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海克斯康測(cè)量集團(tuán)(Hexagon Metrology)旗下Romer公司的產(chǎn)品經(jīng)理Dave Armstrong認(rèn)為,“目前一個(gè)確定的趨勢(shì)是測(cè)量更加靠近生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。”其證據(jù)是便攜式關(guān)節(jié)臂型坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(PCMM)的流行——該公司在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝使用的此類測(cè)試儀器已達(dá)數(shù)千臺(tái)。Armstrong將其流行部分歸結(jié)于該產(chǎn)品測(cè)量精度的提高。例如,Romer公司最近推出的8′(2.4m)規(guī)格的Infinite系列便攜式關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)精度已達(dá)到24.5?m。用戶可以使用PCMM完成從產(chǎn)品和工藝的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)到(有時(shí)會(huì)實(shí)施的)100%全數(shù)檢測(cè)。用戶可以利用??怂箍禍y(cè)量集團(tuán)的PC-DMIS軟件從工件的CAD模型創(chuàng)建出測(cè)量程序。這種測(cè)量程序可用于檢測(cè)后續(xù)工件,指導(dǎo)用戶完成每一道檢測(cè)步驟。
Armstrong指出,盡管PCMM有可能會(huì)取代手動(dòng)量具,但根據(jù)他的看法,PCMM并不一定會(huì)取代固定式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)。他表示,“一般來說,便攜式關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)只是CMM的一種補(bǔ)充,而不會(huì)取代它。每一種測(cè)量系統(tǒng)都有其各自的用途。CMM非常適合批量生產(chǎn),如果你有同一批生產(chǎn)出來的大量產(chǎn)品需要檢測(cè),最好是編寫一個(gè)測(cè)量程序用CMM檢測(cè)。如果你需要檢測(cè)單件或小批量產(chǎn)品,或者用CMM測(cè)量耗時(shí)太長(zhǎng),那么采用關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)是一個(gè)很好的選擇。”例如,2008年,海克斯康測(cè)量集團(tuán)的Sheffield業(yè)務(wù)部開發(fā)了用于車間測(cè)量的Discovery III坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。該機(jī)可以使用視頻傳感系統(tǒng)、激光傳感系統(tǒng)或接觸式測(cè)頭,在三種不同的測(cè)量空間范圍內(nèi)(最大為762mm×1016mm×609mm),其接觸式測(cè)頭的測(cè)量精度可達(dá)到3.9?m。
法如(Faro)公司產(chǎn)品經(jīng)理Rob Sanville表示,“已經(jīng)大量采用便攜式關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)(如FaroArm)的重要行業(yè)包括航空、汽車和醫(yī)療器械制造業(yè)。一般而言,任何切削加工行業(yè)都可以使用它。”用戶發(fā)現(xiàn),PCMM能夠用于在機(jī)測(cè)量和加工中測(cè)量,這就意味著如果工件存在誤差,通??梢圆槐貙⑵鋸臋C(jī)床夾具上卸下,而立即對(duì)其進(jìn)行修正。法如公司還可以提供各種型號(hào)的關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī),從規(guī)格為12′(3.7m)的FaroArm Quantum測(cè)量機(jī)(空間測(cè)量精度可達(dá)60?m),到在直徑1200mm測(cè)量空間范圍內(nèi)測(cè)量精度可達(dá)5?m的PowerGage測(cè)量機(jī)。PowerGage能夠利用英國Delcam公司開發(fā)的PowerInspect軟件從工件的CAD模型創(chuàng)建測(cè)量程序。
