新型坐標測量機中的技術(shù)及應(yīng)用進展分析

寂靜天花板

三坐標測量機在汽車模具、發(fā)動機制造及塑膠等行業(yè)應(yīng)用廣泛。本文通過蔡司、?？怂箍到鼇硭_發(fā)出的新機型，來分析其中的產(chǎn)品戰(zhàn)略思維，從而力圖探討現(xiàn)代坐標測量技術(shù)的發(fā)展走向。
2 x  E1 @- Y, j2 c2 ^        近 年來，在國家強調(diào)夯實實體經(jīng)濟的大背景下， 現(xiàn)代制造業(yè)， 尤其是其中的汽車行業(yè)，作為實體經(jīng)濟的主要組成之一，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)展已不只是簡單地體現(xiàn)在 行（企） 業(yè)規(guī)模、產(chǎn)量的擴大上。從技術(shù)層面來講，無論是外企、國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，就是自本世紀初以 來，融入了眾多先進技術(shù)的“智能化制造”已逐漸為越來越多的企業(yè)所接受并予以實踐。這主要是出于最大程度地適應(yīng)、滿足不斷變化的市場和消費者的需求的目 的，通過轉(zhuǎn)變企業(yè)的運行模式（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。當然，這是一個漸進的、持續(xù)發(fā)展的過 程，且會涉及到很多專業(yè)方面，而測量技術(shù)作為制造工藝的一項要素，又在其中占據(jù)了重要的位置。
( i- B) I" X; i6 X        因此，在“智能化制造”逐漸為企業(yè)接受并推行的大背景下，三坐標測量機這一已經(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)展趨勢正在發(fā)生著深刻的變化。
, H% j6 J8 `4 t! T1 u6 K        更突出檢測設(shè)備的優(yōu)勢
        智能化生產(chǎn)的鮮明特征之一就是把監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量的重點轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)過程中的制造質(zhì)量，以及對柔性化生產(chǎn)方式的適應(yīng)，這就決定了坐標測量機必須作為一種工序檢測手段進入車間現(xiàn)場。
5 U. f1 r+ V/ i9 T% K        為 了迎合這一趨勢，自上世紀九十年代起，一些富有遠見和前瞻性的儀器供應(yīng)廠商在若干世界級主流汽車企業(yè)的配合下，藉助不斷開發(fā)，推出的新產(chǎn)品，以及新的檢 測理念，為提升智能化制造的應(yīng)用做出了重要貢獻。在工業(yè)測量、尤其是坐標測量機領(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。
        另外， 關(guān)于機器適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場較差工作環(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， 從本世紀初以來，包括蔡司、?？怂箍翟趦?nèi)的一些知名企業(yè)已經(jīng)先后推出了多種新款（或改進）坐標機。
( `- x3 k) o( H- ^: u8 T0 t        但在當前的經(jīng)濟大背景下，產(chǎn)業(yè)部門對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型CARMET，交出了一份出色的答卷。
        眾所周知， “ 懸臂式” 是一種技術(shù)上相當成熟的坐標測量機，已在汽車車身和覆蓋件等類零件的測量中得到了廣泛的應(yīng)用，但被稱為測量多面手（the all rounder）的新機型CARMET 仍然在多方面有所創(chuàng)新和突破：
        1） 更強的通用性。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型才能勝任。而CARMET 的新穎結(jié)構(gòu)，尤其是其很有特色的測頭和探針，使它能靈活地應(yīng)對上述汽車企業(yè)的加工鏈中的各種檢測之需；
        2）嚴密的安全保護措施。在車間相 對惡劣的工作環(huán)境下，測量機較之專用檢具，結(jié)構(gòu)顯得脆弱和易損，為此采取了多項有效措施，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，即使在Y 軸經(jīng)受碰撞時也能提供可靠防護。而且，不同于大多數(shù)測量機所選用的齒輪驅(qū)動方式，新機型CARMET 采取了摩擦驅(qū)動，不但降低了噪聲，在保護測量機自身和機器操作員的安全方面也發(fā)揮了積極的作用；
7 H; z6 ~) d- F        3）“集成控制系統(tǒng)”的應(yīng)用。通過集成可移動的顯示、控制單元，使操作者能更方便地進行分析測量，并在編制測量程序時更靠近測量點，在節(jié)省體力的同時提高了效率；
