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現(xiàn)代精密量?jī)x現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
2014-11-15
1 引言
當(dāng)今信息技術(shù)已經(jīng)成為推動(dòng)科學(xué)技術(shù)和國(guó)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(lái)提升、改造我國(guó)的傳統(tǒng)制造業(yè)，實(shí)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(xiàng)緊迫任務(wù)。著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森先生曾指出：“信息技術(shù)包括測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)。測(cè)量技術(shù)是關(guān)鍵和基礎(chǔ)。”采用適度先進(jìn)的信息化數(shù)字測(cè)量技術(shù)和產(chǎn)品來(lái)迅速提升裝備制造業(yè)水平，是當(dāng)前一個(gè)重要的發(fā)展方向。國(guó)內(nèi)外許多著名量?jī)x量具制造廠商在近年來(lái)的CIMT展覽會(huì)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(cè)量技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和面向市場(chǎng)與用戶(hù)、服務(wù)于加工制造現(xiàn)場(chǎng)、測(cè)量與加工制造過(guò)程融合集成的新動(dòng)向，值得我們高度重視和密切關(guān)注。
2 國(guó)內(nèi)外測(cè)量?jī)x器和量具展品的發(fā)展趨勢(shì)
2．1數(shù)字化測(cè)量技術(shù)
數(shù)字化測(cè)量技術(shù)是數(shù)字化制造技術(shù)的一個(gè)重要的、不可或缺的組成部分；數(shù)字化測(cè)量?jī)x器、數(shù)字化量具產(chǎn)品的不斷豐富和發(fā)展，適合并滿(mǎn)足了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不斷提高的使用要求。
（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(guó)深圳UMP等公司開(kāi)發(fā)的防水?dāng)?shù)顯卡尺達(dá)到防水等級(jí)IP65；各種數(shù)顯百分表、千分表、數(shù)顯內(nèi)徑表等，并帶有測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理功能及打印輸出。
（2）CNC齒輪測(cè)量中心——德國(guó)Klingelnberg公司、美國(guó)M&；M及Mahr公司的齒輪測(cè)量中心，其儀器的測(cè)量不確定度可達(dá)2微米，可檢測(cè)各種齒輪類(lèi)零件及各種齒輪刀具；國(guó)內(nèi)哈量和精達(dá)開(kāi)發(fā)的齒輪測(cè)量中心，在精度和測(cè)量速度方面已經(jīng)接近或達(dá)到國(guó)外水平，但在儀器的精度保持性、穩(wěn)定性、尤其是在軟件測(cè)量功能方面還有待進(jìn)一步提高。
（3）CCD數(shù)字式對(duì)刀儀——Zoller、Kelch等公司CCD數(shù)字式對(duì)刀儀系列產(chǎn)品測(cè)量過(guò)程全自動(dòng)化，具有刀具管理數(shù)據(jù)庫(kù)，能與多臺(tái)數(shù)控機(jī)床通訊，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工位置參數(shù)信息的閉環(huán)反饋?！。?）三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)——三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是數(shù)字化測(cè)量?jī)x器的精典產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的主要供應(yīng)商有?？怂箍登鄭u（原名B&；S前哨）、ZEISS、Mahr、LK、西安愛(ài)德華、303所、上量等企業(yè)。三坐標(biāo)測(cè)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(cè)頭的集成，擴(kuò)大了儀器測(cè)量功能；多功能、高精度、多坐標(biāo)綜合測(cè)量?jī)x，打破了傳統(tǒng)量?jī)x的格局；一臺(tái)儀器一次裝卡可完成工件多種幾何參數(shù)的檢測(cè)，提高了測(cè)量精度和效率。?？怂箍登鄭u小型數(shù)控測(cè)量機(jī)
Mahr多坐標(biāo)多功能綜合測(cè)量?jī)x
2.2測(cè)量技術(shù)與制造系統(tǒng)的集成 將現(xiàn)代測(cè)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)。
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(cè)量中心及相應(yīng)的齒輪測(cè)量軟件，與CNC齒輪加工機(jī)床相連，實(shí)現(xiàn)了圓柱齒輪、弧錐齒輪的CAD/CAM/CAI的閉環(huán)制造。