FARO Gage是PCMM的一個(gè)有趣的變化品種,它是一種1200mm的測(cè)量臂,其測(cè)量精度也達(dá)到了5?m,但不包括使用離線編程軟件(如PowerInspect)的接口。Sanville介紹說,“FARO Gage是為車間設(shè)計(jì)的,可在工件加工現(xiàn)場(chǎng)使用。它并不一定會(huì)取代手動(dòng)量具,但確實(shí)能提供更好的測(cè)量一致性。更重要的是,它可以提供打印的測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告。”Romer公司2008年推出的MultiGage便攜式關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)是一種與此類似的測(cè)量裝置,其1200mm長(zhǎng)的測(cè)量臂也能達(dá)到5?m的測(cè)量精度,該測(cè)量機(jī)是作為手持量具的一種具有柔性的替代手段而開發(fā)的。憑借其PC-DMIS版本的測(cè)量軟件,MultiGage可以實(shí)現(xiàn)常見的三維測(cè)量(如尺寸、特征和結(jié)構(gòu)),甚至可以模仿高度規(guī)檢測(cè)工件高度。
PCMM的另一類變化品種稱為光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī),它使用一個(gè)固定的攝像系統(tǒng)來跟蹤在便攜式測(cè)量裝置上的測(cè)量目標(biāo)。其中一個(gè)例子是Metris公司開發(fā)的K系列光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。它利用安裝在手持測(cè)量裝置(稱為SpaceProbes)上的發(fā)光二極管(LED),通過一臺(tái)使用三線陣CCD攝像機(jī)的測(cè)量裝置進(jìn)行遠(yuǎn)距離三角法測(cè)量。如Metris K610測(cè)量機(jī)采用三角法測(cè)量測(cè)頭上LED的位置時(shí),其空間精度可達(dá)60?m。作為一種柔性好、易于使用的檢測(cè)系統(tǒng),該測(cè)量機(jī)能夠測(cè)量很大的空間(如整輛轎車),而不需要像便攜式關(guān)節(jié)臂CMM那樣進(jìn)行原點(diǎn)“轉(zhuǎn)接”。這種K系列測(cè)量機(jī)的另一個(gè)特點(diǎn)是具有動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)點(diǎn),從而使測(cè)量非靜止的動(dòng)態(tài)工件成為可能。
便攜式關(guān)節(jié)臂CMM用于生產(chǎn)環(huán)境可能存在一些局限性。Perceptron公司工業(yè)業(yè)務(wù)部門高級(jí)副總裁Mark Hoefing解釋說,“在以相對(duì)較大的批量生產(chǎn)價(jià)值昂貴的復(fù)雜工件時(shí),你將需要一種自動(dòng)化的測(cè)量解決方案。”對(duì)于將在線測(cè)量技術(shù)集成到制造工藝中,Perceptron公司已有28年的經(jīng)驗(yàn),最早始于汽車車身的裝配。為了滿足車間檢測(cè)需求,該公司的產(chǎn)品在測(cè)量柔性、易用性以及準(zhǔn)確性上均有很大提高。與多年來作為在線測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)選擇的、傳統(tǒng)的固定式在線檢測(cè)裝置相比,該公司的AutoGauge機(jī)器人測(cè)量系統(tǒng)具有更好的測(cè)量柔性。在頻繁更換產(chǎn)品、需要對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行驗(yàn)證時(shí),自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)(如AutoGauge)只需修改測(cè)量程序,即可開始測(cè)量新的工件。
為了實(shí)現(xiàn)更好的測(cè)量柔性,該公司還提供機(jī)器人式、固定傳感器式以及混合式等多種型式的AutoGauge產(chǎn)品。固定傳感器式測(cè)量系統(tǒng)最適合生產(chǎn)率高、品種模式單一的產(chǎn)品檢測(cè)。而機(jī)器人式測(cè)量系統(tǒng)則最適合品種模式多樣化的生產(chǎn)線。不過,選用測(cè)量系統(tǒng)時(shí)需要進(jìn)行綜合權(quán)衡。Hoefing在對(duì)機(jī)器人測(cè)量系統(tǒng)與傳統(tǒng)的固定傳感器解決方案進(jìn)行比較時(shí)指出,“機(jī)器人可以提供更大的測(cè)量柔性,但每次測(cè)量的時(shí)間要增加2-3秒,原因在于其測(cè)量是順序進(jìn)行而非同時(shí)進(jìn)行的。”無論采用何種結(jié)構(gòu)型式,該系統(tǒng)均可達(dá)到約200?m的空間測(cè)量精度(6σ)。機(jī)器人測(cè)量系統(tǒng)在初始安裝時(shí)需要進(jìn)行校準(zhǔn),其內(nèi)置功能可對(duì)溫度變化(通常發(fā)生在測(cè)量循環(huán)的更換工件材料階段)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。
