几何量工业测量的现状与发展
2022-06-15
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第38卷第l2期 仪 器 仪 表 学 报 Chinese Journal of Scientiifc Instrument V01.38 No.12 Dec.2017 2017年12月 几何量工业测量的现状与发展 李 明 ,于冀平 (1.上海大学机电工程及自动学院上海200072;2.深圳市计量质量检测研究院深圳518055) 摘要:工业测量不仅是要获取产品质量状态信息,还将成为工业4.0等未来制造模式中的赛博化系统(CPS)的一个重要信息 源。然而,工业测量涉及到一个庞大的技术体系,包括误差/公差的定义、检测的方法、评定的方法、多种测量方法测量结果的比 对、测量系统构建及能力评估、产品质量符合性判定及验收等,其背后则是一套完整的国家/国际标准以及严格的测量过程管理 体系和产品验收流程。以产品的几何量质量及检测为对象,从计量/检测的原理和方法角度,基于目前最先进的质量设计和控 制的理念与方法,探讨了工业测量背后的标准体系及其相关理论与方法。分析和研讨了现代工业测量技术及其发展中涉及的 相关技术问题、国内外工业测量技术目前的应用现状,并对工业测量技术的发展进行了探讨。 关键词:工业测量;计量;质量;产品几何技术规范与验证;工业4.0 中图分类号:TH7 T一1 TB92 文献标识码:A B 国家标准学科分类代码:410.55 Status and development of geometric measurement in Industry Li Ming ,Yu Jiping 1.College ofElectromechanical Engineertng and Automation,Shanghai Un&e ̄ity Shanghai 200072,China; 2.Shenzhen Academy of Metrology&Quality Inspection,Shenzhen 518055,China) Abstract:Industiral measurement CaN not only obtain product quality status information,but also CaN be all important ifornmation source for cyber physical system(CPS)in Industiral 4.0.However,industirla measurement is a complex technical system,including the definition of error/tolerance,measurement and evaluation method,comparison between measured results from difierent measurement methods,measurement system development and its performance evaluation,determination and acceptance of product quality,and ete. Besides,there is a complete set of ISO/GB(GPS&V)standards,as well as stirct measurement process management system and product acceptance process.Industrial measurement operator must follow these management system and process.Focusing on product geometry quality and measurement,this paper analyzes the metering/measuring principles and methods,theory and methods of advanced quality design and control,standard system and its related theory and methods in industry measurement,and etc.Some development directions of industrial measurement technology are also discussed. Keywords:industiral measurement;metering;quality;geometrical production speciifcation and verification(GPS&V);industiral 4.0 新的制造模式下,必然会给产品质量控制,包括测量技 0 引 言 术提出新的要求。