測量技術(shù)的發(fā)展動向

提高生產(chǎn)效率的條件及其與測量工程的關(guān)系主要表現(xiàn)在三個(gè)方面，即縮短交貨日期、提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低加工成本。本文即以此為切入點(diǎn)，結(jié)合第20屆日本國際機(jī)床展覽會上的量儀展品，介紹測量技術(shù)的發(fā)展動向。   
   測量技術(shù)的發(fā)展趨勢   
    近十余年來，機(jī)床高速化的進(jìn)展極為迅速。從測量領(lǐng)域來看，一部分測量儀器在高速化、自動化方面有了明顯的進(jìn)步；但從整個(gè)行業(yè)來看，測量儀器高速化的進(jìn)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于機(jī)床行業(yè)，由此而往往造成工序之間的不平衡。提高測量效率和加強(qiáng)與其他工序的聯(lián)接，使貨物流能順暢進(jìn)行，這是縮短交貨日期的主要課題。在此前提下，縱觀本屆展覽會的測量儀器產(chǎn)品，可以發(fā)現(xiàn)，許多廠家推出了提高檢測速度、提高操作性能和功能多樣化的不同產(chǎn)品，它們的共同特點(diǎn)都是著重提高測量效率，許多新技術(shù)也是圍繞這一中心開發(fā)出來的。   
    為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，各公司都在積極開發(fā)可靠性高的高精度測量技術(shù)。近年來，隨著ISO 9000s及ISO 9000標(biāo)準(zhǔn)的貫徹，測量儀器管理系統(tǒng)的完善已迫在眉睫。遺憾的是，在本屆展覽會上，相關(guān)的校正儀器或標(biāo)準(zhǔn)型儀器卻并不太多。會上展出了一些新的測量技術(shù)和關(guān)鍵性的改進(jìn)技術(shù)，由此，可以看出各公司對技術(shù)創(chuàng)新還是抱著積極的態(tài)度。   
    對于儀器的維修保養(yǎng)，用戶和制造商均非常重視。有些展出的測量儀器對安裝場所的溫度條件，已并不如從前那樣苛刻，有的儀器則是綜合了多種測量工具的功能。這些新產(chǎn)品表明，廠家在開發(fā)降低成本的測量儀器方面，也是不遺余力的。   
    提高效率的測量技術(shù)   
    非接觸式高速形狀測量技術(shù)   
    汽車車身或泵葉輪等大型零件的形狀測量，大都要求采用高速獲取三維位置數(shù)據(jù)的測試手段，迄今主要使用帶有多關(guān)節(jié)或水平懸臂式接觸測頭的三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行測量。但接觸式測量方法在測量大型零件時(shí)，將受到諸多限制，不利于提高測量效率。針對這種情況，本屆展覽會上展出了多種非接觸式測量方法，可對上述大型零件進(jìn)行高密度高速測量。   
    日本東京精密公司開發(fā)了一種新型三坐標(biāo)測量機(jī)，這是一種可移動式三維光學(xué)測量裝置，它利用干涉條紋圖象和三角測量方式進(jìn)行非接觸測量。機(jī)內(nèi)裝有三臺攝像機(jī)，可對220mm(縱向)×330mm(橫向)視野內(nèi)的物體位置坐標(biāo)進(jìn)行每秒最大密度為4點(diǎn)/mm2的掃描，30～40秒鐘即可計(jì)算處理完畢，測量精度為60μm。該機(jī)利用了一種新型數(shù)據(jù)處理技術(shù)，例如，按0.5mm間距測量相當(dāng)于1000mm×1500mm的汽車車門的數(shù)據(jù)，包含各個(gè)測量工序在內(nèi)，總共只需40分鐘即可完成測量作業(yè)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理。   
    日本東京貿(mào)易工程系統(tǒng)公司展出的Comet系統(tǒng)也是一種可移動式非接觸三坐標(biāo)測量機(jī)，該機(jī)雖然也利用三角測量原理，但卻可使作為測量指標(biāo)的光柵條紋回轉(zhuǎn)，從而獲得多個(gè)等高線數(shù)據(jù)。這種測量方式不易受被測對象表面狀態(tài)的影響，可獲得較高的測量精度。   
