現(xiàn)代精密量儀現(xiàn)狀及水平

現(xiàn)代精密量儀現(xiàn)狀及水平

成都工具研究所 謝華錕

  
　　

      1 引言   
　　當今信息技術(shù)已經(jīng)成為推動科學技術(shù)和國民經(jīng)濟高速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。如何用先進的信息技術(shù)來提升、改造我國的傳統(tǒng)制造業(yè)，實現(xiàn)生產(chǎn)力跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)調(diào)整，是裝備制造業(yè)面臨的一項緊迫任務。著名科學家錢學森先生曾指出：“信息技術(shù)包括測量技術(shù)、計算機技術(shù)和通訊技術(shù)。測量技術(shù)是關(guān)鍵和基礎。”采用適度先進的信息化數(shù)字測量技術(shù)和產(chǎn)品來迅速提升裝備制造業(yè)水平，是當前一個重要的發(fā)展方向。國內(nèi)外許多著名量儀量具制造廠商在近年來的CIMT展覽會上展示了他們所取得的部分科研成果，所展現(xiàn)的現(xiàn)代測量技術(shù)發(fā)展趨勢和面向市場與用戶、服務于加工制造現(xiàn)場、測量與加工制造過程融合集成的新動向，值得我們高度重視和密切關(guān)注。   
　　2 國內(nèi)外測量儀器和量具展品的發(fā)展趨勢   
　　2．1數(shù)字化測量技術(shù)   
　　數(shù)字化測量技術(shù)是數(shù)字化制造技術(shù)的一個重要的、不可或缺的組成部分；數(shù)字化測量儀器、數(shù)字化量具產(chǎn)品的不斷豐富和發(fā)展，適合并滿足了生產(chǎn)現(xiàn)場不斷提高的使用要求。   
　　（1） 多種數(shù)顯量具——防水數(shù)顯卡尺: 日本三豐、瑞士TESA及我國深圳UMP等公司開發(fā)的防水數(shù)顯卡尺達到防水等級IP65；各種數(shù)顯百分表、千分表、數(shù)顯內(nèi)徑表等，并帶有測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理功能及打印輸出。  
　　（2） CNC齒輪測量中心——德國Klingelnberg公司、美國M&；M及Mahr公司的齒輪測量中心，其儀器的測量不確定度可達2微米，可檢測各種齒輪類零件及各種齒輪刀具；國內(nèi)哈量和精達開發(fā)的齒輪測量中心，在精度和測量速度方面已經(jīng)接近或達到國外水平，但在儀器的精度保持性、穩(wěn)定性、尤其是在軟件測量功能方面還有待進一步提高。   
　　（3） CCD數(shù)字式對刀儀——Zoller、Kelch等公司CCD數(shù)字式對刀儀系列產(chǎn)品測量過程全自動化，具有刀具管理數(shù)據(jù)庫，能與多臺數(shù)控機床通訊，自動實現(xiàn)機床加工位置參數(shù)信息的閉環(huán)反饋。   
　　（4） 三坐標測量機——三坐標測量機是數(shù)字化測量儀器的精典產(chǎn)品。國內(nèi)市場的主要供應商有海克斯康青島（原名B&；S前哨）、ZEISS、Mahr、LK、西安愛德華、303所、上量等企業(yè)。三坐標測量技術(shù)在采用工程陶瓷、磁力封閉新材料、新結(jié)構(gòu)方面多有進展。多測頭的集成，擴大了儀器測量功能；多功能、高精度、多坐標綜合測量儀，打破了傳統(tǒng)量儀的格局；一臺儀器一次裝卡可完成工件多種幾何參數(shù)的檢測，提高了測量精度和效率。  
　　2.2測量技術(shù)與制造系統(tǒng)的集成   
　　將現(xiàn)代測量技術(shù)及儀器融合、集成于先進制造系統(tǒng)，從而構(gòu)建成完備的先進閉環(huán)制造系統(tǒng)，為“零廢品”制造奠定了基礎。   
　　（1）圓柱齒輪/錐齒輪閉環(huán)制造系統(tǒng)——格里森公司及克林格貝爾公司，采用先進的齒輪測量中心及相應的齒輪測量軟件，與CNC齒輪加工機床相連，實現(xiàn)了圓柱齒輪、弧錐齒輪的CAD/CAM/CAI的閉環(huán)制造。   