# ^& ~! @2 ?, G2 L. V        4）軟件的兼容性。所采用的車身和覆蓋件測量及脫機編程的專用軟件IDA 具有很好的兼容性，通過DMIS 接口可以兼容不同的測量軟件；
8 L& t1 U+ d4 V+ D$ q) J& J        5）在采取了不少創(chuàng)新技術(shù)和簡潔、實用的措施后，更降低了制造成本，加之該機器甚為經(jīng)久耐用、便于維護。對于以汽車廠為主的用戶來講，不但降低了初次采購時的投入，且因日常維護和更換易損件很容易，至使整個維
3 y. _* e" ]9 s& B. y, n' k" A        修時間非常短，意味著這臺設(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)性很強的夾具系統(tǒng)。其具有以下特點：
        1）節(jié)省空間的設(shè)計理念使得測量點容易觸及；
3 l: J$ d' v6 E, z* n0 X$ ?2 D2 A1 I  Z5 @        2）用模塊化設(shè)計，整體組成和布局合理，可以更快、更有效地配合主機完成不同的測量任務(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現(xiàn)所有拆裝、重組功能；
6 |+ Z" f8 b* \' b4 ~        4）事實上，該系統(tǒng)的很多組件可以在不使用工具的前提下進行靈活調(diào)整，更易于自由搭配以實現(xiàn)個性化的測量需求， 從而使這套ZEISS 新開發(fā)的夾具系統(tǒng)擁有更好的擴展性。
        對尺寸測量提出更多要求
! t9 v5 ^, L' o3 `: t$ }        隨著智能化制造的理念逐步為國內(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量方面，為進一步滿足現(xiàn)代汽車廠在智能化水平方面提出的要求，在檢測方面我們需要做如下提升：
/ w, m+ f2 ]3 E3 ~( Y8 _        1）在保證足夠精度前提下提高測量效率；
        2）從之前的只對部分特征點的檢測擴展到通過圖像色差分析實現(xiàn)對整個被測區(qū)域的監(jiān)控；
        3）立足于為車間現(xiàn)場的產(chǎn)品制造質(zhì)量服務(wù)的宗旨，快速提供清晰、直觀的檢測結(jié)果（報告）；
7 Q! g) e& X( ^- r! ?        4）為迎合汽車廠用戶越來越短的生產(chǎn)準備時間、投放周期，必須縮短設(shè)備的安裝、調(diào)整周期；
        5） 出于當前社會上技能型工人欠缺的現(xiàn)狀，希望整個測量過程中盡量減少對操作人員的依賴；
        在 動力總成和零部件領(lǐng)域，越來越多的新工藝、新技術(shù)在企業(yè)的實際生產(chǎn)中獲得了應(yīng)用，如以桁架機械手替代滾道式傳遞零件，由加工中心替代專機、組合 機床，采用多型號零件公用托盤（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方面提出了諸多要求，必須得以妥善、有效的解決。它們包括：
8 E( h8 I; ~: ?! c4 i0 W8 w        1） 測量系統(tǒng)必須融入智能化加工生產(chǎn)線，且無需人工參與；
6 j, F5 }+ q2 j! g" [, E        2） 在保證足夠精度的前提下提高測量效率；
        3） 測量系統(tǒng)需要具備多功能多用途，它將不僅僅是位置尺寸測量，最好能涵蓋輪廓及粗糙度等微觀形狀尺寸測量；
& u: m/ y- k5 v* O; N- E# K        4） 測量系統(tǒng)需要更加柔性化，盡量降低投資成本并追求綠色、環(huán)保；
$ M6 N3 o$ e$ S! ]6 n3 W  b% n' \        正是這一切來自企業(yè)實際生產(chǎn)的需求，促使了光學測量——激光測量和白光測量（WLS），漸漸地成為現(xiàn)代汽車制造企業(yè)的主流檢測手段之一。
        先進光學測量的普遍應(yīng)用
        光 學測量有多種形式，就媒介物質(zhì)而言可分為激光、白光等幾類，而檢測方法則既有利用便攜式儀器進行的手動測量， 又有設(shè)置在生產(chǎn)線中（旁）的拱門（固定） 式和機器人的通用式自動化測量等幾種。雖然國內(nèi)光學測量、特別是其中的激光傳感器已在車身、沖壓件檢測中有所應(yīng)用， 但由于其優(yōu)越性尚未真正顯露，故而范圍相當有限?，F(xiàn)今，知名的儀器供應(yīng)廠商?？怂箍倒旧a(chǎn)的各類以光學測量為基礎(chǔ)的檢測設(shè)備，已被廣泛地配置在國內(nèi)眾多 的合資、國營和民營企業(yè)。尤其需指出的一點是，?？怂箍低€會根據(jù)不同用戶的具體情況和需求，幫助制定檢測規(guī)劃乃至測量方案，使該企業(yè)所購置的設(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。
& w0 v( h6 q/ I/ M, V; Y        案例1，WLS 白光測量。二臺帶有白光測量頭的機器人用于車身生產(chǎn)線在線檢測的實況，右側(cè)為清晰、直觀的測量報告。據(jù)此不僅可對生產(chǎn)過程進行有效的監(jiān)控，而且系統(tǒng)在快速 生成測量 報告的同時，還能對一段時間以來眾多工件的測量結(jié)果做統(tǒng)計分析，及時地提供標準差、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。
