分析機械制造測量技術的發(fā)展與應用

陳守國

摘 要：機械制造測量技術是決定機械加工水平的重要基礎，我國目前在機械制造的測量技術上精度與校準能力處于世界領先地位。但是在數(shù)字化測量技術與閉環(huán)制造技術系統(tǒng)的研究上較國際水平略有差距。因此本文針對我國機械制造中測量技術的發(fā)展現(xiàn)狀作出分析，并對國際機械制造領域中測量技術的應用情況進行探討。從而提出我國機械測制造測量技術在應用上的發(fā)展策略，旨在提升我國機械制造測量技術的應用水平和發(fā)展能力。

關鍵詞：機械制造；測量技術；應用發(fā)展

近些年來高新技術領域飛速發(fā)展，我國機械制造產(chǎn)業(yè)也發(fā)生了巨大轉變。復雜機電系統(tǒng)、極端制造、微機電系統(tǒng)、生物制造、智能與數(shù)字化制造等全新機械系統(tǒng)與設計概念都在逐步成熟，但也由此產(chǎn)生了新的測量問題。因此，測量技術在機械制造中的地位與重要性日漸明顯，同時也為測量技術提供了全新發(fā)展機遇。為了實現(xiàn)械制造測量技術的進一步發(fā)展，達到更高的測量技術水平，本文針對我國機械制造測量技術的發(fā)展現(xiàn)狀和應用情況作出分析，對比國際發(fā)展趨勢，提出我國在測量技術上改進方向。

一、我國機械制造中測量技術的發(fā)展現(xiàn)狀

1.測量空間尺寸的現(xiàn)場校準方法與裝置

在機械制造中，儀器的量值傳遞與校準十分重要，是保證測量儀器精準度的重要基礎。天津大學葉聲華院士發(fā)明了空間測量的現(xiàn)場校準方法以及相關裝置，解決了實際測量工作中的現(xiàn)場校準問題。首先，該方法能夠利用多種靶標的幾何結構作為自身標準尺寸，在空間測量時可以針對不同測量位置傳遞相關數(shù)據(jù)信息，打破傳統(tǒng)測量中的約束條件，并且針對大范圍的測量作用具有較高的應用價值。以測量系統(tǒng)的全局校準為基礎，在傳感器校準和傳感元件校準上相對減少了誤差環(huán)節(jié)，進而提高了校準精度與速度。其次，通過直角棱鏡與小分束角渥拉斯頓棱鏡作為共光路自適應系統(tǒng)，能夠有效解決空氣擾動和激光光束漂移的適應性問題，其測量結果更加穩(wěn)定。最后，該項技術基本實現(xiàn)了同軸度測量，應用橫向塞曼激光器能夠激發(fā)正交線偏振光，從而規(guī)避熱漂移的不利影響，因此縮小了實際測量尺寸，也就達到了遠程相互位置的現(xiàn)場校準目標。目前該項技術已經(jīng)廣泛應用到機械制造領域，尤其在車身測量系統(tǒng)中，減少了自測量非線性誤差，為機械制造提供了穩(wěn)定的高精度測量數(shù)據(jù)。

2.精密測量儀器的正交偏振激光核心技術

正交偏振激光器是我國自主研發(fā)的精密測量儀器，由清華大學張書練教授帶領研發(fā)團隊，設計發(fā)明了該項技術多項精密儀器設備。激光器應用了雙折射光學元件，將激光縱模劃分為兩個偏振正交，其可調(diào)頻率的頻差值在50MHz到1200MHz之間。同時在此基礎上，設計了超短頻差He Ne激光器，解決了傳統(tǒng)單橫模激光器腔長過短激光光束不易穩(wěn)定的問題。利用雙頻激光的雙折射原理的振蕩特征，采取正交偏振、頻差調(diào)諧、頻率分裂、以及頻率競爭的實驗方式，能夠總結出以往實驗中不易得到的模競爭與模分裂現(xiàn)象。尤其在雙頻激光器中應用三偏振特性，設計了測量位移數(shù)值的激光器納米測尺，其精度可以達到15mm量程，精準度高于0.75?m，為正交偏振激光器的進一步發(fā)展奠定了核心技術支持。

