日益重要的測量技術(shù)

發(fā)布日期：2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽：3908

日益重要的測量技術(shù)
 
    為了適應(yīng)已發(fā)生根本變化的市場，制造業(yè)正在大力開發(fā)具有更高附加值的產(chǎn)品。在產(chǎn)品開發(fā)中，測量技術(shù)的作用顯得日益重要。目前在精密計量檢測領(lǐng)域，測量精度已從原來的微米量級發(fā)展到納米量級，對更微細(xì)加工形狀的檢測也受到更多關(guān)注。不但對產(chǎn)品的精度質(zhì)量如形狀尺寸、表面粗糙度、圓度等提出了更高的檢測要求，而且用于驗證加工機(jī)床本身精度的各種檢測技術(shù)也在不斷進(jìn)步。

質(zhì)量管理對測量技術(shù)的需求

    生產(chǎn)車間對提高加工效率和降低加工成本的追求是永無止境的。但是，最重要的是提高產(chǎn)品質(zhì)量。因此，采用嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)、實行徹底的質(zhì)量管理至關(guān)重要。

    作為質(zhì)量管理的手段，如同用高精度的零部件群構(gòu)成加工機(jī)床和在生產(chǎn)線上配備高精度測量機(jī)那樣，需要將生產(chǎn)線構(gòu)筑成一種“自律”系統(tǒng)。由此可以預(yù)測，今后對質(zhì)量管理所需檢測設(shè)備及支持系統(tǒng)的需求將進(jìn)一步增加。

    實際上在生產(chǎn)現(xiàn)場，使用量規(guī)來檢測產(chǎn)品至今仍是主流檢測方式。量規(guī)是針對各種產(chǎn)品定制的專用量具，不具有兼用于其它零部件的通用性，如零部件的設(shè)計發(fā)生變更，就需要重新設(shè)計和制作量規(guī)。隨著市場對產(chǎn)品需求的多樣化，零部件的種類在不斷增加，使量規(guī)的數(shù)量也隨之增加。此外，高精度量規(guī)的制作需要高超的技藝，隨著技術(shù)工人的更替換代，現(xiàn)在已很難購買到高精度量規(guī)了。

    通過量規(guī)獲得的檢測結(jié)果僅僅是零件是否合格，能否進(jìn)入下一道工序，而無法測量和記錄零件的實際尺寸值。因此，可用于生產(chǎn)現(xiàn)場的測量儀器倍受關(guān)注。通過引入現(xiàn)場測量儀器，可以采集和積累測量數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)反饋應(yīng)用于加工流程。此外，通過建立數(shù)據(jù)庫，記錄和保存測量數(shù)據(jù)，在零部件作為最終產(chǎn)品售出后發(fā)生質(zhì)量缺陷等問題時，就能掌握該零部件是在何時、何處加工的，即具有可追溯性（traceability），也就容易查找原因和解決問題了。但是另一方面，隨著現(xiàn)場測量儀器測量精度的提高，對儀器的環(huán)境適應(yīng)性、可靠性和檢測效率也提出了更高要求。

    在精密測量領(lǐng)域，用于質(zhì)量管理的可追溯性思維方式以及評估測量不確定度的重要性已在制造業(yè)獲得了廣泛共識。作為一般性的測量評估，正在形成研究探討精度溯源和測量不確定度的環(huán)境。由精度溯源和不確定度構(gòu)成的對測量可靠性的評估，形成了以ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）標(biāo)準(zhǔn)體系為代表的現(xiàn)代質(zhì)量管理體系。

    尺寸的管理可以說是制造的基本要素。今后，隨著海外生產(chǎn)的發(fā)展前景看好，要求在不同地區(qū)生產(chǎn)的高精度零部件具有互換性。在全球化的進(jìn)程中，不僅僅是大型企業(yè)，甚至包括中小型企業(yè)都將越來越重視基于國際通用測量方法的產(chǎn)品生產(chǎn)。重新認(rèn)識生產(chǎn)線在線測量的重要性、探討徹底的質(zhì)量管理方法才是超越全球化浪潮的有力武器。

對在線檢測的需求

    為了滿足不斷追求高精度、低成本生產(chǎn)的用戶需求，要求測量儀器不僅能為檢查加工質(zhì)量而進(jìn)行尺寸測量（比較測量），還能實現(xiàn)在線檢測（或測量儀器安裝在生產(chǎn)線旁，便于被測工件的裝卸和搬運）。在汽車零部件的形狀檢測方面，越來越多地采用實時檢測工件并將檢測結(jié)果及時反饋回加工流程等方式，在線檢測呈現(xiàn)出強勁的發(fā)展趨勢。

