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精密坐标测量技术的发展和应用

来源: 时间:2019-11-04 15:39:03 次数:

      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。

      近年来,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。


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。


  

随着科学技术的不断进步和适应现代化生产的需要,坐标测量机不断向高精度、、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、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。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,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。

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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