分析机械制造测量技术的发展与应用

陈守国

摘 要：机械制造测量技术是决定机械加工水平的重要基础，我国目前在机械制造的测量技术上精度与校准能力处于世界领先地位。但是在数字化测量技术与闭环制造技术系统的研究上较国际水平略有差距。因此本文针对我国机械制造中测量技术的发展现状作出分析，并对国际机械制造领域中测量技术的应用情况进行探讨。从而提出我国机械测制造测量技术在应用上的发展策略，旨在提升我国机械制造测量技术的应用水平和发展能力。

关键词：机械制造；测量技术；应用发展

近些年来高新技术领域飞速发展，我国机械制造产业也发生了巨大转变。复杂机电系统、极端制造、微机电系统、生物制造、智能与数字化制造等全新机械系统与设计概念都在逐步成熟，但也由此产生了新的测量问题。因此，测量技术在机械制造中的地位与重要性日渐明显，同时也为测量技术提供了全新发展机遇。为了实现械制造测量技术的进一步发展，达到更高的测量技术水平，本文针对我国机械制造测量技术的发展现状和应用情况作出分析，对比国际发展趋势，提出我国在测量技术上改进方向。

一、我国机械制造中测量技术的发展现状

1.测量空间尺寸的现场校准方法与装置

在机械制造中，仪器的量值传递与校准十分重要，是保证测量仪器精准度的重要基础。天津大学叶声华院士发明了空间测量的现场校准方法以及相关装置，解决了实际测量工作中的现场校准问题。首先，该方法能够利用多种靶标的几何结构作为自身标准尺寸，在空间测量时可以针对不同测量位置传递相关数据信息，打破传统测量中的约束条件，并且针对大范围的测量作用具有较高的应用价值。以测量系统的全局校准为基础，在传感器校准和传感元件校准上相对减少了误差环节，进而提高了校准精度与速度。其次，通过直角棱镜与小分束角渥拉斯顿棱镜作为共光路自适应系统，能够有效解决空气扰动和激光光束漂移的适应性问题，其测量结果更加稳定。最后，該项技术基本实现了同轴度测量，应用横向塞曼激光器能够激发正交线偏振光，从而规避热漂移的不利影响，因此缩小了实际测量尺寸，也就达到了远程相互位置的现场校准目标。目前该项技术已经广泛应用到机械制造领域，尤其在车身测量系统中，减少了自测量非线性误差，为机械制造提供了稳定的高精度测量数据。

2.精密测量仪器的正交偏振激光核心技术

正交偏振激光器是我国自主研发的精密测量仪器，由清华大学张书练教授带领研发团队，设计发明了该项技术多项精密仪器设备。激光器应用了双折射光学元件，将激光纵模划分为两个偏振正交，其可调频率的频差值在50MHz到1200MHz之间。同时在此基础上，设计了超短频差He Ne激光器，解决了传统单横模激光器腔长过短激光光束不易稳定的问题。利用双频激光的双折射原理的振荡特征，采取正交偏振、频差调谐、频率分裂、以及频率竞争的实验方式，能够总结出以往实验中不易得到的模竞争与模分裂现象。尤其在双频激光器中应用三偏振特性，设计了测量位移数值的激光器纳米测尺，其精度可以达到15mm量程，精准度高于0.75?m，为正交偏振激光器的进一步发展奠定了核心技术支持。

二、国际机械制造领域中测量技术的应用情况

1.数字化测量技术

在机械制造生产现场针对测量技术的要求不断提高的情况下，各国都在研发量具的实用性与精准度。目前美国Mahr与M&M公司以及德国Klingelnberg 公司，都在测量仪器的精准度上达到3?m，能够应用到监测齿轮刀具和微小零部件。Kelch与Zolle等公司的CCD 数字式对刀仪产品已经可以达到全程全自动测量统计数据，对于刀具数据库管理效率极高，可以同时应对多台数控机床的通讯需求，同时以闭环反馈设置相应的加工位置参数，有效的提升了测量标准和效率。该项技术广泛应用到工具系统检测、刀片检测、涂层检测、材料机体检测、以及刀具在作业机检测中，实现了高速高效、高分辨力、高精度的现场检测需求。目前多国采用此项技术生产了高性能、小型化的激光测量仪器，其操作便捷性较高、系统辅助功能与补偿功能较强，能够有效提升数控机床的综合检测精度、加工精度、位置几何检测精度。

2.闭环制造技术系统

以先进的测量技术为依托，结合相关仪器设备，可以实现完备的闭环制造系统，在机械制造领域中部分国家已经达到“零废品”的机械制造技术能力。克林格贝尔公司与格里森公司，应用了齿轮测量的核心技术，以及齿轮测量软件，将CNC 齿轮与加工机床相连接，完成了弧锥齿轮与圆柱齿轮的CAI 、CAM、CAD等闭环制造。Walter公司也利用相关技术生产新型的Helicheck万能测量仪，针对数控刀具非接触式测量与自动化测量，都呈现出较高的应用效果。以OTC刀具的补偿系统为核心，使用Helitronic数控刀具针对磨床完成在线连接，能够有效降低成品报废率，进而实现了较高的适用性。以实测值和设计值作为对比基础，通过修正数控机床的磨削参数值，能够保障复杂型面的精细加工质量。以日本大阪精机为例，通过剃齿刀磨床和齿轮测量仪器的连接，以计算机技术为支撑，能够构建完整的闭环剃齿刀磨齿系统，从而保障精磨加工标准的合格率提升。

