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精密坐标测量技术的发展和应用

精密坐标测量技术的发展和应用

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  • 发布时间:2019-03-16
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精密坐标测量技术的发展和应用

【概要描述】测量测试是机械制造技术重要的组成部分,测量是机械制造的眼睛,测量技术的先进性反映了产品的先进性。精密测量测试技术不仅对产品质量控制起决定作用,在现代高档数控和智能技术为主导的制造系统中,测量测试技术直接参与精密制造过程,并对制造水平起到决定作用。这里谈谈几何量(几何尺寸、型位误差等)精密测量测试技术的发展状况和趋势,尤其是在航空制造中,光学扫描测量技术的最新发展和应用技术。

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  测量测试是机械制造技术重要的组成部分,测量是机械制造的眼睛,测量技术的先进性反映了产品的先进性。精密测量测试技术不仅对产品质量控制起决定作用,在现代高档数控和智能技术为主导的制造系统中,测量测试技术直接参与精密制造过程,并对制造水平起到决定作用。这里谈谈几何量(几何尺寸、型位误差等)精密测量测试技术的发展状况和趋势,尤其是在航空制造中,光学扫描测量技术的最新发展和应用技术。

  近年来,在航空制造复杂零件测量领域,国外的光学扫描坐标测量机发展十分迅速。坐标测量技术从点触发测量到接触扫描,再到正在迅速发展的非接触扫描测量,效率越来越高。不同类型的测头同时使用或交替使用,是当前重要的发展方向,是当前测量机技术发展的前沿技术趋势。精密测量测试技术配套技术发展,包括非接触光学扫描测头、多轴坐标测量机及其控制系统、通用测量测试评价软件等,国内产品水平仍有较大差距。

  坐标测量技术的发展

  1 坐标测量机

  坐标测量机(Coordinate MeasureMachine,CMM)作为一种典型的通用高精度数控测量仪器,广泛用于机械制造领域。它可以进行零部件的尺寸、形状和位置精度的检测。由于它通用性强、测量范围广、精度和效率高,并能与数控加工系统组成柔性制造系统。坐标测量机作为一类大型精密测量仪器,有“测量中心”之称。在复杂零件的精密测量领域,坐标测量机是主要的手段。测量机以其精度高、柔性强等特点在现代化的生产制造中起着越来越重要的作用,属于自动化生产和柔性制造中一个重要的组成部分。其不仅能够完成各种零件的几何元素、曲线和曲面的测量,还可以和其他加工设备,如加工中心、数控机床等联机组成集成系统,实现设计、制造和检测的一体化。目前,国外著名的测量机厂家主要有Hexagon 公司、德国的Zeiss和WENZEL公司、意大利的Coord3公司、英国的IMS 公司、美国的OGP公司、日本的Mitutoyo 公司等;国内的测量机厂家主要有中航工业精密所、西安爱德华公司等。中航工业精密所的大型龙门测量机(见图1)和Hexagon 公司的移动桥是典型的测量机结构。

  测量机在追求精度的同时,需要不断提高环境适用性,德国Zeiss 公司开发出的Eclipse 550 小型CNC 测量机,专门为车间测量而设计,采用了热不灵敏的陶瓷技术,使得测量机的测量精度在17.8~ 25.6℃的范围内基本可不受温度影响;Hexagon 旗下公司所开发的检测装备ChameleonCMM,能以较快的速度实现单点和扫描模式的转换。随着科学技术的不断进步和适应现代化生产的需要,检测装备不断向高精度、高效率、多功能和低成本的方向发展,其各组成部分也都在传统技术的基础上不断发展。其主要发展趋势可以概括为以下几方面:

  (1) 机械结构

  为了提高测量机的精度与效率,在机械结构设计上,采用降低运动重心和减轻运动部件质量的方法,提高系统动态性能和运动速度;既满足了传统精度要求,又适应了生产节奏不断加快而提出的效率要求。

  (2)测头系统

  在测头方面,传统的产品包括Renishaw、Zeiss、Hexagon等公司研制的接触测头。在最新的测头技术中,采用了固态传感器技术,大大减少了测量误差,特别减少了在使用较长测杆时由于预行程变差所引起的误差。

  (3)控制系统

  在控制系统方面,传统的产品包括Pantec、UCC 等。为了提高与制造系统的兼容与匹配,必须要求测量机具有开放式的控制系统,具有更大的柔性和适用性。同时,多轴(四轴或四轴以上)联动控制有利于扫描测量的高精度实现。

  (4)测量软件

  在测量软件方面,传统的产品包括RationalDMIS、PC-DMIS、Quindos等。为了将检测装备纳入生产线,需要发展具有网络通信、建模、反向工程功能模块的软件;同时完善应用于不同类型工件的专用测量软件的开发和使用。