本文以产品几何量的质量和测量为对象 来探讨相关的问题以及背后的理论和技术。其主要涉及到 如下内容: 1)工业测量与通常意义上的计量存在的技术和应用 关系; 2)工业测量的任务及工作内容; 3)工业测量背后的理论基础及技术支撑体系; 测量是科学的眼睛、也是工程的眼睛,测量的重要性 是显而易见的。随着人类工业化进程的加速,特别是信 息化、智能化技术的高速发展和无可争议的应用前景。 先进工业国家已在思考未来的工业模式,工业4.0、智能 制造等新概念和模式层出不穷。 收稿日期:2017—05 Received Date:2017—05 仪器仪表学报 第3 8卷 4)工业测量的过程管理,以及其管理依据; 5)工业测量结果的溯源、比对的方法; 6)工业测量结果与产品验收的关系及应用方法; 7)工业测量结果的应用方法; 8)工业测量技术、及其现状及相关问题; 9)不同工业测量系统、工具的应用; 1 工业测量的核心任务和工业内容 国家计量技术规范《JJFIO01-201l通用计量术语及 定义》将计量学定义为测量及其应用的科学。用这个定 义去理解工业测量(或称为工业计量),将有助于更好地 解读工业测量/计量的内涵及其应用。表1所示为工业 测量的主要任务和工作内容。 10)工业测量技术如何适应工业发展和应用需求。 从上述问题中,可以看到一个比常规意义上的“计 量”更为宽泛、更为复杂的体系…。 表1 工业测量的核心任务与主要工作内容 Table 1 The core task and main contents of industrial measurement 核心任务 任务来源 操作对象和内容 1.操作对象为标准器具/计量器具 操作目标 备注 1.通过量值传递来确保测量结果的准确性和有效性 计量/ 保证测量 结果具有 溯源性 计量管理 2.测量系统的检定、标定、校准 2.操作对象为待检定和校准的专用测量 3.通过测量不确定度的估算,进行测量系统的能力 器具/系统 3.操作内容为测量系统和器具的计量 特性 评估 校准操作 4.通过对测量不确定度表述的共识,构建不同测量 系统间测量结果的比对基础 豢 一鬻 从表1可以看到工业测量有别于常规意义上的计量 操作,其主要表现如下: 1)对象的不同 计量的主要工作在于量值统一,其主要检测对象一 般是标准器或测量系统,而工业测量则是测量系统的应 z.蠛 5.产品质量的信息化管理与发布 …… 应用操作 2.基1.于根误据差指工评标程定符图结合样果性要和判求不定,进确以行定及偏度验差表收/述操误共作差识 评的定技 术 3.掌控制造系统状态和产品的制造误差分布特性 4.基于实测数据的产品制造和装配工艺调整 6.与几何质量相关的设计与制造的优化与改进 4)应用的不同 计量的结果大多应用于对标准器的检定和校准,而工 业测量除了测量结果同样需要溯源外,还会被用于综合分 析以反馈到设计和制造系统,用于质量和成本的改进。 综合上述可以看到,工业测量包含有更大范围和更 为复杂的技术体系,更涉及到了产品全生命周期。 用,其对象主要为产品。而产品的多样性决定了工业测 量的繁杂和难度。 2)依据的不同 2几何量工业测量的技术体系和规范要求 从工业测量的要求和具体操作流程来看,其涉及到 的相关技术和主要操作包括以下几个方面。 2.1测量任务及其规范方法 计量操作有着严格的规范体系,针对标准器,有《计 量技术规范(JJF)》和《计量检定规程(JJG)》等。但至少 在目前,工业测量在极大多数企业和应用现场,并没有类 似JJF和JJG的这类规范,这也是目前工业测量过程中问 题较多的主要根源。 3)内容的不同 一对于产品几何量测量而言,其主要测量对象为工件 般情况下,计量操作的内容以单参数为主,而工业 测量还包括了许多综合参数的检测以及制造过程的信 息,但这方面的检测往往只需要相对测量。 上几何要素的几何特性,宏观方面的几何特性包括几何 要素的大小、形状、方向、位置等方面的误/偏差以及其综 合误差。微观方面的几何特性主要涉及到二维和三维的 表面结构,包括粗糙度、波纹度、表面纹理、表面缺陷以及 第12期 李明等:几何量工业测量的现状与发展 2961 三维表面形貌等。近年来,与微观几何特性密切相关的 感知误差也被明确地提了出来。从测量任务的角度看, 对这些几何特性的测量要求,设计工程师必须明确地、完 整地、规范地表达在工程图样/技术文件上。考虑到被测 工件的实际误/偏差还会受到应用工况、环境、材料、装 还必须在规范可控的操作下才能得到。而后续对测量数 据的分析处理以及应用,同样应该在相应的操作规范下 操作。这些操作包括根据工程图样/技术文件规范进行 的误差评定操作 ;根据制造过程能力要求及控制规范 进行的批量工件误差统计分析以及对过程能力(C 、C 夹/装配等因素的影响,因此,对这些影响因素的约束同 样必须在工程图样/技术文件中加以明确定义和规范表 达。