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复杂几何形状工件的计量解决方案

复杂几何形状工件的计量解决方案 2011年12月04日 来源： 在计量科学领域，人们根据被测对象几何形状的复杂程度，将工业领域中的测量问题分为箱体类工件测量和具有复杂几何形状工件测量。所谓箱体类工件就是指那些由基本几何元素（点、线、面、圆、圆柱、圆锥、球）组成的几何工件，包括齿轮箱工件，发动机箱体，机床加工部件或者是由简单的自由形状曲面组成的冲压模、铸模、玻壳工件等等。与箱体类工件相对应的是复杂几何形状工件，这类工件主要由具有明确数学定义的复杂曲线曲面构成，例如各种类型的齿轮，齿轮加工刀具，凸轮轴，配对螺旋压缩机转子部件，蜗杆蜗轮以及步进齿轮等等。

在传统测量方法选择上，人们主要依靠下述两种测量手段完成工业领域上述工件的测量，即通过三坐标测量机执行箱体类工件的检测，通过专用测量设备，例如专用齿轮检测仪、专用凸轮检测设备等完成具有复杂几何形状工件的测量。因此对于从事生产复杂几何形状工件的企业来说，完成上述产品的质量控制企业不仅需要配置通用测量设备，例如三坐标测量机，通用标准量具、量仪，同时还需要配置专用检测设备，例如各种尺寸类型的齿轮专用检测仪器，凸轮检测仪器等。这样往往导致企业的计量部门需要配置多类型的计量设备和从事计量操作的专业检测人员，因此企业无法实现柔性、通用计量检测，计量设备使用效率较低，同时企业负担较高的计量人员的培训费用和计量设备使用和维护费用。因此，如何降低企业的测量成本，计量人员的培训费用，测量设备的使用和维修费用，达到提高测量检测效率的目的，使企业具备生产过程的实时质量控制能力。这将关系到企业在市场活动中的应变能力，对帮助企业建立并维护良好的市场信誉，具有重要的决定作用。在高精度测量领域，德国LEITZ公司凭借其在高精度测量领域积累的世界级测量技术以及丰富的应用理论知识，通过高性能、高精确度的PMM-C三坐标测量机与功能强大的工业级计量软件QUINDOS的结合，不断解决来自工业各个领域的高精度和复杂几何形状的计量需求。LEITZ在公司的发展历史上，主要从事研制、开发、制造超高精度坐标测量机，包括在世界高精度三坐标测量机的发展历史上具有里程碑意义的PMM机型，由于PMM机型在测量能力上具有超高精度，同时使用性能上具备长期运行的稳定性。因此PMM型坐标测量机能够在全球安装总数超过1,000台，其中有近百台服务于中国各大精密加工企业，例如航空航天部件生产企业、汽车部件生产企业以及高精度齿轮加工企业。LEITZ公司为了提高高精度坐标测量机的检测效率，降低单件工件检测的测量成本，于2001年成功地推出了目前世界性能最好的PMM-C型坐标测量机，其动态指标分别为最大测量加速度3000mm/秒2, 最大测量速度400mm/秒, 平均触测频率40点/秒。在主机结构形式上，为了实现测量系统极高测量精度和测量性能的长期稳定性，PMM-C超高精度坐标测量机具备如下特征：在主机部件材料选择上，采用具有长期稳定性和对温度变化不敏感的材质构成，例如在整体基座，移动平台和Y轴横梁上采用花岗岩，结构支撑立柱采用铸铁材料。为了实现系统测量性能的长期稳定性，PMM-C坐标测量机在结构形式上为封闭框架：整体花岗岩的主机基座，移动工作台，铸铁立柱以及花岗岩横梁组成高强度的闭式结构。由于PMM-C坐标测量机具有很高的结构强度，因此测量系统即使在加速/减速，或是环境存在某种振动的情况下仍能保持极高的测量精度。由于PMM-C坐标测量机的各个运动轴，在机械结构上彼此独立，因此在整个测量过程中，三个坐标轴独立运动，使得系统在整个测量空间内具有相同量精度性能。光栅尺的布置尽量靠近被测工件，有效的消除了阿贝误差的影响。中央布置驱动系统，消除了坐标轴在运动过程中扭转和偏移。