  2 非接触坐标测量技术

  光学扫描测头应用于三坐标测量机上已有20 余年,测量精度从开始时的数十微米左右发展到现在的数微米。光学坐标测量种类和方法很多,包括:点结构光扫描、线结构光扫描、平面影像测量及三维影像合成等。影像测量已广泛应用于坐标测量,在测量二维尺寸方面具有优势,但对三维复杂曲面测量能力有限。测量机上对叶片等三维复杂曲面测量主要依靠结构光测头,即投射光束到工件表面,形成被测点云要素。投射的光束包括线结构光和点结构光。点光测头投射光点到工件表面,对工件表面进行逐点扫描,相对线扫描方式效率较低,但测量精度可以达到10μm 左右,在测量精度上具有优势,对航空制造测量精度要求较高的场合更适用。目前,光学扫描坐标测量精度虽然比接触测量精度仍有差距,但相比过去数十微米的测量精度已经大幅提升,所以这里仍然称之为“精密”坐标测量技术。在2010 年,德国的WENZEL公司率先推出了首款航空发动机叶片多轴高速白光检测装备MAXOS/CORE,如图2(左)所示。其采用白光点扫描测头,采点速度可达4200点/min;其光点直径可小至9μm,能够测量到叶片表面非常微小的几何特征,最大限度地降低了叶片实测表面的失真度;并且有效规避了激光测头具有的散斑效应以及反射光信号强度等问题,适用于各种表面的叶片测量。以色列Nextec 公司近年推出的环形激光三角法测头,测量重复精度可以2μm,基于此测头的扫描测量机,空间测量精度达到12μm(2σ),在航空制造领域,尤其是叶片快速检测,取得了较好的应用。德国WENZEL 公司的五轴白光扫描测量机和以色列NEXTEC 公司的光学扫描测量机近年已经进入中国市场,如图2 所示。近年来,光学测头凭借其非接触、高精度等优点,已经广泛应用于工业制造领域,并逐步引起了国内一些科研院所的关注,国内对于光学测头的研究起步较晚,目前,有多家高校、研究机构正研制高精度光学扫描测头。

  3 在线测量技术

  广义在线测量是指在加工生产线中进行测量,通常提到的在线测量是狭义上的,指在机床内部加工过程中的测量。在线测量技术实现了零件加工后直接进行测量,能够减少二次装夹误差,提高效率。对于难加工材料或者难于装夹找正的大型工件,在数控加工过程中需多阶段加工和反复测量,在线测量意义重大。随着在线测量技术的发展,测量已不仅仅是最终产品质量评定手段,更重要的是为产品的设计和制造过程服务,使产品的设计、制造过程和检测手段充分集成,形成加工检测一体化“智能制造系统”。测量的方式从传统的“离线”测量,进入到制造现场,参与到制造过程,实现“在线测量”,真正做到“加工即可测可知”。在线测量技术在测头信号传输方式上从红外传输向无线传输发展,在测量方式上从接触触发向接触扫描和非接触测量发展。中航工业精密所近年率先开发了光学在机(在线)测量系统,如图3 所示。

  4 其他专用测量技术

  除上述传统坐标测量技术外,一些适合特定应用场合的专用测量技术也在快速发展,包括关节臂测量、激光跟踪仪、室内GPS 等。关节臂式坐标测量系统由多个关节构成,安装有测量探头的测量臂为测量端,可由人牵引在物体表面滑动扫描。机械臂的关节上装有角度传感器,可以实时测量关节的转动角度,根据臂长和各关节的转动角度计算出测量点的三维坐标。关节臂式坐标测量系统的主要优点有量程大、体积小、重量轻、可在现场进行测量,甚至装在被测工件或机器上。由于其柔性的特点和采用人手操作,与正交式三坐标测量机相比,测量速度快,且无需考虑路径优化等问题,因此使用更加灵活、快捷。激光跟踪测量系统是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器。由激光跟踪头(跟踪仪)、控制器、用户计算机、反射器(靶镜)及测量附件等组成。激光跟踪测量系统的工作基本原理是在目标点上安置一个反射器,跟踪头发出的激光射到反射器上,又返回到跟踪头,当目标移动时,跟踪头调整光束方向来对准目标。同时,返回光束为检测系统所接收,用来测算目标的空间位置。

  激光跟踪仪不仅可以实现空间静止目标的三维高精度测量,而且可以实现运动目标的跟踪测量。激光跟踪仪操作简便,测量精度高、效率高,可以实时扫描测量和三维点云显示,是大尺寸工业测量的主要手段之一,近年来得到迅速发展和广泛应用。室内GPS 测量系统基于全球卫星定位系统的技术概念提出。安装在装配车间的室内GPS 系统,继承了全球定位系统发射器(卫星)与各接收器相互独立工作的概念。室内GPS 系统由许多发射器和接收器构成,发射器发射的信号由接收器接收,从而获得接收器相对于发射器的水平方位角和垂直方位角。室内GPS 在测量空间有较大的自由度, 可以根据需要设计它的型号以便适应测量空间,GPS 的测量范围能达到2~300 m。由于反射器和接收器之间的信号是单向传输,因此接收器的个数没有限制。只要对于某个接收器能同时接收到两个以上的发射器发射的信号,就可以确定接收器的空间坐标。

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