    在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行檢測，需要滿足用戶的以下要求：①提高生產(chǎn)效率；②提高測量結(jié)果的可靠性；③適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境；④滿足測量裝置的安裝空間等。這些要求主要基于自動化、無人化測量的需求。對應(yīng)于用戶實施質(zhì)量管理和構(gòu)筑生產(chǎn)線的需要，各測量設(shè)備制造商已將為特定用戶提供有關(guān)檢測問題的解決方案作為重要的發(fā)展戰(zhàn)略予以實施。制定在線檢測解決方案的關(guān)鍵是用于監(jiān)控加工流程的測量技術(shù)是否能與加工設(shè)備適當(dāng)匹配。采用閉環(huán)（closed-loop）方式監(jiān)測刀具及換刀系統(tǒng)將提高機(jī)械加工的質(zhì)量和效率，從而大幅度降低生產(chǎn)成本。

    在線檢測的目的是保持并提高加工、組裝的精度質(zhì)量和生產(chǎn)效率。目前企業(yè)十分重視將原有的生產(chǎn)線轉(zhuǎn)換為能夠提高加工、組裝系統(tǒng)的性能及可靠性、穩(wěn)定地生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的高效生產(chǎn)線，因此非常需要在線檢測技術(shù)和測量裝備的支持。

對自動化測量的需求

    Marposs公司最早提出和應(yīng)用接觸式及非接觸式測量技術(shù)開發(fā)在線和離線測量機(jī)。該公司將許多標(biāo)準(zhǔn)化的測量元件和組件根據(jù)用戶的需要進(jìn)行組合定制，以適應(yīng)各種加工機(jī)床（如磨床）對工件尺寸進(jìn)行自動測量和控制的要求。作為一攬子解決方案，Marposs公司還開發(fā)了對應(yīng)于各種磨削機(jī)床的尺寸形狀測量、聲發(fā)射監(jiān)測以及振動、磨削量等測量系統(tǒng)。據(jù)稱，該公司已接到很多系統(tǒng)解決方案的訂單和大型訂單，顯示出旺盛的市場需求。

    近年來，對形狀精度測量儀器的測量精度要求日趨嚴(yán)格，對微小孔和微細(xì)零件的測量需求也在持續(xù)增加，滿足這種需求的新產(chǎn)品正不斷被開發(fā)出來。例如，Taylor Hobson公司的超精密非接觸式三維表面形狀測量機(jī)Talisurf基于該公司獲得專利的特殊算法，利用干涉條紋確定共振峰值和相位位置，能以很高的測量速度和高分辨率（0.1埃）獲取被測樣品的高精度信息。儀器的分辨率和測量精度可用具有溯源性的校正規(guī)進(jìn)行校準(zhǔn)。

    在對形狀精度要求嚴(yán)格的齒輪測量領(lǐng)域，大阪精機(jī)的NC齒形導(dǎo)程測量機(jī)等測量設(shè)備可對齒輪的齒形、齒向、齒距等參數(shù)進(jìn)行全自動快速測量，并采用了可以消除振動影響的直接傳送伺服系統(tǒng)。在汽車制造領(lǐng)域，如何提高齒輪的動力傳輸效率已成為關(guān)鍵技術(shù)，因此要求不斷提高齒輪測量機(jī)的精度。為了提高汽車的加速性能和舒適性，消除發(fā)動機(jī)和變速箱的噪音及振動非常重要，尤其是變速箱，對齒輪的檢測精度要求很高。關(guān)于齒輪的測量方法，大阪精機(jī)認(rèn)為“在日本目前還沒有國家認(rèn)證。因此必須使用作為檢定基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)齒輪來確認(rèn)測量精度，再委托國外的有關(guān)認(rèn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)行測試。”

對高精度、高分辨率測量的需求

   作為位置精度測量器件，線型編碼器（Linear Encoder）的公共溯源體系在日本國內(nèi)尚未確立。2004年，Heidenhain公司在名古屋工廠引入了長度精度檢測裝置。這是德國物理工學(xué)研究所（PTB）率先開發(fā)的精度檢定裝置。就長度計量而言，PTB以具有可追溯性的激光、基準(zhǔn)尺、線型編碼器為基礎(chǔ)，用合計10個以上的長度標(biāo)準(zhǔn)分階段地保證測量精度。

    對于除了長度以外的溫度、氣壓、角度等測量要素，也確立了分別以半年至數(shù)年為周期實施精度檢定的可追溯性體系。近年來，與分度標(biāo)尺編碼器一起，絕對（Absolute）編碼器已逐漸成為主流。Heidenhain公司的編碼器已實現(xiàn)了高精度、高分辨率（可達(dá)10nm）和高速通訊化。

