面向新世纪迅速发展的精密测量技术
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当前,制造业省人化、自动化趋势进展迅猛异常,而测量作业在此过程中是不可或缺的关键环节,它与生产加工和制品运送同等重要。制造业对测量仪器的需求,在经过1998、1999年的低迷疲软之后,2000年后有了较明显的增长。当今世界,提高运营效率已成为制造业面临的重大课题,制造技术也随之掀起了不断革新的浪潮。在这种注重经营和技术创新的前提下,对测量仪器行业也提出了更高的要求,即量仪产品必须实现高速、高精度和系统化,而且必须与IT产业的发展相对应,同时应进一步加强质量管理。目前,各大公司针对测量仪器市场增长势头,正在加大资金投入,积极开发新技术、新产品。本文拟介绍近年来各公司面向新世纪开发的精密测量新技术和相关产品。

需求由疲软转向增长

由于受到长期经济增长呆滞的影响,自1998年以来,精密测量仪器的需求一直处于不景气状态。测量仪器是一个深受机床和汽车工业动向影响的行业。以日本的情况为例,1999年日本机床的订货回升,对精密测量仪器的需求从1999年下半年起也随之增长,如卡尺、千分尺等的产量均有所回升。当然,1999年由于产品单件价格下滑等因素,测量仪器行业总的形势仍有两位数字的下降幅度。
进入2000年以后,尽管增长缓慢,但从年初开始,连续9个月精密测量仪器的产值均呈正值增长。其中,传统型号的产品仍占市场的主流,但在三坐标测量机、粗糙度测量仪、圆度测量仪等方面,则对高精度产品需求的增长十分突出。预计,今后对那些面向质量管理的测量辅助系统及装置需求将有更大的增长。
必须注意的是,客户所要求的测量精度已由微米级向纳米级提升,而且这种提升的趋势一年比一年迅猛。如果不能适应此种需求去开发产品,则将难以扩大精密测量仪器的市场规模。当前,尤其是与半导体相关的领域,测量技术不敷应用的状况亟待改善。
据日本有关的调查显示,各测量仪器相关企业2000年的产值(以1998年度为100进行比较计算)将有两位数字的增长,增长幅度可望达到10%~30%。其中,BLOM-LMT公司的产值增长幅度估计将达80%,SOL公司的产值可增长90%。这些企业大都经营国外测量机产品,他们的增长幅度明显高于日本国内企业。日本测量仪器企业中,以东京精密公司的增长幅度最高,估计2000年将增长60%,销售的产品中,70%以上为半导体制造行业所需的测量仪器。

努力增强产品开发能力

面对需求增长的良好势头,各公司正在加大资金投入,努力增强开发新产品的能力。如以机床行业为最大用户的索尼精密工程公司,在其下属的伊势原事业所内建立了“校正中心”,从2000年10月开始承接检测测量仪器偏移及修理校正的委托业务,并和专门生产电动测微仪的索尼公司合作,通过索尼公司内部的协作,对机械式和电动式测微仪进行委托校正服务,预计2001年的营业收入将达1亿日元。
三丰公司为了增强产品开发能力,已于2000年4月在川崎市高津区建立了由总公司直接管辖的“川崎研究开发中心”,该中心将对三丰集团的研究开发力量进行统一调配,使公司分散在国内外的研究所、开发部门相互联接为一个整体,从而大大增强了开发能力。现已开发出非接触式测量机和新型卡尺、千分尺等。该中心的运作方式大体如下:首先将三丰集团分散于国内外的研究部、研究所联为一体,再按其特点分别从事关键技术、新产品、新技术的开发工作,最后由中心汇总至生产之中。
东京精密公司则非常重视那些具有特殊技能的专业技术人员,在法定的工作年限内(通常为60岁),让他们担任重要的管理职务,并委任他们为公司的“常务理事”。对于这些具有技术专长的人员,工作年限可以延长到65岁;同时,还采取减少集体股份和增加个人持股等措施,以适应围绕企业周边的环境变化,提高经营业务的透明度。
另一个值得注意的动向是外国公司设在日本的法人企业正在竭力扩大其日本市场的占有份额。如BLUM-LMT公司是德国测量机企业BLUM-NOVOTEST公司在日本建立的法人企业,该公司成立于1999年2月,德国BLUM公司以此为桥梁,大力向包括日本在内的亚洲地区开展了营销活动。BLUM-LMT公司主要销售利用激光测量尺寸、形状的各种测量系统,如该公司的激光可控式微型工具测量装置,采用非接触方式随机测量切削工具的长度、直径、振摆、磨损及折断等情况,可有效提高加工精度和生产效率。该公司的接触式传感器Z-NANO是一种高精度检测装置,传感器配有三维测头,检测时测头只需以极小的压力接触被测对象,检测信号的传输则采用光学原理,为非接触传输。Z-NANO的测量精度很高,测头的重复精度达0.5μm。BLUM-LMT公司在提供检测仪器的同时,还提供相应的技术服务。
MARPOSS公司近1~2年来,特别注重元件的商品供应,他们看准了其他公司在制作测量仪器时急需大量的零部件,因此加大了元件的供应批量。另外,该公司的电动测微仪超小型测头系列可进行1μm以下的精密测量。
德国最大的测量机制造企业玛勒公司最初是向日本推销卡尺之类的小型测量工具,随后才销售三坐标测量机等大型测量设备。玛勒公司除了完善新的小型测量机专销网点外,还开展了网上销售业务,他们试图通过多种销售渠道扩大市场占有份额。该公司以日本总代理TECHNO精密公司为核心,先后在东京、大阪、名古屋、九州等地区建立和完善了代销网点,同时,配合网上销售,已经建立起一个小型测量装置的专门销售体制。

