機能夠在全球安裝總數超過1,000臺，其中有近百臺服務于中國各大精密加工企業，例如航空航天部件生產企業、汽車部件生產企業以及高精度齒輪加工企業。    LEITZ公司為了提高高精度坐標測量機的檢測效率，降低單件工件檢測的測量成本，于2001年成功地推出了目前世界性能最好的PMM-C型坐標測量機，其動態指標分別為最大測量加速度3000mm/秒2, 最大測量速度400mm/秒, 平均觸測頻率40點/秒。在主機結構形式上，為了實現測量系統極高測量精度和測量性能的長期穩定性，PMM-C超高精度坐標測量機具備如下特征：
在主機部件材料選擇上，采用具有長期穩定性和對溫度變化不敏感的材質構成，例如在整體基座，移動平臺和Y軸橫梁上采用花崗巖，結構支撐立柱采用鑄鐵材料。
    為了實現系統測量性能的長期穩定性，PMM-C坐標測量機在結構形式上為封閉框架：整體花崗巖的主機基座，移動工作臺，鑄鐵立柱以及花崗巖橫梁組成高強度的閉式結構。由于PMM-C坐標測量機具有很高的結構強度，因此測量系統即使在加速/減速，或是環境存在某種振動的情況下仍能保持極高的測量精度。　由于PMM-C坐標測量機的各個運動軸，在機械結構上彼此獨立，因此在整個測量過程中，三個坐標軸獨立運動，使得系統在整個測量空間內具有相同量精度性能。光柵尺的布置盡量靠近被測工件，有效的消除了阿貝誤差的影響。中央布置驅動系統，消除了坐標軸在運動過程中扭轉和偏移。
    傳動系統上采用伺服電機、高精密循環滾珠絲杠，保證測量系統即使在很高系統加速度的情況下，仍然具有穩定的定位精度。
    探測系統采用3維模擬掃描測頭，不但能夠提供性能優良的連續3維動態掃描功能，而且測量系統還能夠進行精度極高的觸發測量。在測量過程中，探針始終沿被測工件表面的法向矢量方向進行觸測。因此，即使在配制較長的測桿加長桿的情況下，測量系統也能夠自動補償測頭系統的形變和彎曲。
    采用國際權威機構認證，具有確定熱膨脹系數的金屬光柵系統，由于光柵系統具有與被測金屬工件相近的熱膨脹系數，確保系統即使在比較大的測量范圍內，仍然具有極高的測量精度。同時測量系統具有非常小的系統分辨率，保證了測量數據具有穩定的重復精度。
    由于PMM-C坐標測量機在結構上存在上述特征，因此整機系統具有非常小的長度測量示值誤差MPEE值和空間探測誤差MPEP值。例如對于PMM-C 700P坐標測量機在19℃～21℃的溫度范圍內的最大允許長度測量示值誤差MPEE=0.6+L/600[um]，最大允許空間探測誤差MPEP=0.6[um]。
    在將PMM-C坐標測量機應用于實際的工業計量檢測過程當中，逐漸引入了一種新的測量理念—采用高精度通用測量設備完成工業生產領域的決大部分的測量檢測任務。通過PMM-C坐標測量機與QUINDOS專用計量軟件相結合不但能夠完成箱體類工件的檢測，而且能夠執行具有復雜幾何形狀工件的檢測任務。LEITZ生產的高精度PMM-C坐標測量機系統之所以能夠執行復雜幾何形狀的檢測任務，是因為測量機系統具備了兩個必要的基本條件：    1、 測量系統具有超高的測量精度性能，特別是坐標測量機極小的空間探測誤差MPEP值；    2、 對于各種幾何形狀的測量，必須具備專業計量軟件，同時軟件必須具有正確的數學算法。
    QUINDOS專業計量軟件的數學算法的正確性和有效性均通過德國國家物理研究所PTB的權威認證，達到工業領域最高精度標準，其中軟件長度測量誤差小于0.1um，角度測量誤差小于0.1秒。
    高精度坐標測量機PMM-C作為通用計量檢測設備，不但能夠代替其他類型的專用檢測設備，例如代替傳統意義的形狀檢測儀、齒輪測量設備和凸輪軸檢測設備，執行復雜幾何形狀檢測功能，降低了企業執行計量檢測任務所需的設備投資，而且在節省企業計量費用，提高計量檢測精度方面也發揮出重要的作用。首先，在同一臺計量設備或同一型號的計量設備上執行檢測任務，有效的降低了由于操作人員的差異所引起的偶然誤差，同時系統誤差來源單一，能夠實現對不同工序的測量結果進行統一的評價，測量結果完全符合ISO標準的規定，測量結果具有更高的置信度水平；其次對于生產企業來講，完成企業計量檢測需要更少的操作人員，更少的培訓服務以及降低的設備維修保養費用。同時在最大限度上發揮了設備的使用效能，降低了企業的檢測成本。
    坐標測量機的精度指標作為衡量測量性能的重要參數之一，直接決定了坐標測量機能否具備執行復雜幾何形狀工件的檢測能力。例如在國際標準ISO 10360坐標測量機性能檢測標準中規定了坐標測量機在檢測幾何元素的長度，位置度和幾何元素形狀誤差時所采用的測量精度指標—最大允許長度測量視值誤差MPEE和最大允許空間探測誤差MPEP。其中最大允許長度測量示值誤差MPEE與測量幾何元素長度和位置度相關；最大允許空間探測誤差MPEP為衡量坐標測量機檢測幾何元素形狀誤差的重要指標。其中后者在坐標測量機檢測復雜幾何形狀的具體應用中被定義為坐標測量機形狀檢測的最大允許誤差MPEP。下圖提供了坐標測量機在檢測形狀誤差時，坐標測量機形狀測量最大允許誤差MPEP值與被測工件允許的形狀誤差之間的關系。