同时,由于同一几何特性的规范要求,可能存在着多 种测量操作,包括测量方法、数据处理方法等,这可能会 等)的评估操作;根据制造系统能力(C 、P 等)要求进 行的制造系统状态获取、分析与监控操作;根据产品验收 规范进行的产品几何质量符合性评定操作;根据设计优 化过程规范进行的实际误差状况分析、评估和反馈操作 造成测量结果的多样性,甚至偏离设计方对几何质量的 控制意愿。因此,必要时需要对测量操作进行相应的规 范。目前,ISO/GB产品几何技术规范与验证(geometrical production speciifcation and veriifcation,GPS&V)标准体系 已明确给出了相应规范要求的表达方法 。总之,对于 工业测量而言,特别是从目前制造业实际测量操作的情 况来看,设计决定70%质量的说法,在工业测量领域也 许同样有效。 2.2测量数据精准获取的规范方法 按照工程图样/技术文件进行测量操作,即“按图施 工”,一直是工业测量中最根本的原则,这一点被ISO/GB 标准规定为对偶原则 。这种对偶涵盖了对误差和公差 定义、测量方法、测量过程、数据处理方法等规范操作,表 现为全方位对工程图样/技术文件规范的完全响应。为 此,ISO/GB标准给出了针对测量的规范操作集。但 ISO/GB标准给出的规范一般只是基础性、共性的和指导 层面的,而对于千变万化的实际工件和测量任务,必将有 许多的测量操作需要细化和进一步规范,其主要内容包 括针对测量任务的具体测量方法和测量程序设计、测量 系统的构建和能力要求、测量操作中相关工艺参数的设 置等。所有这些,最终将形成一份完整的《测量技术规范 (测量工艺文件)》 J,它是测量结果精准有效的根本保 障,更是测量数据可溯性和测量结果比对的依据。从这 个规范文件的内容来看,有点类似计量操作中的JJF文 件(计量技术规范)。 2.3测量系统构建与能力评估的规范方法 基于已制订的《测量技术规范(测量工艺文件)》,构 建符合要求的测量系统,并对测量系统进行不确定度估 算和优化,最终确认测量系统的适用性 J。不确定度估 算须考虑的影响因素包括人、机、物、环、法等方面。这项 操作将生成《测量过程规范(测量操作规范文件)》,它不 仅将规范具体的测量操作,也是对实际测量操作进行过 程管理的依据。从这个规范文件的内容来看,有点类似 计量操作中的JJG文件(计量检定规程)。 2.4测量数据应用的方法与规范 基于上述二份测量规范文件,精准有效的实测数据 等等。 上述几点是工业测量中最核心的内容,其中全部涉 及到了“规范”。然而,国内许多企业在实际工业测量操 作并没有基于相关规范在开展测量操作。事实上,《测量 技术规范》和《测量过程规范》的制订恰恰是目前国内企业 工业测量操作中被严重忽略的地方,其直接导致了测量过 程的失控,测量数据可信度的下降,乃至产品质量的失控。 《测量技术规范》和《测量过程规范》的制订及其制 订依据涉及到一个庞大的技术体系,需要引起足够的重 视。 3 工业测量涉及的标准体系和规范方法 从工业测量的整个操作流程来看,其涉及到从误差/ 公差定义与规范、测量技术规范、测量过程规范、测量数 据表达规范以及测量数据应用规范等多个方面,还包括 在这一系列规范下开展的规范操作。同时测量结果的有 效性必须建立在量值统一和对测量不确定度表述达成共 识的基础上 。由此可以得出一个结论,对于测量而言, 规范和标准是必不可少的。 此外,设计与制造都已进入数字化时代,几何量测量 技术也进入了数字化时代,这就需要解决以往的那些几 何量测量技术和方法与几何量数字测量技术之间的关系 问题,特别是需要解决这些测量方法之间的量值统一和 数据比对问题。 ISO从1995年开始,整整化了10年左右的时间,针 对数字化技术的发展以及设计、制造、控制、验收与验证 等方面技术发展和应用需求,开展了针对原有的“产品几 何技术规范”及其标准体系的系统和全面的改造与重构。 然后又化了近10年时间,进行了全面补充、扩展与完善。 到目前已形成了由150多个标准组成的标准体系,其名 称为“GPS&V”。 3.1设计与验证的关联 ISO/GB标准将设计与验证明确地进行了关联,特别 是明确了设计方对测量与验收的责任,具体体现在给出 了一系列可以由设计方规范的测量方法,图1所示为 GPS&V标准体系中给出的涉及检测操作的相关符号示 2962 仪器仪表学报 第3 8卷 意,其中图l(a1)所示为ISO 14405:2010标准中给出的 规范测量方法的尺寸公差标注方法示意,这里的符号分 别对应着局部(二点)尺寸和最小外接圆直径。图1(a2) 所示为ISO 1101:2017标准中给出的圆柱度公差标注规 范,它在圆柱度公差中规范了滤波的要求,包括滤波操作 的截止波长等参数。图1(a3)所示为参照ISO涉及表面 结构的相关标准标注的一个复杂的表面粗糙度标注案例 示意。 分别用来规定误差区域和被测要素的拟合等操作方法。 图1(e)所示为1SO 14405:2010标准中给出的有关功能 尺寸规范的相关符号汇总。