二、國際機械制造領域中測量技術的應用情況

1.數(shù)字化測量技術

在機械制造生產(chǎn)現(xiàn)場針對測量技術的要求不斷提高的情況下，各國都在研發(fā)量具的實用性與精準度。目前美國Mahr與M&M公司以及德國Klingelnberg 公司，都在測量儀器的精準度上達到3?m，能夠應用到監(jiān)測齒輪刀具和微小零部件。Kelch與Zolle等公司的CCD 數(shù)字式對刀儀產(chǎn)品已經(jīng)可以達到全程全自動測量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對于刀具數(shù)據(jù)庫管理效率極高，可以同時應對多臺數(shù)控機床的通訊需求，同時以閉環(huán)反饋設置相應的加工位置參數(shù)，有效的提升了測量標準和效率。該項技術廣泛應用到工具系統(tǒng)檢測、刀片檢測、涂層檢測、材料機體檢測、以及刀具在作業(yè)機檢測中，實現(xiàn)了高速高效、高分辨力、高精度的現(xiàn)場檢測需求。目前多國采用此項技術生產(chǎn)了高性能、小型化的激光測量儀器，其操作便捷性較高、系統(tǒng)輔助功能與補償功能較強，能夠有效提升數(shù)控機床的綜合檢測精度、加工精度、位置幾何檢測精度。

2.閉環(huán)制造技術系統(tǒng)

以先進的測量技術為依托，結合相關儀器設備，可以實現(xiàn)完備的閉環(huán)制造系統(tǒng)，在機械制造領域中部分國家已經(jīng)達到“零廢品”的機械制造技術能力?？肆指褙悹柟九c格里森公司，應用了齒輪測量的核心技術，以及齒輪測量軟件，將CNC 齒輪與加工機床相連接，完成了弧錐齒輪與圓柱齒輪的CAI 、CAM、CAD等閉環(huán)制造。Walter公司也利用相關技術生產(chǎn)新型的Helicheck萬能測量儀，針對數(shù)控刀具非接觸式測量與自動化測量，都呈現(xiàn)出較高的應用效果。以OTC刀具的補償系統(tǒng)為核心，使用Helitronic數(shù)控刀具針對磨床完成在線連接，能夠有效降低成品報廢率，進而實現(xiàn)了較高的適用性。以實測值和設計值作為對比基礎，通過修正數(shù)控機床的磨削參數(shù)值，能夠保障復雜型面的精細加工質量。以日本大阪精機為例，通過剃齒刀磨床和齒輪測量儀器的連接，以計算機技術為支撐，能夠構建完整的閉環(huán)剃齒刀磨齒系統(tǒng)，從而保障精磨加工標準的合格率提升。

三、我國機械測制造測量技術在應用上的發(fā)展策略

1.WPS空間定位系統(tǒng)

發(fā)展機械制造中的測量技術，應當從具體的針對性技術上進行突破創(chuàng)新，包括超大尺寸精密測量、微納米超精密測量、數(shù)字化非接觸測量等方面。首先，在可調(diào)諧與多波長的新型激光器研發(fā)上，需要開發(fā)激光二極管的適用性，提高絕對測長的技術水平。其次，在波段電磁波測距和高速短程激光測距的研究方向上，應當降低大尺寸測量的形位誤差值，包括百米以內(nèi)的同軸度測量、大工件元素位置間距測量、超大平面度測量、以及圓柱度和軸圓度測量等方面，在測量精度上需要盡早提升至微米量級。最后，基于高速坐標跟蹤測量技術的發(fā)展，結合無導軌測量技術的實際應用，動態(tài)幾何量測量理論也需要進一步提升應用效果。在WPS空間定位系統(tǒng)“Workshop positioning system”中，務必達到方圓20m以上的應用水平，坐標定位誤差需要降低至微米以下，同時以10 m/s的跟蹤速度作為技術標準，才能實現(xiàn)超越國際水平的應用效果。此外，WPS的系統(tǒng)技術發(fā)展需要面對微納尺寸的全新發(fā)展需求，應當從一維測量標準向多維測量方向發(fā)展，以便達到納米測量儀器的實踐應用效果提升。依據(jù)動態(tài)測量和違阿貝原則，需要在空氣折射、隔振、以及熱誤差等方面有所改進，爭取達到12nm量級以上誤差補充效果。endprint

