測(cè)量技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向

提高生產(chǎn)效率的條件及其與測(cè)量工程的關(guān)系主要表現(xiàn)在三個(gè)方面，即縮短交貨日期、提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低加工成本。本文即以此為切入點(diǎn)，結(jié)合第20屆日本國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上的量?jī)x展品，介紹測(cè)量技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向。 

測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 

   近十余年來(lái)，機(jī)床高速化的進(jìn)展極為迅速。從測(cè)量領(lǐng)域來(lái)看，一部分測(cè)量?jī)x器在高速化、自動(dòng)化方面有了明顯的進(jìn)步；但從整個(gè)行業(yè)來(lái)看，測(cè)量?jī)x器高速化的進(jìn)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于機(jī)床行業(yè)，由此而往往造成工序之間的不平衡。提高測(cè)量效率和加強(qiáng)與其他工序的聯(lián)接，使貨物流能順暢進(jìn)行，這是縮短交貨日期的主要課題。在此前提下，縱觀本屆展覽會(huì)的測(cè)量?jī)x器產(chǎn)品，可以發(fā)現(xiàn)，許多廠(chǎng)家推出了提高檢測(cè)速度、提高操作性能和功能多樣化的不同產(chǎn)品，它們的共同特點(diǎn)都是著重提高測(cè)量效率，許多新技術(shù)也是圍繞這一中心開(kāi)發(fā)出來(lái)的。 

   為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，各公司都在積極開(kāi)發(fā)可靠性高的高精度測(cè)量技術(shù)。近年來(lái)，隨著ISO 9000s及ISO 9000標(biāo)準(zhǔn)的貫徹，測(cè)量?jī)x器管理系統(tǒng)的完善已迫在眉睫。遺憾的是，在本屆展覽會(huì)上，相關(guān)的校正儀器或標(biāo)準(zhǔn)型儀器卻并不太多。會(huì)上展出了一些新的測(cè)量技術(shù)和關(guān)鍵性的改進(jìn)技術(shù)，由此，可以看出各公司對(duì)技術(shù)創(chuàng)新還是抱著積極的態(tài)度。 

   對(duì)于儀器的維修保養(yǎng)，用戶(hù)和制造商均非常重視。有些展出的測(cè)量?jī)x器對(duì)安裝場(chǎng)所的溫度條件，已并不如從前那樣苛刻，有的儀器則是綜合了多種測(cè)量工具的功能。這些新產(chǎn)品表明，廠(chǎng)家在開(kāi)發(fā)降低成本的測(cè)量?jī)x器方面，也是不遺余力的。 

提高效率的測(cè)量技術(shù) 

非接觸式高速形狀測(cè)量技術(shù) 

   汽車(chē)車(chē)身或泵葉輪等大型零件的形狀測(cè)量，大都要求采用高速獲取三維位置數(shù)據(jù)的測(cè)試手段，迄今主要使用帶有多關(guān)節(jié)或水平懸臂式接觸測(cè)頭的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量。但接觸式測(cè)量方法在測(cè)量大型零件時(shí)，將受到諸多限制，不利于提高測(cè)量效率。針對(duì)這種情況，本屆展覽會(huì)上展出了多種非接觸式測(cè)量方法，可對(duì)上述大型零件進(jìn)行高密度高速測(cè)量。 

   日本東京精密公司開(kāi)發(fā)了一種新型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，這是一種可移動(dòng)式三維光學(xué)測(cè)量裝置，它利用干涉條紋圖象和三角測(cè)量方式進(jìn)行非接觸測(cè)量。機(jī)內(nèi)裝有三臺(tái)攝像機(jī)，可對(duì)220mm(縱向)×330mm(橫向)視野內(nèi)的物體位置坐標(biāo)進(jìn)行每秒最大密度為4點(diǎn)/mm2的掃描，30～40秒鐘即可計(jì)算處理完畢，測(cè)量精度為60µm。該機(jī)利用了一種新型數(shù)據(jù)處理技術(shù)，例如，按0.5mm間距測(cè)量相當(dāng)于1000mm×1500mm的汽車(chē)車(chē)門(mén)的數(shù)據(jù)，包含各個(gè)測(cè)量工序在內(nèi)，總共只需40分鐘即可完成測(cè)量作業(yè)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理。  

