陳守國

摘 要：機(jī)械制造測量技術(shù)是決定機(jī)械加工水平的重要基礎(chǔ)，我國目前在機(jī)械制造的測量技術(shù)上精度與校準(zhǔn)能力處于世界領(lǐng)先地位。但是在數(shù)字化測量技術(shù)與閉環(huán)制造技術(shù)系統(tǒng)的研究上較國際水平略有差距。因此本文針對我國機(jī)械制造中測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀作出分析，并對國際機(jī)械制造領(lǐng)域中測量技術(shù)的應(yīng)用情況進(jìn)行探討。從而提出我國機(jī)械測制造測量技術(shù)在應(yīng)用上的發(fā)展策略，旨在提升我國機(jī)械制造測量技術(shù)的應(yīng)用水平和發(fā)展能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)械制造；測量技術(shù)；應(yīng)用發(fā)展

近些年來高新技術(shù)領(lǐng)域飛速發(fā)展，我國機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)也發(fā)生了巨大轉(zhuǎn)變。復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)、極端制造、微機(jī)電系統(tǒng)、生物制造、智能與數(shù)字化制造等全新機(jī)械系統(tǒng)與設(shè)計(jì)概念都在逐步成熟，但也由此產(chǎn)生了新的測量問題。因此，測量技術(shù)在機(jī)械制造中的地位與重要性日漸明顯，同時(shí)也為測量技術(shù)提供了全新發(fā)展機(jī)遇。為了實(shí)現(xiàn)械制造測量技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，達(dá)到更高的測量技術(shù)水平，本文針對我國機(jī)械制造測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用情況作出分析，對比國際發(fā)展趨勢，提出我國在測量技術(shù)上改進(jìn)方向。

一、我國機(jī)械制造中測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.測量空間尺寸的現(xiàn)場校準(zhǔn)方法與裝置

在機(jī)械制造中，儀器的量值傳遞與校準(zhǔn)十分重要，是保證測量儀器精準(zhǔn)度的重要基礎(chǔ)。天津大學(xué)葉聲華院士發(fā)明了空間測量的現(xiàn)場校準(zhǔn)方法以及相關(guān)裝置，解決了實(shí)際測量工作中的現(xiàn)場校準(zhǔn)問題。首先，該方法能夠利用多種靶標(biāo)的幾何結(jié)構(gòu)作為自身標(biāo)準(zhǔn)尺寸，在空間測量時(shí)可以針對不同測量位置傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)信息，打破傳統(tǒng)測量中的約束條件，并且針對大范圍的測量作用具有較高的應(yīng)用價(jià)值。以測量系統(tǒng)的全局校準(zhǔn)為基礎(chǔ)，在傳感器校準(zhǔn)和傳感元件校準(zhǔn)上相對減少了誤差環(huán)節(jié)，進(jìn)而提高了校準(zhǔn)精度與速度。其次，通過直角棱鏡與小分束角渥拉斯頓棱鏡作為共光路自適應(yīng)系統(tǒng)，能夠有效解決空氣擾動和激光光束漂移的適應(yīng)性問題，其測量結(jié)果更加穩(wěn)定。最后，該項(xiàng)技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)了同軸度測量，應(yīng)用橫向塞曼激光器能夠激發(fā)正交線偏振光，從而規(guī)避熱漂移的不利影響，因此縮小了實(shí)際測量尺寸，也就達(dá)到了遠(yuǎn)程相互位置的現(xiàn)場校準(zhǔn)目標(biāo)。目前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到機(jī)械制造領(lǐng)域，尤其在車身測量系統(tǒng)中，減少了自測量非線性誤差，為機(jī)械制造提供了穩(wěn)定的高精度測量數(shù)據(jù)。

2.精密測量儀器的正交偏振激光核心技術(shù)

正交偏振激光器是我國自主研發(fā)的精密測量儀器，由清華大學(xué)張書練教授帶領(lǐng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)發(fā)明了該項(xiàng)技術(shù)多項(xiàng)精密儀器設(shè)備。激光器應(yīng)用了雙折射光學(xué)元件，將激光縱模劃分為兩個(gè)偏振正交，其可調(diào)頻率的頻差值在50MHz到1200MHz之間。同時(shí)在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了超短頻差He Ne激光器，解決了傳統(tǒng)單橫模激光器腔長過短激光光束不易穩(wěn)定的問題。利用雙頻激光的雙折射原理的振蕩特征，采取正交偏振、頻差調(diào)諧、頻率分裂、以及頻率競爭的實(shí)驗(yàn)方式，能夠總結(jié)出以往實(shí)驗(yàn)中不易得到的模競爭與模分裂現(xiàn)象。尤其在雙頻激光器中應(yīng)用三偏振特性，設(shè)計(jì)了測量位移數(shù)值的激光器納米測尺，其精度可以達(dá)到15mm量程，精準(zhǔn)度高于0.75?m，為正交偏振激光器的進(jìn)一步發(fā)展奠定了核心技術(shù)支持。

二、國際機(jī)械制造領(lǐng)域中測量技術(shù)的應(yīng)用情況

1.數(shù)字化測量技術(shù)

