测量技术的发展

在第21届日本国际机床展览会(JIMTOF 2002)上，测量仪器展品在测量原理方面并无新的突破，但在满足制造工程CAD/CAE/CAM/CAT数字化发展的需要方面，测量技术更加重视由Windows编程的GUI(Graphical User Interface)的操作性能，以便提高测量效率，适应制造工程快捷化的需要。从这些方面来看，各公司展出的测量仪器制品，与过去相比，又有了明显的改进和提高。本文拟根据会上的众多展品，评述测量技术的发展动向。?    三坐标测量机的发展动向    非接触式测头的现状    在本届展览会上，采用非接触式测头进行形状测量的三坐标测量机明显增多。非接触测量方式大致分为三种类型：①立体图象三角测量方式；②激光位移测量方式；③单个图象测量方式。?    东京精密公司展出的Optigo三维测量系统和丸红solution公司展出的ATOS三维测量装置是两种典型的立体图系三角测量方式。该方式是用CCD摄像机在两个不同位置摄取图象，在条纹投影的一致处通过三角测量法获得位置信息(深度数据)。由于一次测量范围有限，因此，在待测工件表面一定间隔贴上摄像机易于识别的圆形贴片，利用圆形贴片的相对位置来确定工件表面位置，将多个摄影图像联接起来，即可获得较大表面的有关信息。此种方式的优点是：可一次性获得被测面的相关数据，从而在短时间内完成测量工作。作为一种缩短测量时间的方法，它利用事先配置的CCD摄像机拍摄工件整体形状，由于已取得图形贴片的位置，从而在立体摄影时，易于获得工件表面的位置参数，这样就可进一步缩短测量时间。?    在长度测量方面，激光位移方式是通用性广泛的测量方法。激光测头有两种类型，一种是点式，如三丰公司的WizProbe；另一种为线性式，如东京贸易工程公司的L Scam、三丰公司的LC 50/100、东京精密公司的Eagle Eye等。点式测头适用于高精度测量规定部位的位置坐标，线性测头可跟踪工件表面，因此，其优点是可快速测量出整个表面的坐标。?    从用途方面来看，点式测头是一种与接触式测量竞争的测量方法，主要用于圆、平面、球体等几何形状的高精度点坐标测量。线性测头则主要用于具有自由曲面的特殊形状表面、轮毂柱、孔等分布较密的发动机组、散热器等复杂几何形状的数据测量。?    单图象测量方式是CMM中以二维测量为对象的测量方式，过去大都是将定心显微镜安装在测头端部，操作者按目视位置从刻度尺上读出数据，以此来进行相关的长度测量，这种方法在CMM中沿用已经很久。最近，各公司开发出采用CCD摄像机的2.5维坐标测量机，并已投放市场。这种测量机和CMM的完整三坐标测量在用途上有所区分。在本届展览会上，东京精密公司展出一种新产品，商品名为Viscam，它在CMM测头部分设计有安装在回转式圆形动态传感器RDS上、带自由变向机构的CCD二维自动聚焦摄像机，这样就增大了CMM的测量柔性，可对工件的测面、上表面等5个面(除底面外)进行充分的二维坐标测量。    接触式测头的现状    门式CMM大量使用的接触式测头最近又有新的发展。如RENISHAW公司推出了两种产品，一种是新型高精度测头TP7，可取代以往通用的三点支撑触发式测头；另一种是新型扫描测头SP25。TP7测头的触针与工件的接触情况可通过应变信号迅速掌握，测量精度比过去的测头大幅度提高。该公司过去生产的TP2测头触针长度只有10mm，重复测量精度(2σ)≤0.35μm，而TP7测头的触针长度为50mm，重复测量精度达(2σ)≤0.25μm。?    扫描测头SP25的工作方式如下：X、Y、Z三轴各自独立，触针与工件接触形成的位移通过测头内部的激光传感器测得。这一点与蔡司(Zeiss)赖斯测头所代表的测量方式不同，后者测头内部X、Y、Z三轴也是各自独立的，但它是通过平行板片和差动变压器进行测量。SP25是将应变信号扫描测出，与过去的扫描测头相比，SP25可实现小型化和小直径化，对工件深处的小直径孔等部位进行扫描测量时，测头自身即可进入工件深处进行测量，因此，测针必须细长，触头必须短小。三丰公司也展出一种微细形状的扫描测头，同样是利用应变信号进行测量，这种测头可进行小直径齿轮的齿形、小直径螺纹的螺纹牙形等形状测量。?    