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、海克斯康近來所開發(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。
) ], ~' B! ]( i( Y        近 年來，在國家強(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。
3 C/ O3 P( z9 Q8 Z9 J+ K" C        更突出檢測(cè)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)
8 S3 W* e9 D! a        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)。
        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。
        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)。
        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。
, j7 k6 i4 g& {& E" b/ i        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：
1 ~3 A0 H. A, k# ?4 k" j        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；
        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；
  {, }: h, {8 O: X! O' k  l6 G        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；
( Y/ s7 h2 ~3 u  R        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；
. M+ A4 f* F5 V  k, |; k        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
        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。
9 P3 N" L, `: T( {( p4 n; S        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)：
        1）節(jié)省空間的設(shè)計(jì)理念使得測(cè)量點(diǎn)容易觸及；
' y2 B) ^4 d6 ]        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；
# P& i( X+ d. n        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。
* [5 F9 Z) h8 L# s) E4 K) B* r        對(duì)尺寸測(cè)量提出更多要求
2 y2 j8 q8 L6 J& K/ c        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(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：
        1）在保證足夠精度前提下提高測(cè)量效率；
4 [1 d8 V  a0 q/ a* R; T% j6 J        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；
4 Z- n9 m; ]2 p: M        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）；
        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；
' v- D+ e4 ^( u& {+ s        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；
, J3 L" ~8 {8 G8 @) `        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：
% R7 V% B) o* a4 ?2 ^$ N; d( s, X        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；
        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；
+ C% l" g; C4 |& |3 g        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
        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。現(xiàn)今，知名的儀器供應(yīng)廠商海克斯康公司生產(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內(nèi)眾多 的合資、國營和民營企業(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。
6 X7 `6 |7 |) k! \4 u) A! o% Q2 C        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。
5 W, @+ R. }$ g- ^4 V) P5 P( o        而以WLS 的測(cè)量結(jié)果為依據(jù)， 海克斯康公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
! S7 S/ x+ e5 H# P, e6 g2 P% v        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。
6 f% v2 w7 M( H- w. P  j4 |        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。
( J) \) _' e  X7 c. v- R) P0 M: p        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%。
6 w. _6 {$ w6 C4 @        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。
2 c8 V8 Y1 H, l# j* a  u0 x3 X        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。
        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。
        小結(jié)
( r4 ]* o; {$ v& D        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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