大型三坐标测量机的应用
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航空、重型设备和风能机械零部件的检测需要测量范围大、测量精度高的大型三坐标测量机。
为了有效实现对大型工件的高精度测量,需要采用大型的检测系统。对于许多大型工件,如飞机的机身和机翼结构件、重型设备的框架零部件,以及用于风力涡轮发电机的齿轮装配件等,只有采用规格最大的三坐标测量机,才能完成对这些零部件的高精度测量和检测任务。
大型三坐标测量机通常采用桥式或龙门式结构,并配备了各种测量系统,用于检测异军突起的风能发电行业所用的涡轮机齿轮。在测量设备制造商进行的市场需求调查中,风能发电行业为三坐标测量机未来的发展提供了巨大的潜力,而一些传统的用户行业(如汽车制造业)的需求则在下滑。
Zeiss公司用于大型三坐标测量机的传感技术使用户在对尺寸庞大的工件进行检测时,仍然能达到很高的测量精度。Carl Zeiss工业测量技术(IMT)公司产品经理Gerrit DeGlee介绍说,“Zeiss测量机的传感技术使我们不同凡响。Zeiss采用自主开发的传感器技术,可以更好地控制用于采集测量数据的测量机构。我们可以精确地监测测针触测工件时所产生的测头压力,这一点非常重要,因为触测大型工件时,必须使用长测针或接长杆,如果对测针施加压力,它就会发生挠曲。如果不能准确获知所施加的测头压力,就无法确定测针的挠曲程度。如果测量时不小心,测针挠曲导致的测量误差就可能是工件尺寸公差的好几倍。”

图1 用Zeiss MMZ-G型龙门式CMM测量大型工件(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
飞机、大型越野车辆和风能发电机零部件是目前应用大规格坐标测量机进行检测的典型例子。Zeiss公司的MMZ-G型龙门式三坐标测量机(图1)已被应用于一些重要场合,包括美国联合打击战斗机(JSF)国防计划,JSF的主要制造商洛克希德马丁公司用Zeiss三坐标测量机来测量新型F-35战机的大尺寸机翼蒙皮。
Zeiss的大型三坐标测量机有各种不同的测量范围。MMZ-T型桥式测量机的测量宽度为2m,测量高度和长度则有多种不同规格;成本较低的MMZ-B型测量机也有多种规格,典型的测量宽度范围为2-4m,测量高度则各不相同。DeGlee解释说,“大型测量机基本上是按订单制造。MMZ-G龙门式测量机是为高精度的大尺寸测量而设计的,而MMZ-B型在大尺寸测量中具有更好的成本效益。我们更大规格坐标测量机的测量范围可达长11m、宽5m、高3.5m。”
大型坐标测量机的应用范围包括从飞机到矿山机械的各种高精度机械零件,甚至包括大型光学元件,如大型透镜等。DeGlee说,“我们能实现这些测量,主要因为我们在这些测量机上使用的传感器装置。这些装置与我们在精度最高的计量型坐标测量机上所用的装置相同。这就使我们能够搭载非常长的传感测头,因为我们需要伸入测量的深孔可能长达800mm,我们希望精确测量的工件孔径也可能达到800mm,几乎有0.9m长,需要将测头伸入工件中进行测量,测量误差要控制在4µm以内。”
专攻大尺寸测量技术的德国Wenzel公司也开发了几种用于精密测量大尺寸工件的大型三坐标测量机,以及用于检测可能重达数吨的巨型齿轮的测量机。Wenzel Xspect Solutions公司总裁Keith Mills介绍说,“大型三坐标测量机的问世已有几十年历史,其应用相当广泛。加工大型结构和工件的制造商有时对公差的要求非常严格,比如一些大型印刷机的框架结构,对位置公差的要求十分苛刻。”
