新型坐標測量機中的技術及應用進展分析

三坐標測量機在汽車模具、發動機制造及塑膠等行業應用廣泛。本文通過蔡司、海克斯康近來所開發出的新機型，來分析其中的產品戰略思維，從而力圖探討現代坐標測量技術的發展走向。

近年來，在國家強調夯實實體經濟的大背景下，現代制造業，尤其是其中的汽車行業，作為實體經濟的主要組成之一，受到了各方面很大的關注并獲得了快速發展，特別是這種發展已不只是簡單地體現在行（企） 業規模、產量的擴大上。從技術層面來講，無論是外企、國企還是民企均已把提升制造技術水平、轉變生產模式作為自身的發展方向。具體地說，就是自本世紀初以來，融入了眾多先進技術的“智能化制造”已逐漸為越來越多的企業所接受并予以實踐。這主要是出于最大程度地適應、滿足不斷變化的市場和消費者的需求的目的，通過轉變企業的運行模式（如采取多品種混線的柔性化生產方式等）， 并盡量地符合可持續發展和綠色制造的基本原則。當然， 這是一個漸進的、持續發展的過程，且會涉及到很多專業方面，而測量技術作為制造工藝的一項要素，又在其中占據了重要的位置。

因此，在“智能化制造”逐漸為企業接受并推行的大背景下，三坐標測量機這一已經成為眾多汽車制造企業重要的質量監控手段，其技術發展趨勢正在發生著深刻的變化。

更突出檢測設備的優勢

智能化生產的鮮明特征之一就是把監控產品質量的重點轉移到生產過程中的制造質量，以及對柔性化生產方式的適應，這就決定了坐標測量機必須作為一種工序檢測手段進入車間現場。

為了迎合這一趨勢，自上世紀九十年代起，一些富有遠見和前瞻性的儀器供應廠商在若干世界級主流汽車企業的配合下，藉助不斷開發，推出的新產品，以及新的檢測理念，為提升智能化制造的應用做出了重要貢獻。在工業測量、尤其是坐標測量機領域具有很大影響力的知名廠商（德）卡爾蔡司公司， 即是頗有代表性的一家。

另外， 關于機器適應生產現場較差工作環境的難題也早已引起眾多廠商的重視， 在利用數種有效方法得以解決的基礎上， 從本世紀初以來，包括蔡司、海克斯康在內的一些知名企業已經先后推出了多種新款（或改進）坐標機。

但在當前的經濟大背景下，產業部門對裝備廠商的要求總是持續的、不斷提升的， 而蔡司公司通過不久前推出的一款全新懸臂式機型CARMET（見圖1），交出了一份出色的答卷。

眾所周知，“懸臂式”是一種技術上相當成熟的坐標測量機，已在汽車車身和覆蓋件等類零件的測量中得到了廣泛的應用，但被稱為測量多面手（the all rounder）的新機型CARMET 仍然在多方面有所創新和突破：

1）更強的通用性。整車加工鏈涉及到的覆蓋面有車身分總成、車身骨架、整車，以及夾具、主模型等， 盡管均選取“懸臂式”器，但一般得采用幾種機型才能勝任。而CARMET 的新穎結構，尤其是其很有特色的測頭和探針，使它能靈活地應對上述汽車企業的加工鏈中的各種檢測之需；

2）嚴密的安全保護措施。在車間相對惡劣的工作環境下，測量機較之專用檢具，結構顯得脆弱和易損，為此采取了多項有效措施，如將光柵尺安裝于線性導軌之間，而導軌安裝在Y 軸下方，從而降低了碰撞危險，即使在Y 軸經受碰撞時也能提供可靠防護。而且，不同于大多數測量機所選用的齒輪驅動方式，新機型CARMET 采取了摩擦驅動，不但降低了噪聲，在保護測量機自身和機器操作員的安全方面也發揮了積極的作用；

3）“集成控制系統”（圖3 為上、下二種型式的裝置）的應用。通過集成可移動的顯示、控制單元，使操作者能更方便地進行分析測量，并在編制測量程序時更靠近測量點，在節省體力的同時提高了效率；

