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現(xiàn)代精密量儀現(xiàn)狀及水平
(2005-10-13) 閱讀數(shù)：107 成都工具研究所 謝華錕
1 引言
( r' W! m- o! \% N) c. f當(dāng)今信息技術(shù)已經(jīng)成為推動科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),。如何用先進(jìn)的信息技術(shù)來提升,、改造我國的傳統(tǒng)制造業(yè),，實現(xiàn)生產(chǎn)力跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)調(diào)整,，是裝備制造業(yè)面臨的一項緊迫任務(wù),。著名科學(xué)家錢學(xué)森先生曾指出：“信息技術(shù)包括測量技術(shù),、計算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù),。測量技術(shù)是關(guān)鍵和基礎(chǔ)�,！辈捎眠m度先進(jìn)的信息化數(shù)字測量技術(shù)和產(chǎn)品來迅速提升裝備制造業(yè)水平,，是當(dāng)前一個重要的發(fā)展方向。國內(nèi)外許多著名量儀量具制造廠商在近年來的CIMT展覽會上展示了他們所取得的部分科研成果,，所展現(xiàn)的現(xiàn)代測量技術(shù)發(fā)展趨勢和面向市場與用戶,、服務(wù)于加工制造現(xiàn)場、測量與加工制造過程融合集成的新動向,，值得我們高度重視和密切關(guān)注,。 * V2 g2 C: S- h
2 國內(nèi)外測量儀器和量具展品的發(fā)展趨勢
1 Z# D, r* t4 L2 k q3 y: i& ^2．1數(shù)字化測量技術(shù)
o% `% ~" k( p7 |0 g: R2 o5 y數(shù)字化測量技術(shù)是數(shù)字化制造技術(shù)的一個重要的、不可或缺的組成部分,；數(shù)字化測量儀器,、數(shù)字化量具產(chǎn)品的不斷豐富和發(fā)展，適合并滿足了生產(chǎn)現(xiàn)場不斷提高的使用要求,。
* Y7 B/ N$ f5 \' c3 h, G- b. I* y（1） 多種數(shù)顯量具——防水?dāng)?shù)顯卡尺: 日本三豐,、瑞士TESA及我國深圳UMP等公司開發(fā)的防水?dāng)?shù)顯卡尺達(dá)到防水等級IP65；各種數(shù)顯百分表,、千分表,、數(shù)顯內(nèi)徑表等,，并帶有測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理功能及打印輸出。 5 A! ^- Z2 W0 ~" v f
8 [. E" \9 G! s5 h1 D; K（2） CNC齒輪測量中心——德國Klingelnberg公司,、美國M&,；M及Mahr公司的齒輪測量中心，其儀器的測量不確定度可達(dá)2微米,，可檢測各種齒輪類零件及各種齒輪刀具,；國內(nèi)哈量和精達(dá)開發(fā)的齒輪測量中心，在精度和測量速度方面已經(jīng)接近或達(dá)到國外水平,，但在儀器的精度保持性、穩(wěn)定性,、尤其是在軟件測量功能方面還有待進(jìn)一步提高,。
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（3） CCD數(shù)字式對刀儀——Zoller、Kelch等公司CCD數(shù)字式對刀儀系列產(chǎn)品測量過程全自動化,，具有刀具管理數(shù)據(jù)庫,，能與多臺數(shù)控機(jī)床通訊，自動實現(xiàn)機(jī)床加工位置參數(shù)信息的閉環(huán)反饋,。
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（4） 三坐標(biāo)測量機(jī)——三坐標(biāo)測量機(jī)是數(shù)字化測量儀器的精典產(chǎn)品,。國內(nèi)市場的主要供應(yīng)商有海克斯康青島（原名B&,；S前哨）,、ZEISS、Mahr,、LK,、西安愛德華、303所,、上量等企業(yè),。三坐標(biāo)測量技術(shù)在采用工程陶瓷、磁力封閉新材料,、新結(jié)構(gòu)方面多有進(jìn)展,。多測頭的集成，擴(kuò)大了儀器測量功能,；多功能,、高精度、多坐標(biāo)綜合測量儀,，打破了傳統(tǒng)量儀的格局,；一臺儀器一次裝卡可完成工件多種幾何參數(shù)的檢測，提高了測量精度和效率,。