传动系统上采用伺服电机、高精密循环滚珠丝杠，保证测量系统即使在很高系统加速度的情况下，仍然具有稳定的定位精度。探测系统采用3维模拟扫描测头，不但能够提供性能优良的连续3维动态扫描功能，而且测量系统还能够进行精度极高的触发测量。在测量过程中，探针始终沿被测工件表面的法向矢量方向进行触测。因此，即使在配制较长的测杆加长杆的情况下，测量系统也能够自动补偿测头系统的形变和弯曲。采用国际权威机构认证，具有确定热膨胀系数的金属光栅系统，由于光栅系统具有与被测金属工件相近的热膨胀系数，确保系统即使在比较大的测量范围内，仍然具有极高的测量精度。同时测量系统具有非常小的系统分辨率，保证了测量数据具有稳定的重复精度。由于PMM-C坐标测量机在结构上存在上述特征，因此整机系统具有非常小的长度测量示值误差MPEE值和空间探测误差MPEP值。例如对于PMM-C 700P坐标测量机在19℃～21℃的温度范围内的最大允许长度测量示值误差MPEE=0.6+L/600[um]，最大允许空间探测误差MPEP=0.6[um]。在将PMM-C坐标测量机应用于实际的工业计量检测过程当中，逐渐引入了一种新的测量理念—采用高精度通用测量设备完成工业生产领域的决大部分的测量检测任务。通过PMM-C坐标测量机与QUINDOS专用计量软件相结合不但能够完成箱体类工件的检测，而且能够执行具有复杂几何形状工件的检测任务。LEITZ生产的高精度PMM-C坐标测量机系统之所以能够执行复杂几何形状的检测任务，是因为测量机系统具备了两个必要的基本条件：1、 测量系统具有超高的测量精度性能，特别是坐标测量机极小的空间探测误差MPEP值；2、 对于各种几何形状的测量，必须具备专业计量软件，同时软件必须具有正确的数学算法。QUINDOS专业计量软件的数学算法的正确性和有效性均通过德国国家物理研究所PTB的权威认证，达到工业领域最高精度标准，其中软件长度测量误差小于0.1um，角度测量误差小于0.1秒。高精度坐标测量机PMM-C作为通用计量检测设备，不但能够代替其他类型的专用检测设备，例如代替传统意义的形状检测仪、齿轮测量设备和凸轮轴检测设备，执行复杂几何形状检测功能，降低了企业执行计量检测任务所需的设备投资，而且在节省企业计量费用，提高计量检测精度方面也发挥出重要的作用。首先，在同一台计量设备或同一型号的计量设备上执行检测任务，有效的降低了由于操作人员的差异所引起的偶然误差，同时系统误差来源单一，能够实现对不同工序的测量结果进行统一的评价，测量结果完全符合ISO标准的规定，测量结果具有更高的置信度水平；其次对于生产企业来讲，完成企业计量检测需要更少的操作人员，更少的培训服务以及降低的设备维修保养费用。同时在最大限度上发挥了设备的使用效能，降低了企业的检测成本。坐标测量机的精度指标作为衡量测量性能的重要参数之一，直接决定了坐标测量机能否具备执行复杂几何形状工件的检测能力。例如在国际标准ISO 10360坐标测量机性能检测标准中规定了坐标测量机在检测几何元素的长度，位置度和几何元素形状误差时所采用的测量精度指标—最大允许长度测量视值误差MPEE和最大允许空间探测误差MPEP。其中最大允许长度测量示值误差MPEE与测量几何元素长度和位置度相关；最大允许空间探测误差MPEP为衡量坐标测量机检测几何元素形状误差的重要指标。其中后者在坐标测量机检测复杂几何形状的具体应用中被定义为坐标测量机形状检测的最大允许误差MPEP。下图提供了坐标测量机在检测形状误差时，坐标测量机形状测量最大允许误差MPEP值与被测工件允许的形状误差之间的关系。

注：坐标测量机的形状测量误差R值最大为被测量几何元素形状误差的1/3。

从上图我们知道PMM-C坐标测量机在检测直齿轮或斜齿轮时，坐标测量机的形状测量误差R与齿向测量误差ff和齿面测量误差fβf之间的数量关系，由此我们可以进一步计算出PMM-C高精度坐标测量机测量齿轮所能达到的精度等级。

