新型坐标测量机中的技术及应用进展分析

寂静天花板

三坐标测量机在汽车模具、发动机制造及塑胶等行业应用广泛。本文通过蔡司、海克斯康近来所开发出的新机型，来分析其中的产品战略思维，从而力图探讨现代坐标测量技术的发展走向。
        近 年来，在国家强调夯实实体经济的大背景下， 现代制造业， 尤其是其中的汽车行业，作为实体经济的主要组成之一，受到了各方面很大的关注并获得了快速发展，特别是这种发展已不只是简单地体现在 行（企） 业规模、产量的扩大上。从技术层面来讲，无论是外企、国企还是民企均已把提升制造技术水平、转变生产模式作为自身的发展方向。具体地说，就是自本世纪初以 来，融入了众多先进技术的“智能化制造”已逐渐为越来越多的企业所接受并予以实践。这主要是出于最大程度地适应、满足不断变化的市场和消费者的需求的目 的，通过转变企业的运行模式（如采取多品种混线的柔性化生产方式等），并尽量地符合可持续发展和绿色制造的基本原则。当然，这是一个渐进的、持续发展的过 程，且会涉及到很多专业方面，而测量技术作为制造工艺的一项要素，又在其中占据了重要的位置。
        因此，在“智能化制造”逐渐为企业接受并推行的大背景下，三坐标测量机这一已经成为众多汽车制造企业重要的质量监控手段，其技术发展趋势正在发生着深刻的变化。
! Z" I) {3 U' e' |7 v        更突出检测设备的优势
        智能化生产的鲜明特征之一就是把监控产品质量的重点转移到生产过程中的制造质量，以及对柔性化生产方式的适应，这就决定了坐标测量机必须作为一种工序检测手段进入车间现场。
3 ^1 ~& e+ n' p7 u5 z' r3 Y; q        为 了迎合这一趋势，自上世纪九十年代起，一些富有远见和前瞻性的仪器供应厂商在若干世界级主流汽车企业的配合下，藉助不断开发，推出的新产品，以及新的检 测理念，为提升智能化制造的应用做出了重要贡献。在工业测量、尤其是坐标测量机领域具有很大影响力的知名厂商（德）卡尔•蔡司公司， 即是颇有代表性的一家。
        另外， 关于机器适应生产现场较差工作环境的难题也早已引起众多厂商的重视， 在利用数种有效方法得以解决的基础上， 从本世纪初以来，包括蔡司、海克斯康在内的一些知名企业已经先后推出了多种新款（或改进）坐标机。
        但在当前的经济大背景下，产业部门对装备厂商的要求总是持续的、不断提升的，而蔡司公司通过不久前推出的一款全新悬臂式机型CARMET，交出了一份出色的答卷。
        众所周知， “ 悬臂式” 是一种技术上相当成熟的坐标测量机，已在汽车车身和覆盖件等类零件的测量中得到了广泛的应用，但被称为测量多面手（the all rounder）的新机型CARMET 仍然在多方面有所创新和突破：
        1） 更强的通用性。整车加工链涉及到的覆盖面有车身分总成、车身骨架、整车，以及夹具、主模型等， 尽管均选取“悬臂式”器，但一般得采用几种机型才能胜任。而CARMET 的新颖结构，尤其是其很有特色的测头和探针，使它能灵活地应对上述汽车企业的加工链中的各种检测之需；
        2）严密的安全保护措施。在车间相 对恶劣的工作环境下，测量机较之专用检具，结构显得脆弱和易损，为此采取了多项有效措施，如将光栅尺安装于线性导轨之 间，而导轨安装在Y 轴下方，从而降低了碰撞危险，即使在Y 轴经受碰撞时也能提供可靠防护。而且，不同于大多数测量机所选用的齿轮驱动方式，新机型CARMET 采取了摩擦驱动，不但降低了噪声，在保护测量机自身和机器操作员的安全方面也发挥了积极的作用；
        3）“集成控制系统”的应用。通过集成可移动的显示、控制单元，使操作者能更方便地进行分析测量，并在编制测量程序时更靠近测量点，在节省体力的同时提高了效率；
        4）软件的兼容性。所采用的车身和覆盖件测量及脱机编程的专用软件IDA 具有很好的兼容性，通过DMIS 接口可以兼容不同的测量软件；
9 f' q+ f% R/ M$ L( S3 N        5）在采取了不少创新技术和简洁、实用的措施后，更降低了制造成本，加之该机器甚为经久耐用、便于维护。对于以汽车厂为主的用户来讲，不但降低了初次采购时的投入，且因日常维护和更换易损件很容易，至使整个维