�,？怂箍登鄭u小型數(shù)控測量機(jī) Mahr多坐標(biāo)多功能綜合測量儀
- `! w$ @7 K. x ~8 w9 q+ Z. L2.2測量技術(shù)與制造系統(tǒng)的集成
0 j! q* Z# K0 U% A% U2 N9 k將現(xiàn)代測量技術(shù)及儀器融合,、集成于先進(jìn)制造系統(tǒng)，從而構(gòu)建成完備的先進(jìn)閉環(huán)制造系統(tǒng),，為“零廢品”制造奠定了基礎(chǔ),。 ( L# Q6 d8 M" t+ W; }* g I( j, U
（1）圓柱齒輪/錐齒輪閉環(huán)制造系統(tǒng)——格里森公司及克林格貝爾公司，采用先進(jìn)的齒輪測量中心及相應(yīng)的齒輪測量軟件,，與CNC齒輪加工機(jī)床相連,，實現(xiàn)了圓柱齒輪、弧錐齒輪的CAD/CAM/CAI的閉環(huán)制造,。
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（2）復(fù)雜數(shù)控刀具閉環(huán)制造系統(tǒng)——Walter公司生產(chǎn)的Helicheck刀具萬能測量儀,，可實現(xiàn)數(shù)控刀具的自動化、非接觸式測量,。通過OTC刀具在線補(bǔ)償系統(tǒng),，與Helitronic數(shù)控刀具磨床實現(xiàn)在線連接；將實測值和設(shè)計值進(jìn)行比較后,，實時修正機(jī)床磨削參數(shù),，確保了復(fù)雜型面數(shù)控刀具的加工質(zhì)量。
; A$ n- w; G9 v6 v) U- g; d, q0 }; p(3) 剃齒刀閉環(huán)制造系統(tǒng)——日本大阪精機(jī)將齒輪測量儀器和剃齒刀磨床通過計算機(jī)聯(lián)系起來,，構(gòu)成一個閉環(huán)的剃齒刀磨齒系統(tǒng)：將初磨后測量的結(jié)果和剃齒刀數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)進(jìn)行比較,，再對磨齒機(jī)加工參數(shù)進(jìn)行修正，從而保證精磨合格,。 3 `3 c8 U5 I* L8 f+ h4 |
2.3在線在機(jī)測量技術(shù) , R# V) `& a3 d9 W4 [
在線在機(jī)測量技術(shù)以及工位量儀,、主動量儀是大批量生產(chǎn)時保證加工質(zhì)量的重要手段。計量型儀器進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)場,、融入生產(chǎn)線,，監(jiān)控生產(chǎn)過程。對儀器的高可靠性,、高效率,、高精度以及質(zhì)量統(tǒng)計功能、故障診斷功能提出了新的要求,，而近年來開發(fā)的各種在線在機(jī)測量儀器滿足了這些要求,。 $ `: ^4 J+ b( P% q
（1）三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)入汽車大型覆蓋件生產(chǎn)線——美國Brown &； Sharp公司的Bravo-NT測量機(jī)可在汽車生產(chǎn)線上對車身尺寸實施在線測量并充分滿足汽車生產(chǎn)線對測量節(jié)拍,、測量精度和測量可靠性的要求,。 * C6 @0 p3 N% V+ U3 i6 ~
(2) 大齒輪/成型齒輪磨齒機(jī)的機(jī)載齒輪測量裝置——德國Kapp公司磨齒機(jī)的機(jī)載齒輪測量裝置是一個典型事例。測量系統(tǒng)和機(jī)床集成一體,，可在工件試磨后馬上進(jìn)行在機(jī)檢測,，測量信息處理后能反饋至機(jī)床，及時修正加工參數(shù)。特別有利于大型,、重型齒輪和大批量齒輪的成形磨削加工,。
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（3）汽車齒輪在線測量分選機(jī)——美國ITW公司展出的齒輪在線自動分選機(jī)（見圖12）。該儀器作為一種改型的齒輪雙面嚙合在線檢測分選機(jī),，具有特殊的二維齒向測量機(jī)構(gòu),，除了測量齒輪徑向綜合偏差、齒厚,、加工毛刺及磕碰缺陷以外,，還能測量雙嚙齒向偏差和雙嚙齒向錐度偏差等齒輪誤差，能滿足對批量生產(chǎn)汽車齒輪100%的在線檢測和自動分選的要求,。