在機(jī)械制造生產(chǎn)現(xiàn)場針對測量技術(shù)的要求不斷提高的情況下，各國都在研發(fā)量具的實(shí)用性與精準(zhǔn)度。目前美國Mahr與M&M公司以及德國Klingelnberg 公司，都在測量儀器的精準(zhǔn)度上達(dá)到3?m，能夠應(yīng)用到監(jiān)測齒輪刀具和微小零部件。Kelch與Zolle等公司的CCD 數(shù)字式對刀儀產(chǎn)品已經(jīng)可以達(dá)到全程全自動測量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對于刀具數(shù)據(jù)庫管理效率極高，可以同時(shí)應(yīng)對多臺數(shù)控機(jī)床的通訊需求，同時(shí)以閉環(huán)反饋設(shè)置相應(yīng)的加工位置參數(shù)，有效的提升了測量標(biāo)準(zhǔn)和效率。該項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用到工具系統(tǒng)檢測、刀片檢測、涂層檢測、材料機(jī)體檢測、以及刀具在作業(yè)機(jī)檢測中，實(shí)現(xiàn)了高速高效、高分辨力、高精度的現(xiàn)場檢測需求。目前多國采用此項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)了高性能、小型化的激光測量儀器，其操作便捷性較高、系統(tǒng)輔助功能與補(bǔ)償功能較強(qiáng)，能夠有效提升數(shù)控機(jī)床的綜合檢測精度、加工精度、位置幾何檢測精度。

2.閉環(huán)制造技術(shù)系統(tǒng)

以先進(jìn)的測量技術(shù)為依托，結(jié)合相關(guān)儀器設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)完備的閉環(huán)制造系統(tǒng)，在機(jī)械制造領(lǐng)域中部分國家已經(jīng)達(dá)到“零廢品”的機(jī)械制造技術(shù)能力。克林格貝爾公司與格里森公司，應(yīng)用了齒輪測量的核心技術(shù)，以及齒輪測量軟件，將CNC 齒輪與加工機(jī)床相連接，完成了弧錐齒輪與圓柱齒輪的CAI 、CAM、CAD等閉環(huán)制造。Walter公司也利用相關(guān)技術(shù)生產(chǎn)新型的Helicheck萬能測量儀，針對數(shù)控刀具非接觸式測量與自動化測量，都呈現(xiàn)出較高的應(yīng)用效果。以O(shè)TC刀具的補(bǔ)償系統(tǒng)為核心，使用Helitronic數(shù)控刀具針對磨床完成在線連接，能夠有效降低成品報(bào)廢率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了較高的適用性。以實(shí)測值和設(shè)計(jì)值作為對比基礎(chǔ)，通過修正數(shù)控機(jī)床的磨削參數(shù)值，能夠保障復(fù)雜型面的精細(xì)加工質(zhì)量。以日本大阪精機(jī)為例，通過剃齒刀磨床和齒輪測量儀器的連接，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為支撐，能夠構(gòu)建完整的閉環(huán)剃齒刀磨齒系統(tǒng)，從而保障精磨加工標(biāo)準(zhǔn)的合格率提升。

三、我國機(jī)械測制造測量技術(shù)在應(yīng)用上的發(fā)展策略

1.WPS空間定位系統(tǒng)

發(fā)展機(jī)械制造中的測量技術(shù)，應(yīng)當(dāng)從具體的針對性技術(shù)上進(jìn)行突破創(chuàng)新，包括超大尺寸精密測量、微納米超精密測量、數(shù)字化非接觸測量等方面。首先，在可調(diào)諧與多波長的新型激光器研發(fā)上，需要開發(fā)激光二極管的適用性，提高絕對測長的技術(shù)水平。其次，在波段電磁波測距和高速短程激光測距的研究方向上，應(yīng)當(dāng)降低大尺寸測量的形位誤差值，包括百米以內(nèi)的同軸度測量、大工件元素位置間距測量、超大平面度測量、以及圓柱度和軸圓度測量等方面，在測量精度上需要盡早提升至微米量級。最后，基于高速坐標(biāo)跟蹤測量技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合無導(dǎo)軌測量技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，動態(tài)幾何量測量理論也需要進(jìn)一步提升應(yīng)用效果。在WPS空間定位系統(tǒng)“Workshop positioning system”中，務(wù)必達(dá)到方圓20m以上的應(yīng)用水平，坐標(biāo)定位誤差需要降低至微米以下，同時(shí)以10 m/s的跟蹤速度作為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，才能實(shí)現(xiàn)超越國際水平的應(yīng)用效果。此外，WPS的系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展需要面對微納尺寸的全新發(fā)展需求，應(yīng)當(dāng)從一維測量標(biāo)準(zhǔn)向多維測量方向發(fā)展，以便達(dá)到納米測量儀器的實(shí)踐應(yīng)用效果提升。依據(jù)動態(tài)測量和違阿貝原則，需要在空氣折射、隔振、以及熱誤差等方面有所改進(jìn)，爭取達(dá)到12nm量級以上誤差補(bǔ)充效果。endprint