        修时间非常短，意味着这台设备的生命周期成本是很低的。
% I% W7 V- I" i        此外，ZEISS 还配备了灵活多变、适应性很强的夹具系统。其具有以下特点：
. L: y* Z- o8 n0 Q; x# N- U; G, D% v        1）节省空间的设计理念使得测量点容易触及；
# v/ N% W: T6 @        2）用模块化设计，整体组成和布局合理，可以更快、更有效地配合主机完成不同的测量任务；
, E4 y; v' h$ S3 R9 T" C        3）该套夹具系统中还包含了所有的紧固件和用于紧固的工具，故装备一套夹具后即可实现所有拆装、重组功能；
        4）事实上，该系统的很多组件可以在不使用工具的前提下进行灵活调整，更易于自由搭配以实现个性化的测量需求， 从而使这套ZEISS 新开发的夹具系统拥有更好的扩展性。
1 l' R4 z9 [, {0 b        对尺寸测量提出更多要求
        随着智能化制造的理念逐步为国内主流汽车企业所接受并推行，原来的一些用于质量监控的传统方式的不足也越来越多地反映了出来。在车身和覆盖件这类总成和零部件测量方面，为进一步满足现代汽车厂在智能化水平方面提出的要求，在检测方面我们需要做如下提升：
        1）在保证足够精度前提下提高测量效率；
, Q9 \& y  L5 @0 c" H* c        2）从之前的只对部分特征点的检测扩展到通过图像色差分析实现对整个被测区域的监控；
        3）立足于为车间现场的产品制造质量服务的宗旨，快速提供清晰、直观的检测结果（报告）；
        4）为迎合汽车厂用户越来越短的生产准备时间、投放周期，必须缩短设备的安装、调整周期；
3 H, q# D, H; a: a5 p' D        5） 出于当前社会上技能型工人欠缺的现状，希望整个测量过程中尽量减少对操作人员的依赖；
        在 动力总成和零部件领域，越来越多的新工艺、新技术在企业的实际生产中获得了应用，如以桁架机械手替代滚道式传递零件，由加工中心替代专机、组合 机床，采用多型号零件公用托盘（Adapter Plate）来取代传统的工装夹具定位等。从而使多品种、多型号产品共线生产、以及真正意义上的无人化生产模式的实现成为可能。但问题是这一智能 化的工艺配置也在尺寸检测方面提出了诸多要求，必须得以妥善、有效的解决。它们包括：
        1） 测量系统必须融入智能化加工生产线，且无需人工参与；
        2） 在保证足够精度的前提下提高测量效率；
6 y8 L" q+ O! y3 z7 [1 ]7 m; c        3） 测量系统需要具备多功能多用途，它将不仅仅是位置尺寸测量，最好能涵盖轮廓及粗糙度等微观形状尺寸测量；
        4） 测量系统需要更加柔性化，尽量降低投资成本并追求绿色、环保；
        正是这一切来自企业实际生产的需求，促使了光学测量——激光测量和白光测量（WLS），渐渐地成为现代汽车制造企业的主流检测手段之一。
        先进光学测量的普遍应用
3 W, L1 I. F$ x, ]& f7 O        光 学测量有多种形式，就媒介物质而言可分为激光、白光等几类，而检测方法则既有利用便携式仪器进行的手动测量， 又有设置在生产线中（旁）的拱门（固定） 式和机器人的通用式自动化测量等几种。虽然国内光学测量、特别是其中的激光传感器已在车身、冲压件检测中有所应用， 但由于其优越性尚未真正显露，故而范围相当有限。现今，知名的仪器供应厂商海克斯康公司生产的各类以光学测量为基础的检测设备，已被广泛地配置在国内众多 的合资、国营和民营企业。尤其需指出的一点是，海克斯康往往还会根据不同用户的具体情况和需求，帮助制定检测规划乃至测量方案，使该企业所购置的设备在产 品质量的监控中能最大程度地发挥出积极的作用。
        案例1，WLS 白光测量。二台带有白光测量头的机器人用于车身生产线在线检测的实况，右侧为清晰、直观的测量报告。据此不仅可对生产过程进行有效的监控，而且系统在快速 生成测量 报告的同时，还能对一段时间以来众多工件的测量结果做统计分析，及时地提供标准差、极差和平均值等直接反映加工质量的数据，一旦发现偏差异常，将马上通知 车间或工艺部门做相应的调整。