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（4）火車車輪（熱鍛及冷加工）在線檢測系統(tǒng)——合肥工業(yè)大學(xué)為馬鞍山鋼鐵公司開發(fā)的火車車輪（熱鍛及冷加工）在線檢測系統(tǒng)填補(bǔ)了國內(nèi)空白,，滿足了對熱鍛車輪毛坯和精車車輪輪廓形狀和幾何尺寸精度的100%的質(zhì)量監(jiān)測,。
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2.4大尺寸,、復(fù)雜幾何型面輪廓測量技術(shù)及儀器,、反求工程測量技術(shù)及儀器的發(fā)展 1 d2 Q8 H; S1 V8 @8 U. y4 R$ z
（1）可移動,、多關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)，便于現(xiàn)場使用——Poli,、Fardarm公司的多關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)，采用了高精度光柵和內(nèi)置平衡系統(tǒng)，且?guī)в袦囟妊a(bǔ)償,，精度可達(dá)±0.025mm/1.2m球；加拿大EAGLE精密技術(shù)公司的EPT TMS-100彎管測量系統(tǒng),，具有接觸式和紅外非接觸式兩種測頭,，以及與數(shù)控彎管機(jī)全兼容的零件庫和誤差校正信息庫，可與數(shù)控彎管機(jī)集成為一個完整的,、信息融通的閉環(huán)彎管制造系統(tǒng),，特別適用于航空發(fā)動機(jī)制造業(yè)。
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（2）視覺測量技術(shù)和測量系統(tǒng)應(yīng)用廣泛——天津大學(xué)開發(fā)的汽車大型覆蓋件在線測量系統(tǒng),。采用兩臺或多臺高精度經(jīng)緯儀和專用基準(zhǔn)精密靶標(biāo)進(jìn)行測量儀器的現(xiàn)場精度校準(zhǔn),，精度高、速度快,，得到用戶一汽大眾等的好評,。該項目榮獲了國家科技進(jìn)步二等獎。復(fù)雜形面焊接件,、沖壓件模具或工件幾何尺寸的CCD視覺檢查儀器,，近年來在國內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展。
" L/ }$ O! Q; A(3) 激光跟蹤測量儀——API的6維激光測量系統(tǒng),、Leize公司的激光跟蹤測量儀,，帶有紅外激光絕對長度測量（ADM）系統(tǒng)，可用于大尺寸復(fù)雜形面輪廓的測量,。
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2.5激光測量技術(shù)和儀器 0 X, n; d7 x: M8 M- `( _$ X
隨著激光測量技術(shù)的發(fā)展,，納米分辨率激光干涉測量系統(tǒng)在超精測量和超精加工機(jī)床上得到廣泛應(yīng)用,。 % T* m; o' o4 ]9 y- k
(1) 英國Renishaw公司展出的金牌M10激光干涉測量系統(tǒng)，配備了靈敏度和精度更高的溫度,、氣壓,、濕度傳感器和金牌EC10環(huán)境補(bǔ)償裝置，提高了測量精度,，其穩(wěn)頻精度可達(dá)±0.05ppm,線性測量精度±0.7ppm,，分辨率可達(dá)1納米，是激光測量技術(shù)發(fā)展的典型代表,。 % l* V3 q3 i% H- R( I) G' P7 `
(2) 德國SIOS的小型激光干涉儀系列產(chǎn)品,，有微型平面干涉儀、激光干涉測頭等,，可以和用戶多種測量系統(tǒng)結(jié)合,，據(jù)稱特別適用于完成各種小尺寸范圍的納米測量任務(wù)。 : Q# T6 g; \* [+ ~0 a' W, x W1 R
(3) 光動（OPTODYNE）公司開發(fā)的激光向量測量技術(shù),，是一種采用對角線方向測量數(shù)控機(jī)床空間位置精度的新方法,，能提高在機(jī)檢測數(shù)控機(jī)床的精度和檢測速度（見圖16）。API的六維激光測量系統(tǒng),，一次安裝調(diào)試后,，可同時測量數(shù)控機(jī)床的6項精度，為生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)控機(jī)床的檢測提供了另一種快速準(zhǔn)確的檢測與診斷手段,。