    上述系統(tǒng)由于可在單位表面獲取三維位置數(shù)據(jù)，因此，與接觸式測量方式相比，可進(jìn)行高速檢測作業(yè)。另外，由于非接觸測量不會增加測量受力，因此，可對軟質(zhì)材料進(jìn)行高精度測量。此類系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)，可比照CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)，因此，各公司必須設(shè)計(jì)工藝及相關(guān)的應(yīng)用實(shí)例向用戶公開說明。這種可進(jìn)行高密度高速測量的技術(shù)，可望應(yīng)用于設(shè)計(jì)模型時(shí)的詳細(xì)數(shù)值化等逆向工程技術(shù)領(lǐng)域。  
    OPTON公司展出一種高速M(fèi)oire 3D攝像機(jī)，它可高速獲取一定范圍內(nèi)的形狀數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算，實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果。該機(jī)可按10000coma/秒的速度測量50×50～1000×1000mm范圍內(nèi)的形狀。例如，可用于振動、位移解析或波面的觀察、在線測量等領(lǐng)域。   

   測量功能的綜合化   
    綜合化也稱復(fù)合化，它包含兩個(gè)方面的含義，一是提高測量機(jī)的功能，增加檢測項(xiàng)目；另一方面是擴(kuò)大檢測范圍，一臺測量機(jī)配有多個(gè)方式不同的檢測器，可分別檢測不同的測量對象。過去需使用多臺測量機(jī)才能完成的測量作業(yè)，現(xiàn)在用一臺多功能測量機(jī)即可完成，因此，可大幅度提高測量作業(yè)的效率和測量精度。   
    德國Mahr公司在會上展出了一臺多功能測量機(jī)，它在圓度測量機(jī)的基礎(chǔ)上，附加了坐標(biāo)測量機(jī)的功能。作為圓度測量機(jī)，要求具有良好的高精度回轉(zhuǎn)軸和Z軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)，然后將長行程Y軸與X軸的驅(qū)動機(jī)構(gòu)與之組合起來，采用轉(zhuǎn)環(huán)式測頭，這樣該機(jī)即具有坐標(biāo)測量機(jī)的功能。這種測量機(jī)可測量圓度、圓柱度、平行度等幾何誤差，也可測量直徑、級差等長度和角度。該機(jī)的測量范圍為300(X)×600(Y)×700(Z)mm，測量長度時(shí)的精度U1=1.2+L/500μm，U2=1.5+L/300μm，U3=2.0+L/300μm。   
    長期以來，將三坐標(biāo)測量機(jī)與回轉(zhuǎn)工作臺組合在一起，才可對齒輪、曲軸、凸輪軸等復(fù)雜形狀的工件進(jìn)行測量。Mahr公司的多功能測量機(jī)由于可有效利用回轉(zhuǎn)工作臺上的空間，因此易于對長尺寸的大型軸類形狀進(jìn)行測量。據(jù)稱，今后還可進(jìn)一步擴(kuò)展至對復(fù)雜圓柱形物體進(jìn)行測量。   
    在半導(dǎo)體、電子零件或成形用微小模具、塑料制品等復(fù)雜細(xì)小零件的尺寸、形狀測量方面，可采用配裝顯微鏡、CCD攝像機(jī)、圖像處理設(shè)備的非接觸式坐標(biāo)測量機(jī)。日本的一些光學(xué)機(jī)器、測量器、家電等生產(chǎn)廠家，在定位、聚焦、照明、棱邊檢測等技術(shù)領(lǐng)域，已開發(fā)出一些各具特色的檢測制品，近年來，多數(shù)制品均已普及推廣應(yīng)用。   
