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数字化精密量仪的发展趋势

       数字化测量技术是数字化制造技术中的关键技术之一。开发亚微米、纳米级高精度测量仪器，提高环境适应能力，增强鲁棒性，使精密测量装备从计量室进入生产现场，集成、融入加工机床和制造系统，形成先进的数字化闭环制造系统，是当今精密测量技术的发展趋势。

（1）数字化精密测量仪器的新动向——进入生产现场，非接触扫描测量倍受重视

　　三坐标测量机作为精密测量仪器的基本型主导产品，继续在机械制造业中得到重视和发展。以三坐标测量机为代表的精密测量仪器进入车间、服务于生产现场是发展的一个重要趋势。例如，LEITZ公司的精密三坐标测量机在车间用于测量大型齿轮就是一例。将数字化测量系统集成到数控加工机床上是另一个发展趋势。例如，秦川机床厂的CNC成型齿轮磨床集成了在机齿轮测量系统。与光学/激光非接触式扫描测量技术相结合，实现多功能、多种传感器的集成和融合，使坐标测量技术的应用更加丰富，更适用于生产现场。

　　①汽车大型覆盖件的非接触扫描测量精确而快速

　　配备有光学/激光式非接触扫描传感器的水平臂三坐标测量机实现了对汽车大型覆盖件的快速精密检测。德国ZEISS公司和瑞典HEXAGON集团等世界著名三坐标测量机制造厂在该领域进行了开发。瑞典HEXAGON集团所属DEA公司的PRIMA

　　C1系列水平臂测量机在CW43L型连续伺服关节测座上，可配备触发式测头、连续扫描测头、光学或激光扫描测头等多种测头，以适应不同测量环境和任务的要求。德国ZEISS公司的PRORPremium坐标测量机配备有EagleEye导航系统和可控测座，能够在汽车车身大型覆盖件尤其是车身分总成的质量过程控制中，对工件的几何参数、表面和边缘的特征点、间隙和贴合性等实施高速精密测量。

　　②带激光扫描测量系统的便携式柔性关节臂测量机功能增强

　　美国CIMCORE公司推出了配备有先进激光扫描测量系统的关节臂测量机。该仪器采用碳纤维材料制造，重量轻而刚性好，其中INFINITE系列的还具有无线通讯功能。仪器采用PC-DMIS软件，测量功能强。配上管件测量系统附件，还可实现对管件的长度、弯曲度、回弹等多种数据的测量和比较。测量范围为1.2m的仪器点测重复精度达0.010mm，空间精度达0.015mm。用于反求工程时，不仅测量速度快，而且可实现测量过程的实时显示和补漏测量数据的无缝拼接。该仪器可用于三坐标测量、三维造型、产品测绘、反求工程、现场测量以及模具设计制造等涉及到设计、制造、过程检测、在线检测以及产品最终检测等测量工作。美国FARO技术公司的FaroARM系列便携式三坐标测量臂具备类似的技术指标和性能。我国西安爱德华测量机公司2005年也公开展示了自主开发的柔性关节臂测量机的样机。

　　③轴类零件光电非接触测量仪器发展迅速

　　汽车制造业的需求大大推进了轴类精密零件非接触测量技术的发展。瑞士TESA公司的TESA

　　Scan系列轴类零件快速扫描测量仪采用2个线阵CCD组件，通过工件的回转和轴向移动对工件进行投影扫描，可实现对轴类零件位置误差和形状误差的精确检测、对截面形状和轮廓度的评估比较以及统计质量分析，还能对零件的局部（如过渡曲线、微小沟槽等）进行放大测量。由于工件立柱可以倾斜，因而能对螺纹、蜗杆、丝杆等进行全参数精度的精确测量，这是该仪器PLUS系列的一大特色。仪器在直径方向上的分辨力为0.0003mm，精度2+（0.01D）µm，重复性0.001mm。德国SCHNEIDER的WMM系列轴类及工具测量仪操作简单、测量速度高，特别适用于车间检查站。仪器采用高分辨力的Matrix摄像头，可以快速获取测量数据。仪器数显分辨力为0.0001mm，长度测量不确定度为E2=（2.0+L/200）µm（L单位为mm）。

　　④中小尺寸平面类精密零件的二维、三维非接触测量仪器应用广泛

　　带CCD数字摄像头、激光测头、触发测头的多传感测头光学坐标测量仪器得到了快速发展。除德国MAHR公司的MARVISION系列三维光学坐标测量机、瑞士TESA公司的三坐标成像测量系统TESASIO、德国SCHNEIDER公司的SKM系列3D多测头坐标测量机等典型产品外，美国OGP公司等著名厂商也有相应产品展示。日本三丰公司CNC视像测量系统系列产品中的SV350-pro型测量机采用了自制的超高精度、高分辨力、低膨胀玻璃光栅基准尺，仪器分辨力0.01µm，X、Y轴测量精度为（0.3+L/1000）µm，Z轴测量精度为（1+2L/1000）µm。三丰公司的Hyper