   日本東京貿(mào)易工程系統(tǒng)公司展出的Comet系統(tǒng)也是一種可移動(dòng)式非接觸三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，該機(jī)雖然也利用三角測(cè)量原理，但卻可使作為測(cè)量指標(biāo)的光柵條紋回轉(zhuǎn)，從而獲得多個(gè)等高線(xiàn)數(shù)據(jù)。這種測(cè)量方式不易受被測(cè)對(duì)象表面狀態(tài)的影響，可獲得較高的測(cè)量精度。 

   上述系統(tǒng)由于可在單位表面獲取三維位置數(shù)據(jù)，因此，與接觸式測(cè)量方式相比，可進(jìn)行高速檢測(cè)作業(yè)。另外，由于非接觸測(cè)量不會(huì)增加測(cè)量受力，因此，可對(duì)軟質(zhì)材料進(jìn)行高精度測(cè)量。此類(lèi)系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)，可比照CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此，各公司必須設(shè)計(jì)工藝及相關(guān)的應(yīng)用實(shí)例向用戶(hù)公開(kāi)說(shuō)明。這種可進(jìn)行高密度高速測(cè)量的技術(shù)，可望應(yīng)用于設(shè)計(jì)模型時(shí)的詳細(xì)數(shù)值化等逆向工程技術(shù)領(lǐng)域。 

   OPTON公司展出一種高速M(fèi)oire 3D攝像機(jī)，它可高速獲取一定范圍內(nèi)的形狀數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算，實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果。該機(jī)可按10000coma/秒的速度測(cè)量50×50～1000×1000mm范圍內(nèi)的形狀。例如，可用于振動(dòng)、位移解析或波面的觀察、在線(xiàn)測(cè)量等領(lǐng)域。 

測(cè)量功能的綜合化 

   綜合化也稱(chēng)復(fù)合化，它包含兩個(gè)方面的含義，一是提高測(cè)量機(jī)的功能，增加檢測(cè)項(xiàng)目；另一方面是擴(kuò)大檢測(cè)范圍，一臺(tái)測(cè)量機(jī)配有多個(gè)方式不同的檢測(cè)器，可分別檢測(cè)不同的測(cè)量對(duì)象。過(guò)去需使用多臺(tái)測(cè)量機(jī)才能完成的測(cè)量作業(yè)，現(xiàn)在用一臺(tái)多功能測(cè)量機(jī)即可完成，因此，可大幅度提高測(cè)量作業(yè)的效率和測(cè)量精度。  

   德國(guó)Mahr公司在會(huì)上展出了一臺(tái)多功能測(cè)量機(jī)，它在圓度測(cè)量機(jī)的基礎(chǔ)上，附加了坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的功能。作為圓度測(cè)量機(jī)，要求具有良好的高精度回轉(zhuǎn)軸和Z軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，然后將長(zhǎng)行程Y軸與X軸的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與之組合起來(lái)，采用轉(zhuǎn)環(huán)式測(cè)頭，這樣該機(jī)即具有坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的功能。這種測(cè)量機(jī)可測(cè)量圓度、圓柱度、平行度等幾何誤差，也可測(cè)量直徑、級(jí)差等長(zhǎng)度和角度。該機(jī)的測(cè)量范圍為300(X)×600(Y)×700(Z)mm，測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)的精度U1=1.2+L/500µm，U2=1.5+L/300µm，U3=2.0+L/300µm。 

   長(zhǎng)期以來(lái)，將三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)組合在一起，才可對(duì)齒輪、曲軸、凸輪軸等復(fù)雜形狀的工件進(jìn)行測(cè)量。Mahr公司的多功能測(cè)量機(jī)由于可有效利用回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上的空間，因此易于對(duì)長(zhǎng)尺寸的大型軸類(lèi)形狀進(jìn)行測(cè)量。據(jù)稱(chēng)，今后還可進(jìn)一步擴(kuò)展至對(duì)復(fù)雜圓柱形物體進(jìn)行測(cè)量。 

   在半導(dǎo)體、電子零件或成形用微小模具、塑料制品等復(fù)雜細(xì)小零件的尺寸、形狀測(cè)量方面，可采用配裝顯微鏡、CCD攝像機(jī)、圖像處理設(shè)備的非接觸式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。日本的一些光學(xué)機(jī)器、測(cè)量器、家電等生產(chǎn)廠(chǎng)家，在定位、聚焦、照明、棱邊檢測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域，已開(kāi)發(fā)出一些各具特色的檢測(cè)制品，近年來(lái)，多數(shù)制品均已普及推廣應(yīng)用。 

