车间测量仪器的发展趋势
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目前一个确定的趋势是测量更加靠近生产现场。尽管PCMM有可能会取代手动量具,但根据他的看法,PCMM并不一定会取代固定式坐标测量机(CMM)。一般来说,便携式关节臂测量机只是CMM的一种补充,而不会取代它。

图1 Romer公司的MultiGage是为车间测量而设计的,可以替代手动量具

图2 Sheffield专门针对车间测量开发的DiscoveryⅢ坐标测量机
海克斯康测量集团(Hexagon Metrology)旗下Romer公司的产品经理Dave Armstrong认为,“目前一个确定的趋势是测量更加靠近生产现场。”其证据是便携式关节臂型坐标测量机(PCMM)的流行——该公司在生产现场安装使用的此类仪器已达数千台。Armstrong将其流行部分归结于该产品测量精度的提高。例如,Romer公司最近推出的8′(2.4m)规格的Infinite系列便携式关节臂测量机精度已达到24.5µm。用户可以使用PCMM完成从产品和工艺的统计检验到(有时会实施的)100%全数检测。用户可以利用海克斯康测量集团的PC-DMIS软件从工件的CAD模型创建出测量程序。这种测量程序可用于检测后续工件,指导用户完成每一道检测步骤(图1)。
Armstrong指出,尽管PCMM有可能会取代手动量具,但根据他的看法,PCMM并不一定会取代固定式坐标测量机(CMM)。他表示,“一般来说,便携式关节臂测量机只是CMM的一种补充,而不会取代它。每一种测量系统都有其各自的用途。CMM非常适合批量生产,如果你有同一批生产出来的大量产品需要检测,最好是编写一个测量程序用CMM检测。如果你需要检测单件或小批量产品,或者用CMM测量耗时太长,那么采用关节臂测量机是一个很好的选择。”例如,2008年,海克斯康测量集团的Sheffield业务部开发了用于车间测量的Discovery III坐标测量机(图2)。该机可以使用视频传感系统、激光传感系统或接触式测头,在三种不同的测量空间范围内(最大为762mm×1016mm×609mm),其接触式测头的测量精度可达到3.9µm。
法如(Faro)公司产品经理Rob Sanville表示,“已经大量采用便携式关节臂测量机(如FaroArm)的重要行业包括航空、汽车和医疗器械制造业。一般而言,任何切削加工行业都可以使用它。”用户发现,PCMM能够用于在机测量和加工中测量,这就意味着如果工件存在误差,通常可以不必将其从机床夹具上卸下,而立即对其进行修正。法如公司还可以提供各种型号的关节臂测量机,从规格为12′(3.7m)的FaroArm Quantum测量机(空间测量精度可达60µm),到在直径1200mm测量空间范围内测量精度可达5µm的PowerGage测量机。PowerGage能够利用英国Delcam公司开发的PowerInspect软件从工件的CAD模型创建测量程序。
FARO Gage是PCMM的一个有趣的变化品种,它是一种1200mm的测量臂,其测量精度也达到了5µm,但不包括使用离线编程软件(如PowerInspect)的接口。Sanville介绍说,“FARO Gage是为车间设计的,可在工件加工现场使用。它并不一定会取代手动量具,但确实能提供更好的测量一致性。更重要的是,它可以提供打印的测量数据报告。”Romer公司2008年推出的MultiGage便携式关节臂测量机是一种与此类似的测量装置,其1200mm长的测量臂也能达到5µm的测量精度,该测量机是作为手持量具的一种具有柔性的替代手段而开发的。凭借其PC-DMIS版本的测量软件,MultiGage可以实现常见的三维测量(如尺寸、特征和结构),甚至可以模仿高度规检测工件高度。
PCMM的另一类变化品种称为光学三坐标测量机,它使用一个固定的摄像系统来跟踪在便携式测量装置上的测量目标。其中一个例子是Metris公司开发的K系列光学三坐标测量机。它利用安装在手持测量装置(称为SpaceProbes)上的发光二极管(LED),通过一台使用三线阵CCD摄像机的测量装置进行远距离三角法测量。如Metris K610测量机采用三角法测量测头上LED的位置时,其空间精度可达60µm。作为一种柔性好、易于使用的检测系统,该测量机能够测量很大的空间(如整辆轿车),而不需要像便携式关节臂CMM那样进行原点“转接”。这种K系列测量机的另一个特点是具有动态基准点,从而使测量非静止的动态工件成为可能。