Hoefing指出,并不是在每種情況下都需要采用全自動(dòng)的100%全數(shù)在線檢測(cè)系統(tǒng)。在決定采用何種測(cè)量系統(tǒng)時(shí),除了工件的批量、價(jià)值和復(fù)雜性以外,其他許多因素(包括公差、工藝穩(wěn)定性以及相對(duì)檢測(cè)成本)也必須予以考慮。他建議,當(dāng)采用100%在線檢測(cè)經(jīng)濟(jì)成本太高,而手動(dòng)檢測(cè)速度又太慢時(shí),可以采用一種折衷解決方案。例如,可以在機(jī)器人上安裝一個(gè)激光掃描儀,并圍繞其設(shè)置多達(dá)10個(gè)獨(dú)立的工件夾具,由檢測(cè)人員將工件手動(dòng)安裝到夾具上進(jìn)行檢測(cè),然后將測(cè)量結(jié)果送到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行所需要的分析。“這些測(cè)量系統(tǒng)通??梢杂煽赡軐?duì)計(jì)量知識(shí)知之甚少的人員來操作。”Hoefing說,“越來越多的用戶正在生產(chǎn)車間安裝這種自動(dòng)化測(cè)量單元。另一個(gè)特點(diǎn)是,用戶可以調(diào)整其檢測(cè)采樣率。例如,在試生產(chǎn)階段,由于存在很大的變動(dòng)性,可能需要檢測(cè)更多的工件(或許每天數(shù)百個(gè))。與此相反,在穩(wěn)定生產(chǎn)階段,每天可能只需要檢測(cè)5個(gè)工件。”
改進(jìn)機(jī)器人測(cè)量的一種方法將是不依賴于機(jī)器人的定位精度,這樣就能消除初始校準(zhǔn)和測(cè)量過程中的溫度補(bǔ)償。Metris公司綜合服務(wù)和技術(shù)部門的項(xiàng)目工程師Darian Butt表示,為了實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo),該公司在其K系列光學(xué)CMM上使用了安裝有MMD激光掃描儀的機(jī)器人,其結(jié)果是形成了其K-Robot系列測(cè)量機(jī)。由于不需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行校準(zhǔn),因此其運(yùn)動(dòng)路徑是可預(yù)知的,該系統(tǒng)可利用安裝在機(jī)器人頭部的發(fā)光二極管(LED)進(jìn)行位置跟蹤。然后,用一個(gè)光學(xué)CMM三角測(cè)量裝置——與用于K系列光學(xué)CMM中的相同——來測(cè)量這些LED。Butt說,“用戶可在任何一個(gè)服務(wù)軟件包中(或利用機(jī)器人自帶的OLP軟件包)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行離線編程。”在17m3的測(cè)量空間范圍內(nèi),測(cè)量精度(2σ)可達(dá)100?m。這種檢測(cè)概念的其他優(yōu)點(diǎn)包括:具有對(duì)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的工件進(jìn)行加工中測(cè)量的能力(如果該工件或夾持工件的夾具上安裝了LED的話)。Butt解釋說,“如果工件正在運(yùn)動(dòng),無論是直線移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)甚至振動(dòng),我們都能對(duì)它進(jìn)行掃描,并將所有數(shù)據(jù)聯(lián)系起來,因?yàn)镵系列光學(xué)CMM是一種高頻測(cè)量設(shè)備。”
盡管用商業(yè)化機(jī)器人構(gòu)建的在線自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)具有許多優(yōu)勢(shì),但Metris公司瞄準(zhǔn)了未來更長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)。該公司的機(jī)器人式關(guān)節(jié)臂CMM(RCA)在可達(dá)性、便攜性和精度上看來都比自己的K-Robot解決方案更勝一籌。K-Robot系統(tǒng)有一個(gè)缺點(diǎn),即在機(jī)器人頭部的LED與三角測(cè)量攝像機(jī)之間需要視向連接才能進(jìn)行測(cè)量。例如,在汽車的車體內(nèi)就無法實(shí)現(xiàn)測(cè)量。另一個(gè)挑戰(zhàn)是,一般來說,機(jī)器人都很笨重,移動(dòng)困難。此外,盡管有不少人懂得如何為機(jī)器人編程,但是,采用大家熟悉的測(cè)量系統(tǒng)(如Metris自己的CAMIO系統(tǒng))進(jìn)行編程將具有自身的諸多優(yōu)勢(shì)。