他说,目前最好的大型三坐标测量机的精度能达到15-20µm,“人们习惯于采用传统的10∶1经验法则,即将测量仪器的精度控制在公差范围的10%。显然,具有这种重复性精度的三坐标测量机已经相当不错了,有些要求还要宽松一些,对于某些更严苛的公差,我们会看到采用3:1或4:1的倍率。”Mills表示,“大型坐标测量机总有其市场,尤其是在航空制造企业,如波音公司。但是,有一些新的测量技术也在争夺这些市场,如具有便携性的激光跟踪仪。因此,几乎可以肯定,这些大型坐标测量机的市场有相当大一部分是在正在实现工业化的国家。由于这些测量机在美国市场已趋于饱和,其他一些正在工业化的国家,如韩国和中国,已成为主要的需求来源。”

图2 用于检测大型轴承和环形齿轮的Wenzel LAF 2510双臂测量系统(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
建筑机械制造商利勃海尔集团是Wenzel大型坐标测量机的用户之一,该公司最近订购了第二套Wenzel检测单元。这套Wenzel LAF 2510测量系统(图2)将双臂CMM测量技术与Wenzel WGT系列齿轮测量机的精密空气轴承机构以及Renishaw的扫描测头集成到一起,用于测量带动风力涡轮机旋转的回转齿轮。该系统能检测直径达6m的轴承和环形齿轮,预计2010年下半年在利勃海尔集团在墨西哥新建的风力涡轮发电机制造厂投入使用。
Mills指出,“风能业务的迅猛发展为这种大型龙门式测量机的应用提供了动力。美国市场也并未萎缩,我们已经向一些卡特彼勒公司的一级供应商提供了大型龙门式坐标测量机。最近,我们为通用动力公司在俄亥俄州的制造厂安装了一台跨距为4m的桥式坐标测量机,用于测量一种新型两栖战车。该测量机能够测量长12m、高2.5m的零件,工厂用它来测量这种两栖坦克的全铸铝车身。”
Wenzel公司的大型齿轮检测系统将双臂坐标测量机与齿轮测量技术结合起来,采用了花岗岩基座、高精度线性导轨(X轴),以及承载能力高达45,359公斤的液体静压旋转工作台。
Mills认为,自行加工花岗岩部件的能力是Wenzel公司赢得竞争的一项优势,“所有这些测量机都采用了花岗岩部件,实际上,Wenzel是唯一能够自行加工花岗岩部件的坐标测量机制造商,其他所有CMM制造商的花岗岩部件都来自中国,在那里,人们用非常粗陋的铣床对花岗岩部件进行粗加工,其尺寸公差大概是±5mm。然后,再用研磨工具对这些花岗岩部件进行手工研磨。这种加工方式除了耗时很长以外,要使花岗岩部件的所有表面彼此保持垂直几乎是不可能的。而Wenzel的加工方式是,首先对大型花岗岩部件进行粗加工,然后在非常昂贵的四轴、五轴或六轴数控磨床上精磨加工到要求的尺寸。因此,随后进行的手工研磨只是为了处理表面和去除最后1或0.5微米的余量。”
大规模利用风能为大型坐标测量机制造商带来了重大商机,它们需要满足用于风力涡轮发电机的高精度齿轮的检测需求。Mills表示,“没有人愿意承担安装在高塔顶端的涡轮发电机发生故障的风险。因此,这些齿轮的精度对于风力发电机的长期运行性能至关重要,用于测量这些大型齿轮的三坐标测量机也必不可少。虽然齿轮检测人员正在努力拓展传统测量技术的测量范围,但这并不意味着为测量0.5m齿轮而设计的测量机可以测量3m的齿轮。Wenzel能够制造这种精度很高的大型测量机,并且在测量机上采用了大型液体静压旋转工作台。”
Mills介绍说,Wenzel曾向一家德国轴承供应商销售了一台规格非常大的测量机,用于检测风力涡轮发电机的支承轴颈,但该公司并未采用旋转工作台。“我们向他们展示了这种直径1.5m的液体静压工作台。工作台的中心小齿轮悬浮在15µm厚的油膜中,而工作台面本身也处于液体静压悬浮状态。我们曾对这种旋转工作台上进行过性能测试,工作台的径跳误差为0.4µm,工作台旋转时的垂直径跳(晃动误差)约为0.3µm。”