图3 Perceptron公司的近线检测站可以在生产线旁测量多种工件
便携式关节臂CMM用于生产环境可能存在一些局限性。Perceptron公司工业业务部门高级副总裁Mark Hoefing解释说,“在以相对较大的批量生产价值昂贵的复杂工件时,你将需要一种自动化的测量解决方案。”对于将在线测量技术集成到制造工艺中,Perceptron公司已有28年的经验,最早始于汽车车身的装配。为了满足车间检测需求,该公司的产品在测量柔性、易用性以及准确性上均有很大提高(图3)。与多年来作为在线测量标准选择的、传统的固定式在线检测装置相比,该公司的AutoGauge机器人测量系统具有更好的测量柔性。在频繁更换产品、需要对生产工艺进行验证时,自动化测量系统(如AutoGauge)只需修改测量程序,即可开始测量新的工件。
为了实现更好的测量柔性,该公司还提供机器人式、固定传感器式以及混合式等多种型式的AutoGauge产品。固定传感器式测量系统最适合生产率高、品种模式单一的产品检测。而机器人式测量系统则最适合品种模式多样化的生产线。不过,选用测量系统时需要进行综合权衡。Hoefing在对机器人测量系统与传统的固定传感器解决方案进行比较时指出,“机器人可以提供更大的测量柔性,但每次测量的时间要增加2-3秒,原因在于其测量是顺序进行而非同时进行的。”无论采用何种结构型式,该系统均可达到约200µm的空间测量精度(6σ)。机器人测量系统在初始安装时需要进行校准,其内置功能可对温度变化(通常发生在测量循环的更换工件材料阶段)进行自动补偿。
Hoefing指出,并不是在每种情况下都需要采用全自动的100%全数在线检测系统。在决定采用何种测量系统时,除了工件的批量、价值和复杂性以外,其他许多因素(包括公差、工艺稳定性以及相对检测成本)也必须予以考虑。他建议,当采用100%在线检测经济成本太高,而手动检测速度又太慢时,可以采用一种折衷解决方案。例如,可以在机器人上安装一个激光扫描仪,并围绕其设置多达10个独立的工件夹具,由检测人员将工件手动安装到夹具上进行检测,然后将测量结果送到数据库中进行所需要的分析。“这些测量系统通常可以由可能对计量知识知之甚少的人员来操作。”Hoefing说,“越来越多的用户正在生产车间安装这种自动化测量单元。另一个特点是,用户可以调整其检测采样率。例如,在试生产阶段,由于存在很大的变动性,可能需要检测更多的工件(或许每天数百个)。与此相反,在稳定生产阶段,每天可能只需要检测5个工件。”
改进机器人测量的一种方法将是不依赖于机器人的定位精度,这样就能消除初始校准和测量过程中的温度补偿。Metris公司综合服务和技术部门的项目工程师Darian Butt表示,为了实现了这一目标,该公司在其K系列光学CMM上使用了安装有MMD激光扫描仪的机器人,其结果是形成了其K-Robot系列测量机。由于不需要对机器人进行校准,因此其运动路径是可预知的,该系统可利用安装在机器人头部的发光二极管(LED)进行位置跟踪。然后,用一个光学CMM三角测量装置——与用于K系列光学CMM中的相同——来测量这些LED。Butt说,“用户可在任何一个服务软件包中(或利用机器人自带的OLP软件包)对机器人进行离线编程。”在17m3的测量空间范围内,测量精度(2σ)可达100µm。这种检测概念的其他优点包括:具有对处于运动状态的工件进行加工中测量的能力(如果该工件或夹持工件的夹具上安装了LED的话)。Butt解释说,“如果工件正在运动,无论是直线移动、转动甚至振动,我们都能对它进行扫描,并将所有数据联系起来,因为K系列光学CMM是一种高频测量设备。”
尽管用商业化机器人构建的在线自动化测量系统具有许多优势,但Metris公司瞄准了未来更长远的目标。该公司的机器人式关节臂CMM(RCA)在可达性、便携性和精度上看来都比自己的K-Robot解决方案更胜一筹。K-Robot系统有一个缺点,即在机器人头部的LED与三角测量摄像机之间需要视向连接才能进行测量。例如,在汽车的车体内就无法实现测量。另一个挑战是,一般来说,机器人都很笨重,移动困难。此外,尽管有不少人懂得如何为机器人编程,但是,采用大家熟悉的测量系统(如Metris自己的CAMIO系统)进行编程将具有自身的诸多优势。
Metris英国公司负责设计的副总裁Chris Marriott表示,通过使便携式关节臂坐标测量机(PCMM)从本质上实现自动化,Metris的目标是将其整个测量空间的测量精度(2σ)提高到50µm左右。“通过使PCMM自动化,Metris希望将其最大规格机型的精度提高到100µm以下——或者大幅提高规格较小、重量较轻机型的测量精度。”PCMM的其他优势还包括:与机器人测量系统相比更低的总成本,以及可用标准CMM软件编程。“机器人式关节臂CMM可以移动,但并不轻便。该机重量为120公斤,比一台PCMM重,但比一个机器人轻得多。如果要移动它,可以使用托盘搬运装置,或者带起重臂的夹持式起重机,或针对特定用途的其他方法。”Marriott说,“该项目是我们与合作伙伴塔塔汽车公司和沃里克大学共同开发的,英国技术战略委员会(TSB)为项目提供了200万美元资金。目前项目处于第二版测试阶段。”该技术在常规检测中的应用包括:工件的在机(加工机床)检测、初始抽样检测或加工中检测(包括汽车白车身检测、夹具装配检测或焊接构件检测)。
Metris公司副总裁Jim Clark解释说,“在整个测量领域,存在一种简洁化、自动化以及提供更好的测量结果保持性和更多测量数据的趋势,而不只是简单地复制手动测量装置的功能。用户希望获得实时的、当前的测量数据,从而为更换产品提供所需要的管理工具,以预防出错。”