　　（2）復雜數(shù)控刀具閉環(huán)制造系統(tǒng)——Walter公司生產(chǎn)的Helicheck刀具萬能測量儀，可實現(xiàn)數(shù)控刀具的自動化、非接觸式測量。通過OTC刀具在線補償系統(tǒng)，與Helitronic數(shù)控刀具磨床實現(xiàn)在線連接；將實測值和設計值進行比較后，實時修正機床磨削參數(shù)，確保了復雜型面數(shù)控刀具的加工質(zhì)量。  
　　（3）剃齒刀閉環(huán)制造系統(tǒng)——日本大阪精機將齒輪測量儀器和剃齒刀磨床通過計算機聯(lián)系起來，構(gòu)成一個閉環(huán)的剃齒刀磨齒系統(tǒng)：將初磨后測量的結(jié)果和剃齒刀數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)進行比較，再對磨齒機加工參數(shù)進行修正，從而保證精磨合格。   
　　2.3在線在機測量技術(shù)   
　　在線在機測量技術(shù)以及工位量儀、主動量儀是大批量生產(chǎn)時保證加工質(zhì)量的重要手段。計量型儀器進入生產(chǎn)現(xiàn)場、融入生產(chǎn)線，監(jiān)控生產(chǎn)過程。對儀器的高可靠性、高效率、高精度以及質(zhì)量統(tǒng)計功能、故障診斷功能提出了新的要求，而近年來開發(fā)的各種在線在機測量儀器滿足了這些要求。   
　　（1）三坐標測量機進入汽車大型覆蓋件生產(chǎn)線——美國Brown&Sharp公司的Bravo-NT測量機可在汽車生產(chǎn)線上對車身尺寸實施在線測量并充分滿足汽車生產(chǎn)線對測量節(jié)拍、測量精度和測量可靠性的要求。  
　　（2）大齒輪/成型齒輪磨齒機的機載齒輪測量裝置——德國Kapp公司磨齒機的機載齒輪測量裝置是一個典型事例。測量系統(tǒng)和機床集成一體，可在工件試磨后馬上進行在機檢測，測量信息處理后能反饋至機床，及時修正加工參數(shù)。特別有利于大型、重型齒輪和大批量齒輪的成形磨削加工。  
　　（3）汽車齒輪在線測量分選機——美國ITW公司展出的齒輪在線自動分選機。該儀器作為一種改型的齒輪雙面嚙合在線檢測分選機，具有特殊的二維齒向測量機構(gòu)，除了測量齒輪徑向綜合偏差、齒厚、加工毛刺及磕碰缺陷以外，還能測量雙嚙齒向偏差和雙嚙齒向錐度偏差等齒輪誤差，能滿足對批量生產(chǎn)汽車齒輪100%的在線檢測和自動分選的要求。  
　　（4）火車車輪（熱鍛及冷加工）在線檢測系統(tǒng)——合肥工業(yè)大學為馬鞍山鋼鐵公司開發(fā)的火車車輪（熱鍛及冷加工）在線檢測系統(tǒng)填補了國內(nèi)空白，滿足了對熱鍛車輪毛坯和精車車輪輪廓形狀和幾何尺寸精度的100%的質(zhì)量監(jiān)測。   
　　2.4大尺寸、復雜幾何型面輪廓測量技術(shù)及儀器、反求工程測量技術(shù)及儀器的發(fā)展   
　　（1）可移動、多關(guān)節(jié)式坐標測量機，便于現(xiàn)場使用——Poli、Fardarm公司的多關(guān)節(jié)式坐標測量機，采用了高精度光柵和內(nèi)置平衡系統(tǒng)，且?guī)в袦囟妊a償，精度可達±0.025mm/1.2m球；加拿大EAGLE精密技術(shù)公司的EPT TMS-100彎管測量系統(tǒng)，具有接觸式和紅外非接觸式兩種測頭，以及與數(shù)控彎管機全兼容的零件庫和誤差校正信息庫，可與數(shù)控彎管機集成為一個完整的、信息融通的閉環(huán)彎管制造系統(tǒng)，特別適用于航空發(fā)動機制造業(yè)。  
　　（2）視覺測量技術(shù)和測量系統(tǒng)應用廣泛——天津大學開發(fā)的汽車大型覆蓋件在線測量系統(tǒng)。采用兩臺或多臺高精度經(jīng)緯儀和專用基準精密靶標進行測量儀器的現(xiàn)場精度校準，精度高、速度快，得到用戶一汽大眾等的好評。該項目榮獲了國家科技進步二等獎。復雜形面焊接件、沖壓件模具或工件幾何尺寸的CCD視覺檢查儀器，近年來在國內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展。   