（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(wàn)能測(cè)量?jī)x，可實(shí)現(xiàn)數(shù)控刀具的自動(dòng)化、非接觸式測(cè)量。通過(guò)OTC刀具在線(xiàn)補(bǔ)償系統(tǒng)，與Helitronic數(shù)控刀具磨床實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)連接；將實(shí)測(cè)值和設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較后，實(shí)時(shí)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。 3) 剃齒刀閉環(huán)制造系統(tǒng)——日本大阪精機(jī)將齒輪測(cè)量?jī)x器和剃齒刀磨床通過(guò)計(jì)算機(jī)聯(lián)系起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的剃齒刀磨齒系統(tǒng)：將初磨后測(cè)量的結(jié)果和剃齒刀數(shù)據(jù)庫(kù)中的參數(shù)進(jìn)行比較，再對(duì)磨齒機(jī)加工參數(shù)進(jìn)行修正，從而保證精磨合格。
2.3在線(xiàn)在機(jī)測(cè)量技術(shù)
在線(xiàn)在機(jī)測(cè)量技術(shù)以及工位量?jī)x、主動(dòng)量?jī)x是大批量生產(chǎn)時(shí)保證加工質(zhì)量的重要手段。計(jì)量型儀器進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、融入生產(chǎn)線(xiàn)，監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程。對(duì)儀器的高可靠性、高效率、高精度以及質(zhì)量統(tǒng)計(jì)功能、故障診斷功能提出了新的要求，而近年來(lái)開(kāi)發(fā)的各種在線(xiàn)在機(jī)測(cè)量?jī)x器滿(mǎn)足了這些要求。 （1）三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)入汽車(chē)大型覆蓋件生產(chǎn)線(xiàn)——美國(guó)Brown Sharp公司的Bravo-NT測(cè)量機(jī)可在汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)上對(duì)車(chē)身尺寸實(shí)施在線(xiàn)測(cè)量并充分滿(mǎn)足汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)對(duì)測(cè)量節(jié)拍、測(cè)量精度和測(cè)量可靠性的要求。
（2）大齒輪/成型齒輪磨齒機(jī)的機(jī)載齒輪測(cè)量裝置——德國(guó)Kapp公司磨齒機(jī)的機(jī)載齒輪測(cè)量裝置是一個(gè)典型事例。測(cè)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(cè)，測(cè)量信息處理后能反饋至機(jī)床，及時(shí)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。
（3）汽車(chē)齒輪在線(xiàn)測(cè)量分選機(jī)——美國(guó)ITW公司展出的齒輪在線(xiàn)自動(dòng)分選機(jī)。該儀器作為一種改型的齒輪雙面嚙合在線(xiàn)檢測(cè)分選機(jī)，具有特殊的二維齒向測(cè)量機(jī)構(gòu)，除了測(cè)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(cè)量雙嚙齒向偏差和雙嚙齒向錐度偏差等齒輪誤差，能滿(mǎn)足對(duì)批量生產(chǎn)汽車(chē)齒輪100%的在線(xiàn)檢測(cè)和自動(dòng)分選的要求。
（4）火車(chē)車(chē)輪（熱鍛及冷加工）在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)——合肥工業(yè)大學(xué)為馬鞍山鋼鐵公司開(kāi)發(fā)的火車(chē)車(chē)輪（熱鍛及冷加工）在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，滿(mǎn)足了對(duì)熱鍛車(chē)輪毛坯和精車(chē)車(chē)輪輪廓形狀和幾何尺寸精度的100%的質(zhì)量監(jiān)測(cè)。
2.4大尺寸、復(fù)雜幾何型面輪廓測(cè)量技術(shù)及儀器、反求工程測(cè)量技術(shù)及儀器的發(fā)展
（1）可移動(dòng)、多關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，便于現(xiàn)場(chǎng)使用——Poli、Fardarm公司的多關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，具有接觸式和紅外非接觸式兩種測(cè)頭，以及與數(shù)控彎管機(jī)全兼容的零件庫(kù)和誤差校正信息庫(kù)，可與數(shù)控彎管機(jī)集成為一個(gè)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(dòng)機(jī)制造業(yè)（2）視覺(jué)測(cè)量技術(shù)和測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用廣泛——天津大學(xué)開(kāi)發(fā)的汽車(chē)大型覆蓋件在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)。采用兩臺(tái)或多臺(tái)高精度經(jīng)緯儀和專(zhuān)用基準(zhǔn)精密靶標(biāo)進(jìn)行測(cè)量?jī)x器的現(xiàn)場(chǎng)精度校準(zhǔn)，精度高、速度快，得到用戶(hù)一汽大眾等的好評(píng)。