CMM的其他动向?    在通常情况下，CMM对使用环境的要求比较严格，条件稍差便会影响测量精度。为了满足生产现场的测量需求，东京精密公司开发出一种对温度环境适应性很强的三坐标测量机，商品名为Centermax。这是一种桥式基座结构，测量工作台和两侧支撑柱形成一个整体，隔热材料是在泡沫材料中添加陶瓷混合而成的特殊材料。在常温(15℃～35℃)条件下，该机在任何生产现场均可保证E＝2.35+L/195μm(L单位为mm)。    表面粗糙度、形状测量机及圆度测量机的动向    提高分辨率，扩大测量范围，增加测量长度?    在表面粗糙度、形状测量机方面，各厂商展出的高精度机型中，Z向测量分辨率最高者达到0.1nm～数nm，可充分满足镜面磨削加工的测量要求。为了适应透镜、光学多面体等曲面形状的镜面测量，许多厂家开发出Z向测量范围更广的表面形状、粗糙度测量机，其测量范围可达6～10mm。?    在众多展品中，Taylor Hobson公司的form talysurf S6最为突出，这种表面形状、粗糙度测量机与该公司原来生产的同类测量机surface21相比，性能大幅度提高，两种机型的Z向分辨率均为0.8nm，但S6的Z向测量范围达12.5mm，X向测量范围达200mm，两者均远远超过Surface21。form talysurf S6测量机可用于迄今很难测量的直径200mm左右的透镜、光学多面体超精密表面粗糙度和形状精度的测量。?    圆柱形状母线表面粗糙度的测量    在这个领域中，对测量原理的阐释已非常明确，据此开发的测量机的基本结构也已相当成熟。目前，厂家大都在提高分辨率，扩大测量范围等超精密测量方面进行开发。下面介绍本届展览会上一些公司推出的比较新颖的测量方法。?    三丰公司在测量圆柱形状母线方面，开发出采用三轴调整工作台的测量方式。过去在测量圆柱形状时，大都采用圆度测量机，将圆柱工件分成若干段来测量其截面的圆度，经解析后使之圆柱化，主要是按测量部位轴与基准轴的同柱度来衡量工件的圆柱度。在测量圆柱形状母线的轮廓时，如果用圆度测量机进行测量，由于受到差动变压灵敏元件测量范围的限制，很难进行准确测量。三丰公司提出用表面粗糙度形状测量机，将圆柱形状的母线同工件的母线轴与测量轴平行调整，其调整工作台可以只对母线部分的形状进行准确的测量。这就给需要测量圆柱形制品的用户提供了极为便捷的途径。?    在圆柱形状测量方面，东京精密公司提出一种新的方法，即在圆度测量机的灵敏元件处安装测量表面粗糙度的测头，这样在测量形状的同时，也可测量表面粗糙度。过去，用圆度测量机只能测量形状精度，如需对圆柱工件表面粗糙度进行测量时，必须进入另一道工序，即将工件移至表面粗糙度测量机进行测量。形状和粗糙度是互为表里的关系，制造业非常希望能同时进行测量，为了满足这一要求，测量机解析部应将形状解析和表面粗糙度解析两种功能合在一起，这就要求改进所用测头，使之能同时进行两项测量，东京精密公司的方法在这方面是一大进步。?    数字解析元件的动向?    数字解析元件由于PC的高速化和OS的Windows化，使GUI具有优异的操作性能和高度解析功能。由于数字解析元件的Windows化而具有高度解析功能，三丰、东京精密等日本厂家最先安装这种元件，开发出具有下列功能的新型测量机品种，即能将实测值与CAD数据进行对比、实测值可利用尺寸图解功能显示出来等，这些功能都是质量管理部门迫切要求测量机应具有的特性。在这方面，Taylor Hobson、Mahr等公司则侧重于在测量机硬件基本性能的提高，而对Windows组合到GUI上的技术开发则起步较晚。不过，在本届展览会上，这些公司也展出了具有应用Windows技术进行高精度解析功能的测量机，这些测量机数据解析元件的功能，与日本厂商的产品相比毫不逊色。?    图象处理型测量显微镜发展动向    小直径孔距或终接电极狭小间距等微细形状测量以及生产线上节省空间的简易测量等领域，大都采用测量显微镜进行测量。过去进行这类测量时，大都采用手动式显微镜；10年前，开发出利用CCD摄像机进行图像处理检测棱边的测量显微镜，随之各厂家相继开发出各具特色的图象处理型测量显微镜。