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大工件測量的現狀和問題
時間:2010-07-20 點擊:17

隨著大型極端制造技術的發展,大工件形狀越來越復雜、精度要求越來越高,這些都對測量和質量保障提出了要求,盡管目前出現了多種高精度、大范圍的測量技術和儀器,但由于大工件自身要求和環境等方面的約束,在實際測量與質量控制過程中出現了許多問題,這里就一些主要問題展開初步討論,以起到拋磚引玉的作用。
什么是大工件

目前對大工件的概念并沒有一個嚴格的定義。一般認為,大工件就是具有一定測量精度要求,體量特別大,找不到合適固定坐標測量機測量的工件。

但從目前大型機械極端制造的角度看,大工件可以從以下兩個方面大致框定:①工件一般由機加工成形或機加工件裝配成形,其被測量內容不僅包括尺寸,還包括幾何公差(俗稱形位公差)。測量精度和幾何公差的測量要求是大工件的第一個特征,它在相當程度上制約了諸如經緯儀、全站儀等測量儀器以及一般光學(包括激光)測量方法的應用;②其形狀和體量是目前常規尺寸的坐標測量機所無法應對的。這里強調的是常規尺寸,不包括專用的坐標測量系統。在這種情況下,移動測量就成為了大工件測量的第二個特征。

所以說,大工件應該是精度和體量的統一體。如果一定要從尺寸上來區分的話,也許以2m體量起,有機加工精度要求的機械零件就可以認為是大工件。比較典型的如大型注塑機殼體(2000mm×2000mm×800mm)、小的風電輪轂(球徑3000mm左右)等,而且其孔系的位置度要求非常高(0.03mm左右),能應對其長寬高體量特征和測量精度的常規固定式坐標測量機已不多。

以此類推,那么汽車白車身這一類工件的測量則不被認為是大工件,因為已經有成系列的專用坐標測量機,同時由于是鈑金成形及拼接件,其總體精度與機加工件相比還有一定的差距。而在白車身車間的那些在線測量工具,其檢測與調整則常被認為是大工件,因為它們一般都會用到移動測量工具。



大工件的常用測量手段

從對大工件的初步定義來看,其測量手段應具有三種功能:①具有足夠的精度,即根據測量精度分配的原則和要求,以及現場實際測量情況,當在圖紙規范的1/3~1/10;②具有移動性,并能在多次定位(俗稱轉站、蛙跳等)情況下保證測量精度;③具有坐標測量功能,即配備有幾何數字測量軟件功能,能進行采樣測量、幾何要素擬合、測量坐標和評定基準構建、尺寸計算和公差評定、幾何公差計算和評定等。

目前市場上滿足上述要求的測量手段主要有:激光跟蹤儀、便攜式測量臂(俗稱關節臂)、3D攝影測量系統等。


事實上,從這些測量儀器的測量原理來看,都是通過對被測幾何特征上點的提取、采樣、擬合、計算和評定來完成測量工作的,都屬于坐標測量機范疇。

但各種測量儀器有其各自的技術特點、應用范圍,當然價格也有差別,下面就此作義簡單比較:

1. 激光跟蹤儀

這是目前測量精度最高的大工件幾何尺寸和幾何公差測量工具,而且一次定位的測量范圍最大(目前最大的可達球徑60m)。此外,通過隱藏點(如Leica的T-probe)和掃描附件(如Lecia的T-Scan)的配置,應用范圍十分廣。此外,激光跟蹤儀的自動跟蹤功能,使其還具有動態測量的功能,在相關附件的配合下(如Lecia的T-MAC),能完成物體的空間6D測量與評定。

2. 便攜式測量臂

這類測量裝置的精度相對較低,一次定位的測量范圍也較小(一般達1.5m球徑左右),同時由于其多關節的結構特點,精度保持性相對較差,一般用于生產現場等精度要求較低的場合。