) p" q8 F% E3 P5 C' A$ {2.6微,、納米級高精度傳感器
5 Z8 Q: @! {# c8 p$ x( X傳感器向小型化、微,、納米級精度發(fā)展,，生產(chǎn)現(xiàn)場適應(yīng)性更強(qiáng)，精度更高,。 4 p/ \ k3 n! _* X5 U) r3 o
(1) 北京標(biāo)普及HEIDENHAIN的納米光柵技術(shù)和納米光柵數(shù)字式位移傳感器系列產(chǎn)品,，將光柵傳感器的精度和分辨率提高了一個等級。標(biāo)普的光柵納米傳感技術(shù),，解決了納米光柵的工作原理,、納米光柵的制造技術(shù)、納米光柵信號的讀取技術(shù)和信號細(xì)分技術(shù)以及納米機(jī)械的制造等四大難題,，取得了自主知識產(chǎn)權(quán),，并已經(jīng)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，其測量系統(tǒng)的精度在100毫米上小于±20納米,。產(chǎn)品除在國內(nèi)市場銷售外,，還遠(yuǎn)銷國外。北京珍寶智能機(jī)器技術(shù)公司的智能化電感頻變式比較儀的示值變動性不大于0.003微米，示值誤差不大于±（0.003+0.005A）微米（式中A為示值）,，已為國內(nèi)多家塊規(guī)制造廠所采用,。 & p K1 z9 V8 Y7 D
(2) 三坐標(biāo)機(jī)測頭向高精度、小型化的發(fā)展：RENISHAW的SP80超高精度數(shù)字式掃描測頭,，分辨率為0.02微米,；ZEISS的VAST三維6向掃描測頭系統(tǒng)，采用平行簧片機(jī)構(gòu),，分辨率為0.05微米,，掃描范圍達(dá)2毫米。Werth的光纖測頭,，半徑僅為12.5微米,，號稱世界最小，適用于超細(xì),、超精密工件的測量,。
" J2 \$ c$ V4 a2.7測量軟件功能的增強(qiáng)和擴(kuò)展
6 M5 y* H8 s- g1 e0 Q$ l(1) 測量軟件已從“被動”的測量數(shù)據(jù)處理和單個產(chǎn)品質(zhì)量評定，發(fā)展為“主動”的生產(chǎn)過程加工質(zhì)量的監(jiān)控和故障診斷,，SPC得到普遍應(yīng)用,；測量儀器精度補(bǔ)償軟件和加工機(jī)床參數(shù)反饋調(diào)整軟件的開發(fā)，為實現(xiàn)“零廢品”制造提供了技術(shù)支撐,； 7 r+ d7 J" x, \7 {5 g3 `1 P- t
(2) 相同或不同類型多傳感器海量測量數(shù)據(jù)的集成融合技術(shù),，大大提高了反求工程的制造質(zhì)量并縮短了開發(fā)周期：華中科技大學(xué)的復(fù)雜形狀零件的測量、集成建模和面向制造的設(shè)計軟件的開發(fā)成功大大擴(kuò)展了軟件的功能,；
, `0 n: I$ a( E2 I(3) 對虛擬測量技術(shù)和虛擬儀器（虛擬量儀）的研究不斷深入，NI產(chǎn)品不斷更新：如重慶大學(xué)開發(fā)的傻瓜型虛擬儀器適合中國國情,，推出的網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器前景誘人,。 # u0 U/ B2 [% q y9 e0 Q% f& ?, u
3分析與結(jié)語 $ Y& e1 t+ R: A, Q' f. i
王大珩院士指出要十分重視儀器儀表行業(yè)的發(fā)展，這為我國精密量儀制造業(yè)的發(fā)展指明了方向,。分析歷屆CIMT展會上展出的國內(nèi)外量具量儀產(chǎn)品與技術(shù),，可以看出：盡管我們已經(jīng)取得了令人鼓舞的成績，但目前我國在機(jī)械量測量技術(shù)和儀器方面的自主開發(fā)能力還不強(qiáng),，制造技術(shù)也相對落后,，如不盡快改善，將難以適應(yīng)加入WTO后所面臨的市場競爭,。近年來國外著名量儀制造企業(yè)紛紛尋求在國內(nèi)獨資辦廠,，更形成了在國內(nèi)市場上面對面的國際競爭，低技術(shù)含量,、低價格微利的產(chǎn)品難以應(yīng)對市場沖擊,，國內(nèi)量具量儀制造企業(yè)面臨著前所未有的巨大挑戰(zhàn)。 4 T0 {" ^# k( l9 ` T7 q
