新型坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中的技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)展分析

寂靜天花板

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在汽車模具,、發(fā)動(dòng)機(jī)制造及塑膠等行業(yè)應(yīng)用廣泛,。本文通過蔡司、�,？怂箍到鼇硭�開發(fā)出的新機(jī)型,，來分析其中的產(chǎn)品戰(zhàn)略思維，從而力圖探討現(xiàn)代坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展走向,。
) T5 |* K6 R7 ]6 u* s; F( g  F        近 年來,，在國(guó)家強(qiáng)調(diào)夯實(shí)實(shí)體經(jīng)濟(jì)的大背景下， 現(xiàn)代制造業(yè),， 尤其是其中的汽車行業(yè),，作為實(shí)體經(jīng)濟(jì)的主要組成之一,，受到了各方面很大的關(guān)注并獲得了快速發(fā)展，特別是這種發(fā)展已不只是簡(jiǎn)單地體現(xiàn)在 行（企） 業(yè)規(guī)模,、產(chǎn)量的擴(kuò)大上,。從技術(shù)層面來講，無論是外企,、國(guó)企還是民企均已把提升制造技術(shù)水平,、轉(zhuǎn)變生產(chǎn)模式作為自身的發(fā)展方向。具體地說,，就是自本世紀(jì)初以 來,，融入了眾多先進(jìn)技術(shù)的“智能化制造”已逐漸為越來越多的企業(yè)所接受并予以實(shí)踐。這主要是出于最大程度地適應(yīng),、滿足不斷變化的市場(chǎng)和消費(fèi)者的需求的目 的,，通過轉(zhuǎn)變企業(yè)的運(yùn)行模式（如采取多品種混線的柔性化生產(chǎn)方式等），并盡量地符合可持續(xù)發(fā)展和綠色制造的基本原則,。當(dāng)然,，這是一個(gè)漸進(jìn)的、持續(xù)發(fā)展的過 程,，且會(huì)涉及到很多專業(yè)方面,，而測(cè)量技術(shù)作為制造工藝的一項(xiàng)要素,，又在其中占據(jù)了重要的位置,。
        因此，在“智能化制造”逐漸為企業(yè)接受并推行的大背景下,，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)這一已經(jīng)成為眾多汽車制造企業(yè)重要的質(zhì)量監(jiān)控手段,，其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)正在發(fā)生著深刻的變化。
        更突出檢測(cè)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)
        智能化生產(chǎn)的鮮明特征之一就是把監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)過程中的制造質(zhì)量,，以及對(duì)柔性化生產(chǎn)方式的適應(yīng),，這就決定了坐標(biāo)測(cè)量機(jī)必須作為一種工序檢測(cè)手段進(jìn)入車間現(xiàn)場(chǎng)。
6 ^) T; i! b: R5 U7 M; c        為 了迎合這一趨勢(shì),，自上世紀(jì)九十年代起,，一些富有遠(yuǎn)見和前瞻性的儀器供應(yīng)廠商在若干世界級(jí)主流汽車企業(yè)的配合下，藉助不斷開發(fā),，推出的新產(chǎn)品,，以及新的檢 測(cè)理念，為提升智能化制造的應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn),。在工業(yè)測(cè)量,、尤其是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)領(lǐng)域具有很大影響力的知名廠商（德）卡爾•蔡司公司， 即是頗有代表性的一家,。
