日益重要的測(cè)量技術(shù)

為了適應(yīng)已發(fā)生根本變化的市場(chǎng)，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(cè)量技術(shù)的作用顯得日益重要。目前在精密計(jì)量檢測(cè)領(lǐng)域，測(cè)量精度已從原來的微米量級(jí)發(fā)展到納米量級(jí)，對(duì)更微細(xì)加工形狀的檢測(cè)也受到更多關(guān)注。不但對(duì)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(cè)要求，而且用于驗(yàn)證加工機(jī)床本身精度的各種檢測(cè)技術(shù)也在不斷進(jìn)步。

質(zhì)量管理對(duì)測(cè)量技術(shù)的需求

生產(chǎn)車間對(duì)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(shí)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(cè)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(cè)，今后對(duì)質(zhì)量管理所需檢測(cè)設(shè)備及支持系統(tǒng)的需求將進(jìn)一步增加。

實(shí)際上在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，使用量規(guī)來檢測(cè)產(chǎn)品至今仍是主流檢測(cè)方式。量規(guī)是針對(duì)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(jì)發(fā)生變更，就需要重新設(shè)計(jì)和制作量規(guī)。隨著市場(chǎng)對(duì)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(cè)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(cè)量和記錄零件的實(shí)際尺寸值。因此，可用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量?jī)x器倍受關(guān)注。通過引入現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x器，可以采集和積累測(cè)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(cè)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(shí)，就能掌握該零部件是在何時(shí)、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(chǎng)測(cè)量?jī)x器測(cè)量精度的提高，對(duì)儀器的環(huán)境適應(yīng)性、可靠性和檢測(cè)效率也提出了更高要求。

在精密測(cè)量領(lǐng)域，用于質(zhì)量管理的可追溯性思維方式以及評(píng)估測(cè)量不確定度的重要性已在制造業(yè)獲得了廣泛共識(shí)。作為一般性的測(cè)量評(píng)估，正在形成研究探討精度溯源和測(cè)量不確定度的環(huán)境。由精度溯源和不確定度構(gòu)成的對(duì)測(cè)量可靠性的評(píng)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(cè)量方法的產(chǎn)品生產(chǎn)。重新認(rèn)識(shí)生產(chǎn)線在線測(cè)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(duì)在線檢測(cè)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(cè)量?jī)x器不僅能為檢查加工質(zhì)量而進(jìn)行尺寸測(cè)量（比較測(cè)量），還能實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)（或測(cè)量?jī)x器安裝在生產(chǎn)線旁，便于被測(cè)工件的裝卸和搬運(yùn)）。在汽車零部件的形狀檢測(cè)方面，越來越多地采用實(shí)時(shí)檢測(cè)工件并將檢測(cè)結(jié)果及時(shí)反饋回加工流程等方式，在線檢測(cè)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展趨勢(shì)。

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，需要滿足用戶的以下要求：①提高生產(chǎn)效率；②提高測(cè)量結(jié)果的可靠性；③適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境；④滿足測(cè)量裝置的安裝空間等。這些要求主要基于自動(dòng)化、無人化測(cè)量的需求。對(duì)應(yīng)于用戶實(shí)施質(zhì)量管理和構(gòu)筑生產(chǎn)線的需要，各測(cè)量設(shè)備制造商已將為特定用戶提供有關(guān)檢測(cè)問題的解決方案作為重要的發(fā)展戰(zhàn)略予以實(shí)施。制定在線檢測(cè)解決方案的關(guān)鍵是用于監(jiān)控加工流程的測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)技術(shù)和測(cè)量裝備的支持。

對(duì)自動(dòng)化測(cè)量的需求

Marposs公司最早提出和應(yīng)用接觸式及非接觸式測(cè)量技術(shù)開發(fā)在線和離線測(cè)量機(jī)。該公司將許多標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)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(duì)工件尺寸進(jìn)行自動(dòng)測(cè)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(duì)應(yīng)于各種磨削機(jī)床的尺寸形狀測(cè)量、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)以及振動(dòng)、磨削量等測(cè)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(chǎng)需求。

近年來，對(duì)形狀精度測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精度要求日趨嚴(yán)格，對(duì)微小孔和微細(xì)零件的測(cè)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(cè)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(cè)量速度和高分辨率（0.1埃）獲取被測(cè)樣品的高精度信息。儀器的分辨率和測(cè)量精度可用具有溯源性的校正規(guī)進(jìn)行校準(zhǔn)。