    在本屆展覽會上，有四家公司展出了附加CCD傳感器、激光傳感器或接觸式測頭等多個(gè)傳感器的坐標(biāo)測量機(jī)，共展出三臺實(shí)物，據(jù)樣本介紹，共有10余個(gè)機(jī)種類型。如日本三豐公司展出了快速成像的圖像測量機(jī)。這些機(jī)種的接觸式測頭傳感器可對攝像機(jī)難以攝取的錯(cuò)綜復(fù)雜部分的尺寸或深孔的任意高度尺寸等進(jìn)行三維測量。由此可見，與利用光學(xué)原理的非接觸方式相結(jié)合，可使坐標(biāo)測量機(jī)具有更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。   
為用戶提供方便的產(chǎn)品   
    英國泰勒—霍布遜公司展出了兩種表面粗糙度測量機(jī)，這是一種便攜式測量機(jī)，形體小巧，便于在加工現(xiàn)場或室外使用，也可滿足在線測量的需要。該機(jī)的測量部分和控制部分是分開的，利用紅外線進(jìn)行信息傳輸，不通過電纜即可進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作。這種儀器用于那些人手難以達(dá)到的部位或在不安全環(huán)境內(nèi)進(jìn)行測量，極為方便。在擴(kuò)大測量機(jī)的使用范圍，提高操作性能方面，霍布遜公司的產(chǎn)品作出了有益的探索。   
    布拉紋公司展出一臺三坐標(biāo)測量機(jī)，牌號為GAGE 2000R，它采用卡尺和千分尺等簡單操作原理，撳動按鈕即可進(jìn)行測量。測量結(jié)構(gòu)可按卡尺測量的圖像或千分尺指針的圖像，顯示在操作屏幕上，非常便于用戶操作和對測量結(jié)果進(jìn)行分析判斷。   
    不斷提高測量儀器的質(zhì)量   
   提高測量水平與新型關(guān)鍵技術(shù)   

   伯阿脫公司在會上展出了一臺多傳感器三坐標(biāo)測量機(jī)，該機(jī)采用了新的測量原理，機(jī)上配裝了稱作光纖測頭的微小球體，微小球體作為接觸式測頭使用；同時(shí)，由于它同顯微鏡圖象處理的非接觸式測量裝置相連接，因此，可對微小孔的邊槽尺寸形狀進(jìn)行高精度測量。利用此種新型測頭可對φ50～100μm的微小孔進(jìn)行精密測量。微小球體端部的最小半徑為12.5μm，球體與光纖連接在一起，既可作為測頭使用，同時(shí)還可充作照明裝置。這種光纖測頭具有良好的撓曲特性，讓其接觸微小孔內(nèi)璧，通過光纖照明的球體位置，可由CCD傳感器檢測出來，進(jìn)行圖象處理后，即可計(jì)算出小孔的尺寸、形狀。過去，測量微小盲孔或深孔中間部位的尺寸、形狀，通常都采用CCD傳感器或激光傳感器，由于系垂直照明，光亮度有限，檢測時(shí)不能獲得足夠的光量，因此深孔中間部位的測量十分困難。伯阿脫公司的新型技術(shù)克服了迄今測量深孔尺寸、形狀的難點(diǎn)，非常便于在生產(chǎn)現(xiàn)場對微小零件進(jìn)行多種測量和檢查。   
    Zygo公司展出了一臺非接觸式三坐標(biāo)表面形狀測量機(jī)，型號為New Bure 5000，其縱向分辨率為0.1nm，可高速測量精密加工零件的微細(xì)形狀。最大測量范圍為5.2mm×7.0mm，縱向最大測量范圍為5mm。與裝有掃描測頭顯微鏡等高分辨率的測量機(jī)相比，Zygo公司的新產(chǎn)品可在縱向和橫向的極廣范圍內(nèi)進(jìn)行三維測量。該測量機(jī)利用了具有白色光干涉條紋的相位調(diào)制干涉方式和獨(dú)家開發(fā)的高速解析軟件等新技術(shù)，其縱向掃描速度為10.5μm/s，其特點(diǎn)是分辨率高，可進(jìn)行較廣范圍的高速測量作業(yè)。   
    西鐵城鐘表公司與另一公司合作開發(fā)出一種利用并行機(jī)構(gòu)的復(fù)合式載物臺，具有六自由度定位功能，深受觀眾注目。該機(jī)采用公司自制球軸承，載物臺堅(jiān)固耐用，位置及置放形式易于控制。其行程如下：X、Y為25mm，Z為10mm，定位精度0.3μm。   