非接触、高效率是测量技术的重要发展方向

近来来,精密测量技术的发展迅速,成果喜人。例如在线测量技术,已可进行加工状态的实时显示,根据对加工状态的监控,可及时检测是否出现异常状况,从而可大幅度提高生产效率。另外,对于机床控制装置,则要求高精度化、低成本和小型化。其中,最重要的是高精度化,因为诸如汽车发动机等均要求其组成零部件必须具有非常高的精度,以便减少噪声、防止环境污染和节省能耗,这些都是时代对制造业提出的紧迫要求。
在高精度加工和质量管理过程中,通常均需使用三坐标测量机、圆度形状测量机、表面粗糙度测量机、各种长度及角度测量装置等设备。光学测量机是以光学系统等硬件为主要功能部件的制品,因此,随着光机电一体化、系统化的进展,光学测量技术有了迅速的发展,相应的测量机产品大量涌现,测量软件的开发也日益受到重视。
近年来,利用光学原理开发的非接触测量机及各种装置非常多。如MARPOSS公司的非接触式工具测量系统Mida Laser就是利用激光测头的新型测量机,该机可在CNC机床保持运转的情况下,自动对所用工具进行非接触测量,并可根据测量所得数值,对工具进行自动定位。索尼精密工程公司的非接触形状测量机YP20/21也是利用半导体激光高速高精度自动聚焦传感器的形状测量机,所用刻度尺均系标准元件。传感器和载物台均由微型计算机控制,具有优异的操作性能和数据处理功能。YKT公司销售的非接触三坐标测量系统Zip250是一种高刚性、高速、高精度的新型测量机。该机载物台的承载重量为25kg,刻度尺的分辨率(X、Y、Z轴)均为0.00025mm。机上配装了带数码法兰盘的CCD摄像机和最新DSP转换器,因此,可进行高速图像处理测量,同时,也可与接触式测头并用进行相关测量。
随着非接触、高效率测量机的大量出现,专家们预计,21世纪测量技术的发展方向大致如下:
  1. 测量精度由μm级向nm级发展,进一步提高测量分辨率;
  2. 由点测量向面测量过渡,提高整体测量精度(即由长度的精密测量扩展至形状的精密测量);
  3. 随着图像处理等新技术的应用,遥感技术在精密测量工程中将得到推广和普及;
  4. 随着标准化体制的确立和测量不确定度的数值化,将有效提高测量的可靠性。
总之,测量技术必须实现高精度化,同时也要求实现高速化和高效率化,因此,非接触测量和高效率测量也就必然成为新世纪精密测量技术的重要发展方向。