海克斯康(Hexagon)测量集团旗下的DEA和Leitz品牌也提供各种尺寸规格和结构型式(卧式、桥式和龙门式)的大型坐标测量机。DEA产品经理Gary Card指出,“这两种不同产品线的基本区别在于测量精度。通常认为,Leitz产品线的精度比DEA产品线更高。”
DEA大型坐标测量机提供中等水平的测量精度,可用于对精度要求不是太高的测量场合。Card指出,“很多汽车零部件——如钣金件、铸件、锻件和各种切削加工的等截面零件——的测量不需要采用高精度的Leitz测量机,DEA测量机就能胜任。DEA测量机还适用于许多为汽车、飞机、机车等加工的零部件。我们的测量机完成了很多飞机(如波音客机)的机身测量工作。我们生产全系列的标准机型,比如龙门式坐标测量机,机架尺寸(测量机宽度)2-5m,特殊型号宽度可到6m,测量机的长度可从3m到很大的规格。”
DEA最大的Lambda龙门式测量机用于测量各种大尺寸的重型设备零部件,其中包括卡特彼勒公司生产的D9推土机底盘。Card说,“该工件重达数吨,因此,我们必须考虑的问题之一是,测量机的基础是否具有足够的承载能力。这种测量机需要安放在经过加固的大型混凝土地基上。虽然在海克斯康的CMM产品线中,DEA产品的测量精度不算最高,但为了达到和保持设计精度,我们往往需要对测量机的基础采取隔振措施,通常是在混凝土基座下面设置气体隔振装置。”

图3 DEA的Alpha大型CMM在Z 轴滑枕上采用了“倾斜桥”专利技术(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
Card解释说,“气体隔振装置包括一些大尺寸的圆柱形部件,其上有一个储气室和一些气囊,可以吸收通过地面或从地下传来的任何外界振动。当振动波经过这些隔振装置时,就会被滤波衰减到测量机能够承受的低水平。我们还在所有龙门式测量机上采用了几年前已获专利的DEA‘倾斜桥(Slant Bridge)’结构(图3)。这是一种三角形横梁,可以拓展测量空间的宽度。我们采用的是挤压成形的铝合金梁。坐标测量机的刚性非常重要。与垂直放置空气轴承(即与横梁或桥臂成直角)的布局方式相比,以45°或更小角度倾斜布置空气轴承,可以获得更大的测量宽度。”
作为高端产品,Leitz的PMM-G龙门式三坐标测量机是海克斯康精度最高的大尺寸测量系统。该测量机有55种标准规格,可用于检测直径尺寸最大达5m的大型齿轮(无重量限制)。Leitz公司最近在美国印第安纳波利斯齿轮展览会上展示了一种最新型号的产品。该公司产品经理Peter Edge介绍说,“机身框架的设计采用了精密加工的花岗岩导轨,它被安置在测量机两侧的两道混凝土墙的顶端。过去我们也有这种设计,但尺寸规格较小,现在我们把它放大了。这种设计可以获得更好的热稳定性,能更好地控制测量空间的环境影响。”
像一些DEA机型一样,PMM-G型测量机也采用了陶瓷Z轴滑枕,X轴则采用双重驱动和双刻度尺。另一个特点是增加了Leitz LSP-S2测头系统。Edge补充说,“这种由Leitz自行开发的测头系统是提高测量精度的重要因素之一,其重要性在于扩大了测量范围。该测头上可以安装各种测针,为了到达工件的测量位置,还可以安装各种接长杆。这些接长杆可以形成各种合适的角度,其材质可以是碳纤维、钛合金或其他材料,但每种测头的承载重量都有一定限制。PMM-G型测量机所用LSP测头的最大接长长度为800mm,最大承重量为1kg。可以想像得到,在测量一些大型工件时,测头到被测位置的距离可能相当长。例如,在测量一个气缸时,必须将测针伸入工件内部,尤其当气缸处于水平位置时,有时可能就需要使用800mm的接长杆。”