在對(duì)形狀精度要求嚴(yán)格的齒輪測(cè)量領(lǐng)域，大阪精機(jī)的NC齒形導(dǎo)程測(cè)量機(jī)等測(cè)量設(shè)備可對(duì)齒輪的齒形、齒向、齒距等參數(shù)進(jìn)行全自動(dòng)快速測(cè)量，并采用了可以消除振動(dòng)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(dòng)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(cè)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(dòng)機(jī)和變速箱的噪音及振動(dòng)非常重要，尤其是變速箱，對(duì)齒輪的檢測(cè)精度要求很高。關(guān)于齒輪的測(cè)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(cè)量精度，再委托國外的有關(guān)認(rèn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。”

對(duì)高精度、高分辨率測(cè)量的需求

作為位置精度測(cè)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(zhǎng)度精度檢測(cè)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(zhǎng)度計(jì)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(jì)10個(gè)以上的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)分階段地保證測(cè)量精度。

對(duì)于除了長(zhǎng)度以外的溫度、氣壓、角度等測(cè)量要素，也確立了分別以半年至數(shù)年為周期實(shí)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(duì)（Absolute）編碼器已逐漸成為主流。Heidenhain公司的編碼器已實(shí)現(xiàn)了高精度、高分辨率（可達(dá)10nm）和高速通訊化。

用于測(cè)量尺寸精度的數(shù)字測(cè)量規(guī)（Digital Gauges）要求具有高精度、高分辨率和對(duì)各種工作環(huán)境的適應(yīng)能力。Sony Manufacturing Systems公司的數(shù)字測(cè)量規(guī)產(chǎn)品陣容中新增了體積更小、精度更高、分辨率更�。ㄗ钚】蛇_(dá)0.1μm）的新型號(hào)，可實(shí)現(xiàn)最大量程12mm的高精度測(cè)量。此外，為了滿足用戶柔性多點(diǎn)測(cè)量和多界面輸出的需求，該公司還推出了能夠靈活對(duì)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(cè)量模塊。該公司為了構(gòu)筑能獲得計(jì)量法規(guī)認(rèn)定、可滿足用戶需求、具有可追溯性長(zhǎng)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(cè)量整體解決方案

用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，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(yàn)，需要評(píng)估測(cè)量的不確定度。為此，需要評(píng)估各種誤差因素，以計(jì)算出不確定度。在ISO／TC213／WGl0（坐標(biāo)測(cè)量機(jī)）標(biāo)準(zhǔn)化工作中，已設(shè)定了坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，并且正在探討不確定度的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

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

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

CNC圖像測(cè)量機(jī)的發(fā)展

作為檢測(cè)沖壓件、鑄件等小型、薄型加工零件的高精度測(cè)量?jī)x器，在傳感器中導(dǎo)入使用CCD相機(jī)的CNC圖像測(cè)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(cè)量機(jī)、裝備CCD相機(jī)和分辨率達(dá)0.0lμm的激光測(cè)高儀、用于強(qiáng)化測(cè)量高度的混合型測(cè)量機(jī)等也已經(jīng)開發(fā)出來。

在精密測(cè)量技術(shù)方面，重要的是對(duì)更高精度且形狀復(fù)雜的工件進(jìn)行高效測(cè)量。測(cè)量的不確定度不僅是用于評(píng)估檢測(cè)結(jié)果，更重要的是用于從總體上考慮檢測(cè)成本，以構(gòu)筑高效率的檢測(cè)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(píng)估復(fù)雜測(cè)量不確定度的技術(shù)并使其實(shí)用化，這將是今后精密測(cè)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(yàn)功能，但加工中的事故或故障通常是操作不注意時(shí)引起的，因此最好還是使用其它系統(tǒng)事先進(jìn)行檢查驗(yàn)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(dòng)操作，CNC裝置都能自動(dòng)檢查工件、刀具、夾具等的干涉，在發(fā)生沖撞前自動(dòng)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(chǎng)，防錯(cuò)工具的重要性正在日益增長(zhǎng)。

在談?wù)撐遢S加工時(shí)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(fèi)時(shí)間。CAM的自動(dòng)化究竟能達(dá)到何種程度，對(duì)于今后的制造業(yè)是個(gè)非常大的課題。

綜上所述，可以用“高附加價(jià)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(shì)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)要求，而這些技術(shù)的進(jìn)步蘊(yùn)含著改變?nèi)毡局圃鞓I(yè)未來的可能性。