測量技術的發展動向

提高生產效率的條件及其與測量工程的關系主要表現在三個方面，即縮短交貨日期、提高產品質量和降低加工成本。本文即以此為切入點，結合第20屆日本國際機床展覽會上的量儀展品，介紹測量技術的發展動向。   
   測量技術的發展趨勢   
    近十余年來，機床高速化的進展極為迅速。從測量領域來看，一部分測量儀器在高速化、自動化方面有了明顯的進步；但從整個行業來看，測量儀器高速化的進展遠遠滯后于機床行業，由此而往往造成工序之間的不平衡。提高測量效率和加強與其他工序的聯接，使貨物流能順暢進行，這是縮短交貨日期的主要課題。在此前提下，縱觀本屆展覽會的測量儀器產品，可以發現，許多廠家推出了提高檢測速度、提高操作性能和功能多樣化的不同產品，它們的共同特點都是著重提高測量效率，許多新技術也是圍繞這一中心開發出來的。   
    為了提高產品質量，各公司都在積極開發可靠性高的高精度測量技術。近年來，隨著ISO 9000s及ISO 9000標準的貫徹，測量儀器管理系統的完善已迫在眉睫。遺憾的是，在本屆展覽會上，相關的校正儀器或標準型儀器卻并不太多。會上展出了一些新的測量技術和關鍵性的改進技術，由此，可以看出各公司對技術創新還是抱著積極的態度。   
    對于儀器的維修保養，用戶和制造商均非常重視。有些展出的測量儀器對安裝場所的溫度條件，已并不如從前那樣苛刻，有的儀器則是綜合了多種測量工具的功能。這些新產品表明，廠家在開發降低成本的測量儀器方面，也是不遺余力的。   
    提高效率的測量技術   
    非接觸式高速形狀測量技術   
    汽車車身或泵葉輪等大型零件的形狀測量，大都要求采用高速獲取三維位置數據的測試手段，迄今主要使用帶有多關節或水平懸臂式接觸測頭的三坐標測量機進行測量。但接觸式測量方法在測量大型零件時，將受到諸多限制，不利于提高測量效率。針對這種情況，本屆展覽會上展出了多種非接觸式測量方法，可對上述大型零件進行高密度高速測量。   
    日本東京精密公司開發了一種新型三坐標測量機，這是一種可移動式三維光學測量裝置，它利用干涉條紋圖象和三角測量方式進行非接觸測量。機內裝有三臺攝像機，可對220mm(縱向)×330mm(橫向)視野內的物體位置坐標進行每秒最大密度為4點/mm2的掃描，30～40秒鐘即可計算處理完畢，測量精度為60μm。該機利用了一種新型數據處理技術，例如，按0.5mm間距測量相當于1000mm×1500mm的汽車車門的數據，包含各個測量工序在內，總共只需40分鐘即可完成測量作業，并對數據進行解析處理。   
    日本東京貿易工程系統公司展出的Comet系統也是一種可移動式非接觸三坐標測量機，該機雖然也利用三角測量原理，但卻可使作為測量指標的光柵條紋回轉，從而獲得多個等高線數據。這種測量方式不易受被測對象表面狀態的影響，可獲得較高的測量精度。   
    上述系統由于可在單位表面獲取三維位置數據，因此，與接觸式測量方式相比，可進行高速檢測作業。另外，由于非接觸測量不會增加測量受力，因此，可對軟質材料進行高精度測量。此類系統所獲得的數據，可比照CAD數據進行評價，因此，各公司必須設計工藝及相關的應用實例向用戶公開說明。這種可進行高密度高速測量的技術，可望應用于設計模型時的詳細數值化等逆向工程技術領域。  
    OPTON公司展出一種高速Moire 3D攝像機，它可高速獲取一定范圍內的形狀數據，并進行計算，實時顯示測量結果。該機可按10000coma/秒的速度測量50×50～1000×1000mm范圍內的形狀。例如，可用于振動、位移解析或波面的觀察、在線測量等領域。   

   測量功能的綜合化   