Metris英國公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的副總裁Chris Marriott表示,通過使便攜式關(guān)節(jié)臂坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(PCMM)從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,Metris的目標(biāo)是將其整個(gè)測(cè)量空間的測(cè)量精度(2σ)提高到50μm左右。“通過使PCMM自動(dòng)化,Metris希望將其最大規(guī)格機(jī)型的精度提高到100?m以下——或者大幅提高規(guī)格較小、重量較輕機(jī)型的測(cè)量精度。”PCMM的其他優(yōu)勢(shì)還包括:與機(jī)器人測(cè)量系統(tǒng)相比更低的總成本,以及可用標(biāo)準(zhǔn)CMM軟件編程。“機(jī)器人式關(guān)節(jié)臂CMM可以移動(dòng),但并不輕便。該機(jī)重量為120公斤,比一臺(tái)PCMM重,但比一個(gè)機(jī)器人輕得多。如果要移動(dòng)它,可以使用托盤搬運(yùn)裝置,或者帶起重臂的夾持式起重機(jī),或針對(duì)特定用途的其他方法。”Marriott說,“該項(xiàng)目是我們與合作伙伴塔塔汽車公司和沃里克大學(xué)共同開發(fā)的,英國技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)(TSB)為項(xiàng)目提供了200萬美元資金。目前項(xiàng)目處于第二版測(cè)試階段。”該技術(shù)在常規(guī)檢測(cè)中的應(yīng)用包括:工件的在機(jī)(加工機(jī)床)檢測(cè)、初始抽樣檢測(cè)或加工中檢測(cè)(包括汽車白車身檢測(cè)、夾具裝配檢測(cè)或焊接構(gòu)件檢測(cè))。
Metris公司副總裁Jim Clark解釋說,“在整個(gè)測(cè)量領(lǐng)域,存在一種簡(jiǎn)潔化、自動(dòng)化以及提供更好的測(cè)量結(jié)果保持性和更多測(cè)量數(shù)據(jù)的趨勢(shì),而不只是簡(jiǎn)單地復(fù)制手動(dòng)測(cè)量裝置的功能。用戶希望獲得實(shí)時(shí)的、當(dāng)前的測(cè)量數(shù)據(jù),從而為更換產(chǎn)品提供所需要的管理工具,以預(yù)防出錯(cuò)。”
高精度專用測(cè)量設(shè)備制造商正在不斷開發(fā)適應(yīng)車間環(huán)境條件的測(cè)量設(shè)備,同時(shí)使其更加易于使用,因?yàn)檫@是使測(cè)量更加貼近生產(chǎn)線必不可少的兩個(gè)條件。當(dāng)需要以亞微米級(jí)精度測(cè)量圓度或圓柱度時(shí)(如檢測(cè)汽車燃油噴嘴或植入人體的醫(yī)療器件),專用的輪廓測(cè)量?jī)x就體現(xiàn)出很高的價(jià)值,如馬爾聯(lián)邦公司的MMQ系列輪廓測(cè)量?jī)x具有亞微米級(jí)精度,并易于使用。
馬爾聯(lián)邦(Mahr Federal)公司測(cè)量系統(tǒng)副總裁、在測(cè)量領(lǐng)域已有20年從業(yè)經(jīng)驗(yàn)的Pat Nugent評(píng)論道,“從我進(jìn)入測(cè)量行業(yè)起,將測(cè)量下放到車間現(xiàn)場(chǎng)的呼聲就一直不絕于耳。但事情的發(fā)展并不像一些人預(yù)期的那樣快。”在過去幾年里,他注意到,對(duì)車間測(cè)量的需求日益緊迫。他認(rèn)為,人們一開始低估了車間惡劣的環(huán)境條件,以及由生產(chǎn)工人(而不是專業(yè)計(jì)量人員)來操作量?jī)x時(shí)對(duì)其易用性的要求。“我們并不需要精度更高的量?jī)x,我們需要的是對(duì)每一個(gè)操作者都更容易使用,同時(shí)仍然能達(dá)到原有精度水平的測(cè)量系統(tǒng)。”為了回應(yīng)這種需求,馬爾聯(lián)邦公司最近發(fā)布了最新升級(jí)版的EasyForm 3.0測(cè)量軟件。該軟件可以提供直觀的觸摸屏界面,指導(dǎo)操作者進(jìn)行測(cè)量設(shè)置與操作。采用一種示教模式,可將重復(fù)的多形貌特征測(cè)量步驟組合到一起。
另一個(gè)值得注意的問題是,缺乏將這些類型的量?jī)x與工件的CAD模型整合到一起的推動(dòng)力。Nugent認(rèn)為,盡管馬爾聯(lián)邦公司提供了一種稱為MarSim的離線編程工具,可以輸入CAD模型,但手工輸入仍然是首選方式。他解釋說,“我們的客戶喜歡利用觸摸屏界面指導(dǎo)操作者進(jìn)行測(cè)量設(shè)置與操作的示教方式。”
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