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機械制造領(lǐng)域測量技術(shù)

測量技術(shù)作為機械制造領(lǐng)域不可或缺的組成部分，儼然成為了當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展探索和研究的前沿，集中體現(xiàn)了機械設(shè)備發(fā)展的科學(xué)與嚴謹。傳統(tǒng)的測量多以物理原理為基石進行測量，但受制于物理原理的局限性而慢慢地淡出測量應(yīng)用舞臺，而科技飛速發(fā)展的當(dāng)下，測量則更多地依托于基于基本物理再加上化學(xué)效應(yīng)的傳感技術(shù)和嚴謹?shù)臄?shù)學(xué)理論，無論是在測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性方面，還是在測量設(shè)備的易用性方面均是傳統(tǒng)測量不可比擬的。針對科學(xué)性而言，即使是針對同一個機械零件，在不同的環(huán)境下所用的方法也有可能是不同的，這些因素的不同決定了硬件廠商測量方案的不同，而不同的測量方案也決定了測量設(shè)備間的彼此差異。同時，在機械制造過程中，由于幾何測量的目標(biāo)參數(shù)非常廣泛，而測量技術(shù)所依據(jù)的不同研究方法也決定了測量設(shè)備的不統(tǒng)一。基于市場需求，目前機械加工領(lǐng)域測量設(shè)備分化出了接觸式和非接觸式兩個方向，作為平臺化產(chǎn)品，PowerINSPECT在這兩個方向均可提供相應(yīng)的解決方案。

PowerINSPECT綜述

對于傳統(tǒng)的機械制造企業(yè)，PowerINSPECT測量軟件平臺的應(yīng)用可極大地提高企業(yè)檢測人員的工作效率，為企業(yè)節(jié)省大量的資金和人力成本。對于航空制造領(lǐng)域等先進制造技術(shù)應(yīng)用集中的企業(yè)來說，PowerINSPECT測量軟件平臺的應(yīng)用在提升生產(chǎn)效率的同時，其開放及以客戶需求為導(dǎo)向的理念更可有機地融入到品質(zhì)控制全過程中，構(gòu)成全閉環(huán)品控的各個環(huán)節(jié)，進而推動新產(chǎn)品、新工藝的研發(fā)與應(yīng)用。同時，平臺所集成的多樣性解決方案更可將PowerINSPECT的應(yīng)用拓展至自適應(yīng)加工及產(chǎn)品損耗修復(fù)等領(lǐng)域。PowerINSPECT具備以下特性：

（1）數(shù)據(jù)接口廣泛化。

PowerINSPECT能夠廣泛地讀取各種主流三維CAD模型數(shù)據(jù)。通過Delcam專用的三維CAD數(shù)模轉(zhuǎn)換軟件Delcam Exchange，可以高速輸入、輸出包括 IGES、VDA-FS、STEP、ACIS、Parasolid、Pro/E、CATIA、UG、IDEAS、SolidWorks、SolidEdge、AutoCAD、Rhino 3DM、Delcam DGK和Delcam Parts等格式的三維CAD數(shù)學(xué)模型，在數(shù)據(jù)高速存儲的同時，也可以很好地保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。

（2）人機交互客制化。

測量工作目前越來越傾向于生產(chǎn)現(xiàn)場，測量軟件未來的發(fā)展趨勢也將力圖實現(xiàn)制造工程師意圖，而非質(zhì)量工程師意圖。面向車間工人的測量系統(tǒng)需要簡單易懂、便于操作，PowerINSPECT具有簡潔明快的操作界面、良好的向?qū)讲僮黧w驗，僅需簡短培訓(xùn)即可輕松掌握所有技術(shù)內(nèi)容，并能獨立完成機械制造業(yè)所需的從簡單標(biāo)準(zhǔn)體素到復(fù)雜自由型面測量的全部工作，隨后即可輸出圖文并茂、清晰易懂的測量報告。此過程得益于Delcam開放及以客戶需求為導(dǎo)向的軟件設(shè)計宗旨，PowerINSPECT不僅可以自定義模板，還可以以多種格式輸出專業(yè)的檢測報告。

