坐标测量技术半世纪--演变与趋势

2014-10-20 09:31:51来源: newmaker
坐标测量技术是衡量精密制造和测量水平的重要标志。美、德、日等工业发达国家都曾投入大量人力物力发展坐标测量技术,产生了如Hexagon、Zeiss、Mitutoyo等全球知名品牌。直至目前,中小型坐标测量技术已成熟,大型和微型坐标测量技术发展迅速,智能坐标测量技术则成为研究热点。

回顾:十大标志性事件

第一台坐标测量机

1959年,法国巴黎国际机床博览会上,苏格兰Ferranti公司展出了第一台坐标测量机。该测量机为直角坐标测量机,在 x 轴和 y 轴上设置了2个可移动的导轨和读数装置,并在 z 向上放置位移传感器,测量精度为0.001 inch。自此,坐标测量机将测量技术革命性地从传统的比较式测量模式带入空间点坐标测量模式。

第一台激光跟踪仪

1968年,美国Sandia国家实验室研制了激光跟踪仪。激光跟踪仪基于球坐标测量原理进行坐标测量,跟踪镜发出的激光在安置于目标点的反射镜上发生反射,回到跟踪镜,当目标移动时,跟踪镜调整光束方向来对准反射镜;返回光束为检测系统所接收,用来测算目标的空间位置。激光跟踪仪量程为几十米甚至上百米,分辨率为微米或亚微米级。

第一个触发式测头

1972年,David McMurtry发明了触发式测头。其原理是,当测球和被测工件接触时,电开关发出脉冲信号,仪器定位系统锁存测球球心坐标值。触发式测头的出现使测量从依靠人工读数转入了借助工具读数,提高了探测的重复性和精度。

第一台CNC控制的坐标测量机

1973年,德国Zeiss公司推出了第一台计算器数字控制(CNC)的三坐标测量机UMM 500(如右图)。该测量机采用HP9810计算器,并配置了接触式扫描测头,三轴测量精度达到0.5μm。CNC数控系统提高了坐标测量技术的自动化水平,奠定了快速扫描测量的基础,提高了测量效率和精度,并增强了坐标测量机的功能。

第一次提出软件补偿误差技术

1977年,R. Hocken 等在Moore N.5 坐标测量机上实现了误差的软件补偿,并为此获得了国际生产工程科学院的泰勒奖章。1985年天津大学精密仪器与光电子工程学院张国雄教授等对坐标测量机进行了软件误差补偿,将精度从20μm 提高到2μm。此后,各种软件误差补偿技术迅速发展,如热误差补偿、动态误差补偿等,并获得广泛应用。

第一台并联机构坐标测量机

1978年,前苏联Lapik 公司推出了并联机构坐标测量机。该测量机具有结构刚性大、运动速度高、误差不叠加等特点,改善了测量精度和效率。

第一次提出智能坐标测量技术

1984年,Theodore H. Hopp等对智能坐标测量技术进行了初步探索,提出从CAD数据库中提取公差项和测量项目,并利用它们来驱动测量的规划和伺服控制。此后,智能坐标测量技术不断发展。2004 年,笔者提出了“免形状(form-free)”测量模式,并据此研制了复杂形状测量机FormFree300。该测量机的意义在于:一台仪器就是一个“开放”的平台,不依赖于被测对象;能快速实现未知形状的识别;在“免形状”测量模式下,扩展了精密量仪的功能,减少了仪器配置;更彻底地避免了操作人员的干预,有利于提高测量精度并降低了人员的劳动强度。

第一台关节式坐标测量机

1986年,日本小坂研究所的小美浓武久等研制了关节式坐标测量机。关节式坐标测量机由多个关节组成,安装有探测系统的测量臂可由人牵引对零件表面进行测量。安装在关节上的角度传感器获得转动角度,结合臂长可计算出测量点的坐标值。其主要优点为量程大、体积小、质量轻、灵活方便、便于现场测量。