上表依据DIN 3692标准规定，模数6～10，齿宽20～40mm，螺旋齿轮齿向误差ff,齿面形状误差fβf以及执行检测功能的坐标测量机所应具备的最大形状测量误差。因此LEITZ生产制造的高精度坐标测量机产品针对特定的齿轮模数，齿轮直径，能够执行依据DIN标准规定一级齿轮的检测任务。PMM-C坐标测量机能够执行齿轮检测的类型包括内外正齿轮、斜齿轮、螺旋伞齿轮、冠装齿轮等等。在测量过程中，通过LEITZ专利制造的TRAX 3维矢量测头的不同测杆组合，完成齿轮检测工作。例如，单测针完成正齿轮检测，8-星型测针组合完成斜齿轮检测，6-星型测针组合完成螺旋伞齿轮的检测。由于在测量过程中，采用多种测针组合，完成检测任务，因此PMM-C坐标测量机在执行具有复杂几何形状工件检测任务的过程中不需要额外附加旋转工作台。PMM-C坐标测量机在执行具有回转轴线的复杂几何形状的检测任务方面，与传统专用检测设备或者是坐标测量机与转台相结合的测量系统相比较存在下述明显的优势。 首先，能够显著的提高测量效率。PMM-C坐标测量机与QUINDOS专用测量软件相结合，同时配以QUINDOS软件托盘测量模块，能够实现同类型齿轮的批测量。

上图为PMM-C 700高精度坐标测量机托盘测量圆柱齿轮，齿顶圆直径为φ90mm，其中系统的测量范围为L×W 1200×1000mm，通过下述的计算公式我们能够确定在Y向能够测量的最多齿轮数，其中测量过程中测尖的移动需要5mm的间隙，8-星型测针组合在Y向的最大尺寸L=100mm，公式：2×(50＋5)＋ (S-2)×(5＋100＋5)＋S×90≤1000,结论：S≤5，其中S为齿轮托盘测量Y向最多齿轮数因此对于上述尺寸类型齿轮的测量，通过一次装夹，单次最多能够批测量35个圆柱齿轮。同时在PMM-C 700坐标测量机执行测量工作的过程中不需要人工干预。使测量过程具有极高的检测效率，因此能够对齿轮加工提供实时的生产控制。例如与GLEASON齿轮加工中心相连接的GAGE 4/WIN测量接口，能够根据GLEASON刀具的基本设置，自动生成伞齿齿面上的探测点，对齿轮加工中心提供实时的加工参数修整，从而形成了齿轮加工的闭环控制，该过程的原理如下：

其次，测量结果具有极高的准确性，由于坐标测量机由3个运动的坐标轴组成，同时3个坐标轴之间又有垂直度的要求，因此坐标测量机主机部分对测量结果产生系统误差影响主要由与运动轴相关联的21项误差构成即每个坐标轴存在6个自由度误差，3个坐标轴之间存在3个垂直度误差。而对于具有旋转工作台坐标测量机而言，对测量结果产生影响的系统误差远远大于以上提到的21项系统误差，至少还应该包括与旋转工作台旋转轴线相联系的6个自由度误差以及旋转轴线与其他3个运动轴之间3个位置度误差。同时，通过PMM-C坐标测量机检测诸如齿轮工件的过程中不存在装夹误差。因此，PMM-C坐标测量机在检测具有回转轴线复杂几何形状工件时，与其他通过旋转工作台进行测量的的检测设备相比具有更高的检测精度。有鉴于此，美国国家标准与技术研究院采用LEITZ公司制造的PMM 866坐标测量机校验标准齿轮。最后，PMM系列坐标测量机具有更加广泛的测量对象范围，例如对于检测齿轮工件来讲，可以测量的齿顶圆直径为φ2mm～φ3700mm，可以测量的齿轮模数≥0.25。在回转工件轴线方向不存在可测量高度的限制，例如PMM-C坐标测量机能够测量任意长度的蜗杆和压缩机转子部件。同时PMM-C坐标测量机在检测某几种几何工件上具有唯一性，例如步进齿轮的检测只能够在PMM-C坐标测量机上完成。PMM-C坐标测量机与QUINDOS专业计量软件相结合，在工业计量领域实现了完全意义的通用计量检测设备。不但能够执行箱体类工件的高精度检测，而且能够执行具有复杂几何形状工件的计量检测任务。例如，PMM-C坐标测量机能够执行各种类型齿轮工件检测，齿轮加工刀具的检测，螺旋压缩机转子部件的检测，气轮机叶片的检测以及蜗轮蜗杆的检测。在复杂几何形状的制造领域，PMM-C高精度坐标测量机与工业级测量软件QUINDOS的结合，对生产企业的测量技术革新，测量效率的提高以及整体生产成本的降低发挥着越来越重要的革新作用。(end)

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