（3）完善的虛擬仿真技術(shù)。

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展以及人類追求完美和極致的特性，復(fù)雜零部件的使用需求愈發(fā)凸顯，但是復(fù)雜零部件機械加工本身就是一個挑戰(zhàn)，而加工質(zhì)量檢測的相關(guān)要求則進一步提升。復(fù)雜零部件加工質(zhì)量檢測涉及多個方面，其中安全最為基本，PowerINSPECT提供了完整的、基于數(shù)模的虛擬測量仿真技術(shù)，可大大提高復(fù)雜零部件加工領(lǐng)域現(xiàn)代科研和開發(fā)所追求的效率。

（4）精準(zhǔn)的測量結(jié)果。

PowerINSPECT擁有良好的數(shù)學(xué)理論，測量數(shù)據(jù)評定結(jié)果通過了行業(yè)公認的最為嚴格的德國PTB認證且符合ISO9002標(biāo)準(zhǔn)，不會因為軟件算法的嚴謹性問題而導(dǎo)致額外的誤差引入，可以有效地保證測量結(jié)果的真實性。

（5）基于標(biāo)準(zhǔn)化的智能化。

目前，各行業(yè)均以標(biāo)準(zhǔn)化為基石大力發(fā)展智能化，測量技術(shù)作為機械科學(xué)研究與制造的核心更需要走在智能化的前端。PowerINSPECT可通過統(tǒng)計分析形成專家數(shù)據(jù)庫，為提升批量產(chǎn)品的制造質(zhì)量提供智能型參考。同時PowerINSPECT也在不斷開發(fā)智能化的采樣策略、路徑規(guī)劃技術(shù)，以提高數(shù)據(jù)獲取精度。

PowerINSPECT應(yīng)用模塊及應(yīng)用領(lǐng)域

PowerINSPECT作為機械加工測量系統(tǒng)集成平臺包含了多個子模塊，每個模塊均可獨立地與測量設(shè)備組合形成相應(yīng)的測量方案，這樣對于不同的測量需求即可提供不同的解決方案，最大限度地為客戶提供優(yōu)質(zhì)高效的服務(wù)。

1 PowerINSPECT手動模塊

PowerINSPECT手動模塊應(yīng)用于常見的傳統(tǒng)橋式CMM三坐標(biāo)測量機、劃線機及臂式測量設(shè)備，形成手動測量解決方案。在實際使用中僅需通過聯(lián)機協(xié)議將PowerINSPECT與硬件測量設(shè)備聯(lián)機即可按照所熟知的PowerINSPECT操作步驟完成測量工作，化繁為簡，將復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算交由PowerINSPECT自動進行，省去人工干預(yù)極易帶來的潛在誤差（見圖1）。對于加工業(yè)來說，產(chǎn)品已由精密制造逐步向精益制造發(fā)展，對產(chǎn)品生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量把控均對現(xiàn)行的三坐標(biāo)檢測提出了更高的要求。PowerINSPECT與關(guān)節(jié)臂相結(jié)合的測量解決方案，對使用環(huán)境要求較低，且可快速完成系統(tǒng)的組建與設(shè)置，從而實時快速地完成質(zhì)量檢測，這是我們現(xiàn)行三坐標(biāo)測量機不可實現(xiàn)的。同時，PowerINSPECT手動模塊功能不僅局限于測量，作為拓展，PowerINSPECT可通過實時檢測得到的數(shù)據(jù)構(gòu)造出平面、直線、槽及各種標(biāo)準(zhǔn)幾何形體，并可以以IGES等格式輸出，供逆向工程、產(chǎn)品設(shè)計等領(lǐng)域使用。

