現代精密量儀現狀和發展趨勢
2014-11-15
1 引言
當今信息技術已經成為推動科學技術和國民經濟高速發展的關鍵技術。如何用先進的信息技術來提升、改造我國的傳統制造業，實現生產力跨越式發展的戰略結構調整，是裝備制造業面臨的一項緊迫任務。著名科學家錢學森先生曾指出：“信息技術包括測量技術、計算機技術和通訊技術。測量技術是關鍵和基礎。”采用適度先進的信息化數字測量技術和產品來迅速提升裝備制造業水平，是當前一個重要的發展方向。國內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，所展現的現代測量技術發展趨勢和面向市場與用戶、服務于加工制造現場、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注。
2 國內外測量儀器和量具展品的發展趨勢
2．1數字化測量技術
數字化測量技術是數字化制造技術的一個重要的、不可或缺的組成部分；數字化測量儀器、數字化量具產品的不斷豐富和發展，適合并滿足了生產現場不斷提高的使用要求。
（1） 多種數顯量具——防水數顯卡尺:
日本三豐、瑞士TESA及我國深圳UMP等公司開發的防水數顯卡尺達到防水等級IP65；各種數顯百分表、千分表、數顯內徑表等，并帶有測量數據統計處理功能及打印輸出。
（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2微米，可檢測各種齒輪類零件及各種齒輪刀具；國內哈量和精達開發的齒輪測量中心，在精度和測量速度方面已經接近或達到國外水平，但在儀器的精度保持性、穩定性、尤其是在軟件測量功能方面還有待進一步提高。
（3）CCD數字式對刀儀——Zoller、Kelch等公司CCD數字式對刀儀系列產品測量過程全自動化，具有刀具管理數據庫，能與多臺數控機床通訊，自動實現機床加工位置參數信息的閉環反饋。 （4）三坐標測量機——三坐標測量機是數字化測量儀器的精典產品。國內市場的主要供應商有海克斯康青島（原名B&；S前哨）、ZEISS、Mahr、LK、西安愛德華、303所、上量等企業。三坐標測量技術在采用工程陶瓷、磁力封閉新材料、新結構方面多有進展。多測頭的集成，擴大了儀器測量功能；多功能、高精度、多坐標綜合測量儀，打破了傳統量儀的格局；一臺儀器一次裝卡可完成工件多種幾何參數的檢測，提高了測量精度和效率。海克斯康青島小型數控測量機
Mahr多坐標多功能綜合測量儀
2.2測量技術與制造系統的集成 將現代測量技術及儀器融合、集成于先進制造系統，從而構建成完備的先進閉環制造系統，為“零廢品”制造奠定了基礎。
1）圓柱齒輪/錐齒輪閉環制造系統——格里森公司及克林格貝爾公司，采用先進的齒輪測量中心及相應的齒輪測量軟件，與CNC齒輪加工機床相連，實現了圓柱齒輪、弧錐齒輪的CAD/CAM/CAI的閉環制造。
（2）復雜數控刀具閉環制造系統——Walter公司生產的Helicheck刀具萬能測量儀，可實現數控刀具的自動化、非接觸式測量。通過OTC刀具在線補償系統，與Helitronic數控刀具磨床實現在線連接；將實測值和設計值進行比較后，實時修正機床磨削參數，確保了復雜型面數控刀具的加工質量。 3) 剃齒刀閉環制造系統——日本大阪精機將齒輪測量儀器和剃齒刀磨床通過計算機聯系起來，構成一個閉環的剃齒刀磨齒系統：將初磨后測量的結果和剃齒刀數據庫中的參數進行比較，再對磨齒機加工參數進行修正，從而保證精磨合格。
2.3在線在機測量技術
在線在機測量技術以及工位量儀、主動量儀是大批量生產時保證加工質量的重要手段。計量型儀器進入生產現場、融入生產線，監控生產過程。對儀器的高可靠性、高效率、高精度以及質量統計功能、故障診斷功能提出了新的要求，而近年來開發的各種在線在機測量儀器滿足了這些要求。 （1）三坐標測量機進入汽車大型覆蓋件生產線——美國Brown Sharp公司的Bravo-NT測量機可在汽車生產線上對車身尺寸實施在線測量并充分滿足汽車生產線對測量節拍、測量精度和測量可靠性的要求。