   在本屆展覽會(huì)上，有四家公司展出了附加CCD傳感器、激光傳感器或接觸式測(cè)頭等多個(gè)傳感器的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，共展出三臺(tái)實(shí)物，據(jù)樣本介紹，共有10余個(gè)機(jī)種類(lèi)型。如日本三豐公司展出了快速成像的圖像測(cè)量機(jī)。這些機(jī)種的接觸式測(cè)頭傳感器可對(duì)攝像機(jī)難以攝取的錯(cuò)綜復(fù)雜部分的尺寸或深孔的任意高度尺寸等進(jìn)行三維測(cè)量。由此可見(jiàn)，與利用光學(xué)原理的非接觸方式相結(jié)合，可使坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具有更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。 

為用戶(hù)提供方便的產(chǎn)品 

   英國(guó)泰勒—霍布遜公司展出了兩種表面粗糙度測(cè)量機(jī)，這是一種便攜式測(cè)量機(jī)，形體小巧，便于在加工現(xiàn)場(chǎng)或室外使用，也可滿(mǎn)足在線(xiàn)測(cè)量的需要。該機(jī)的測(cè)量部分和控制部分是分開(kāi)的，利用紅外線(xiàn)進(jìn)行信息傳輸，不通過(guò)電纜即可進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作。這種儀器用于那些人手難以達(dá)到的部位或在不安全環(huán)境內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，極為方便。在擴(kuò)大測(cè)量機(jī)的使用范圍，提高操作性能方面，霍布遜公司的產(chǎn)品作出了有益的探索。 

   布拉紋公司展出一臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，牌號(hào)為GAGE 2000R，它采用卡尺和千分尺等簡(jiǎn)單操作原理，撳動(dòng)按鈕即可進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)構(gòu)可按卡尺測(cè)量的圖像或千分尺指針的圖像，顯示在操作屏幕上，非常便于用戶(hù)操作和對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析判斷。 

不斷提高測(cè)量?jī)x器的質(zhì)量 

提高測(cè)量水平與新型關(guān)鍵技術(shù) 

   伯阿脫公司在會(huì)上展出了一臺(tái)多傳感器三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，該機(jī)采用了新的測(cè)量原理，機(jī)上配裝了稱(chēng)作光纖測(cè)頭的微小球體，微小球體作為接觸式測(cè)頭使用；同時(shí)，由于它同顯微鏡圖象處理的非接觸式測(cè)量裝置相連接，因此，可對(duì)微小孔的邊槽尺寸形狀進(jìn)行高精度測(cè)量。利用此種新型測(cè)頭可對(duì)φ50～100µm的微小孔進(jìn)行精密測(cè)量。微小球體端部的最小半徑為12.5µm，球體與光纖連接在一起，既可作為測(cè)頭使用，同時(shí)還可充作照明裝置。這種光纖測(cè)頭具有良好的撓曲特性，讓其接觸微小孔內(nèi)璧，通過(guò)光纖照明的球體位置，可由CCD傳感器檢測(cè)出來(lái)，進(jìn)行圖象處理后，即可計(jì)算出小孔的尺寸、形狀。過(guò)去，測(cè)量微小盲孔或深孔中間部位的尺寸、形狀，通常都采用CCD傳感器或激光傳感器，由于系垂直照明，光亮度有限，檢測(cè)時(shí)不能獲得足夠的光量，因此深孔中間部位的測(cè)量十分困難。伯阿脫公司的新型技術(shù)克服了迄今測(cè)量深孔尺寸、形狀的難點(diǎn)，非常便于在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)微小零件進(jìn)行多種測(cè)量和檢查。 

   Zygo公司展出了一臺(tái)非接觸式三坐標(biāo)表面形狀測(cè)量機(jī)，型號(hào)為New Bure 5000，其縱向分辨率為0.1nm，可高速測(cè)量精密加工零件的微細(xì)形狀。最大測(cè)量范圍為5.2mm×7.0mm，縱向最大測(cè)量范圍為5mm。與裝有掃描測(cè)頭顯微鏡等高分辨率的測(cè)量機(jī)相比，Zygo公司的新產(chǎn)品可在縱向和橫向的極廣范圍內(nèi)進(jìn)行三維測(cè)量。該測(cè)量機(jī)利用了具有白色光干涉條紋的相位調(diào)制干涉方式和獨(dú)家開(kāi)發(fā)的高速解析軟件等新技術(shù)，其縱向掃描速度為10.5µm/s，其特點(diǎn)是分辨率高，可進(jìn)行較廣范圍的高速測(cè)量作業(yè)。  