不断开发高性能产品

需求形势的好转,进一步激发了生产企业开发新产品的积极性。近年来,各公司不断推出高性能的测量机产品。在高分辨率方面,前述索尼公司的YP20/21最为突出,该机是一种超高精度非接触式形状测量机,其Z轴的分辨率高达10nm,重复精度为±30nm。该公司还生产一种小型激光刻度尺BS77,其分辨率在10nm以下。
在形状精密测量方面,最近市场上出现了配装高速高密度扫描测头的三坐标测量机,如东京精密公司开发的CONTURA三坐标测量机就汇集了最新扫描技术,可进行高密度数据采集(200点/秒)。该机安装了高速扫描测头VASTXT,最大扫描速度为70mm/秒,测量范围(X、Y、Z)=700mm×1000mm×600mm。该公司开发的圆度、圆柱形状测量机RONDCOM65A,据称可测量目前世界上可达到的最高回转精度0.01μm,测量机上也配有最新的解析程序TIMS,可实现高速高效率精密测量作业,最大测量直径为φ420mm,左右送进范围为220mm,上下送进范围为500mm。
英国Taylor Hobson公司开发出一种分离式表面形状及粗糙度测量机,操作、显示均采用红外线信号,因此,可对驱动测量部分进行遥控。驱动测量部分采用2μm测头,测量范围为1mm,分辨率为16nm。另外,该公司还开发出Tarlyrond 265/290系列圆度及圆柱度测量机,该机测量范围广,可对小至几mm的微型零件,大至75kg的大型零件,进行全自动测量。该机配有自动定心及矫正装置,立柱可上下移动,杠杆可前后移动,可对工件的内圆、外径、端面进行全自动测量。Tarlyrond测量机采用模块化设计,可根据不同需要,选择不同的配置组合。该机的测量范围为φ350~500mm,测量圆度精度为±(0.04μm+0.3μm/m)。
Brown & Sharpe 公司开发的PMM-C700测量机采用不移动桥架的结构,从而可长期保证桥架移动型结构难以达到的高精度和高稳定性。该机的最小分辨率为0.005μm,可对凸轮轴、涡轮叶片等复杂形状的机械零件进行高速高精度测量。
齿轮形状曲线复杂,测量起来极为困难。日本大阪精密机械公司开发出一种准双曲面齿轮测量机,型号为HyB-35,该机不仅可进行三坐标测量机那样的晶格结点测量,而且可在线性方面对轮齿的棱边进行测量,从而捕捉到导致出现噪声和振动的微细形状误差,以进一步提高齿轮精度。

分辨率达到0.1μm的刻度尺

索尼精密工程公司开发出一种非接触图像测量机,型号为YF10。这是一种利用图像处理技术的精密测量机,机上配置了数字摄像装置,采用了全轴分辨率为0.1μm的刻度尺;此外,该机还采用闭环控制系统,可进行高精度测量。
三丰公司开发出一种快速成像接触测量系统,可使过去利用CCD的图像测量机功能更加完善,操作更为简便。利用此种新型接触测头,也可进行非接触测量。
东京精密公司开发的便携式三维测量系统Optigo,是一种高效高速测量三维曲面的新型测量装置,该装置配有新设计的光学系统和数据处理系统,可对汽车的门窗,阻尼器等大型零件进行高速非接触测量。
在通常情况下,作为生产现场使用的测量机具,必须保证在整个测量过程中具有良好的操作性能,而且必须力求节省所占用的空间。如三丰公司开发出一种柔性测量装置QM-Measure,这是专门为在加工现场测量复杂形状而研制的袖珍型三坐标测量机,特点是操作简便,价格低廉。西铁城公司开发出一种电动测微仪用的小型上置式DTM-C系列,实现了生产设备机械小型化和高精度化,进深达7cm,而体积却减小了2/3,非常便于安装在其他生产设备上使用,该装置的最小分辨率为0.1μm。
RENISHAW公司专门为加工中心和车床开发了一种非接触式工具检测系统NC1,这是一种高速非接触式测量系统,能快速进行工具长度、直径的测量,该系统的特点是可在激光束的任意位置上对工具进行测量,测量范围0.2~0.8mm,分辨率为1μm。NC1系统采用了新型激光技术,既可保证测头的精度特性,又便于安装,且无需作特别的维护。该系统在正常情况下,其使用寿命可达100万次测量。
在超精密及半导体零件的检测等方面,要求测距仅约1nm。以往nm级精度的测量大都依靠激光干涉仪,激光干涉仪是利用光的波长作为测量基准,光线随着通过的媒体折射率的不同而变化,因此,进行高精度测量时,还必须进行精密的补偿。HEIDENHAIN公司开发出一种高精度高分辨率测长系统LIP382/372,可取代以往的激光干涉仪。该系统的测量基准是固定的,因此,不易受气压、温度等空气变化的影响。LIP的刻度尺是在Zerodur玻璃陶瓷上采用TITANID格栅,可以刻出非常细小的刻度;刻度尺的纵向距离可保持0.5μm精度,其重复精度极高,只需进行简单的补偿,在小于1mm距离内的测量精度可达数nm,而且其信号非常稳定。
综观当前精密测量技术的发展状况,有如下一些特点:普遍追求高速、高精度、系统化、网络化;为了便于在线测量,各公司正在大力开发小型化的精密测量装置;为了增强市场竞争能力,生产厂家均在努力加强质量管理,降低生产成本。随着全球IT产业的蓬勃发展,精密测量领域也不断开发出适应IT特点的测量机产品。可以预计,面对新世纪的需求,精密测量技术将进一步集约化,产品结构更为紧凑,操作性能进一步提高,自动化水平也必将提升到新的档次。当然,各厂家高性能产品之间的竞争也必然更加激烈,谁抢先拥有高精尖的测量技术,拥有先进的管理系统,谁就将在竞争中稳操胜券。
本文作者:王文光(编译)
上载于:2004-6-22 11:02:51

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