　　注：坐標測量機的形狀測量誤差R值最大為被測量幾何元素形狀誤差的1/3。    從上圖我們知道PMM-C坐標測量機在檢測直齒輪或斜齒輪時，坐標測量機的形狀測量誤差R與齒向測量誤差ff和齒面測量誤差fβf之間的數量關系，由此我們可以進一步計算出PMM-C高精度坐標測量機測量齒輪所能達到的精度等級。

   上表依據DIN 3692標準規定，模數6～10，齒寬20～40mm，螺旋齒輪齒向誤差ff,齒面形狀誤差fβf以及執行檢測功能的坐標測量機所應具備的最大形狀測量誤差。因此LEITZ生產制造的高精度坐標測量機產品針對特定的齒輪模數，齒輪直徑，能夠執行依據DIN標準規定一級齒輪的檢測任務。PMM-C坐標測量機能夠執行齒輪檢測的類型包括內外正齒輪、斜齒輪、螺旋傘齒輪、冠裝齒輪等等。在測量過程中，通過LEITZ專利制造的TRAX 3維矢量測頭的不同測桿組合，完成齒輪檢測工作。例如，單測針完成正齒輪檢測，8-星型測針組合完成斜齒輪檢測，6-星型測針組合完成螺旋傘齒輪的檢測。由于在測量過程中，采用多種測針組合，完成檢測任務，因此PMM-C坐標測量機在執行具有復雜幾何形狀工件檢測任務的過程中不需要額外附加旋轉工作臺。PMM-C坐標測量機在執行具有回轉軸線的復雜幾何形狀的檢測任務方面，與傳統專用檢測設備或者是坐標測量機與轉臺相結合的測量系統相比較存在下述明顯的優勢。
    首先，能夠顯著的提高測量效率。PMM-C坐標測量機與QUINDOS專用測量軟件相結合，同時配以QUINDOS軟件托盤測量模塊，能夠實現同類型齒輪的批測量。