该标准中还给出了这些标注 规范对应的检测操作方法。 图1(d)所示为来自ISO 1101:2017标准的示例,其 表示了由设计方规范的相应安装工况下的精度要求规 范。图1(e)所示为来自ISO 1101:2017标准的三维公差 标注示例,其几何公差框格代号后面关联的相关标注,进 一图1(b)表示在ISO 1101:2017标准规定的,可以在 公差框格代号中规范的相关符号,其中,以C、CE等符号 步细化了和规范了被测要素的提取操作,其中,关于三 维标注的表达规范则由1SO 16792:2015标准给出。 (a1)ISO14405:201O标准公差标注示意 (a1)Tolerance example in ISO 14405:2010 stndara (a2)ISO1 101:2017标准公差标注示意 (a2)Tolerance example in ISO 1 101:2017 standar (a)最新ISO标准给出的一些公差标注示意 (a3)复杂表面租糙度标注示意 (a3)Annotation ofcomplex surface rougk.ess 公差带 被测要素 规定的 偏置量 UZ+O 2 UZ.0 3 UZ+O 1:十O 2 特征 导出 要素 拟合b 参数C 形状 宽度与范围 组合/ 独立 OO2 S击 0 02-O O1 O1/75 约束 滤波a 类型 嵌套指数 实体 状态 状态 拟合 CZ SZ OZ VA >< G O 8 500 15 —@ ④ o CCECI P 0 l/75×75 0 2/击4 0 2/75×30。 UZ+O 2:一0 3 UZ一0 2:一0 3 S —250 8 Q 25 etc 0 8-250 @32—7 500-1 5 etc GGEGI X V T N Q ⑩ ① ④ o 0 3/10x30。 1a 1b 2 3 dd 5a 5b 6 1d 8 9 1O 11 (b)几何公差(框格代号)中涉及测量方法的相关符号示意图 (b)Some symbolic examples in geometric tolerance frame 修饰符{ 说明 @{-X店尺寸 ◎l由球定义的局部尺寸 l最小二乘拟合尺寸 — I最大内接拟合尺寸 ◎i最小外接拟合尺寸 囝j由周长计算的直径尺寸 {由体积计算的直径尺寸 i {最大尺寸 两}苗面税讦算的直径足寸 ④I最小尺寸 ④}平均尺寸 ⑩ 值尺寸 l中间范围尺寸 ④ {范围尺寸 (c)功能尺寸及测量方法示意图 (d)标注有工况要求的图样示例 (c)Exmnples of functional size and measurement(d)Design examples with working conditions (e)三维公差标注的示例 (e)Example of 3D tolerance 图1 产品几何技术规范和验证标准体系中涉及测量要求的符号示意图 Fig.1 Some tolerance examples in GPS&V standards 第12期 李 明等:几何量工业测量的现状与发展 2963 3.2测量操作的基本原则 已制订了一系列标准 ,除了原有针对一些常规计量器 具的规范和标准外,ISO 10360/GB 16857系列标准对以 三坐标测量机为代表的数字化测量设备的检验与复检给 出了规范方法 ” 。同时考虑到实际测量工作的复杂 性,还给出了面向测量任务的测量不确定度估算的规范 方法,这部分内容在ISO 15530/GB 24635系列标准中给 出,这个系列标准包括了运用已校准工件、专家系统、数 GPS&V标准体系给出了对偶等原则,既要求设计方 在必要时明确给出检测方法规范,也要求检测方基于对 偶要求,严格按设计要求和相关标准制订测量规范,并按 规范控制整个测量操作过程。同时GPS&V标准体系也 给出了缺省原则,并给出了在图样规范缺省情况下的测 量操作方法。相关的原则和方法在ISO 8015:20tl、ISO 5459:2011和ISO 1101:2017等标准中给出。而对测量 过程的控制要求,则在ISO 10012:2003/GB 19022 ̄003 值方法等进行面向测量任务的测量不确定度估算的规范 方法等 “ 。 中给出。 3.3测量操作的规范流程 GPS&V相关标准明确给出了测量操作的规范流程, 即以操作集/操作算子的形式给出了明确的操作定义、操 作方法及其规范流程,包括分离、提取、滤波、拟合、导出、 评估、组合和构建等操作。其统一了基于同一几何量测 量原理的二种具体测量方法的测量操作,这二种测量方 法分别是基于实物标准器和基于虚拟标准器(数字)的 测量方法,这就从根本上解决了以坐标测量技术为代表 的数字化测量与其他测量方法的关系问题。典型的虚拟 标准器包括CAD模型和用公式等表示的理想模型。