該項(xiàng)目榮獲了國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。復(fù)雜形面焊接件、沖壓件模具或工件幾何尺寸的CCD視覺(jué)檢查儀器，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展。（3）激光跟蹤測(cè)量?jī)x——API的6維激光測(cè)量系統(tǒng)、Leize公司的激光跟蹤測(cè)量?jī)x，帶有紅外激光絕對(duì)長(zhǎng)度測(cè)量（ADM）系統(tǒng)，可用于大尺寸復(fù)雜形面輪廓的測(cè)量。2.5激光測(cè)量技術(shù)和儀器 隨著激光測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，納米分辨率激光干涉測(cè)量系統(tǒng)在超精測(cè)量和超精加工機(jī)床上得到廣泛應(yīng)用。
(1) 英國(guó)Renishaw公司展出的金牌M10激光干涉測(cè)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(cè)量精度，其穩(wěn)頻精度可達(dá)±0.05ppm,線(xiàn)性測(cè)量精度±0.7ppm，分辨率可達(dá)1納米，是激光測(cè)量技術(shù)發(fā)展的典型代表。
(2) 德國(guó)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(cè)頭等，可以和用戶(hù)多種測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合，據(jù)稱(chēng)特別適用于完成各種小尺寸范圍的納米測(cè)量任務(wù)
(3) 光動(dòng)（OPTODYNE）公司開(kāi)發(fā)的激光向量測(cè)量技術(shù)，是一種采用對(duì)角線(xiàn)方向測(cè)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(cè)數(shù)控機(jī)床的精度和檢測(cè)速度。API的六維激光測(cè)量系統(tǒng)，一次安裝調(diào)試后，可同時(shí)測(cè)量數(shù)控機(jī)床的6項(xiàng)精度，為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)提供了另一種快速準(zhǔn)確的檢測(cè)與診斷手段。2.6微、納米級(jí)高精度傳感器
傳感器向小型化、微、納米級(jí)精度發(fā)展，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性更強(qiáng)，精度更高。(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(gè)等級(jí)。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(hào)的讀取技術(shù)和信號(hào)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(shí)產(chǎn)權(quán)，并已經(jīng)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，其測(cè)量系統(tǒng)的精度在100毫米上小于±20納米。產(chǎn)品除在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷(xiāo)售外，還遠(yuǎn)銷(xiāo)國(guó)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(dòng)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(guó)內(nèi)多家塊規(guī)制造廠所采用。
(2) 三坐標(biāo)機(jī)測(cè)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(cè)頭，分辨率為0.02微米；ZEISS的VAST三維6向掃描測(cè)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(cè)頭，半徑僅為12.5微米，號(hào)稱(chēng)世界最小，適用于超細(xì)、超精密工件的測(cè)量。2.7測(cè)量軟件功能的增強(qiáng)和擴(kuò)展 (1) 測(cè)量軟件已從“被動(dòng)”的測(cè)量數(shù)據(jù)處理和單個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定，發(fā)展為“主動(dòng)”的生產(chǎn)過(guò)程加工質(zhì)量的監(jiān)控和故障診斷，SPC得到普遍應(yīng)用；測(cè)量?jī)x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(kāi)發(fā)，為實(shí)現(xiàn)“零廢品”制造提供了技術(shù)支撐；
(2) 相同或不同類(lèi)型多傳感器海量測(cè)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(kāi)發(fā)周期：華中科技大學(xué)的復(fù)雜形狀零件的測(cè)量、集成建模和面向制造的設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)成功大大擴(kuò)展了軟件的功能；
(3) 對(duì)虛擬測(cè)量技術(shù)和虛擬儀器（虛擬量?jī)x）的研究不斷深入，NI產(chǎn)品不斷更新：如重慶大學(xué)開(kāi)發(fā)的傻瓜型虛擬儀器適合中國(guó)國(guó)情，推出的網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器前景誘人。