（2）大齒輪/成型齒輪磨齒機的機載齒輪測量裝置——德國Kapp公司磨齒機的機載齒輪測量裝置是一個典型事例。測量系統和機床集成一體，可在工件試磨后馬上進行在機檢測，測量信息處理后能反饋至機床，及時修正加工參數。特別有利于大型、重型齒輪和大批量齒輪的成形磨削加工。
（3）汽車齒輪在線測量分選機——美國ITW公司展出的齒輪在線自動分選機。該儀器作為一種改型的齒輪雙面嚙合在線檢測分選機，具有特殊的二維齒向測量機構，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，能滿足對批量生產汽車齒輪100%的在線檢測和自動分選的要求。
（4）火車車輪（熱鍛及冷加工）在線檢測系統——合肥工業大學為馬鞍山鋼鐵公司開發的火車車輪（熱鍛及冷加工）在線檢測系統填補了國內空白，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%的質量監測。
2.4大尺寸、復雜幾何型面輪廓測量技術及儀器、反求工程測量技術及儀器的發展
（1）可移動、多關節式坐標測量機，便于現場使用——Poli、Fardarm公司的多關節式坐標測量機，采用了高精度光柵和內置平衡系統，且帶有溫度補償，精度可達±0.025mm/1.2m球；加拿大EAGLE精密技術公司的EPT
TMS-100彎管測量系統，具有接觸式和紅外非接觸式兩種測頭，以及與數控彎管機全兼容的零件庫和誤差校正信息庫，可與數控彎管機集成為一個完整的、信息融通的閉環彎管制造系統，特別適用于航空發動機制造業（2）視覺測量技術和測量系統應用廣泛——天津大學開發的汽車大型覆蓋件在線測量系統。采用兩臺或多臺高精度經緯儀和專用基準精密靶標進行測量儀器的現場精度校準，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步二等獎。復雜形面焊接件、沖壓件模具或工件幾何尺寸的CCD視覺檢查儀器，近年來在國內外得到了迅速的發展。（3）激光跟蹤測量儀——API的6維激光測量系統、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，可用于大尺寸復雜形面輪廓的測量。2.5激光測量技術和儀器 隨著激光測量技術的發展，納米分辨率激光干涉測量系統在超精測量和超精加工機床上得到廣泛應用。
(1) 英國Renishaw公司展出的金牌M10激光干涉測量系統，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環境補償裝置，提高了測量精度，其穩頻精度可達±0.05ppm,線性測量精度±0.7ppm，分辨率可達1納米，是激光測量技術發展的典型代表。
(2) 德國SIOS的小型激光干涉儀系列產品，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結合，據稱特別適用于完成各種小尺寸范圍的納米測量任務
(3) 光動（OPTODYNE）公司開發的激光向量測量技術，是一種采用對角線方向測量數控機床空間位置精度的新方法，能提高在機檢測數控機床的精度和檢測速度。API的六維激光測量系統，一次安裝調試后，可同時測量數控機床的6項精度，為生產現場數控機床的檢測提供了另一種快速準確的檢測與診斷手段。2.6微、納米級高精度傳感器
傳感器向小型化、微、納米級精度發展，生產現場適應性更強，精度更高。(1) 北京標普及HEIDENHAIN的納米光柵技術和納米光柵數字式位移傳感器系列產品，將光柵傳感器的精度和分辨率提高了一個等級。標普的光柵納米傳感技術，解決了納米光柵的工作原理、納米光柵的制造技術、納米光柵信號的讀取技術和信號細分技術以及納米機械的制造等四大難題，取得了自主知識產權，并已經轉化為生產力，其測量系統的精度在100毫米上小于±20納米。產品除在國內市場銷售外，還遠銷國外。北京珍寶智能機器技術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），已為國內多家塊規制造廠所采用。