2.Form-free測量模式

機械制造測量技術的應用發(fā)展，必須針對計量學的具體問題加大研究力度，其重點方向為基標準的測量理論實踐，以便提高測量精度和自校準技術水平。Form-free的測量模式被稱為“免形狀”，是促進測量技術發(fā)展的重要基礎，其商業(yè)化產(chǎn)品的應用效果，也是目前多數(shù)研究重點方向。

免形狀測量技術的理論基礎是假設加工零件小偏差，精密測量時降低對其幾何形狀的依賴，在不清楚精密定位與幾何參數(shù)的情況下，通過形狀誤差與幾何尺寸進行測量與判斷。主要應用方式，需要通過高精度測量，獲取被測輪廓的數(shù)據(jù)微粒，以此推斷該輪廓的內(nèi)在幾何特征與量值。在此基礎之上，建立假設輪廓，包括二次曲線、漸開線、螺旋線、圓曲度等。在理論模型和特征量的支持下，采用誤差分析軟件和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對理論模型和被測輪廓進行多次對比分析，根據(jù)所得結果降低測評誤差。發(fā)展免形狀測量計算的現(xiàn)實應用可以解決三個問題：提升測控模型校準度，加強不易測量加工部件的形狀識別，降低形狀判定中的現(xiàn)實誤差。因此，我國需要在Form-free測量模式和技術的應用上較大研究，爭取為機械制造提供更為精準的測量值。

3.突破超大型測量精密儀器的核心技術

哈爾濱工業(yè)大學的科研團隊，在譚久彬教授的帶領下，針對超大型精密儀器的核心技術進行了深度研究。一方面，基于回轉潤滑面勻壓與復合節(jié)流的方法，該技術提供了“氣/固”與“氣/液”的兩相復合回轉潤滑方法，在回轉運動基準裝置中可以提高軸向與徑向剛度、回轉精度、以及相應的穩(wěn)定性與承載能力。另一方面，在儀器運動基準與自身參照原理的基礎上，利用空間回轉誤差截面分離方式，設計了誤差分離裝置，在超大型儀器的測量精度上提出了相應的解決方案。此外該項技術提供了差動共焦掃描測量的重要策略，通過超分辨共焦掃描，針對二次共焦和復色共焦都能提升掃描測量精準度。在該項理論成果的基礎之上，我國應當將設計開發(fā)重點集中在共焦掃描測量技術的設備裝置與顯微鏡的應用上。爭取將水平分辨力實現(xiàn)超分辨，垂直分辨力達到亞納米量級。進而解決我國因此項技術的缺失，而導致超大型精密測量儀器使用率不高的情況。

四、結語

綜上所述，我國機械制造中的測量技術在未來發(fā)展中，應當注重自身的技術優(yōu)勢，同時參考國外的先進研究成果，結合數(shù)據(jù)處理方法與幾何結構的測量原理，針對測量儀器的開發(fā)與設計加大研究力度。重點研究WPS空間定位系統(tǒng)和Form-free測量模式的實踐應用，以及突破超大型測量精密儀器的核心技術。爭取為機械制造提供更為精準的測量結果，以便支持大規(guī)模機械生產(chǎn)中零部件精細化程度的現(xiàn)實需求。

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