2 PowerINSPECT CNC模塊

PowerINSPECT CNC模塊多應(yīng)用在使用CNC/DCC控制的CMM坐標(biāo)測量機上，可通過數(shù)控指令控制快速安全地完成自動測量，對于復(fù)雜型面及批量生產(chǎn)零件來說尤其適用（見圖2）。PowerINSPECT CNC模塊可通過兩種模式生成測量所需的指令，以適應(yīng)不同的生產(chǎn)需求。

（1）示教學(xué)習(xí)模式。示教學(xué)習(xí)模式簡單易學(xué)，只需要在聯(lián)機狀態(tài)下對初件產(chǎn)品使用手工驅(qū)動的方式在需檢測的位置執(zhí)行測量操作，PowerINSPECT就“學(xué)會”了當(dāng)前檢測過程，并自動生成數(shù)控指令，對于此后的同一批所有的零件，都可以按生成的數(shù)控指令驅(qū)動測量機自動檢測。

圖1 PowerINSPECT手動模塊測量示意圖

圖2 PowerINSPECT CNC模塊測量示意圖

（2）脫機編程模式。脫機編程模式可在不連接測量設(shè)備的情況下，在計算機上輸入待檢測零件的理論三維CAD數(shù)學(xué)模型，PowerINSPECT可輕松地識別出模型上的各種特征，且針對不同的幾何特征提供了多種測量策略以幫助用戶方便地生成優(yōu)化的檢測路徑。對于自動化方案的可執(zhí)行性，其首要的就是安全保證，PowerINSPECT提供了完整的測量機虛擬使用環(huán)境以供模擬，可快速地判斷出當(dāng)前的檢測路徑是否安全，并以顯著的標(biāo)識顯示出不安全路徑。同時脫機編程對多類型工件可預(yù)先生成所需的檢測路徑，從而提高檢測效率，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。

3 PowerINSPECT 點云模塊

隨著光學(xué)測量技術(shù)的飛速發(fā)展，測量領(lǐng)域現(xiàn)已逐步發(fā)展到非接觸式測量與接觸式測量并駕齊驅(qū)的狀態(tài)。PowerINSPECT前瞻性地開發(fā)了點云模塊，點云模塊提供了全面的光學(xué)測量設(shè)備接口協(xié)議，無論是激光跟蹤儀、激光點、線掃描設(shè)備還是照相測量設(shè)備、經(jīng)緯儀等均可快速地與PowerINSPECT組成非接觸式測量解決方案，快速完成大型零部件、組裝件及整體外形幾何參數(shù)等大批量測量數(shù)據(jù)的獲取。同時PowerINSPECT融合了計量分析和逆向工程所需的多項要求，既可對測量數(shù)據(jù)進行評定，亦可將測量數(shù)據(jù)輸出，輸出的數(shù)據(jù)配合PowerSHAPE逆向模塊可以快速構(gòu)造出CAD實體，用于逆向工程。對于非專業(yè)光學(xué)測量設(shè)備，也可以通過加載光學(xué)測頭的方式來拓展設(shè)備的使用效能，例如不同類型的CMM測量設(shè)備，PowerINSPECT點云模塊均可提供解決方案（見圖3）。

4 PowerINSPECT 在線測量模塊

在機械加工行業(yè)，離線測量方式應(yīng)用居多，但是離線測量自身也存在運行環(huán)境苛刻、誤差引入、效率低下等弊端，對測量方式、方法的革新需求催生了在線測量方式。PowerINSPECT在線測量模塊可通過在機床上加裝測頭的方式輕松地賦予機床坐標(biāo)測量功能，形成加工過程質(zhì)量控制解決方案，該方案不僅能夠減少工件在反復(fù)裝夾過程中出現(xiàn)的誤差，同時由于大部分檢測工作在機床上完成，減少了工件的搬運和裝夾時間，可顯著提高生產(chǎn)效率，企業(yè)也不需要再投入資金購買更多的專業(yè)檢測設(shè)備（見圖4）。