如当时，理光公司开发出一种商品名为μm STAFF的具有自动棱边检测功能的投影仪式测量显微镜，OGP公司开发出非接触全自动测量系统Q SEE200的半自动机型SMART SCOPE 200等。此后，三丰公司开发出Quick Vision系列，理光公司开发出NEXIV系列等产品。经过不断改进提高，现在，这类产品配以触发式测头，已可进行三维测量，配以激光传感器，可进行微细形状高精度Z向测量，数据解析功能也大幅度提高。在本届展览会上，一些厂家展出的产品已具有更为新颖的功能，如使前述各种附加功能更易于操作，各种性能水平进一步提高，千方百计提高测量精度。如三丰公司开发出ULTRA QUICK VISION是一种超高精度CNC图像测量机，其测量精度Ｕ2＝0.5+2L/1000μm(L单位为mm)；OGP公司开发出SMART SCOPE VANTAGE250是一种非接触全自动测量系统，框体刚性高，配有新型Telestar光学系统，测量精度极高；Mahr公司展出一种多功能三坐标测量机Multiscope222，在该测量机上，光学测头和触发式测头并用，具有多种测量功能。    通用量具发展动向    卡尺、千分尺的数显化?    卡尺、千分尺是制造业生产现场必不可少的测量工具，这些量具的数显化对提高操作性能和测量速度极其重要。许多厂家在推进量具数显化方面，作了大量工作，三丰公司便是其中的佼佼者。在本届展览会上，三丰公司展出一种笔记本式连接PC用的附加装置，该装置利用携带信息终端(PDA)的数据记录器，极易使测量数据进入微机进行处理，这对生产现场进行质量管理作用极为明显。?    公司内部进行校正?    根据ISO 9000的规定，各公司必须在内部对测量精度进行跟踪观察，因此，应大力开发对各种测量机具测量不确定度的判断技术。公司内部校正是企业质量管理部门的重要任务之一。在本届展览会上，不少厂商展出了多种校正仪器。如Mahr公司展出了卧式万能测长仪Precima PLM600，基本测量原理是按阿贝原理提出的，仪器基座用石墨铸铁制作，较正可靠性非常高。三丰公司的块规校正用He－Ne激光光源，用陶瓷制作平直度样板；Mahr公司开发出金刚石表盘、金刚石比较仪等装置均可作为校正业务必备的标准器件和比较仪器。目前，各公司都在加紧开发各种校正用仪器，务求使自己的产品全面符合ISO 9000提出的要求。    干涉仪式表面形状测量技术动向    ZYGO公司的产品在非接触式表面粗糙度测量方面享有盛誉，在本届展览会上，该公司推出一项新技术，即可以在非接触测量机New View Delta上进行平面度、表面粗糙度测量。具体做法是给New View Delta测量机换上广范围观察用的物镜和粗糙度测量物镜，这样即可在广范围内进行上述测量。过去，很难在同一部位既测量表面形状又测量表面粗糙度，现在可在New View Delta上对同一部位进行上述两项测量，从而可大幅度提高测量效率和解析水平。另外，在对透镜等高精度加工制品的形状测量方面，目前大都使用激光干涉仪，ZYGO公司最近开发出一种激光干涉仪式的形状测量机GPI-MPT，可对金属表面等模具形状进行高可靠性测量。    Taylor Hobson公司在利用激光干涉仪进行形状测量方面一直处于领先地位。该公司在会上展出了一种新产品，型号为FST50，各种性能均大有提高。    在干涉仪式表面形状测量技术方面，今后需进一步研究的课题是：如何将接触式表面粗糙度、形状测量及超精密镜面加工积累起来的成熟技术，更好地融汇到激光干涉仪中去，开发出性能更广泛，测量效率和测量分辨率更高的激光干涉仪品种。?    综观JIMTOF2002上有关测量仪器的众多展品，可以得出如下印象：为了进一步实现测量工程的数字化，测量仪器的发展十分迅速，仪器的测量精度更高，解析功能更强，操作更为方便。其中，在非接触测量技术方面，有了突飞猛进的发展。尽管如此，在高精度三坐标测量方面，接触式测量方式仍占有重要地位。用户希望厂家开发出下列高精度测量制品，诸如小型扫描测头、适应广泛温度变化的高精度CMM、利用三维模型的CNC程序构成的CMM辅助软件等。