    綜合化也稱復合化，它包含兩個方面的含義，一是提高測量機的功能，增加檢測項目；另一方面是擴大檢測范圍，一臺測量機配有多個方式不同的檢測器，可分別檢測不同的測量對象。過去需使用多臺測量機才能完成的測量作業，現在用一臺多功能測量機即可完成，因此，可大幅度提高測量作業的效率和測量精度。   
    德國Mahr公司在會上展出了一臺多功能測量機，它在圓度測量機的基礎上，附加了坐標測量機的功能。作為圓度測量機，要求具有良好的高精度回轉軸和Z軸驅動機構，然后將長行程Y軸與X軸的驅動機構與之組合起來，采用轉環式測頭，這樣該機即具有坐標測量機的功能。這種測量機可測量圓度、圓柱度、平行度等幾何誤差，也可測量直徑、級差等長度和角度。該機的測量范圍為300(X)×600(Y)×700(Z)mm，測量長度時的精度U1=1.2+L/500μm，U2=1.5+L/300μm，U3=2.0+L/300μm。   
    長期以來，將三坐標測量機與回轉工作臺組合在一起，才可對齒輪、曲軸、凸輪軸等復雜形狀的工件進行測量。Mahr公司的多功能測量機由于可有效利用回轉工作臺上的空間，因此易于對長尺寸的大型軸類形狀進行測量。據稱，今后還可進一步擴展至對復雜圓柱形物體進行測量。   
    在半導體、電子零件或成形用微小模具、塑料制品等復雜細小零件的尺寸、形狀測量方面，可采用配裝顯微鏡、CCD攝像機、圖像處理設備的非接觸式坐標測量機。日本的一些光學機器、測量器、家電等生產廠家，在定位、聚焦、照明、棱邊檢測等技術領域，已開發出一些各具特色的檢測制品，近年來，多數制品均已普及推廣應用。   
    在本屆展覽會上，有四家公司展出了附加CCD傳感器、激光傳感器或接觸式測頭等多個傳感器的坐標測量機，共展出三臺實物，據樣本介紹，共有10余個機種類型。如日本三豐公司展出了快速成像的圖像測量機。這些機種的接觸式測頭傳感器可對攝像機難以攝取的錯綜復雜部分的尺寸或深孔的任意高度尺寸等進行三維測量。由此可見，與利用光學原理的非接觸方式相結合，可使坐標測量機具有更為廣闊的應用領域。   
為用戶提供方便的產品   
    英國泰勒—霍布遜公司展出了兩種表面粗糙度測量機，這是一種便攜式測量機，形體小巧，便于在加工現場或室外使用，也可滿足在線測量的需要。該機的測量部分和控制部分是分開的，利用紅外線進行信息傳輸，不通過電纜即可進行遠程遙控操作。這種儀器用于那些人手難以達到的部位或在不安全環境內進行測量，極為方便。在擴大測量機的使用范圍，提高操作性能方面，霍布遜公司的產品作出了有益的探索。   
    布拉紋公司展出一臺三坐標測量機，牌號為GAGE 2000R，它采用卡尺和千分尺等簡單操作原理，撳動按鈕即可進行測量。測量結構可按卡尺測量的圖像或千分尺指針的圖像，顯示在操作屏幕上，非常便于用戶操作和對測量結果進行分析判斷。   
    不斷提高測量儀器的質量   
   提高測量水平與新型關鍵技術   

   伯阿脫公司在會上展出了一臺多傳感器三坐標測量機，該機采用了新的測量原理，機上配裝了稱作光纖測頭的微小球體，微小球體作為接觸式測頭使用；同時，由于它同顯微鏡圖象處理的非接觸式測量裝置相連接，因此，可對微小孔的邊槽尺寸形狀進行高精度測量。利用此種新型測頭可對φ50～100μm的微小孔進行精密測量。微小球體端部的最小半徑為12.5μm，球體與光纖連接在一起，既可作為測頭使用，同時還可充作照明裝置。這種光纖測頭具有良好的撓曲特性，讓其接觸微小孔內璧，通過光纖照明的球體位置，可由CCD傳感器檢測出來，進行圖象處理后，即可計算出小孔的尺寸、形狀。過去，測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，檢測時不能獲得足夠的光量，因此深孔中間部位的測量十分困難。伯阿脫公司的新型技術克服了迄今測量深孔尺寸、形狀的難點，非常便于在生產現場對微小零件進行多種測量和檢查。   