这 部分内容在ISO 17450.1:2011、ISO 17450.2:2012(对应 的国家标准在版本上有差异,具体为GB/Z 24637.1-2009 和GB/Z 24637.2-2009)和ISO 14660.1:1999和ISO 14660.2:1999(对应的国家标准为GB/T 18780.1:2002 和GB/T 18780.2:2003)中给出。 3.4符合性评定的依据和方法 GPS&V相关标准明确给出了产品符合性评定的依 据与方法,包括产品符合性评定的原则、测量不确定度估 算方法和测量不确度管理(优化)方法(process of uncertainty management,PUMA)流程、设计方和测量方对 测量不确定度表述达成共识并签订验收协议的规范流程 等。其核心是通过不确定度估算等数字化方法来界定测 量系统的适用性,同时通过对测量不确定度表述达成共 识的要求,进一步明确了设计方对产品质量符合性评定 的责任,实现了从设计开始控制测量质量,进而控制产品 质量的目标。这部分内容在ISO 14253/GB 18779系列 标准中给中 。同时,许多相关行业也给出了相应的规 范和标准 ,如汽车领域的ISO TS 16949:2015(对应的 国家标准在版本上有差异,具体为GB/T 18305:2003)标 准给出了“测量系统分析”等方面的规范要求和相应的 操作方法。全球轨道交通行业的“IRIS 02:2009轨道交 通行业质量管理体系”中也涉及到了“测量系统分析”的 内容 。。。 3.5工业测量结果的溯源方法 关于工业测量结果的溯源,ISO从两个方面着手并 3.6给出了一系列数字化滤波和拟合方法 针对数字化测量技术的发展需求,GPS&V相关标准 给出了一系列的测量数据滤波和拟合的规范操作集,仅 滤波标准,ISO就给出了包括近70个标准在内的体系框 架,许多具体标准已开始着手制订并颁发,这部分标准有 许多涉及到微纳领域的测量和误差评定,特别是为三维 表面形貌的测量提供了规范操作集。滤波的标准矩阵模 型由ISO 16610系列标准给出。 从上述讨论的内容来看,ISO GPS&V标准已形成了 一套完整的理论和技术体系,同时也给出了一系列的规 范原则和规范操作集。这些标准由ISO TC213制订,标 准体系的名称为GPS&V。此外,目前ISO GPS&V标准体 系中的主要标准更是以差不多每年一版的速度在不断完 善和发展中。而就我国的GB标准体系而言,尽管这些 年做了一定的跟踪和转化工作,但无论在体系构建和标 准年号等方面与国标ISO标准之间都存在着很大的差 距,而这个差距也注定了国内工业测量的现状和水平,甚 至直接反映了国内产品的质量水平。 4几何量工业测量技术的应用现状 工业测量的需求和数字测量技术的发展,为数字制 造和测量技术提供了创新机遇和坚实的技术支撑。近 年来,工业测量始终围绕“测量到、测得了、测量准、测 得快和测得省”的目标在高速发展。下面根据目前国 内外工业测量技术的研发与实际应用情况做一个汇总 与分析。 4.1面向高精度、全方位、高效率的测量需求 随着产品质量要求的提升以及设计制造技术的发 展,工件的复杂程度已接近极致,这种极致不仅表现在工 件上几何要素在空间方位、形状和深度等方面的复杂性, 更涉及到极高的精度和测量效率等要求。对应着五轴数 控加工技术,五轴扫描测量技术的突破,一直是工业测量 界的一个梦。经过10多年的艰苦研发和实际应用提升, 以雷尼绍连续扫描5轴坐标测量测头REVO为代表的五 轴测量技术终于走向实用 ,这归功于内空长结构的测 2964 仪器仪表学报 第3 8卷 针挠度激光补偿技术和高速高精度五轴联动扫描测控技 术的成功研发。这些技术的集成应用提供了几乎全空间 的测量方位和高速扫描测量功能,有效地解决了包括发 动机缸体(见图2(a))和盘式的叶片(见图2(b))在内 的一些高精度、高效率测量难题。同时,当REVO 5轴测 量头与光学影像测量技术有机集成后,还有效地解决空 间簿壁异形孑L的测量问题,如航空发动机燃烧室壳体(见 F霄 r 一 图2(c:))中的空间薄壁孔位的快速精准测量难题 。 (a)REVO e ,山l件测量 例 a1 Cylinder headmeasurement based REVO (b)REVOnI片测 例 (c)REVO燃烧宅测量 ÷倒 c1 Combuslor casingnneasurement based REVO (b)Blade measurement based REVO 图2五轴REVO测头的应用案例 Fig.2 The application case studies of 5-axis REVO 4.2面向全尺寸的测量需求 相对于在原坐标测量技术上发展起来的五轴联动测 量技术,工业CT测量技术的成功研发和应用从另一个角 使其在更多的领域得到更为广泛的应用。目前,除了应 用于一些浇铸件、压铸件、注塑件等对内外部几何质量同 时有控制要求的工件测量外,在手机等3C行业,同样已 有被应用于在线测量的案例 。 图3(a)所示为工业CT外形示意,图3(b)所示为 度实现了创新突破 。