   西鐵城鐘表公司與另一公司合作開(kāi)發(fā)出一種利用并行機(jī)構(gòu)的復(fù)合式載物臺(tái)，具有六自由度定位功能，深受觀眾注目。該機(jī)采用公司自制球軸承，載物臺(tái)堅(jiān)固耐用，位置及置放形式易于控制。其行程如下：X、Y為25mm，Z為10mm，定位精度0.3µm。 

   上述各種測(cè)量機(jī)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)均能平穩(wěn)進(jìn)行，并可保證良好的測(cè)量精度，對(duì)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了大量改進(jìn)，這些都是提高測(cè)量精度的基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù)。這些新的基礎(chǔ)技術(shù)使上述測(cè)量機(jī)有望廣泛應(yīng)用于復(fù)雜曲面的加工過(guò)程或微小零件及成組工程等的測(cè)量領(lǐng)域。 

控制工藝過(guò)程的測(cè)量技術(shù) 

   英國(guó)Renishaw公司展出了新開(kāi)發(fā)的NCI非接觸工具測(cè)量系統(tǒng)，主要用于機(jī)床上工具的調(diào)整和運(yùn)轉(zhuǎn)狀況監(jiān)視。該系統(tǒng)應(yīng)用了可視激光，便于對(duì)工具位置進(jìn)行隨機(jī)測(cè)量，可縮短定位時(shí)間和防止因工具不當(dāng)而產(chǎn)生的加工失誤，使加工效率和加工質(zhì)量得到進(jìn)一步提高。 

   日本三豐公司展出了新開(kāi)發(fā)的Measur Link系列，這是一種測(cè)量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)匯總和解析測(cè)量工序所獲取的產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)線(xiàn)和管理部門(mén)利用該系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，進(jìn)行質(zhì)量管理。三豐公司為此開(kāi)發(fā)了一系列相關(guān)軟件，供用戶(hù)選用。例如，其中有一種供測(cè)量部門(mén)應(yīng)用的工藝管理程序，它可將各種測(cè)量?jī)x器獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)送至微機(jī)終端，并繪制成管理圖或示意圖，實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，便于早期發(fā)現(xiàn)異�，F(xiàn)象，可有效防止加工不良情況的出現(xiàn)。 

   隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，許多企業(yè)都已大量采用微機(jī)和不斷完善企業(yè)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因此，利用綜合顯示生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)狀況的監(jiān)控系統(tǒng)，充分利用信息資源，嚴(yán)密監(jiān)控加工質(zhì)量，是各公司今后需要不斷努力的技術(shù)攻關(guān)方向之一。 

努力降低測(cè)量成本 

   長(zhǎng)期以來(lái)，測(cè)量、檢查工作大都要求設(shè)置恒溫室，以提高測(cè)量的可靠性；恒溫室溫度的調(diào)節(jié)范圍越狹小，維護(hù)控制費(fèi)用也越高。因此，用戶(hù)希望購(gòu)買(mǎi)那種在廣泛的溫度范圍內(nèi)仍能充分發(fā)揮其性能的測(cè)量?jī)x器，以降低測(cè)量成本。 

   三豐公司展出一臺(tái)新開(kāi)發(fā)的柔性測(cè)量機(jī)QM-Measure，這是一種臺(tái)式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的簡(jiǎn)化型機(jī)種，可用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)。該機(jī)綜合了各種表類(lèi)量具的功能，可收到長(zhǎng)期降低測(cè)量成本的效果。該機(jī)附有溫度補(bǔ)償功能，可在15～30℃的溫度條件下使用。 

   蔡司和東京精密公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的PRISMO測(cè)量機(jī)，也是一種用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的CNC三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，保證測(cè)量精度的溫度條件為16～30℃。這種測(cè)量機(jī)的指示誤差為E=20+L/300µm，測(cè)量誤差為R=1.8µm，是一種高精度測(cè)量機(jī)種。 

   上述測(cè)量機(jī)的使用形式盡管各有不同，但它們卻可從必須嚴(yán)格控制溫度的恒溫室中移至生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度也可得到有效保證，這一點(diǎn)在精密測(cè)量行業(yè)有著重要的開(kāi)創(chuàng)意義，而且對(duì)用戶(hù)也是極為有利的。