　　（3） 激光跟蹤測量儀——API的6維激光測量系統(tǒng)、Leize公司的激光跟蹤測量儀，帶有紅外激光絕對長度測量（ADM）系統(tǒng)，可用于大尺寸復雜形面輪廓的測量。   
　　2.5激光測量技術(shù)和儀器   
　　隨著激光測量技術(shù)的發(fā)展，納米分辨率激光干涉測量系統(tǒng)在超精測量和超精加工機床上得到廣泛應用。   
　　（1） 英國Renishaw公司展出的金牌M10激光干涉測量系統(tǒng)，配備了靈敏度和精度更高的溫度、氣壓、濕度傳感器和金牌EC10環(huán)境補償裝置，提高了測量精度，其穩(wěn)頻精度可達±0.05ppm,線性測量精度±0.7ppm，分辨率可達1納米，是激光測量技術(shù)發(fā)展的典型代表。   
　　（2）德國SIOS的小型激光干涉儀系列產(chǎn)品，有微型平面干涉儀、激光干涉測頭等，可以和用戶多種測量系統(tǒng)結(jié)合，據(jù)稱特別適用于完成各種小尺寸范圍的納米測量任務。  
　　（3）光動（OPTODYNE）公司開發(fā)的激光向量測量技術(shù)，是一種采用對角線方向測量數(shù)控機床空間位置精度的新方法，能提高在機檢測數(shù)控機床的精度和檢測速度。API的六維激光測量系統(tǒng)，一次安裝調(diào)試后，可同時測量數(shù)控機床的6項精度，為生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)控機床的檢測提供了另一種快速準確的檢測與診斷手段。   
　　2.6微、納米級高精度傳感器   
　　傳感器向小型化、微、納米級精度發(fā)展，生產(chǎn)現(xiàn)場適應性更強，精度更高。   
　　（1）北京標普及HEIDENHAIN的納米光柵技術(shù)和納米光柵數(shù)字式位移傳感器系列產(chǎn)品，將光柵傳感器的精度和分辨率提高了一個等級。標普的光柵納米傳感技術(shù)，解決了納米光柵的工作原理、納米光柵的制造技術(shù)、納米光柵信號的讀取技術(shù)和信號細分技術(shù)以及納米機械的制造等四大難題，取得了自主知識產(chǎn)權(quán)，并已經(jīng)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，其測量系統(tǒng)的精度在100毫米上小于±20納米。產(chǎn)品除在國內(nèi)市場銷售外，還遠銷國外。北京珍寶智能機器技術(shù)公司的智能化電感頻變式比較儀的示值變動性不大于0.003微米，示值誤差不大于±（0.003+0.005A）微米（式中A為示值），已為國內(nèi)多家塊規(guī)制造廠所采用。   
　　（2）三坐標機測頭向高精度、小型化的發(fā)展：RENISHAW的SP80超高精度數(shù)字式掃描測頭，分辨率為0.02微米；ZEISS的VAST三維6向掃描測頭系統(tǒng)，采用平行簧片機構(gòu)，分辨率為0.05微米，掃描范圍達2毫米。Werth的光纖測頭，半徑僅為12.5微米，號稱世界最小，適用于超細、超精密工件的測量。   
　　2.7測量軟件功能的增強和擴展   
　　（1）測量軟件已從“被動”的測量數(shù)據(jù)處理和單個產(chǎn)品質(zhì)量評定，發(fā)展為“主動”的生產(chǎn)過程加工質(zhì)量的監(jiān)控和故障診斷，SPC得到普遍應用；測量儀器精度補償軟件和加工機床參數(shù)反饋調(diào)整軟件的開發(fā)，為實現(xiàn)“零廢品”制造提供了技術(shù)支撐；   
　　（2）相同或不同類型多傳感器海量測量數(shù)據(jù)的集成融合技術(shù)，大大提高了反求工程的制造質(zhì)量并縮短了開發(fā)周期：華中科技大學的復雜形狀零件的測量、集成建模和面向制造的設計軟件的開發(fā)成功大大擴展了軟件的功能；   
　　（3）對虛擬測量技術(shù)和虛擬儀器（虛擬量儀）的研究不斷深入，NI產(chǎn)品不斷更新：如重慶大學開發(fā)的傻瓜型虛擬儀器適合中國國情，推出的網(wǎng)絡化虛擬儀器前景誘人。   
　　3分析與結(jié)語   