三、我国机械测制造测量技术在应用上的发展策略

1.WPS空间定位系统

发展机械制造中的测量技术，应当从具体的针对性技术上进行突破创新，包括超大尺寸精密测量、微纳米超精密测量、数字化非接触测量等方面。首先，在可调谐与多波长的新型激光器研发上，需要开发激光二极管的适用性，提高绝对测长的技术水平。其次，在波段电磁波测距和高速短程激光测距的研究方向上，应当降低大尺寸测量的形位误差值，包括百米以内的同轴度测量、大工件元素位置间距测量、超大平面度测量、以及圆柱度和轴圆度测量等方面，在测量精度上需要尽早提升至微米量级。最后，基于高速坐标跟踪测量技术的发展，结合无导轨测量技术的实际应用，动态几何量测量理论也需要进一步提升应用效果。在WPS空间定位系统“Workshop positioning system”中，务必达到方圆20m以上的应用水平，坐标定位误差需要降低至微米以下，同时以10 m/s的跟踪速度作为技术标准，才能实现超越国际水平的应用效果。此外，WPS的系统技术发展需要面对微纳尺寸的全新发展需求，应当从一维测量标准向多维测量方向发展，以便达到纳米测量仪器的实践应用效果提升。依据动态测量和违阿贝原则，需要在空气折射、隔振、以及热误差等方面有所改进，争取达到12nm量级以上误差补充效果。endprint

2.Form-free测量模式

机械制造测量技术的应用发展，必须针对计量学的具体问题加大研究力度，其重点方向为基标准的测量理论实践，以便提高测量精度和自校准技术水平。Form-free的测量模式被称为“免形状”，是促进测量技术发展的重要基础，其商业化产品的应用效果，也是目前多数研究重点方向。

免形状测量技术的理论基础是假设加工零件小偏差，精密测量时降低对其几何形状的依赖，在不清楚精密定位与几何参数的情况下，通过形状误差与几何尺寸进行测量与判断。主要应用方式，需要通过高精度测量，获取被测轮廓的数据微粒，以此推断该轮廓的内在几何特征与量值。在此基础之上，建立假设轮廓，包括二次曲线、渐开线、螺旋线、圆曲度等。在理论模型和特征量的支持下，采用误差分析软件和数据处理系统，对理论模型和被测轮廓进行多次对比分析，根据所得结果降低测评误差。发展免形状测量计算的现实应用可以解决三个问题：提升测控模型校准度，加强不易测量加工部件的形状识别，降低形状判定中的现实误差。因此，我国需要在Form-free测量模式和技术的应用上较大研究，争取为机械制造提供更为精准的测量值。

3.突破超大型测量精密仪器的核心技术

哈尔滨工业大学的科研团队，在谭久彬教授的带领下，针对超大型精密仪器的核心技术进行了深度研究。一方面，基于回转润滑面匀压与复合节流的方法，该技术提供了“气/固”与“气/液”的两相复合回转润滑方法，在回转运动基准装置中可以提高轴向与径向刚度、回转精度、以及相应的稳定性与承载能力。另一方面，在仪器运动基准与自身参照原理的基础上，利用空间回转误差截面分离方式，设计了误差分离装置，在超大型仪器的测量精度上提出了相应的解决方案。此外该项技术提供了差动共焦扫描测量的重要策略，通过超分辨共焦扫描，针对二次共焦和复色共焦都能提升扫描测量精准度。在该项理论成果的基础之上，我国应当将设计开发重点集中在共焦扫描测量技术的设备装置与显微镜的应用上。争取将水平分辨力实现超分辨，垂直分辨力达到亚纳米量级。进而解决我国因此项技术的缺失，而导致超大型精密测量仪器使用率不高的情况。

四、结语

综上所述，我国机械制造中的测量技术在未来发展中，应当注重自身的技术优势，同时参考国外的先进研究成果，结合数据处理方法与几何结构的测量原理，针对测量仪器的开发与设计加大研究力度。重点研究WPS空间定位系统和Form-free测量模式的实践应用，以及突破超大型测量精密仪器的核心技术。争取为机械制造提供更为精准的测量结果，以便支持大规模机械生产中零部件精细化程度的现实需求。

参考文献：

[1]王爱民，刘洋. 机械制造领域测量技术的发展研究[J]. 橡塑技术与装备，2015，41（14）：29-30. [2017-08-02]. DOI：10.13520/j.cnki.rpte.2015.14.013.

[2]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. [2017-08-02].

[3]石照耀，张斌，林家春，张华. 坐标测量技术半世纪——演变与趋势[J]. 北京工业大学学报，2011，37（05）：648-656. [2017-08-02].

[4]李元輝. 机械制造中机械自动化技术的应用及发展[J]. 机械工程师，2013，（12）：31-32. [2017-08-02].endprint