据日本三丰(Mitutoyo)美国公司的John Knutson介绍,与目前业内许多DCC(直接计算机控制)型三坐标测量机相比,该公司的CNC(计算机数字控制)型三坐标测量机具有明显的性能优势。Knutson说,“三丰的两种高端桥式CMM——Crysta系列和Bright-Strato系列——采用了整体花岗岩Y轴支承导轨,然后与空气轴承搭接,并针对搭接表面预加载荷。在利用软件进行任何性质的误差补偿之前,我们首先尽可能提高CMM硬件的机械精度,尽其所能保证机械零部件与X、Y、Z三条测量轴线的平行性与垂直性。”
Knutson补充说,“测量智能化是我们CMM的一项重大优势,因为这些测量机采用CNC控制,而不是DCC控制。许多人把这两种控制方式混为一谈,实际上它们并不是一回事。CNC控制是通过测量机上的一个控制器来实现,与高端数控机床采用的控制技术相同。显然,不同的控制系统在价格上有很大差异,因为CNC控制器要比无需定制的DCC控制器更昂贵。CNC控制的优势在于对一个非常小的目标上已知位置的定位能力。如果你要测量许多很小的工件,或者一个大型工件上的许多小孔,就需要对这些工件进行定位,与其他控制方式相比,CNC控制能够更精确地找到这些测量位置。举例来说,如果你向CNC发出一个指令,命令Z轴滑枕带着测头移动到某一指定位置,比方说花岗岩台面上方25mm处,但你不小心将目标位置错误输入为-25mm,如果你使用的是DCC测量机,它就会完全按照指令动作,其后果是将价值2.5万美元的测头系统撞坏。但如果你使用的是CNC测量机,它知道自己的测量空间范围,它将向你反馈说,‘你的指令超出了我的测量范围——我无法到达该位置’。你会收到控制器发出的错误警报。因此,这种测量机具有一定的智能,可以避免造成损害。”
最近收购了美国Metris公司的尼康测量公司(Nikon Metrology)提供铝合金和陶瓷结构的大尺寸三坐标测量机,该公司的Joe Szymanski介绍说,“我们有在意大利生产的C3系列铝合金结构测量机,在英国生产的performance系列陶瓷结构测量机,以及在英格兰生产的LK系列桥式测量机。”
Szymanski指出,该公司精度较高的大型测量机已用于测量大型机车运输车辆、新兴的风能行业使用的大型叶片,以及飞机零部件。“风力发电机大型叶片的测量需求在不断增加。我们还有一种称为激光雷达的产品,这是一种CNC控制的非接触式自动激光跟踪仪,你无需跟随和追踪球面安装的反射器(SMR),你只需把它像CMM一样安装起来,编写一个测量程序并自动编译,然后按下按钮,它就能自动完成测量。”
Szymanski说,“Nikon的大尺寸测量机通常都是定制机型。我们的桥式测量机设计精良,采用花岗岩工作台。测量范围通常为长5m,宽2m,Z方向高度为1-1.5m。按照我们的观点,如果你要求的测量尺寸超出了上述范围,那我们或许就要考虑,你是否应该购买龙门式测量机,以获得更好的成本效益。”
大部分大型零件仍然需要用CMM测量,虽然有些大型工件也可以采用激光雷达作为替代测量手段。Szymanski补充说,“在确实需要CMM的测量场合,如需要从两侧进入工件测量,并需要重新调整测头时,常规CMM仍然是标准的测量手段。但是,对于一些尺寸更大的结构件,你可能需要两个测量人员才能完成操作,或者你需要其他人来操纵杠杆式起重机、起吊架或吊车,在这种情况下,激光雷达可能是更好的选择。如果你需要精确测量孔的位置和距离,那么CMM仍然是最恰当的测量方式。”
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2011年第4期
上载于:2013-5-9 17:30:44

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