　　王大珩院士指出要十分重視儀器儀表行業(yè)的發(fā)展，這為我國精密量儀制造業(yè)的發(fā)展指明了方向。分析歷屆CIMT展會上展出的國內(nèi)外量具量儀產(chǎn)品與技術(shù)，可以看出：盡管我們已經(jīng)取得了令人鼓舞的成績，但目前我國在機械量測量技術(shù)和儀器方面的自主開發(fā)能力還不強，制造技術(shù)也相對落后，如不盡快改善，將難以適應加入WTO后所面臨的市場競爭。近年來國外著名量儀制造企業(yè)紛紛尋求在國內(nèi)獨資辦廠，更形成了在國內(nèi)市場上面對面的國際競爭，低技術(shù)含量、低價格微利的產(chǎn)品難以應對市場沖擊，國內(nèi)量具量儀制造企業(yè)面臨著前所未有的巨大挑戰(zhàn)。   
　　縱觀近幾屆CIMT，國內(nèi)量具量儀產(chǎn)品與國外的差距主要表現(xiàn)在以下幾方面：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)老化，品種和規(guī)格多年來變化甚少，產(chǎn)品性能及可靠性提高不明顯，高新技術(shù)及其相應產(chǎn)品開發(fā)速度緩慢。尤其突出的是缺乏自主創(chuàng)新的技術(shù)和特色產(chǎn)品。由于量儀開發(fā)與生產(chǎn)的技術(shù)難度大，投資多而見效慢，前幾年有的專業(yè)量儀生產(chǎn)廠因效益驅(qū)動，迫于市場壓力被迫轉(zhuǎn)產(chǎn)；近兩年，由于我國汽車制造業(yè)的快速發(fā)展，帶動了我國量儀制造業(yè)的復蘇，市場情況明顯好轉(zhuǎn)，一些產(chǎn)品甚至出現(xiàn)了供不應求的局面。在此大好形勢下，行業(yè)企業(yè)紛紛抓緊機遇，生產(chǎn)和技術(shù)開發(fā)，取得了一些可喜成績。如哈爾濱量具刃具集團有限責任公司今年成功開發(fā)出測量范圍達2米的CNC3920大型齒輪測量儀（見圖20），可以滿足我國重型機械、船舶、軍工等行業(yè)對高精度大型齒輪的測量要求，填補了國內(nèi)空白。西安愛德華作為我國精密量儀制造行業(yè)中快速崛起的新秀，其三坐標測量機系列產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)已經(jīng)在國內(nèi)市場躍居第二，僅次于B&；S前哨。近年該公司還開發(fā)了激光干涉測量儀和圓度儀，不斷向精密測量儀器的高新領域發(fā)展。由于企業(yè)本身擁有強大的自主開發(fā)能力和自主知識產(chǎn)權(quán)，因此具有強勁的生命力和良好的發(fā)展空間。   
　　但是總體來說，我國精密測量技術(shù)和儀器的現(xiàn)狀仍然遠遠不能滿足國內(nèi)機械裝備制造業(yè)迅速發(fā)展的需求，尤其是在先進測量技術(shù)和儀器的基礎理論研究、共性關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)方面與國外的差距越來越大。反思起來，過去把機械行業(yè)專業(yè)研究所一刀切，統(tǒng)統(tǒng)轉(zhuǎn)為企業(yè)是否是明智之舉？技術(shù)開發(fā)投入減少、技術(shù)骨干人員流失，對精密測量儀器制造業(yè)的發(fā)展已經(jīng)造成不良影響。建議國家相關(guān)部門應該盡快采取措施，通過政策傾斜，加大對“國家精密工具工程技術(shù)開發(fā)中心”的投入，有選擇性的、適當恢復或組建為數(shù)有限的一些非盈利的、國家資助的專業(yè)研究所，重點研究有關(guān)國民經(jīng)濟、國防軍工發(fā)展的高新技術(shù)，引導和推動行業(yè)技術(shù)水平的提高。筆者希望在以“數(shù)字化制造技術(shù)與裝備的新發(fā)展”為主題的第九屆中國國際機床展覽會上看到更多具有自主知識產(chǎn)權(quán)的具有國際水平的國產(chǎn)量具量儀展品，為杷我國從“制造大國”建成“制造強國”，讓我們?nèi)袠I(yè)共同努力。“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索”，僅以此與中國量具量儀行業(yè)同仁共勉！[/align]