(2) 三坐標機測頭向高精度、小型化的發展：RENISHAW的SP80超高精度數字式掃描測頭，分辨率為0.02微米；ZEISS的VAST三維6向掃描測頭系統，采用平行簧片機構，分辨率為0.05微米，掃描范圍達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、超精密工件的測量。2.7測量軟件功能的增強和擴展 (1) 測量軟件已從“被動”的測量數據處理和單個產品質量評定，發展為“主動”的生產過程加工質量的監控和故障診斷，SPC得到普遍應用；測量儀器精度補償軟件和加工機床參數反饋調整軟件的開發，為實現“零廢品”制造提供了技術支撐；
(2) 相同或不同類型多傳感器海量測量數據的集成融合技術，大大提高了反求工程的制造質量并縮短了開發周期：華中科技大學的復雜形狀零件的測量、集成建模和面向制造的設計軟件的開發成功大大擴展了軟件的功能；
(3) 對虛擬測量技術和虛擬儀器（虛擬量儀）的研究不斷深入，NI產品不斷更新：如重慶大學開發的傻瓜型虛擬儀器適合中國國情，推出的網絡化虛擬儀器前景誘人。
3分析與結語
王大珩院士指出要十分重視儀器儀表行業的發展，這為我國精密量儀制造業的發展指明了方向。分析歷屆CIMT展會上展出的國內外量具量儀產品與技術，可以看出：盡管我們已經取得了令人鼓舞的成績，但目前我國在機械量測量技術和儀器方面的自主開發能力還不強，制造技術也相對落后，如不盡快改善，將難以適應加入WTO后所面臨的市場競爭。近年來國外著名量儀制造企業紛紛尋求在國內獨資辦廠，更形成了在國內市場上面對面的國際競爭，低技術含量、低價格微利的產品難以應對市場沖擊，國內量具量儀制造企業面臨著前所未有的巨大挑戰。
縱觀近幾屆CIMT，國內量具量儀產品與國外的差距主要表現在以下幾方面：產品結構老化，品種和規格多年來變化甚少，產品性能及可靠性提高不明顯，高新技術及其相應產品開發速度緩慢。尤其突出的是缺乏自主創新的技術和特色產品。由于量儀開發與生產的技術難度大，投資多而見效慢，前幾年有的專業量儀生產廠因效益驅動，迫于市場壓力被迫轉產；近兩年，由于我國汽車制造業的快速發展，帶動了我國量儀制造業的復蘇，市場情況明顯好轉，一些產品甚至出現了供不應求的局面。在此大好形勢下，行業企業紛紛抓緊機遇，生產和技術開發，取得了一些可喜成績。如哈爾濱量具刃具集團有限責任公司今年成功開發出測量范圍達2米的CNC3920大型齒輪測量儀（見圖20），可以滿足我國重型機械、船舶、軍工等行業對高精度大型齒輪的測量要求，填補了國內空白。西安愛德華作為我國精密量儀制造行業中快速崛起的新秀，其三坐標測量機系列產品的開發和生產已經在國內市場躍居第二，僅次于B&；S前哨。近年該公司還開發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域發展。由于企業本身擁有強大的自主開發能力和自主知識產權，因此具有強勁的生命力和良好的發展空間。
哈量近期開發的2米齒輪測量儀
但是總體來說，我國精密測量技術和儀器的現狀仍然遠遠不能滿足國內機械裝制造業迅速發展的需求，尤其是在先進測量技術和儀器的基礎理論研究、共性關鍵技術的開發方面與國外的差距越來越大。反思起來，過去把機械行業專業研究所一刀切，統統轉為企業是否是明智之舉？技術開發投入減少、技術骨干人員流失，對精密測量儀器制造業的發展已經造成不良影響。建議國家相關部門應該盡快采取措施，通過政策傾斜，加大對“國家精密工具工程技術開發中心”的投入，有選擇性的、適當恢復或組建為數有限的一些非盈利的、國家資助的專業研究所，重點研究有關國民經濟、國防軍工發展的高新技術，引導和推動行業技術水平的提高。
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