在无损情况下,通过对表征工件 的全几何要素点群的获取,以及后续的软件处理,为工件 真正的全尺寸检测(内外部所有几何特性)提供了有效 工件上表征全几何要素的测点点群、被测要素拟合操 作及基于理想要素(CAD模型)的误差评定操作示 意… 的技术手段 。。尽管目前在测量精度和测量效率方面 还有待进一步的提高,但其在测量方面的技术优势正促 fa1 Ii,lkCTqF形 a1 Industrial CT shape (b)J.,IkCT ̄!U量过 b、Tim measurelnent low fof industrial CT 图3工业CT及其测量操作过程 Fig.3 Demonstration of indust ̄CT and its measurement process 4.3面向高精度短小几何特征的测量需求 了相关的技术创新。近年来,随着光谱共焦方法在测量 中的应用,它不仅有效地实现了这类测量的功能,还能应 工件上有短小几何特征,如小倒角、小圆角、棱边等, 这类测量要求是目前接触式扫描测量和线激光测量难以 有效应对的,其高精度高效率测量一直是工业测量界的 用于在线检测,实现了全自动高精度小倒角、小圆角等的 快速检测功能、解决了3C产品中多类工件的尺寸误差与 几何误差测量难题 。 此外,同样基于光谱共焦方法的面光谱测量技术已 难题,随着3C和日用奢侈品(如高档手表)外观要求的 不断提升,更是对这类测量提出了明确的要求,它也催生 第12期 挛 明等:几何量II 业测量的现状与发展 2965 经f【{现,它将能同时满足三维表面结构的测量需求 在 特别是当这些技术与机器人等自动装置集成在一起,有 效地扩展了测量范围、增lJJ【j了测量操作的柔性和自动化 程度 。目前,相当一部分自动化光学测量系统已作为 表面结构方面,扫描电镜等设备的应用也日益广泛。 4.4 面向大视场高效、高精度的复杂形面的测量需求 随着高精度曲面应用的13益广泛,其测量,特别是现 场快速测量要求也随之出现” ,如汽车车身、飞机机身 的快速测量要求等 。。近年来包括影像、蓝光、白光和 激光扫描技术在内的一大批光学测量技术的快速发展和 在线测量系统,被广泛地应用在生产线上,成为生产过程 控制的监控数据源 。此外,关节臂、基于光笔和靶标 的摄影测量技术等,也已在许多领域有广泛的应用 ”。。 图4所示为部分基于光学测量技术的测量系统及应 用 。 有效应用,为复杂形面的高效测量提供了技术手段 。 (a)I 、龙测量系统 a)Blue ligb!hazard measllrelnent system b)机器人 线rI光测量系统 b)White light seamier syslem (c)J J线激光的n:线测 系统 (c)Online ineasnrelnenl system based 011 line laser 图4光学测量技术及测量系统 Fig.4 Some examples of’optical measurement system 4.5面向大型、动态的测量需求 泛的应用 ” 。同时,由于这类测量方法还具有高精度跟 踪测量功能,因此还被用于物体空间运动位置、速度/加 速度等的测量 ,如工业机器人的精度校准中就用到 了这一功能 。此外,它也可应用于变形、以及工件几 随着大型工件质量要求的日益提高,使得基于激光 干涉仪和球坐标体系的激光跟踪测量技术得到了高速的 发展和深度的应用 ,激光跟踪仪由于其一次定位可以 实现40 m左右的大范围高精度数字化测量,已在航空、 航天、军工、船舶、建筑、轨交及大型机械等领域得到了广 何特性变化过程的测量。图5所示为激光跟踪仪的相关 应用示意 (a)激 跟踪仪测 机外形 (b)激光趴踪仪辅助 机裟 (b)Shape assemble measurement aided laser tracker (c)测量机器人精艘 (c)Robot ineastlrelrlent based laser tracker a)Plane shape measurement based laser tracker 图5激光跟踪仪的应用 Fig.5 Application examples of laser tracker 图5(a)所示为配备了扫描装置的激光跟踪仪在快 近年了,德国Eatlong公司研发了基于多路激光测距 速高精度地检测飞机机身形面;图5(b)所示为多台激 光跟踪仪组成的测量系统,为飞机机身对接提供实时 空间方位测量监控;图5(c)所示为配备了空间方位检 测附件的激光跟踪测量系统在检定工业机器人的空间 冗余技术的跟踪测量系统(见图6(a)),该系统能为坐标 测量机和五轴机床等装备的全空间精度检定提供高精 度、动态的精度信息,这就为虚拟坐标测量机及五轴机床 的空间精度补偿提供了技术支撑 。同时,该公司近年 还研发了基于多路激光干涉绝对距离测量的高精度测量 动态精度,其检测内容包括空间定位精度、重复定位精 度、移动轨迹方位(位置和空间方向)、速度和加速度 等・”l 监控系统(见图6(b)),可用于大型高精度对象的微变形 动态监控等。 