    上述各種測量機(jī)的復(fù)雜運(yùn)動均能平穩(wěn)進(jìn)行，并可保證良好的測量精度，對工作臺結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了大量改進(jìn)，這些都是提高測量精度的基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù)。這些新的基礎(chǔ)技術(shù)使上述測量機(jī)有望廣泛應(yīng)用于復(fù)雜曲面的加工過程或微小零件及成組工程等的測量領(lǐng)域。   
    控制工藝過程的測量技術(shù)   
    英國Renishaw公司展出了新開發(fā)的NCI非接觸工具測量系統(tǒng)，主要用于機(jī)床上工具的調(diào)整和運(yùn)轉(zhuǎn)狀況監(jiān)視。該系統(tǒng)應(yīng)用了可視激光，便于對工具位置進(jìn)行隨機(jī)測量，可縮短定位時(shí)間和防止因工具不當(dāng)而產(chǎn)生的加工失誤，使加工效率和加工質(zhì)量得到進(jìn)一步提高。   
    日本三豐公司展出了新開發(fā)的Measur Link系列，這是一種測量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)匯總和解析測量工序所獲取的產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)線和管理部門利用該系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，進(jìn)行質(zhì)量管理。三豐公司為此開發(fā)了一系列相關(guān)軟件，供用戶選用。例如，其中有一種供測量部門應(yīng)用的工藝管理程序，它可將各種測量儀器獲取的測量數(shù)據(jù)送至微機(jī)終端，并繪制成管理圖或示意圖，實(shí)時(shí)顯示出來，便于早期發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，可有效防止加工不良情況的出現(xiàn)。   
    隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，許多企業(yè)都已大量采用微機(jī)和不斷完善企業(yè)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因此，利用綜合顯示生產(chǎn)現(xiàn)場狀況的監(jiān)控系統(tǒng)，充分利用信息資源，嚴(yán)密監(jiān)控加工質(zhì)量，是各公司今后需要不斷努力的技術(shù)攻關(guān)方向之一。   
   努力降低測量成本   
    長期以來，測量、檢查工作大都要求設(shè)置恒溫室，以提高測量的可靠性；恒溫室溫度的調(diào)節(jié)范圍越狹小，維護(hù)控制費(fèi)用也越高。因此，用戶希望購買那種在廣泛的溫度范圍內(nèi)仍能充分發(fā)揮其性能的測量儀器，以降低測量成本。   
    三豐公司展出一臺新開發(fā)的柔性測量機(jī)QM-Measure，這是一種臺式三坐標(biāo)測量機(jī)的簡化型機(jī)種，可用于生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行檢測作業(yè)。該機(jī)綜合了各種表類量具的功能，可收到長期降低測量成本的效果。該機(jī)附有溫度補(bǔ)償功能，可在15～30℃的溫度條件下使用。   
    蔡司和東京精密公司聯(lián)合開發(fā)的PRISMO測量機(jī)，也是一種用于生產(chǎn)現(xiàn)場的CNC三坐標(biāo)測量機(jī)，保證測量精度的溫度條件為16～30℃。這種測量機(jī)的指示誤差為E=20+L/300μm，測量誤差為R=1.8μm，是一種高精度測量機(jī)種。   
    上述測量機(jī)的使用形式盡管各有不同，但它們卻可從必須嚴(yán)格控制溫度的恒溫室中移至生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行測量，測量精度也可得到有效保證，這一點(diǎn)在精密測量行業(yè)有著重要的開創(chuàng)意義，而且對用戶也是極為有利的。