4）軟件的兼容性。所采用的車身和覆蓋件測量及脫機編程的專用軟件IDA 具有很好的兼容性，通過DMIS 接口可以兼容不同的測量軟件；

5）在采取了不少創新技術和簡潔、實用的措施后，更降低了制造成本，加之該機器甚為經久耐用、便于維護。對于以汽車廠為主的用戶來講，不但降低了初次采購時的投入，且因日常維護和更換易損件很容易，至使整個維修時間非常短，意味著這臺設備的生命周期成本是很低的。

此外，ZEISS 還配備了靈活多變、適應性很強的夾具系統( 參見圖4)。其具有以下特點：

1）節省空間的設計理念使得測量點容易觸及；

2）用模塊化設計，整體組成和布局合理，可以更快、更有效地配合主機完成不同的測量任務；

3）該套夾具系統中還包含了所有的緊固件和用于緊固的工具，故裝備一套夾具后即可實現所有拆裝、重組功能；

4）事實上，該系統的很多組件可以在不使用工具的前提下進行靈活調整，更易于自由搭配以實現個性化的測量需求， 從而使這套ZEISS 新開發的夾具系統擁有更好的擴展性。

對尺寸測量提出更多要求

隨著智能化制造的理念逐步為國內主流汽車企業所接受并推行，原來的一些用于質量監控的傳統方式的不足也越來越多地反映了出來。在車身和覆蓋件這類總成和零部件測量方面，為進一步滿足現代汽車廠在智能化水平方面提出的要求，在檢測方面我們需要做如下提升：

1）在保證足夠精度前提下提高測量效率；

2）從之前的只對部分特征點的檢測擴展到通過圖像色差分析實現對整個被測區域的監控；

3）立足于為車間現場的產品制造質量服務的宗旨，快速提供清晰、直觀的檢測結果（報告）；

4）為迎合汽車廠用戶越來越短的生產準備時間、投放周期，必須縮短設備的安裝、調整周期；

5） 出于當前社會上技能型工人欠缺的現狀，希望整個測量過程中盡量減少對操作人員的依賴；

在動力總成和零部件領域，越來越多的新工藝、新技術在企業的實際生產中獲得了應用，如以桁架機械手替代滾道式傳遞零件（圖5），由加工中心替代專機、組合機床，采用多型號零件公用托盤（Adapter Plate）來取代傳統的工裝夾具定位（圖6）等。

從而使多品種、多型號產品共線生產、以及真正意義上的無人化生產模式的實現成為可能。但問題是這一智能化的工藝配置也在尺寸檢測方面提出了諸多要求，必須得以妥善、有效的解決。它們包括：

1） 測量系統必須融入智能化加工生產線，且無需人工參與；
2） 在保證足夠精度的前提下提高測量效率；
3） 測量系統需要具備多功能多用途，它將不僅僅是位置尺寸測量，最好能涵蓋輪廓及粗糙度等微觀形狀尺寸測量；
4） 測量系統需要更加柔性化，盡量降低投資成本并追求綠色、環保；

正是這一切來自企業實際生產的需求，促使了光學測量——激光測量和白光測量（WLS），漸漸地成為現代汽車制造企業的主流檢測手段之一。

先進光學測量的普遍應用

光學測量有多種形式，就媒介物質而言可分為激光、白光等幾類，而檢測方法則既有利用便攜式儀器進行的手動測量， 又有設置在生產線中（旁）的拱門（固定） 式和機器人的通用式自動化測量等幾種。雖然國內光學測量、特別是其中的激光傳感器已在車身、沖壓件檢測中有所應用， 但由于其優越性尚未真正顯露，故而范圍相當有限。現今，知名的儀器供應廠商海克斯康公司生產的各類以光學測量為基礎的檢測設備，已被廣泛地配置在國內眾多的合資、國營和民營企業。尤其需指出的一點是，海克斯康往往還會根據不同用戶的具體情況和需求，幫助制定檢測規劃乃至測量方案，使該企業所購置的設備在產品質量的監控中能最大程度地發揮出積極的作用。

◆案例1，WLS 白光測量。圖7 為二臺帶有白光測量頭的機器人用于車身生產線在線檢測的實況，右側為清晰、直觀的測量報告。據此不僅可對生產過程進行有效的監控，而且系統在快速生成測量報告的同時，還能對一段時間以來眾多工件的測量結果做統計分析，及時地提供標準差、極差和平均值等直接反映加工質量的數據，一旦發現偏差異常，將馬上通知車間或工藝部門做相應的調整。