2966 仪器仪表学报 第3 8卷 (a)测毓机 f 艘榆测 a、CMM llleaStllOllelli based IltU|¨一laser il![elfe'romeler trackers (b)彭蹄激 n{J {构蹙 {_:『洲 b11)efornlation MOIliIorbased Illtl[ lase rIii[elthOlllCl J21 s 图6 德国Eatlon公司基丁多路激光于涉测精的测 系统及应用 Fig.6 Measurement system based muhi—laser inlerference pi’ovided 10'Eatllln Co..(:Pllnlally 4.6面向在线检测与质量实时控制的测量需求 中包括小 的数宁化坐标测 饥、激光测头以及各类 在而埘大批齄乍产的场合,制造工序的现场测 以 及灾时的反馈控制就变得}及为重要 这一方面需求 仳使高精度的坐标测量饥走向生产现场.许成为自动牛 产线的一部分 ’ 同时,大 的通用数字化测量装箭以 /艾 ¨卡勾建的数字化测量系也大量应用于牛产现场, 精度检测传感器和测 软件组成的测量系统,以执行特 定测 对象的测f疗侄务 。 实际应用rt ,许多住线测艟有时并小需要绝对测 量,采用相对测城的L|的在于监控制造工艺能 的变化, 以便及时报警。 7所示为卡fI关应用案例示意. .( 1) 线比对襁4 仅 lf1 Online col11Darlsonn1easIlren1ent system (I1)j.£J‘激光的轮 (tiff.愉洲装置 b)Online laser ineastllellleTlt system f0r f、re 图7数7化在线检测系统 Fig.7 Online numerica]illeasurelllell[systelI 4.7面向虚拟编程与验证的需求 速验}IF测 程序的JI 确性,减少测黾程序渊试的时n『Jl 于CAD的数字测量编程与虚拟操作环境不仪仿 真摸拟r真实的测量环境和测量过程 。其还能直接导 基于CAD的j坐标测量软件昕编制的测{ 程序与不同 测量系统的对接,Ill Is()22093:2003(GB/] 26984—201 1) 提供的DMIS语膏住测量软什层卣实现接n功能。川 时,I++DME接rI标准则_白『以住测 设备 而实现这 一入测艟任务,包括基于产品制造信息(product manufacture infimnation,PMI)标注的公差信息,PMI技术的应用可以 有效地提高了洲鞋程序编制的效率和规范性,其核心技 术在于测量任务的快速无损传递、测量仃务的自动化规 范生成 ” 。其幢用基础为相关的ISO标准,属于MBD (model based design)技术 测量方面的一个集成和信息 化应用。在这方面,ISO和荚国ANSI已彳丁较为完整的标 准 支撑该项技术的应用 、 同时,完全仿真的测量场景,可帮助测量编程人员快 功能。 4。8面向制造过程质量信息化需求 测量的目的 仪在于评定J 品是否符合规范的要 求,更足为了实现有效的过程控制,以及在制造系统状态 稳定情况下的设计调整优化,以便进一步降低成本 .要有效解决这--l"J题的前提, ‘;七是测量数据的管理, 次是测量数据的分析和应用 为此,各大测量软件供 第l2期 李明等:儿何量 业j{l!lI量的现状与发展 2967 应商和数据应用平台纷纷推出相应的系统 ,如德国 ZEISS推出的PI WEB软件 。它提供r企业级测量机 和相关测量仪器的集成应用管理、数据管理以及测量数 据的深层次分析功能,包括统计分析和相关性分析,以及 基于网络的信息发布等。海克斯康集团则推出了汁量管 理系统(measurement management system,MMS),如图8 所示,它提供了企业级的测量过程和数据管理,并能与其 他诸如PDM和ERP系统有效对接 ,已成为企业信息 化管理的一个重要组成部分 而基于两门子TC平台的 DPV模块,其为以地毯图等形式表达的基于测量数据而 形成的分析结果。它为测量结果的管理和应用提供了一 个基于产品全生命周期质量的信息化管理平台 。 《b)Meisterbock 图8计量管理系统 Fig.8 Metering management system 图9实物匹配操作中的标准器 Fig.9 The standard body in matching operate based on physical pal ̄s 4.9面向质量与成本平衡的测量需求 在大批量生产的产品中,如汽车的车身制造控制方 面,检具(实物标准器)是一种常用的检测工具。还有一 5 对几何量工业计量技术发展方向的探讨 工业4.0等未来制造模式的提出,给工、 测量提出 种匹配测量操作,它不是简单测量评定单个工件本身,而 是考虑装配以后的实际精度状态。