7 F- j- U  ^8 u( w% U; `+ r/ u3 l+ N        另外,， 關(guān)于機(jī)器適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)較差工作環(huán)境的難題也早已引起眾多廠商的重視,， 在利用數(shù)種有效方法得以解決的基礎(chǔ)上， 從本世紀(jì)初以來,，包括蔡司,、海克斯康在內(nèi)的一些知名企業(yè)已經(jīng)先后推出了多種新款（或改進(jìn)）坐標(biāo)機(jī),。
, k! ]1 E; S6 @5 z2 Z        但在當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)大背景下,，產(chǎn)業(yè)部門對(duì)裝備廠商的要求總是持續(xù)的、不斷提升的,，而蔡司公司通過不久前推出的一款全新懸臂式機(jī)型CARMET,，交出了一份出色的答卷。
6 x6 F; U( @+ j3 t/ K  |$ E        眾所周知,， “ 懸臂式” 是一種技術(shù)上相當(dāng)成熟的坐標(biāo)測(cè)量機(jī),，已在汽車車身和覆蓋件等類零件的測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用，但被稱為測(cè)量多面手（the all rounder）的新機(jī)型CARMET 仍然在多方面有所創(chuàng)新和突破：
; N  @2 e& C1 }/ h        1） 更強(qiáng)的通用性,。整車加工鏈涉及到的覆蓋面有車身分總成,、車身骨架、整車,，以及夾具,、主模型等， 盡管均選取“懸臂式”器,，但一般得采用幾種機(jī)型才能勝任,。而CARMET 的新穎結(jié)構(gòu)，尤其是其很有特色的測(cè)頭和探針,，使它能靈活地應(yīng)對(duì)上述汽車企業(yè)的加工鏈中的各種檢測(cè)之需,；
. S) D4 [% E1 d, h% Z+ e        2）嚴(yán)密的安全保護(hù)措施。在車間相 對(duì)惡劣的工作環(huán)境下,，測(cè)量機(jī)較之專用檢具,，結(jié)構(gòu)顯得脆弱和易損，為此采取了多項(xiàng)有效措施,，如將光柵尺安裝于線性導(dǎo)軌之 間,，而導(dǎo)軌安裝在Y 軸下方，從而降低了碰撞危險(xiǎn),，即使在Y 軸經(jīng)受碰撞時(shí)也能提供可靠防護(hù),。而且，不同于大多數(shù)測(cè)量機(jī)所選用的齒輪驅(qū)動(dòng)方式,，新機(jī)型CARMET 采取了摩擦驅(qū)動(dòng),，不但降低了噪聲，在保護(hù)測(cè)量機(jī)自身和機(jī)器操作員的安全方面也發(fā)揮了積極的作用,；
        3）“集成控制系統(tǒng)”的應(yīng)用,。通過集成可移動(dòng)的顯示,、控制單元，使操作者能更方便地進(jìn)行分析測(cè)量,，并在編制測(cè)量程序時(shí)更靠近測(cè)量點(diǎn),，在節(jié)省體力的同時(shí)提高了效率；
( ^! p2 p+ p  Z) k6 Z* U0 q        4）軟件的兼容性,。所采用的車身和覆蓋件測(cè)量及脫機(jī)編程的專用軟件IDA 具有很好的兼容性,，通過DMIS 接口可以兼容不同的測(cè)量軟件；
        5）在采取了不少創(chuàng)新技術(shù)和簡(jiǎn)潔,、實(shí)用的措施后,，更降低了制造成本，加之該機(jī)器甚為經(jīng)久耐用,、便于維護(hù),。對(duì)于以汽車廠為主的用戶來講，不但降低了初次采購(gòu)時(shí)的投入,，且因日常維護(hù)和更換易損件很容易,，至使整個(gè)維
+ F8 s+ k0 |  Z# F4 W+ V$ i. F        修時(shí)間非常短，意味著這臺(tái)設(shè)備的生命周期成本是很低的,。
        此外,，ZEISS 還配備了靈活多變、適應(yīng)性很強(qiáng)的夾具系統(tǒng),。其具有以下特點(diǎn)：
: \& N1 c2 I3 G/ G: ]        1）節(jié)省空間的設(shè)計(jì)理念使得測(cè)量點(diǎn)容易觸及,；
        2）用模塊化設(shè)計(jì)，整體組成和布局合理,，可以更快,、更有效地配合主機(jī)完成不同的測(cè)量任務(wù)；
        3）該套夾具系統(tǒng)中還包含了所有的緊固件和用于緊固的工具,，故裝備一套夾具后即可實(shí)現(xiàn)所有拆裝、重組功能,；