第一个测量软件国际标准

1983年,美国CAM–I公司对坐标测量机编程规范和尺寸测量接口标准(DMIS)发起讨论,最早的DMIS版本于1987年问世。DMIS的目的是为计算器系统和检测设备之间提供一个双向的检测数据标准,利用这些标准可以为检测程序和检测结果建立一个中性格式。DMIS综合了用户和制造商的意见,开创了编制坐标测量行业规范的先河,奠定了坐标测量软件的标准基础。

第一台纳米坐标测量机

1999年,英国国家物理实验室(NPL)基于商用测量机PMM12106研制了一台小量程测量机。该测量机的空间量程为50mm×50mm×50mm,测量不确定度为50nm。纳米三坐标测量机开创了坐标测量精度新纪元,从而为微型制造奠定了坚定的技术基础。

现状:竞争造就精细技术

基本情况

当前,坐标测量技术的发展现状可概括为5大点,分别是:直角(正交)坐标测量机和非直角(非正交)坐标测量机并存;中小型坐标测量技术已趋成熟,生产型、精密型和计量型等多种精度等级的坐标测量机日益满足现代先进制造与科学研究需要;大尺寸坐标测量机发展迅速;微型/纳米级坐标测量机成为研究热点;新材料在测量机中应用普遍。

直角坐标测量机包括移动桥式坐标测量机、固定桥式坐标测量机、移动工作台式坐标测量机、悬臂式坐标测量机等形式。非直角坐标测量机则包括并联机构坐标测量机、关节式坐标测量机、激光跟踪仪、全站仪等。其中,激光跟踪仪、全站仪、经纬仪等已成为移动测量和大尺寸测量的重要工具。

生产型测量机的测量不确定度大于3μm,精密型测量机的测量不确定度大于1μm而小于3μm,测量不确定度小于1μm的测量机为计量型测量机,用于计量器具的检定和量值传递。

大尺寸坐标测量技术则重在保证机械结构的高精度和稳定性。德国Wenzel公司研制了一种双臂测量机。它的左右两边的测量臂分别安装在大花岗岩基座上,左右基座中间安装了一个直径2,200 mm的大型静压回转平台,最大承载质量为45,360kg,工件最大直径可达6,000 mm。20世纪末,美国ArcSecond公司开发了基于全球定位系统(GPS)理念的室内GPS–iGPS,成为一种兼具高精度、高可靠性和高效率的三维坐标测量技术。iGPS 为大尺寸精密测量以及定位提供了全新的思路,将应用于航空航天、飞机制造、汽车工业等领域。

过去十几年,世界范围内的众多科研院校纷纷开展了微型/纳米级坐标测量技术的研究。微型/纳米级坐标测量机的量程多不超过100 mm×100 mm×100 mm,分辨率可达纳米级。其主要特点包括:采用激光标尺,以实现米定义的溯源;采用微测头系统获得高探测精度;采用微晶玻璃等零膨胀系数材料构筑测量机主体测量框架,消除温度的影响;在结构布局上尽可能符合阿贝原则,减小阿贝误差。

刚度高、重量轻、受温度影响小的新材料应用日渐普遍。例如,美国Brown & Sharpe公司的桥式结构测量机多采用铝合金材料,德国Leitz公司的PMM–C型测量机采用陶瓷材料作为z轴,德国Zeiss公司的UPMC系列测量机采用CARAT技术的光栅尺以保证测量精度。

探测技术发展迅速

触发式测头应用普遍。常规的触发式测头,其测球材质为红宝石,接触变形和侧向摩擦小,结构简单,使用方便。但测杆会产生弯曲变形,且存在各向异性、预行程、触发行程分散、复位死区等误差,限制了其测量精度的进一步提高。英国Renishaw公司推出了PH20新型五轴触发式测头,运用独特的“测座碰触”方法进行快速触发测量和五轴无级定位,确保实现最佳工件测量。
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关键字:坐标测量技术  工件测量  测头

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2014/1020/article_9753.html
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