    用于測量尺寸精度的數(shù)字測量規(guī)（Digital Gauges）要求具有高精度、高分辨率和對各種工作環(huán)境的適應(yīng)能力。Sony Manufacturing Systems公司的數(shù)字測量規(guī)產(chǎn)品陣容中新增了體積更小、精度更高、分辨率更小（最小可達(dá)0.1μm）的新型號，可實現(xiàn)最大量程12mm的高精度測量。此外，為了滿足用戶柔性多點測量和多界面輸出的需求，該公司還推出了能夠靈活對應(yīng)不同連接線數(shù)（最多可達(dá)64線）多界面輸出的MG系列測量模塊。該公司為了構(gòu)筑能獲得計量法規(guī)認(rèn)定、可滿足用戶需求、具有可追溯性長度檢定體系的質(zhì)量保證系統(tǒng)，已通過了ISO 9001國際標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。

致力于提供測量整體解決方案

     用三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行測量時，為了確保尺寸精度的可追溯性并將其應(yīng)用于工件尺寸的檢驗，需要評估測量的不確定度。為此，需要評估各種誤差因素，以計算出不確定度。在ISO／TC213／WGl0（坐標(biāo)測量機(jī)）標(biāo)準(zhǔn)化工作中，已設(shè)定了坐標(biāo)測量機(jī)的精度評估標(biāo)準(zhǔn)，并且正在探討不確定度的評估標(biāo)準(zhǔn)。

    在進(jìn)一步縮短三坐標(biāo)測量機(jī)的測量時間、提高其運動速度方面一直存在著競爭。目前，進(jìn)一步提高測量機(jī)移動和快速加減速的速度的技術(shù)瓶頸是振動，通過采用新的測頭技術(shù)、驅(qū)動方式和高剛性設(shè)計等，可以有效消除振動，使得進(jìn)一步提高測量機(jī)運動速度成為可能。尤其當(dāng)三坐標(biāo)測量機(jī)用于在線檢測時，要求在加工線上對工件的溫度誤差進(jìn)行補償修正。因此，測量設(shè)備生產(chǎn)商正在致力于為用戶提供解決加工中測量問題的總體方案。

    對于三坐標(biāo)測量機(jī)，目前還沒有可稱為“基準(zhǔn)規(guī)”的精度測量儀器。采用量塊可以驗證一軸和二軸的精度，但是要對作為三坐標(biāo)測量機(jī)特性的三軸精度進(jìn)行驗證尚有欠缺。淺沼技研開發(fā)的三維精度驗證規(guī)Quality Master置于三坐標(biāo)測量機(jī)的測量工作臺上，在正反位置各測量三次，即可根據(jù)測量數(shù)據(jù)瞬間評估和簡易校正三坐標(biāo)測量機(jī)的幾何精度。

CNC圖像測量機(jī)的發(fā)展

   作為檢測沖壓件、鑄件等小型、薄型加工零件的高精度測量儀器，在傳感器中導(dǎo)入使用CCD相機(jī)的CNC圖像測量機(jī)有了快速發(fā)展。目前，分辨率小于lμm的超高精度圖像測量機(jī)、裝備CCD相機(jī)和分辨率達(dá)0.0lμm的激光測高儀、用于強化測量高度的混合型測量機(jī)等也已經(jīng)開發(fā)出來。

    在精密測量技術(shù)方面，重要的是對更高精度且形狀復(fù)雜的工件進(jìn)行高效測量。測量的不確定度不僅是用于評估檢測結(jié)果，更重要的是用于從總體上考慮檢測成本，以構(gòu)筑高效率的檢測系統(tǒng)。不僅要提供以高精度為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)，而且還要研究能夠更精確地模擬評估復(fù)雜測量不確定度的技術(shù)并使其實用化，這將是今后精密測量領(lǐng)域的重要課題。

    在數(shù)控加工中需要確定刀具、夾具的干涉等。雖然CAM等加工軟件也可以選配仿真模擬校驗功能，但加工中的事故或故障通常是操作不注意時引起的，因此最好還是使用其它系統(tǒng)事先進(jìn)行檢查驗證。大隈的0SP系列CNC裝置采用了防撞擊系統(tǒng)，無論是程序控制的機(jī)械操作還是手動操作，CNC裝置都能自動檢查工件、刀具、夾具等的干涉，在發(fā)生沖撞前自動停機(jī)。除了品種和批量多變的生產(chǎn)以外，在許多需要進(jìn)行試加工等改變程序的生產(chǎn)現(xiàn)場，防錯工具的重要性正在日益增長。

    在談?wù)撐遢S加工時不可不提到CAM軟件。CAM是通過按操作指南設(shè)定各種加工條件來體現(xiàn)操作人員風(fēng)格的。但是，像五軸加工那樣越復(fù)雜的加工，其加工前的預(yù)處理越花費時間。CAM的自動化究竟能達(dá)到何種程度，對于今后的制造業(yè)是個非常大的課題。

   綜上所述，可以用“高附加價值加工”這一關(guān)鍵詞來概括“復(fù)合加工/五軸加工”的產(chǎn)品開發(fā)趨勢和生產(chǎn)現(xiàn)場要求，而這些技術(shù)的進(jìn)步蘊含著改變?nèi)毡局圃鞓I(yè)未來的可能性。

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