圖3 PowerINSPECT點云模塊測量示意圖

圖4 PowerINSPECT在線測量模塊測量示意圖

PowerINSPECT在線測量模塊配合產(chǎn)品質(zhì)量終檢模塊，即構(gòu)成了閉環(huán)制造系統(tǒng)完整的質(zhì)量控制解決方案。區(qū)別于傳統(tǒng)的品控解決方案，運用PowerINSPECT在線測量模塊可在生產(chǎn)過程中實時對產(chǎn)品品質(zhì)進行監(jiān)控，以便分析批量生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的質(zhì)量趨勢，并適時調(diào)整加工方案，使批量產(chǎn)品品質(zhì)差異化最小。同時PowerINSPECT在線測量模塊可通過網(wǎng)絡(luò)的方式直接與機床通信，為實現(xiàn)制造業(yè)所追求的全自動化生產(chǎn)方案提供技術(shù)保障。

5 PowerINSPECT & NC PartLocator自適應(yīng)加工模塊

機械制造過程中面臨的首要問題即為加工坐標(biāo)的對齊定位，但是隨著產(chǎn)品應(yīng)用范圍的不斷擴展，生產(chǎn)過程中常常會遇到超大型工件及無基準(zhǔn)工件，這些類型的工件加工坐標(biāo)的對齊定位非常不易。然而，加工坐標(biāo)對齊定位存在誤差，必定會引起產(chǎn)品的質(zhì)量問題，鑒于此，Delcam根據(jù)CAM開發(fā)和應(yīng)用積累的豐富經(jīng)驗開發(fā)出了PowerINSPECT & NC PartLocator模塊，為機械制造業(yè)提供了一種基于測量數(shù)據(jù)的自適應(yīng)加工解決方案。

PowerINSPECT & NC PartLocator自適應(yīng)加工解決方案可用于工件的自適應(yīng)加工及工件和夾具的精確定位。進行自適應(yīng)加工時，首先使用PowerINSPECT進行離線編程，制定出零件或毛坯的位置測量方案和次序，通過在零件或毛坯上測量出的位置點數(shù)據(jù)即可計算出零件或毛坯在機床上的精確位置。然后將這些數(shù)據(jù)輸入到NC Partlocator，NC Partlocator將對比產(chǎn)生PowerMILL刀具路徑的名義位置和工件在機床上的實際位置，應(yīng)用三維擬合算法移動和旋轉(zhuǎn)工件對齊定位原點，從而使工件和刀具路徑對齊，并將結(jié)果輸出到機床控制器。 這樣在對零件進行簡單裝夾定位后，僅需幾分鐘的時間，系統(tǒng)即可產(chǎn)生自適應(yīng)加工所需的精確定位，從而幫助機床操作人員快速準(zhǔn)確地進行工件的重復(fù)裝夾定位，達到高效率與高精度的有機融合（見圖5）。同時PowerINSPECT & NC PartLocator自適應(yīng)加工解決方案完全繼承了Delcam產(chǎn)品面向用戶需求的特性，用戶可使用任何一種面向?qū)ο蟮恼Z言，根據(jù)自己的實際生產(chǎn)需要來編寫自動對齊定位方案，完善產(chǎn)品加工工藝。

6 PowerINSPECT & NC Checker精度校驗?zāi)K

得益于日益膨脹的尖端加工技術(shù)應(yīng)用需求，Delcam開發(fā)出了獨特、快速、簡便的機床及測量系統(tǒng)精度校驗?zāi)KPowerINSPECT & NC Checker，可快速地檢測和報告機床和其測量系統(tǒng)的運行狀態(tài)，用來在加工開始前確認機床和其測量系統(tǒng)的精度，以及生產(chǎn)過程中檢測因加工運作而造成的任何機床精度改變，為用戶加工出高質(zhì)量的零件提供保障和信心。