$ S; u2 {: G" @/ v: `7 r: \        4）事實(shí)上,，該系統(tǒng)的很多組件可以在不使用工具的前提下進(jìn)行靈活調(diào)整，更易于自由搭配以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的測(cè)量需求,， 從而使這套ZEISS 新開發(fā)的夾具系統(tǒng)擁有更好的擴(kuò)展性,。
# w( S7 u( b! }5 D- f$ B' |3 Q        對(duì)尺寸測(cè)量提出更多要求
        隨著智能化制造的理念逐步為國(guó)內(nèi)主流汽車企業(yè)所接受并推行，原來的一些用于質(zhì)量監(jiān)控的傳統(tǒng)方式的不足也越來越多地反映了出來,。在車身和覆蓋件這類總成和零部件測(cè)量方面,，為進(jìn)一步滿足現(xiàn)代汽車廠在智能化水平方面提出的要求，在檢測(cè)方面我們需要做如下提升：
0 I* Z# W: O5 a2 v0 w        1）在保證足夠精度前提下提高測(cè)量效率,；
/ \1 b0 g9 h, M        2）從之前的只對(duì)部分特征點(diǎn)的檢測(cè)擴(kuò)展到通過圖像色差分析實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)被測(cè)區(qū)域的監(jiān)控,；
        3）立足于為車間現(xiàn)場(chǎng)的產(chǎn)品制造質(zhì)量服務(wù)的宗旨,，快速提供清晰、直觀的檢測(cè)結(jié)果（報(bào)告）,；
/ Y: F0 b) r9 G; _; ?- T- q        4）為迎合汽車廠用戶越來越短的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間,、投放周期，必須縮短設(shè)備的安裝,、調(diào)整周期,；
# c& D2 X8 n  m% P/ ?* v& C        5） 出于當(dāng)前社會(huì)上技能型工人欠缺的現(xiàn)狀，希望整個(gè)測(cè)量過程中盡量減少對(duì)操作人員的依賴,；
        在 動(dòng)力總成和零部件領(lǐng)域,，越來越多的新工藝、新技術(shù)在企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中獲得了應(yīng)用,，如以桁架機(jī)械手替代滾道式傳遞零件,，由加工中心替代專機(jī)、組合 機(jī)床,，采用多型號(hào)零件公用托盤（Adapter Plate）來取代傳統(tǒng)的工裝夾具定位等,。從而使多品種、多型號(hào)產(chǎn)品共線生產(chǎn),、以及真正意義上的無人化生產(chǎn)模式的實(shí)現(xiàn)成為可能,。但問題是這一智能 化的工藝配置也在尺寸檢測(cè)方面提出了諸多要求，必須得以妥善,、有效的解決,。它們包括：
        1） 測(cè)量系統(tǒng)必須融入智能化加工生產(chǎn)線，且無需人工參與,；
        2） 在保證足夠精度的前提下提高測(cè)量效率,；
        3） 測(cè)量系統(tǒng)需要具備多功能多用途，它將不僅僅是位置尺寸測(cè)量,，最好能涵蓋輪廓及粗糙度等微觀形狀尺寸測(cè)量,；
& {" z/ }2 P7 t% m  s& w8 ~        4） 測(cè)量系統(tǒng)需要更加柔性化，盡量降低投資成本并追求綠色,、環(huán)保,；
! t! X' O9 g% E/ D8 \; Y7 X        正是這一切來自企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的需求，促使了光學(xué)測(cè)量——激光測(cè)量和白光測(cè)量（WLS）,，漸漸地成為現(xiàn)代汽車制造企業(yè)的主流檢測(cè)手段之一,。
        先進(jìn)光學(xué)測(cè)量的普遍應(yīng)用