    Zygo公司展出了一臺非接觸式三坐標表面形狀測量機，型號為New Bure 5000，其縱向分辨率為0.1nm，可高速測量精密加工零件的微細形狀。最大測量范圍為5.2mm×7.0mm，縱向最大測量范圍為5mm。與裝有掃描測頭顯微鏡等高分辨率的測量機相比，Zygo公司的新產品可在縱向和橫向的極廣范圍內進行三維測量。該測量機利用了具有白色光干涉條紋的相位調制干涉方式和獨家開發的高速解析軟件等新技術，其縱向掃描速度為10.5μm/s，其特點是分辨率高，可進行較廣范圍的高速測量作業。   
    西鐵城鐘表公司與另一公司合作開發出一種利用并行機構的復合式載物臺，具有六自由度定位功能，深受觀眾注目。該機采用公司自制球軸承，載物臺堅固耐用，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。   
    上述各種測量機的復雜運動均能平穩進行，并可保證良好的測量精度，對工作臺結構也進行了大量改進，這些都是提高測量精度的基礎性關鍵技術。這些新的基礎技術使上述測量機有望廣泛應用于復雜曲面的加工過程或微小零件及成組工程等的測量領域。   
    控制工藝過程的測量技術   
    英國Renishaw公司展出了新開發的NCI非接觸工具測量系統，主要用于機床上工具的調整和運轉狀況監視。該系統應用了可視激光，便于對工具位置進行隨機測量，可縮短定位時間和防止因工具不當而產生的加工失誤，使加工效率和加工質量得到進一步提高。   
    日本三豐公司展出了新開發的Measur Link系列，這是一種測量數據網絡系統，可以實時匯總和解析測量工序所獲取的產品質量相關數據，生產線和管理部門利用該系統提供的數據，進行質量管理。三豐公司為此開發了一系列相關軟件，供用戶選用。例如，其中有一種供測量部門應用的工藝管理程序，它可將各種測量儀器獲取的測量數據送至微機終端，并繪制成管理圖或示意圖，實時顯示出來，便于早期發現異常現象，可有效防止加工不良情況的出現。   
    隨著信息技術的迅猛發展，許多企業都已大量采用微機和不斷完善企業內部的網絡系統。因此，利用綜合顯示生產現場狀況的監控系統，充分利用信息資源，嚴密監控加工質量，是各公司今后需要不斷努力的技術攻關方向之一。   
   努力降低測量成本   
    長期以來，測量、檢查工作大都要求設置恒溫室，以提高測量的可靠性；恒溫室溫度的調節范圍越狹小，維護控制費用也越高。因此，用戶希望購買那種在廣泛的溫度范圍內仍能充分發揮其性能的測量儀器，以降低測量成本。   
    三豐公司展出一臺新開發的柔性測量機QM-Measure，這是一種臺式三坐標測量機的簡化型機種，可用于生產現場進行檢測作業。該機綜合了各種表類量具的功能，可收到長期降低測量成本的效果。該機附有溫度補償功能，可在15～30℃的溫度條件下使用。   
    蔡司和東京精密公司聯合開發的PRISMO測量機，也是一種用于生產現場的CNC三坐標測量機，保證測量精度的溫度條件為16～30℃。這種測量機的指示誤差為E=20+L/300μm，測量誤差為R=1.8μm，是一種高精度測量機種。   
    上述測量機的使用形式盡管各有不同，但它們卻可從必須嚴格控制溫度的恒溫室中移至生產現場進行測量，測量精度也可得到有效保證，這一點在精密測量行業有著重要的開創意義，而且對用戶也是極為有利的。