! C3 T' U, }9 }; A        而以WLS 的測量結(jié)果為依據(jù)， ?？怂箍倒具€推出了功能更強的“點云分析”，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
4 I' s; f. Q  T' Q! M- a& w        息， 這對以后通過數(shù)據(jù)分析，進而再查找制造過程中的誤差源是有積極意義的。當然白光測量在車廠被用于很多不同場合， 除了工件、即產(chǎn)品外，還可用來檢測或驗證工位器具，如夾具、檢具、測量支架和模具等。
9 p7 B8 G( g" x) H! G        案 例2，在Romer 關(guān)節(jié)臂測量機上加載CMS 可變焦激光測頭后，再借助于關(guān)節(jié)臂測量機的便攜性，可以實現(xiàn)在現(xiàn)場對各種復(fù)蓋件的快速測量。而CMS 可變焦激光測頭，由于采用了最新的變焦技術(shù)，其測量范圍、焦距均可以調(diào)節(jié)，在檢測過程中可以根據(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自動 增加采點的密度，而在曲率變化比較平緩的位置則會降低采點的密度，這樣的好處既保證測量精度又提高效率。同時因減少了點云數(shù)據(jù)量，也提高了計算 機的使用效率。
        案例3，這種激光測量技術(shù)不僅僅可以在關(guān)節(jié)臂測量機上使用，同樣可以在橋式測量機和懸臂測量機上使用。圖7 是在橋式測量機上快速測量一個焊接件（又稱車身分總成）的曲面，包括其邊界等的各種特征。
0 M: f3 P4 r. u& U. U  u0 V        另外， 通過在懸臂測量機上加載CMS 可變焦激光測頭，還能進行螺柱測量。長期以來，檢測車身或焊接件上的螺柱特征參數(shù)一直是個難題，通常要借助于特制的輔助件才能進行。
        然而當加載了CMS 可變焦的激光測頭后，就可以通過對其直接進行掃描，隨即就能輸出測量結(jié)果，其精度和原來的傳統(tǒng)方式相比，大約提高了一個數(shù)量級，而工作效率則提高了60%。
        案 例4，在以切削加工為主的動力總成和汽車零部件制造領(lǐng)域，近年來隨著光學檢測技術(shù)的不斷完善和提升，已使測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。與此同時， 這種新穎技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也從傳統(tǒng)的主要以檢測位置、尺寸測量為主，發(fā)展到可同時反映微觀變化量的粗糙度測量領(lǐng)域。把光學測量方法應(yīng)用于切削機加工范疇，徹 底改變了傳統(tǒng)的以機加工為主的制造業(yè)中的實驗室檢測設(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手段。
& M5 Z1 p" h7 a7 V        同時，非接觸式的光學測量方法再配合在高精度儀器上的使用，使檢測效率也有了明顯提高。?？怂箍灯煜碌?Leitz 于近年來推出的纖維光學探頭（FOP）和光學粗糙度測量頭(TEL)，該探針可以配置在LeitzPMM 高精度坐標測量機上，通過配合自動更換架裝置，即能自動完成對機加工切削型零部件的高速、高精度掃描方式檢測，它的配置方式是采取了將接觸與非接觸（光 學）進行集成，根據(jù)需要又可方便地自由切換。而對工件的整個測量過程，用戶可根據(jù)實際的需求實行自動編程執(zhí)行，并不需要人工的參與。
        不難想象，對一個過去必須通過多個步驟或多種檢測設(shè)備才能完成的測量，如今只需要一個步驟或一臺設(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)約了采購成本。進一步地從生產(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。
5 F; a% h2 s4 E$ @        小結(jié)
        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下，在汽車制造業(yè)中廣泛應(yīng)用的坐標測量技術(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 測量類檢測設(shè)備的通用性、多功能、低成本和操作的便捷，而不再是片面強調(diào)高精度等傳統(tǒng)指標。而另一方面，不斷發(fā)展和推出的先進測量技術(shù)，諸如激光、白光等 先進的非接觸式計量設(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，才是它們擁有了強大的生命力。而表征這一點的，就是其真正適應(yīng)了當今制造型 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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