2 ?! }: [9 B' P$ b8 W        光 學(xué)測(cè)量有多種形式，就媒介物質(zhì)而言可分為激光,、白光等幾類,，而檢測(cè)方法則既有利用便攜式儀器進(jìn)行的手動(dòng)測(cè)量， 又有設(shè)置在生產(chǎn)線中（旁）的拱門（固定） 式和機(jī)器人的通用式自動(dòng)化測(cè)量等幾種,。雖然國(guó)內(nèi)光學(xué)測(cè)量,、特別是其中的激光傳感器已在車身,、沖壓件檢測(cè)中有所應(yīng)用， 但由于其優(yōu)越性尚未真正顯露,，故而范圍相當(dāng)有限�,，F(xiàn)今，知名的儀器供應(yīng)廠商�,？怂箍倒�司生產(chǎn)的各類以光學(xué)測(cè)量為基礎(chǔ)的檢測(cè)設(shè)備,，已被廣泛地配置在國(guó)內(nèi)眾多 的合資、國(guó)營(yíng)和民營(yíng)企業(yè),。尤其需指出的一點(diǎn)是,，海克斯康往往還會(huì)根據(jù)不同用戶的具體情況和需求,，幫助制定檢測(cè)規(guī)劃乃至測(cè)量方案,，使該企業(yè)所購(gòu)置的設(shè)備在產(chǎn) 品質(zhì)量的監(jiān)控中能最大程度地發(fā)揮出積極的作用。
        案例1,，WLS 白光測(cè)量,。二臺(tái)帶有白光測(cè)量頭的機(jī)器人用于車身生產(chǎn)線在線檢測(cè)的實(shí)況，右側(cè)為清晰,、直觀的測(cè)量報(bào)告,。據(jù)此不僅可對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行有效的監(jiān)控，而且系統(tǒng)在快速 生成測(cè)量 報(bào)告的同時(shí),，還能對(duì)一段時(shí)間以來眾多工件的測(cè)量結(jié)果做統(tǒng)計(jì)分析,，及時(shí)地提供標(biāo)準(zhǔn)差、極差和平均值等直接反映加工質(zhì)量的數(shù)據(jù),，一旦發(fā)現(xiàn)偏差異常,，將馬上通知 車間或工藝部門做相應(yīng)的調(diào)整。
# C6 G  B* ^  @        而以WLS 的測(cè)量結(jié)果為依據(jù),， �,？怂箍倒�司還推出了功能更強(qiáng)的“點(diǎn)云分析”，通過“表面色差分析+ 邊界線+2D 截面線”,，就能獲得更多的有用信
        息,， 這對(duì)以后通過數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而再查找制造過程中的誤差源是有積極意義的,。當(dāng)然白光測(cè)量在車廠被用于很多不同場(chǎng)合， 除了工件,、即產(chǎn)品外,，還可用來檢測(cè)或驗(yàn)證工位器具，如夾具,、檢具,、測(cè)量支架和模具等,。
        案 例2，在Romer 關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)上加載CMS 可變焦激光測(cè)頭后,，再借助于關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的便攜性,，可以實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各種復(fù)蓋件的快速測(cè)量。而CMS 可變焦激光測(cè)頭,，由于采用了最新的變焦技術(shù),，其測(cè)量范圍、焦距均可以調(diào)節(jié),，在檢測(cè)過程中可以根據(jù)零件表面的曲率變化而調(diào)節(jié),，在曲率變化比較大的位置會(huì)自動(dòng) 增加采點(diǎn)的密度，而在曲率變化比較平緩的位置則會(huì)降低采點(diǎn)的密度,，這樣的好處既保證測(cè)量精度又提高效率,。同時(shí)因減少了點(diǎn)云數(shù)據(jù)量，也提高了計(jì)算 機(jī)的使用效率,。
        案例3,，這種激光測(cè)量技術(shù)不僅僅可以在關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)上使用，同樣可以在橋式測(cè)量機(jī)和懸臂測(cè)量機(jī)上使用,。圖7 是在橋式測(cè)量機(jī)上快速測(cè)量一個(gè)焊接件（又稱車身分總成）的曲面,，包括其邊界等的各種特征。
4 {0 B4 P1 F3 _8 f5 u9 g        另外,， 通過在懸臂測(cè)量機(jī)上加載CMS 可變焦激光測(cè)頭,，還能進(jìn)行螺柱測(cè)量。長(zhǎng)期以來,，檢測(cè)車身或焊接件上的螺柱特征參數(shù)一直是個(gè)難題,，通常要借助于特制的輔助件才能進(jìn)行。