　　MF型测量显微镜的X、Y轴测量精度超过日本标准规定的0级，达±(0.9+3L/1000)µm，仪器分辨力0.01µm，是用于精密模具、精密切削刀具以及超小半导体电子元件（如芯片和集成电路等）精密检测的理想选择。国内西安爱德华、东莞万濠、苏州怡信、深圳鑫磊以及北京天地宇等公司也开发了类似产品。贵阳新天光电公司近年注重新品开发，2004年成功推出了JX13C图像处理万能工具显微镜，采用金属光栅和高分辨力的CCD摄像头，仪器测量精度达到（1.0+L/100）µm，采用半导体激光导向快速确定测量位置。JX15A/B型视频测量显微镜同样采用了CCD数字成像技术，将采集到的被测工件图像送入计算机进行处理，进行相应几何精度的检测，产品技术指标和水平上了一个档次。深圳智泰公司VMT系列的3D影像量测仪，在CCD视觉测量系统上配备上高精度触发式测头，实现了多功能测量。

（2）数控机床精度检测用激光测量技术的新进展

　　为确保数控切削加工的质量，除了在加工过程中和加工完成后对数控切削加工系统（包括工件在内）进行可行的监控检测外，在加工前对数控机床的精度和性能进行检测，以便确切了解掌握机床质量现状，进而进行必要的调整补偿，使其达到最佳运行性能，是一项非常重要的质量控制措施。

　　众所周知，国外著名厂商Renishaw、API及HP等公司生产的激光干涉仪测量系统和球杆仪等在数控机床的几何精度和运动精度的检测和监控中，无论在机床制造厂还是机床使用厂，都得到了广泛的应用。Renishaw公司的金牌M10激光干涉测量系统，配备了高精度、高灵敏度的温度、气压、湿度传感器及EC10环境补偿装置，在工作环境下测量精度得到进一步提高；API公司的Rmtea六维激光测量系统可同时测量6个数控机床精度项目的误差，缩短了检测时间，为生产现场数控机床的检测和诊断提供了更为快速高效的精密测量手段。成都工具研究所的MJS系列双频激光干涉仪，分辨力0.01µm，测量软件覆盖了我国和世界主要工业国的数控机床精度标准评定方法和指标，动态采样功能可用于自动补偿。

　　美国光动（Optodyne）公司近年推出的基于体对角线的激光矢量测量技术是快速测量和补偿数控机床、加工中心三维空间位置误差的一个新途径。该技术由美国光动公司发明并获得专利，它遵循了ASMEB5.54

　　（1）和ISO0230-6（2）机床测量标准中对体对角线误差测量的要求。对于构成（X，Y，Z）直角坐标系的三轴机床的21项几何误差，采用传统激光干涉仪等来进行检测相当费时。基于分步体对角线矢量测量原理，光动公司采用专利的激光多普勒位移测量仪，借助大平面反射镜完成四条对角线空间位置误差的测量，获得12组数据。通过计算确定机床12项基本误差（3项位移误差，6项直线度误差和3项垂直度误差），最终得到数控机床三维空间位置（定位）误差。该公司曾介绍了在加工中心上进行实际测量和补偿的应用实例，借此表明该测量新技术在数控加工机床的精度检测和精度补偿上的可行性。对该项测量技术的认识、推广应用的实际效果和前景值得行业关注。

结束语

　　数字化制造技术是先进制造技术的基础。在数字化制造技术的基础上，通过计算机技术、通讯技术将数控机床、数控刀具、数控测量仪器和加工对象（工件）以及相应的信息集成融合在一起，构成了的一个数字化闭环切削加工系统。可以认为这是CIMS理念中的一种具体实施形式。CIMS应该具有多样性，即具有不同水平和不同层次。从近年数控刀具闭环制造系统和圆柱齿轮、锥齿轮制造闭环系统的发展，可以得到启示：应结合实际，大处着眼，小处着手。专项（产品）数字化闭环制造系统也许是当前CIMS领域的一条切实可行的发展途径。

　　要提高我国机床工具行业的技术水平，增强竞争力，根本途径就是提高自主创新能力，发展具有自主知识产权的产品和技术。从近几届我国举办的国际机床展览会来看，我国精密工具行业的创新意识不断加强，创新能力不断提高，创新技术成果和产品不断出现。但是，我国精密工具制造行业的发展相比于我国机床制造行业数控机床的发展，无论在规模上还是技术先进程度上都差距较大，远远不能满足和适应先进制造行业如轿车制造业、航空航天制造业、微电子制造业等的需求。工具行业需要紧跟机床制造行业，加强合作，加快发展。
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