而以WLS 的測量結果為依據， 海克斯康公司還推出了功能更強的“點云分析”，通過“表面色差分析+ 邊界線+2D 截面線”，就能獲得更多的有用信息， 這對以后通過數據分析，進而再查找制造過程中的誤差源是有積極意義的。當然白光測量在車廠被用于很多不同場合， 除了工件、即產品外，還可用來檢測或驗證工位器具，如夾具、檢具、測量支架和模具等。

◆案例2，激光測量。圖8 為一個手動檢測夾具的實例。

◆案例3，在Romer 關節臂測量機上加載CMS 可變焦激光測頭后，再借助于關節臂測量機的便攜性，可以實現在現場對各種復蓋件的快速測量。而CMS 可變焦激光測頭，由于采用了最新的變焦技術，其測量范圍、焦距均可以調節，在檢測過程中可以根據零件表面的曲率變化而調節，在曲率變化比較大的位置會自動增加采點的密度，而在曲率變化比較平緩的位置則會降低采點的密度，這樣的好處既保證測量精度又提高效率（見圖9）。同時因減少了點云數據量，也提高了計算機的使用效率。

◆案例4，這種激光測量技術不僅僅可以在關節臂測量機上使用，同樣可以在橋式測量機和懸臂測量機上使用。圖7 是在橋式測量機上快速測量一個焊接件（又稱車身分總成）的曲面，包括其邊界等的各種特征（參見圖10）。

另外， 通過在懸臂測量機上加載CMS 可變焦激光測頭，還能進行螺柱測量。長期以來，檢測車身或焊接件上的螺柱特征參數一直是個難題，通常要借助于特制的輔助件才能進行。

然而當加載了CMS 可變焦的激光測頭后，就可以通過對其直接進行掃描，隨即就能輸出測量結果，其精度和原來的傳統方式相比，大約提高了一個數量級，而工作效率則提高了60%，參見圖11。

◆案例5，在以切削加工為主的動力總成和汽車零部件制造領域，近年來隨著光學檢測技術的不斷完善和提升，已使測量從過去采用的接觸方式轉變為非接觸方式成為了現實。與此同時， 這種新穎技術的應用領域也從傳統的主要以檢測位置、尺寸測量為主，發展到可同時反映微觀變化量的粗糙度測量領域。把光學測量方法應用于切削機加工范疇，徹底改變了傳統的以機加工為主的制造業中的實驗室檢測設備的規劃。一些經過精密加工的、高精度的表面，以及某些內部結構復雜的，或者那些軟性的零部件，從此以后就有了更為便捷的檢測手段。

同時，非接觸式的光學測量方法再配合在高精度儀器上的使用，使檢測效率也有了明顯提高。上邊的圖12 是海克斯康旗下的Leitz 于近年來推出的纖維光學探頭（FOP）和光學粗糙度測量頭(TEL)，該探針可以配置在LeitzPMM 高精度坐標測量機上，通過配合自動更換架裝置，即能自動完成對機加工切削型零部件的高速、高精度掃描方式檢測，它的配置方式是采取了將接觸與非接觸（光學）進行集成，根據需要又可方便地自由切換。而對工件的整個測量過程，用戶可根據實際的需求實行自動編程執行，并不需要人工的參與。

不難想象，對一個過去必須通過多個步驟或多種檢測設備才能完成的測量，如今只需要一個步驟或一臺設備就能完成，這無疑大大地提高了工作效率，而且為用戶企業顯著地節約了采購成本。進一步地從生產規劃的角度來看，則是極大地提升了智能化制造的應用水平。

結束語

由上可見，在“智能化制造”已逐漸為企業接受并推行的大趨勢下，在汽車制造業中廣泛應用的坐標測量技術正發生著深刻的變化。其一是更加突出了企業在用坐標測量類檢測設備的通用性、多功能、低成本和操作的便捷，而不再是片面強調高精度等傳統指標。而另一方面，不斷發展和推出的先進測量技術，諸如激光、白光等先進的非接觸式計量設備，正是它們所具有的高效、環保、可持續利用等諸多特性，才是它們擁有了強大的生命力。而表征這一點的，就是其真正適應了當今制造型企業， 為尋求成為可持續發展和綠色制造的智能化制造企業的需求。