        然而當(dāng)加載了CMS 可變焦的激光測(cè)頭后,，就可以通過對(duì)其直接進(jìn)行掃描,，隨即就能輸出測(cè)量結(jié)果，其精度和原來的傳統(tǒng)方式相比,，大約提高了一個(gè)數(shù)量級(jí),，而工作效率則提高了60%。
9 ~, [( T# n+ c/ H/ Y# ~        案 例4,，在以切削加工為主的動(dòng)力總成和汽車零部件制造領(lǐng)域,，近年來隨著光學(xué)檢測(cè)技術(shù)的不斷完善和提升，已使測(cè)量從過去采用的接觸方式轉(zhuǎn)變?yōu)榉墙佑|方式成 為了現(xiàn)實(shí),。與此同時(shí),， 這種新穎技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也從傳統(tǒng)的主要以檢測(cè)位置、尺寸測(cè)量為主，發(fā)展到可同時(shí)反映微觀變化量的粗糙度測(cè)量領(lǐng)域,。把光學(xué)測(cè)量方法應(yīng)用于切削機(jī)加工范疇,，徹 底改變了傳統(tǒng)的以機(jī)加工為主的制造業(yè)中的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)設(shè)備的規(guī)劃。一些經(jīng)過精密加工的,、高精度的表面,，以及某些內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的，或者那些軟性的零部件,，從此 以后就有了更為便捷的檢測(cè)手段,。
        同時(shí)，非接觸式的光學(xué)測(cè)量方法再配合在高精度儀器上的使用,，使檢測(cè)效率也有了明顯提高,。海克斯康旗下的 Leitz 于近年來推出的纖維光學(xué)探頭（FOP）和光學(xué)粗糙度測(cè)量頭(TEL),，該探針可以配置在LeitzPMM 高精度坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上,，通過配合自動(dòng)更換架裝置，即能自動(dòng)完成對(duì)機(jī)加工切削型零部件的高速,、高精度掃描方式檢測(cè),，它的配置方式是采取了將接觸與非接觸（光 學(xué)）進(jìn)行集成，根據(jù)需要又可方便地自由切換,。而對(duì)工件的整個(gè)測(cè)量過程,，用戶可根據(jù)實(shí)際的需求實(shí)行自動(dòng)編程執(zhí)行，并不需要人工的參與,。
/ U+ Q; T3 s- q4 D, L( K3 d        不難想象,，對(duì)一個(gè)過去必須通過多個(gè)步驟或多種檢測(cè)設(shè)備才能完成的測(cè)量，如今只需要一個(gè)步驟或一臺(tái)設(shè)備就能完成,，這無疑大大地提高了工作效率,，而且為用戶企業(yè)顯著地節(jié)約了采購(gòu)成本。進(jìn)一步地從生產(chǎn)規(guī)劃的角度來看,，則是極大地提升了智能化制造的應(yīng)用水平,。
9 d- X- G+ {+ G( W# A( {        小結(jié)
5 F5 d. m9 z' x        由 上可見，在“智能化制造”已逐漸為企業(yè)接受并推行的大趨勢(shì)下,，在汽車制造業(yè)中廣泛應(yīng)用的坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)正發(fā)生著深刻的變化,。其一是更加突出了企業(yè)在用坐標(biāo) 測(cè)量類檢測(cè)設(shè)備的通用性、多功能,、低成本和操作的便捷,，而不再是片面強(qiáng)調(diào)高精度等傳統(tǒng)指標(biāo)。而另一方面,，不斷發(fā)展和推出的先進(jìn)測(cè)量技術(shù),，諸如激光、白光等 先進(jìn)的非接觸式計(jì)量設(shè)備,，正是它們所具有的高效,、環(huán)保、可持續(xù)利用等諸多特性,，才是它們擁有了強(qiáng)大的生命力,。而表征這一點(diǎn)的，就是其真正適應(yīng)了當(dāng)今制造型 企業(yè),， 為尋求成為可持續(xù)發(fā)展和綠色制造的智能化制造企業(yè)的需求,。

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