縱觀近幾屆CIMT，國內(nèi)量具量儀產(chǎn)品與國外的差距主要表現(xiàn)在以下幾方面：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)老化,，品種和規(guī)格多年來變化甚少,，產(chǎn)品性能及可靠性提高不明顯，高新技術(shù)及其相應(yīng)產(chǎn)品開發(fā)速度緩慢,。尤其突出的是缺乏自主創(chuàng)新的技術(shù)和特色產(chǎn)品,。由于量儀開發(fā)與生產(chǎn)的技術(shù)難度大，投資多而見效慢,，前幾年有的專業(yè)量儀生產(chǎn)廠因效益驅(qū)動,，迫于市場壓力被迫轉(zhuǎn)產(chǎn)；近兩年,，由于我國汽車制造業(yè)的快速發(fā)展,，帶動了我國量儀制造業(yè)的復(fù)蘇，市場情況明顯好轉(zhuǎn),，一些產(chǎn)品甚至出現(xiàn)了供不應(yīng)求的局面,。在此大好形勢下，行業(yè)企業(yè)紛紛抓緊機(jī)遇,，生產(chǎn)和技術(shù)開發(fā),，取得了一些可喜成績。如哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司今年成功開發(fā)出測量范圍達(dá)2米的CNC3920大型齒輪測量儀（見圖20）,，可以滿足我國重型機(jī)械,、船舶、軍工等行業(yè)對高精度大型齒輪的測量要求,，填補(bǔ)了國內(nèi)空白,。西安愛德華作為我國精密量儀制造行業(yè)中快速崛起的新秀，其三坐標(biāo)測量機(jī)系列產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)已經(jīng)在國內(nèi)市場躍居第二,，僅次于B&,；S前哨。近年該公司還開發(fā)了激光干涉測量儀和圓度儀,，不斷向精密測量儀器的高新領(lǐng)域發(fā)展,。由于企業(yè)本身擁有強(qiáng)大的自主開發(fā)能力和自主知識產(chǎn)權(quán)，因此具有強(qiáng)勁的生命力和良好的發(fā)展空間,。
哈量近期開發(fā)的2米齒輪測量儀
3 B9 w ^7 W. }$ M7 O/ B# T# e但是總體來說,，我國精密測量技術(shù)和儀器的現(xiàn)狀仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國內(nèi)機(jī)械裝備制造業(yè)迅速發(fā)展的需求，尤其是在先進(jìn)測量技術(shù)和儀器的基礎(chǔ)理論研究,、共性關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)方面與國外的差距越來越大,。反思起來，過去把機(jī)械行業(yè)專業(yè)研究所一刀切,，統(tǒng)統(tǒng)轉(zhuǎn)為企業(yè)是否是明智之舉,？技術(shù)開發(fā)投入減少,、技術(shù)骨干人員流失，對精密測量儀器制造業(yè)的發(fā)展已經(jīng)造成不良影響,。建議國家相關(guān)部門應(yīng)該盡快采取措施,，通過政策傾斜，加大對“國家精密工具工程技術(shù)開發(fā)中心”的投入,，有選擇性的,、適當(dāng)恢復(fù)或組建為數(shù)有限的一些非盈利的、國家資助的專業(yè)研究所,，重點研究有關(guān)國民經(jīng)濟(jì),、國防軍工發(fā)展的高新技術(shù)，引導(dǎo)和推動行業(yè)技術(shù)水平的提高,。筆者希望在以“數(shù)字化制造技術(shù)與裝備的新發(fā)展”為主題的第九屆中國國際機(jī)床展覽會上看到更多具有自主知識產(chǎn)權(quán)的具有國際水平的國產(chǎn)量具量儀展品,，為杷我國從“制造大國”建成“制造強(qiáng)國”，讓我們?nèi)袠I(yè)共同努力,�,！奥仿湫捱h(yuǎn)兮，吾將上下而求索”,，僅以此與中國量具量儀行業(yè)同仁共勉,！
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發(fā)表于 2006-7-5 13:16:26
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發(fā)表于 2006-7-18 13:31:21
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