3. 3D攝影測量系統

這類通過攝影及靶標系統進行測量和拼接的系統,其測量精度比較低,但其測量速度遠高于使用單點測量方法的上述兩種儀器,不僅能作為移動測量,也可以用于生產線中的在線測量工位,其主要功能為形面的快速測量和評定。這類儀器逆向工程中也有較廣泛的應用。

大工件測量技術的應用主要集中在以下幾個方面:①幾何測量和評定(GD&T):對已加工幾何特征的檢測,包括尺寸公差、幾何公差的測量和評定等;②測量輔助加工(MAM:Measurement Aided Machining):主要用于大型工件在加工過程中的測量、安裝調整及在線檢驗等;③測量輔助裝配(MAA:Measurement Aided Assemble):主要用于大型部件裝配過程中調整的輔助測量。

隨著大型極端制造技術和工藝的發展,后兩類在生產現場的輔助需求正變得越來越多,特別是在核電站、船舶、航空、航天等有高精度要求的領域。



影響大工件測量的因素

從一個完整的測量系統來看,目前大工件測量可以說問題很多,而且相互交織。主要體現在以下幾個方面。

1. 測量儀器的精度問題

目前對移動測量系統精度檢定在標準和規范上還未完善,即使已有相關標準和規范,其檢驗的條件并不與實際應用相符,因此在現場實際使用時的精度狀況是一個值得我們關注的重要問題。


2. 被測對象的影響

這里包括工件被測表面的質量、它將直接影響測點的采集。此外,當需要多個方位測量時,測量轉站給測量結果帶來的影響是不可避免的,盡可能多和分散的公共點分布將有利于減少轉站引起的誤差

3. 溫度對測量的影響

現場測量條件下溫度的變化是目前大工件測量中最容易忽略,也是最致命的一個問題。如果工件無法等溫,那么對于具有很大熱容量的工件而言,在測量時其實際的尺寸狀況是不穩定的,其造成的影響就會難以估計,這也將是整個測量工藝中需要認真考慮的一個問題。

4. 測量現場的影響

現場測量環境的影響主要表現在地面振動對測量過程的影響。

5. 測量工藝規范的影響

傳統測量方法,特別是對幾何公差的測量都已成熟,并有相關的標準與規范可以參照,但坐標測量方面的規范目前還未形成,因此這將是影響測量結果準確性、復現性和再現性的最根本因素,也恰恰是目前大工件甚至是整個坐標測量領域沒引起足夠重視的一個方面。還會嚴重影響工作效率。

6. 測量人員的影響

由于大工件測量過程一般都是人工操作,因此操作人員的水平直接影響了整個測量原始數據的采集質量。此外,在對測量要求和測量工藝的理解、對測量現場和測量過程的感知、對測量結果的判斷等方面,對大工件測量人員的技能和經驗方面的要求遠高于一般的固定式三坐標測量人員,盡管從理論上講他們都是在操作坐標測量機。

從上面我們可以看到,要想控制大工件的測量質量,其根本在測量人員的技術素養和測量工藝規范的制訂,以及對測量系統分析(MSA:Measurement Systems Analysis)技術的應用。

國企在坐標測量技術應用中存在的問題

從目前國內制造企業在坐標測量機的應用情況來看,問題很多,而大工件測量由于其測量精度、測量體量和現場測量等特點,其所暴露出來的問題就更為全面和嚴重。

首先,企業對新技術的了解和掌握程度有待提高。相當多的企業并不了解大工件的數字坐標測量技術,在進行許多高精度幾何測量時,還在沿用原來的方法,如全站儀、經緯儀、水平儀,以及一般常規的光學方法,這不但影響了測量精度,同時也影響了測量的效率。

其次,整個制造業對坐標測量人員技術要求缺乏理解。大工件對測量人員本身的技術要求非常高,如果以職稱來衡量,那么至少需要能獨擋一面的測量工程師,即具有理論知識、操作技能和實際經驗等。

最后,就是企業對測量過程管理方面的要求認識明顯不夠。數字測量是產品幾何尺寸的公差過程控制的源頭,但許多企業將坐標測量設備作為一種擺設,這實際上是對產品質量的不重視。

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