2.Form-free測量模式

機(jī)械制造測量技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，必須針對計(jì)量學(xué)的具體問題加大研究力度，其重點(diǎn)方向?yàn)榛鶚?biāo)準(zhǔn)的測量理論實(shí)踐，以便提高測量精度和自校準(zhǔn)技術(shù)水平。Form-free的測量模式被稱為“免形狀”，是促進(jìn)測量技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，其商業(yè)化產(chǎn)品的應(yīng)用效果，也是目前多數(shù)研究重點(diǎn)方向。

免形狀測量技術(shù)的理論基礎(chǔ)是假設(shè)加工零件小偏差，精密測量時(shí)降低對其幾何形狀的依賴，在不清楚精密定位與幾何參數(shù)的情況下，通過形狀誤差與幾何尺寸進(jìn)行測量與判斷。主要應(yīng)用方式，需要通過高精度測量，獲取被測輪廓的數(shù)據(jù)微粒，以此推斷該輪廓的內(nèi)在幾何特征與量值。在此基礎(chǔ)之上，建立假設(shè)輪廓，包括二次曲線、漸開線、螺旋線、圓曲度等。在理論模型和特征量的支持下，采用誤差分析軟件和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對理論模型和被測輪廓進(jìn)行多次對比分析，根據(jù)所得結(jié)果降低測評誤差。發(fā)展免形狀測量計(jì)算的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用可以解決三個(gè)問題：提升測控模型校準(zhǔn)度，加強(qiáng)不易測量加工部件的形狀識別，降低形狀判定中的現(xiàn)實(shí)誤差。因此，我國需要在Form-free測量模式和技術(shù)的應(yīng)用上較大研究，爭取為機(jī)械制造提供更為精準(zhǔn)的測量值。

3.突破超大型測量精密儀器的核心技術(shù)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)，在譚久彬教授的帶領(lǐng)下，針對超大型精密儀器的核心技術(shù)進(jìn)行了深度研究。一方面，基于回轉(zhuǎn)潤滑面勻壓與復(fù)合節(jié)流的方法，該技術(shù)提供了“氣/固”與“氣/液”的兩相復(fù)合回轉(zhuǎn)潤滑方法，在回轉(zhuǎn)運(yùn)動基準(zhǔn)裝置中可以提高軸向與徑向剛度、回轉(zhuǎn)精度、以及相應(yīng)的穩(wěn)定性與承載能力。另一方面，在儀器運(yùn)動基準(zhǔn)與自身參照原理的基礎(chǔ)上，利用空間回轉(zhuǎn)誤差截面分離方式，設(shè)計(jì)了誤差分離裝置，在超大型儀器的測量精度上提出了相應(yīng)的解決方案。此外該項(xiàng)技術(shù)提供了差動共焦掃描測量的重要策略，通過超分辨共焦掃描，針對二次共焦和復(fù)色共焦都能提升掃描測量精準(zhǔn)度。在該項(xiàng)理論成果的基礎(chǔ)之上，我國應(yīng)當(dāng)將設(shè)計(jì)開發(fā)重點(diǎn)集中在共焦掃描測量技術(shù)的設(shè)備裝置與顯微鏡的應(yīng)用上。爭取將水平分辨力實(shí)現(xiàn)超分辨，垂直分辨力達(dá)到亞納米量級。進(jìn)而解決我國因此項(xiàng)技術(shù)的缺失，而導(dǎo)致超大型精密測量儀器使用率不高的情況。

四、結(jié)語

綜上所述，我國機(jī)械制造中的測量技術(shù)在未來發(fā)展中，應(yīng)當(dāng)注重自身的技術(shù)優(yōu)勢，同時(shí)參考國外的先進(jìn)研究成果，結(jié)合數(shù)據(jù)處理方法與幾何結(jié)構(gòu)的測量原理，針對測量儀器的開發(fā)與設(shè)計(jì)加大研究力度。重點(diǎn)研究WPS空間定位系統(tǒng)和Form-free測量模式的實(shí)踐應(yīng)用，以及突破超大型測量精密儀器的核心技術(shù)。爭取為機(jī)械制造提供更為精準(zhǔn)的測量結(jié)果，以便支持大規(guī)模機(jī)械生產(chǎn)中零部件精細(xì)化程度的現(xiàn)實(shí)需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王愛民，劉洋. 機(jī)械制造領(lǐng)域測量技術(shù)的發(fā)展研究[J]. 橡塑技術(shù)與裝備，2015，41（14）：29-30. [2017-08-02]. DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.14.013.

[2]裘祖榮，石照耀，李巖. 機(jī)械制造領(lǐng)域測量技術(shù)的發(fā)展研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（14）：1-11. [2017-08-02].

[3]石照耀，張斌，林家春，張華. 坐標(biāo)測量技術(shù)半世紀(jì)——演變與趨勢[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，37（05）：648-656. [2017-08-02].

[4]李元輝. 機(jī)械制造中機(jī)械自動化技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展[J]. 機(jī)械工程師，2013，（12）：31-32. [2017-08-02].endprint