PowerINSPECT & NC Checker精度校驗?zāi)K作為獨立的解決方案時，可在生產(chǎn)過程中任何時候、任何階段進行，且其不依賴于硬件設(shè)備的特性決定了其即使高頻率的使用也不會引入誤差，為機械制造企業(yè)日常設(shè)備點檢提供了不二的選擇。同時，作為系列化解決方案，PowerINSPECT& NC Checker精度校驗?zāi)K配合PowerINSPECT 在線測量模塊可形成加工過程預(yù)控制與過程控制的完美解決方案，從源頭上消減誤差對產(chǎn)品加工精度的影響（見圖6）。

圖5 PowerINSPECT & NC PartLocator自適應(yīng)加工模塊示意圖

圖6 PowerINSPECT & NC Checker精度校驗示意圖

PowerINSPECT應(yīng)用——誤差修正

接觸式測頭作為在線測量數(shù)據(jù)獲取媒介，在測量過程中的地位舉足輕重。由于接觸式測頭的工作原理使其在測量過程中存在瞄準(zhǔn)誤差、撓曲變形誤差等，若直接使用測頭說明書給定的標(biāo)稱值，則會給測量帶來極大的原理性誤差，而測量中各參數(shù)值變化引起的誤差使得通過理論分析定量計算的方式來補償這些誤差幾乎不可行，因而必須根據(jù)測量需求建立面向測量任務(wù)的測頭作用參數(shù)標(biāo)定，以消除測頭引入的測量誤差。

測頭作用參數(shù)標(biāo)定可通過PowerINSPECT 在線測量模塊來完成。如圖7所示，測頭在未校準(zhǔn)的狀態(tài)下測量結(jié)果偏差非常大，已無精度可言。實際使用中，可首先利用PowerINSPECT 在線測量模塊生成接觸式測頭作用參數(shù)校驗測量程序，然后運行測量程序并將測量結(jié)果傳回PowerINSPECT中，繼而打開在線測量模塊測頭作用參數(shù)校準(zhǔn)功能，即可快速準(zhǔn)確地計算出測頭有效作用參數(shù)。為避免人工因素在操作過程中的不確定性，PowerINSPECT可直接將修正后的測頭參數(shù)以系統(tǒng)文件的形式傳輸?shù)綑C床控制器供后續(xù)測量使用。圖8即為測頭校準(zhǔn)后標(biāo)準(zhǔn)球的測量結(jié)果，圖9為某一實際加工工件測量結(jié)果，從圖9可看出PowerINSPECT在測頭作用參數(shù)修正后成功地將測量精度鎖定在微米級，有效保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

對于航空制造業(yè)來說，薄壁件最為常見，其易變形的特性限定了離線測量解決方案的應(yīng)用。相對于特種測量解決方案的復(fù)雜性，由圖9可知，PowerINSPECT在線測量解決方案可輕松完成高精度測量數(shù)據(jù)的獲取，未來配合機床定位誤差實時修正技術(shù)，PowerINSPECT在線測量解決方案可更好地服務(wù)于航空制造領(lǐng)域。

圖7 測頭作用參數(shù)未修正標(biāo)準(zhǔn)球測量結(jié)果

圖8 測頭作用參數(shù)修正后標(biāo)準(zhǔn)球測量結(jié)果

圖9 測頭作用參數(shù)修正后實際工件測量結(jié)果

結(jié)束語

機械制造業(yè)的發(fā)展日新月異，航空制造領(lǐng)域尤其突出，新技術(shù)、新工藝的開發(fā)與應(yīng)用均離不開測量技術(shù)的保障，基于PowerINSPECT測量軟件平臺的眾多開放性測量解決方案能夠滿足機械制造全過程的質(zhì)量控制需求，可為推動先進制造技術(shù)的快速應(yīng)用提供有力的支持。