角度測量儀器在大工件測量中應用

隨著大型極端制造技術(shù)的發(fā)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(zhì)量保障提出了要求，盡管目前出現(xiàn)了多種高精度、大范圍的測量技術(shù)和儀器，但由于大工件自身要求和環(huán)境等方面的約束，在實際測量與質(zhì)量控制過程中出現(xiàn)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(nèi)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(jīng)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(guī)尺寸的坐標測量機所無法應對的。這里強調(diào)的是常規(guī)尺寸，不包括專用的坐標測量系統(tǒng)。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(tǒng)一體。如果一定要從尺寸上來區(qū)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(guī)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(jīng)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(diào)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(jù)測量精度分配的原則和要求，以及現(xiàn)場實際測量情況，當在圖紙規(guī)范的1/3～1/10；②具有移動性，并能在多次定位（俗稱轉(zhuǎn)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(shù)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(gòu)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(guān)節(jié)臂）、3D攝影測量系統(tǒng)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(shù)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(tài)測量的功能，在相關(guān)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?。ㄒ话氵_1.5m球徑左右），同時由于其多關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)特點，精度保持性相對較差，一般用于生產(chǎn)現(xiàn)場等精度要求較低的場合。
　　
　　3.3D攝影測量系統(tǒng)
　　
　　這類通過攝影及靶標系統(tǒng)進行測量和拼接的系統(tǒng)，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(chǎn)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(shù)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：MeasurementAidedMachining）:主要用于大型工件在加工過程中的測量、安裝調(diào)整及在線檢驗等；③測量輔助裝配（MAA：MeasurementAidedAssemble）:主要用于大型部件裝配過程中調(diào)整的輔助測量。
　　
　　隨著大型極端制造技術(shù)和工藝的發(fā)展，后兩類在生產(chǎn)現(xiàn)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(lǐng)域。
　　
　　影響大工件測量的因素
　　
　　從一個完整的測量系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)精度檢定在標準和規(guī)范上還未完善，即使已有相關(guān)標準和規(guī)范，其檢驗的條件并不與實際應用相符，因此在現(xiàn)場實際使用時的精度狀況是一個值得我們關(guān)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(zhì)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(zhuǎn)站給測量結(jié)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(zhuǎn)站引起的誤差
　　
　　3.溫度對測量的影響
　　
　　現(xiàn)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(wěn)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(xiàn)場的影響
　　
　　現(xiàn)場測量環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在地面振動對測量過程的影響。
　　
　　5.測量工藝規(guī)范的影響
　　
　　傳統(tǒng)測量方法，特別是對幾何公差的測量都已成熟，并有相關(guān)的標準與規(guī)范可以參照，但坐標測量方面的規(guī)范目前還未形成，因此這將是影響測量結(jié)果準確性、復現(xiàn)性和再現(xiàn)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(lǐng)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(shù)據(jù)的采集質(zhì)量。此外，在對測量要求和測量工藝的理解、對測量現(xiàn)場和測量過程的感知、對測量結(jié)果的判斷等方面，對大工件測量人員的技能和經(jīng)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(zhì)量，其根本在測量人員的技術(shù)素養(yǎng)和測量工藝規(guī)范的制訂，以及對測量系統(tǒng)分析（MSA：MeasurementSystemsAnalysis）技術(shù)的應用。
　　
　　國企在坐標測量技術(shù)應用中存在的問題
　　
　　從目前國內(nèi)制造企業(yè)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(xiàn)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(yè)對新技術(shù)的了解和掌握程度有待提高。相當多的企業(yè)并不了解大工件的數(shù)字坐標測量技術(shù)，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(jīng)緯儀、水平儀，以及一般常規(guī)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(yè)對坐標測量人員技術(shù)要求缺乏理解。大工件對測量人員本身的技術(shù)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(jīng)驗等。
　　
　　最后，就是企業(yè)對測量過程管理方面的要求認識明顯不夠。數(shù)字測量是產(chǎn)品幾何尺寸的公差過程控制的源頭，但許多企業(yè)將坐標測量設備作為一種擺設，這實際上是對產(chǎn)品質(zhì)量的不重視。