        而以WLS 的测量结果为依据， 海克斯康公司还推出了功能更强的“点云分析”，通过“表面色差分析+ 边界线+2D 截面线”，就能获得更多的有用信
        息， 这对以后通过数据分析，进而再查找制造过程中的误差源是有积极意义的。当然白光测量在车厂被用于很多不同场合， 除了工件、即产品外，还可用来检测或验证工位器具，如夹具、检具、测量支架和模具等。
2 z: n4 q' P+ P+ c1 z- p# @; X        案 例2，在Romer 关节臂测量机上加载CMS 可变焦激光测头后，再借助于关节臂测量机的便携性，可以实现在现场对各种复盖件的快速测量。而CMS 可变焦激光测头，由于采用了最新的变焦技术，其测量范围、焦距均可以调节，在检测过程中可以根据零件表面的曲率变化而调节，在曲率变化比较大的位置会自动 增加采点的密度，而在曲率变化比较平缓的位置则会降低采点的密度，这样的好处既保证测量精度又提高效率。同时因减少了点云数据量，也提高了计算 机的使用效率。
        案例3，这种激光测量技术不仅仅可以在关节臂测量机上使用，同样可以在桥式测量机和悬臂测量机上使用。图7 是在桥式测量机上快速测量一个焊接件（又称车身分总成）的曲面，包括其边界等的各种特征。
2 N7 G5 J/ i# q2 P        另外， 通过在悬臂测量机上加载CMS 可变焦激光测头，还能进行螺柱测量。长期以来，检测车身或焊接件上的螺柱特征参数一直是个难题，通常要借助于特制的辅助件才能进行。
        然而当加载了CMS 可变焦的激光测头后，就可以通过对其直接进行扫描，随即就能输出测量结果，其精度和原来的传统方式相比，大约提高了一个数量级，而工作效率则提高了60%。
+ V$ }5 _8 U! Z; b" q$ H8 N        案 例4，在以切削加工为主的动力总成和汽车零部件制造领域，近年来随着光学检测技术的不断完善和提升，已使测量从过去采用的接触方式转变为非接触方式成 为了现实。与此同时， 这种新颖技术的应用领域也从传统的主要以检测位置、尺寸测量为主，发展到可同时反映微观变化量的粗糙度测量领域。把光学测量方法应用于切削机加工范畴，彻 底改变了传统的以机加工为主的制造业中的实验室检测设备的规划。一些经过精密加工的、高精度的表面，以及某些内部结构复杂的，或者那些软性的零部件，从此 以后就有了更为便捷的检测手段。
        同时，非接触式的光学测量方法再配合在高精度仪器上的使用，使检测效率也有了明显提高。海克斯康旗下的 Leitz 于近年来推出的纤维光学探头（FOP）和光学粗糙度测量头(TEL)，该探针可以配置在LeitzPMM 高精度坐标测量机上，通过配合自动更换架装置，即能自动完成对机加工切削型零部件的高速、高精度扫描方式检测，它的配置方式是采取了将接触与非接触（光 学）进行集成，根据需要又可方便地自由切换。而对工件的整个测量过程，用户可根据实际的需求实行自动编程执行，并不需要人工的参与。
) c: h' x# Y& s" m" W: x        不难想象，对一个过去必须通过多个步骤或多种检测设备才能完成的测量，如今只需要一个步骤或一台设备就能完成，这无疑大大地提高了工作效率，而且为用户企业显著地节约了采购成本。进一步地从生产规划的角度来看，则是极大地提升了智能化制造的应用水平。
& @1 m0 V$ i. I  v6 M. a        小结
        由 上可见，在“智能化制造”已逐渐为企业接受并推行的大趋势下，在汽车制造业中广泛应用的坐标测量技术正发生着深刻的变化。其一是更加突出了企业在用坐标 测量类检测设备的通用性、多功能、低成本和操作的便捷，而不再是片面强调高精度等传统指标。而另一方面，不断发展和推出的先进测量技术，诸如激光、白光等 先进的非接触式计量设备，正是它们所具有的高效、环保、可持续利用等诸多特性，才是它们拥有了强大的生命力。而表征这一点的，就是其真正适应了当今制造型 企业， 为寻求成为可持续发展和绿色制造的智能化制造企业的需求。
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大白LYD

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