对于车身而言,主要 了更高的要求,为响应工业测量中高精度、高效率、高柔 性、高集成、全方位、全样本等方面的技术需求,未来的工 业测量技术可能会围绕着以下几个方向发展。 测量面差、问隙、对齐以及对称等方面的相对空间误差, 并根据误差和工件制造工艺状态,确定工件调整和装配 工艺调整的策略。匹配操作可以在相关的实际工件装配 后开展。也可在工件与标准器之间装配后开展,业内一 般将用以检测装配组件内周侧的检测标准器称为Cubing (见图9(a))。检测装配组件外周侧的检测标准器称为 Meisterbock(见图9(b))。 5.1 高精、高效、高柔性和全尺寸的测量要需求 光学测量结合空问五轴测量技术,以及工业Crr测量 技术将足未来工业测量的两大技术支柱,与这两个技术 相伴的还有测最软件系统,要重点解决的问题包括五轴 测量的自动编程,以及海胃测点的处理和误差评定技术 等. 近年来,为了节约匹配操作标准器和检具的制作成 本以及加快研发进程,各汽车主机厂已在展开基于激光 扫描和CAD匹配软件的虚拟匹配技术研发。 上述所汇总的测量技术讨论未完全展开.同时所列 5.2面向自动化与高度柔性的现场应用需求 在未来,测量系统走向现场是必然的,测龌系统与自 动生产线、机器人等自动化装备的集成应用必不可少,这 举的案例也未包含目前所有的测量技术与装备。读者可 以根据上述的一些测量技术关键词搜索并获取进一步信 息,或从设备供应商、相关网站上获得进一步详细的信 种高柔性快速集成的技术基础之一就是接口标准。同 时,在这类测量系统的应用中,面向测量任务的测量系统 校准和榆测定技术是实际应用中的关键技术。 5.3面向微纳领域的测量需求 在微纳领域,当宏观和微观儿何特性之问的边界已完 息。比较前沿的产品信息可从德国CONTROI 展的相关 网站信息获取。 2968 仪器仪表学报 第3 8卷 全模糊的情况下,误差/公差定义、测量操作、误差评定等 方面技术规范和标准的建立将成为首先需要解决的问题。 5.4面向测量风险控制的需求 测量不确定估算和测量过程控制方法的研究和相关 标准制订工作将进一步深化 …,如对几何公差(包括单 项误差和综合误差)的测量不确定度估算问题;复杂测 量系统的测量不确定度估算问题 ;大尺寸测量中的 测量不确定度估算问题等。目前,ISO GPS&V标准体系 发展飞快,并在不断地完善与扩展中,基于产品全生命周 期的风险控制标准已在制订中,测量操作的风险将是一 个重点内容。 5.5面向数字双胞胎系统构建需求 在进一步提升基于CAD平台的测量软件功能的同 时,测量系统的信息集成功能将在相关标准完善的基础 上实现。其中包括PMI、三维标注(ISO 16792)、DMIS等 标准和规范。所有这些标准最终将规范设计信息对测量 操作的直接驱动过程,从而实现测量系统、测量操作和信 息流的虚实对应。 此外,针对质量数字化工程的需求,美国专门推出了 相关的质量信息架构标准:ANSI/QIF.2015,对质量信息 的内容、传递和集成进行了相应的规范。 5.6面向测量结果分析应用需求 在精准的测量数据基础上,测量数据的深层次分析 和相关性分析将成为重点。而这些操作同样将建立在相 应的规范基础上。这类涉及工业大数据的标准和规范是 新工业模式下测量数据成功运用的关键之一。 5.7面向测量人员技术素养需求 未来的工业测量需要由拥有相应知识体系和操作技 能的从业人员。这可能同样需要通过相关的标准来界 定,其中将涉及相应的知识体系、能力评估和认证的规范 与标准。在这方面,美国ASME Y14.5.2标准给出了从 事几何公差方面专业人员的知识体系,ISO也曾有过面 向数字测量人员基本要求的标准提案。可以说,这方面 标准的构建与完善是必需的。同时基于标准,才会有相 应的、有效的认证操作。 此外,系统化考虑质量问题已成为必然,测量及测量 结果在其中的作用将是核心的。美国ANSL/QIF一2015标 准,提出了质量信息架构的概念,就是从系统角度规范了 从设计、制造、检测、验收到应用的质量控制方法以及信 息化管理方法。其中涉及的理念和方法,值得思考。 6结束语 工业测量,涉及到一个庞大的技术体系和应用体系, 其核心是测量规范及其背后GPS&V标准体系提供的理 论、原则和通用的规范方法。这些内容为工业测量基础 和操作依据。当面对复杂多变的工件时,还需要针对具 体测量要求,根据ISO/GB标准所提供的原则与方法制 订更详细的测量规范及验证流程就变得犹为重要,而这 项工作的具体实施,必须通过企业的相关管理来实现,只 有这样,才能快速有效地得到精准的测量数据。从这一 点讲,未来工业测量技术的发展,除了测量系统自身能力 的提升和完善外,更关键的发展将体现在企业对标准的 理解和应用层面的规范上,这一点,对于中国制造业而 言,当有着特殊的意义。 参考文献 [1] 裘祖荣,石照耀,李岩.机械制造领域测量技术的发 展研究[J].机械工程学报,2010,46(14):1—11. 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