图4 马尔联邦公司的MMQ系列轮廓测量仪具有亚微米级精度,并易于使用
高精度专用测量设备制造商正在不断开发适应车间环境条件的测量设备,同时使其更加易于使用,因为这是使测量更加贴近生产线必不可少的两个条件。当需要以亚微米级精度测量圆度或圆柱度时(如检测汽车燃油喷嘴或植入人体的医疗器件),专用的轮廓测量仪(如图4所示马尔连邦公司产品)就体现出很高的价值,如马尔联邦公司的MMQ系列轮廓测量仪具有亚微米级精度,并易于使用。
马尔联邦(Mahr Federal)公司测量系统副总裁、在测量领域已有20年从业经验的Pat Nugent评论道,“从我进入测量行业起,将测量下放到车间现场的呼声就一直不绝于耳。但事情的发展并不像一些人预期的那样快。”在过去几年里,他注意到,对车间测量的需求日益紧迫。他认为,人们一开始低估了车间恶劣的环境条件,以及由生产工人(而不是专业计量人员)来操作量仪时对其易用性的要求。“我们并不需要精度更高的量仪,我们需要的是对每一个操作者都更容易使用,同时仍然能达到原有精度水平的测量系统。”为了回应这种需求,马尔联邦公司最近发布了最新升级版的EasyForm 3.0测量软件。该软件可以提供直观的触摸屏界面,指导操作者进行测量设置与操作。采用一种示教模式,可将重复的多形貌特征测量步骤组合到一起。
另一个值得注意的问题是,缺乏将这些类型的量仪与工件的CAD模型整合到一起的推动力。Nugent认为,尽管马尔联邦公司提供了一种称为MarSim的离线编程工具,可以输入CAD模型,但手工输入仍然是首选方式。他解释说,“我们的客户喜欢利用触摸屏界面指导操作者进行测量设置与操作的示教方式。”
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2010年第1期
上载于:2014-1-6 11:11:42

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