3分析與結(jié)語(yǔ)
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(guó)精密量?jī)x制造業(yè)的發(fā)展指明了方向。分析歷屆CIMT展會(huì)上展出的國(guó)內(nèi)外量具量?jī)x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(jī)，但目前我國(guó)在機(jī)械量測(cè)量技術(shù)和儀器方面的自主開(kāi)發(fā)能力還不強(qiáng)，制造技術(shù)也相對(duì)落后，如不盡快改善，將難以適應(yīng)加入WTO后所面臨的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。近年來(lái)國(guó)外著名量?jī)x制造企業(yè)紛紛尋求在國(guó)內(nèi)獨(dú)資辦廠，更形成了在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上面對(duì)面的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，低技術(shù)含量、低價(jià)格微利的產(chǎn)品難以應(yīng)對(duì)市場(chǎng)沖擊，國(guó)內(nèi)量具量?jī)x制造企業(yè)面臨著前所未有的巨大挑戰(zhàn)。
縱觀近幾屆CIMT，國(guó)內(nèi)量具量?jī)x產(chǎn)品與國(guó)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(lái)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(kāi)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?jī)x開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)的技術(shù)難度大，投資多而見(jiàn)效慢，前幾年有的專(zhuān)業(yè)量?jī)x生產(chǎn)廠因效益驅(qū)動(dòng)，迫于市場(chǎng)壓力被迫轉(zhuǎn)產(chǎn)；近兩年，由于我國(guó)汽車(chē)制造業(yè)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了我國(guó)量?jī)x制造業(yè)的復(fù)蘇，市場(chǎng)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(shì)下，行業(yè)企業(yè)紛紛抓緊機(jī)遇，生產(chǎn)和技術(shù)開(kāi)發(fā)，取得了一些可喜成績(jī)。如哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司今年成功開(kāi)發(fā)出測(cè)量范圍達(dá)2米的CNC3920大型齒輪測(cè)量?jī)x（見(jiàn)圖20），可以滿(mǎn)足我國(guó)重型機(jī)械、船舶、軍工等行業(yè)對(duì)高精度大型齒輪的測(cè)量要求，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。西安愛(ài)德華作為我國(guó)精密量?jī)x制造行業(yè)中快速崛起的新秀，其三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)系列產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)躍居第二，僅次于B&；S前哨。近年該公司還開(kāi)發(fā)了激光干涉測(cè)量?jī)x和圓度儀，不斷向精密測(cè)量?jī)x器的高新領(lǐng)域發(fā)展。由于企業(yè)本身?yè)碛袕?qiáng)大的自主開(kāi)發(fā)能力和自主知識(shí)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(kāi)發(fā)的2米齒輪測(cè)量?jī)x
但是總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)精密測(cè)量技術(shù)和儀器的現(xiàn)狀仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)機(jī)械裝制造業(yè)迅速發(fā)展的需求，尤其是在先進(jìn)測(cè)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(kāi)發(fā)方面與國(guó)外的差距越來(lái)越大。反思起來(lái)，過(guò)去把機(jī)械行業(yè)專(zhuān)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(kāi)發(fā)投入減少、技術(shù)骨干人員流失，對(duì)精密測(cè)量?jī)x器制造業(yè)的發(fā)展已經(jīng)造成不良影響。建議國(guó)家相關(guān)部門(mén)應(yīng)該盡快采取措施，通過(guò)政策傾斜，加大對(duì)“國(guó)家精密工具工程技術(shù)開(kāi)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(guó)家資助的專(zhuān)業(yè)研究所，重點(diǎn)研究有關(guān)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防軍工發(fā)展的高新技術(shù)，引導(dǎo)和推動(dòng)行業(yè)技術(shù)水平的提高。
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