   上圖為PMM-C 700高精度坐標測量機托盤測量圓柱齒輪，齒頂圓直徑為φ90mm，其中系統的測量范圍為L×W 1200×1000mm，通過下述的計算公式我們能夠確定在Y向能夠測量的最多齒輪數，其中測量過程中測尖的移動需要5mm的間隙，8-星型測針組合在Y向的最大尺寸L=100mm，
公式：2×(50＋5)＋ (S-2)×(5＋100＋5)＋S×90≤1000,
結論：S≤5，其中S為齒輪托盤測量Y向最多齒輪數
    因此對于上述尺寸類型齒輪的測量，通過一次裝夾，單次最多能夠批測量35個圓柱齒輪。同時在PMM-C 700坐標測量機執行測量工作的過程中不需要人工干預。使測量過程具有極高的檢測效率，因此能夠對齒輪加工提供實時的生產控制。例如與GLEASON齒輪加工中心相連接的GAGE 4/WIN測量接口，能夠根據GLEASON刀具的基本設置，自動生成傘齒齒面上的探測點，對齒輪加工中心提供實時的加工參數修整，從而形成了齒輪加工的閉環控制，該過程的原理如下：

    其次，測量結果具有極高的準確性，由于坐標測量機由3個運動的坐標軸組成，同時3個坐標軸之間又有垂直度的要求，因此坐標測量機主機部分對測量結果產生系統誤差影響主要由與運動軸相關聯的21項誤差構成即每個坐標軸存在6個自由度誤差，3個坐標軸之間存在3個垂直度誤差。而對于具有旋轉工作臺坐標測量機而言，對測量結果產生影響的系統誤差遠遠大于以上提到的21項系統誤差，至少還應該包括與旋轉工作臺旋轉軸線相聯系的6個自由度誤差以及旋轉軸線與其他3個運動軸之間3個位置度誤差。同時，通過PMM-C坐標測量機檢測諸如齒輪工件的過程中不存在裝夾誤差。因此，PMM-C坐標測量機在檢測具有回轉軸線復雜幾何形狀工件時，與其他通過旋轉工作臺進行測量的的檢測設備相比具有更高的檢測精度。有鑒于此，美國國家標準與技術研究院采用LEITZ公司制造的PMM 866坐標測量機校驗標準齒輪。
    最后，PMM系列坐標測量機具有更加廣泛的測量對象范圍，例如對于檢測齒輪工件來講，可以測量的齒頂圓直徑為φ2mm～φ3700mm，可以測量的齒輪模數≥0.25。在回轉工件軸線方向不存在可測量高度的限制，例如PMM-C坐標測量機能夠測量任意長度的蝸桿和壓縮機轉子部件。同時PMM-C坐標測量機在檢測某幾種幾何工件上具有唯一性，例如步進齒輪的檢測只能夠在PMM-C坐標測量機上完成。
    PMM-C坐標測量機與QUINDOS專業計量軟件相結合，在工業計量領域實現了完全意義的通用計量檢測設備。不但能夠執行箱體類工件的高精度檢測，而且能夠執行具有復雜幾何形狀工件的計量檢測任務。例如，PMM-C坐標測量機能夠執行各種類型齒輪工件檢測，齒輪加工刀具的檢測，螺旋壓縮機轉子部件的檢測，氣輪機葉片的檢測以及蝸輪蝸桿的檢測。在復雜幾何形狀的制造領域，PMM-C高精度坐標測量機與工業級測量軟件QUINDOS的結合，對生產企業的測量技術革新，測量效率的提高以及整體生產成本的降低發揮著越來越重要的革新作用。

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[ 本帖最后由 duomeiti 于 2007-7-19 15:46 編輯 ]

來源：http://automation.xinxihua.cn/2006-11/75439.htm

關注ISO/TC213和我們國家的標準化技術委員會TC240，幾何量產品（GPS）標準在發生革命性的變革，基于坐標測量技術的機械加工數字化的標準化體系正在建立，在新體系下，坐標測量技術將占主導地位。