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适应汽车行业智能化制造的现代坐标测量技术及其应用

作者:上海大众动力总成有限公司朱正德 文章来源:MM《现代制造》 点击数:110 发布时间:2017-02-08
进入新世纪以来,融入众多先进技术的“智能制造”已逐渐为越来越多的企业所接受并予以践行。智能制造所追求的目标并非仅是减轻劳动强度、提高生产效率等单一考虑,而是为最大程度地适应、满足不断变化的市场和消费者的需求,通过转变企业的运行模式(如采取多品种混线的柔性化生产方式等),并尽量符合可持续发展和绿色制造的基本原则,而坐标测量技术又在其中占据了重要位置...
适应汽车行业智能化制造的现代坐标测量技术及其应用

上海大众动力总成有限公司朱正德

进入新世纪以来,融入众多先进技术的“智能制造”已逐渐为越来越多的企业所接受并予以践行。智能制造所追求的目标并非仅是减轻劳动强度、提高生产效率等单一考虑,而是为最大程度地适应、满足不断变化的市场和消费者的需求,通过转变企业的运行模式(如采取多品种混线的柔性化生产方式等),并尽量符合可持续发展和绿色制造的基本原则,而坐标测量技术又在其中占据了重要位置。智能化生产的鲜明特征就是把监控产品质量的重点转移到生产过程中的制造质量,以及提高对柔性化生产方式的适应程度,这就决定了坐标测量机必须以一种工序检测手段进入车间现场。为了迎合这一趋势,一些富有远见和前瞻性的仪器供应厂商在主流汽车企业的配合下,藉助不断开发、推出的新产品,以及新的检测理念,为提升智能制造的应用作出了重要贡献。

传统坐标测量机的创新和突破

图1 新机型CARMET正在工作

图2 二种型式的集成控制系统

众所周知,“悬臂式”是一种技术上相当成熟的坐标测量机,已在汽车车身和覆盖件等类零件的测量中得到了广泛的应用,但被称为测量多面手的新机型CARMET(图1)仍然在多方面有所创新和突破:更强的通用性。整车加工链涉及到的覆盖面有车身分总成、车身骨架、整车,以及夹具、主模型等,尽管均选取“悬臂式”,但一般得采用几种机型才能胜任。而CARMET的新颖结构,尤其是其很有特色的测头和探针,使它能灵活地应对上述汽车企业加工链中的各种检测之需;严密的安全保护措施。在车间相对恶劣的工作环境下,测量机较之专用检具,结构显得脆弱和易损,为此采取了多项有效措施,如将光栅尺安装于线性导轨之间,而导轨安装在Y轴下方,从而降低了碰撞危险,即使在Y轴经受碰撞时也能提供可靠防护。而且,不同于大多数测量机所选用的齿轮驱动方式,新机型CARMET采取了摩擦驱动,不但有效地降低了噪声,在保护测量机自身和操作员的安全方面也发挥了积极的作用;“集成控制系统”(图2)为上、下两种型式装置的应用。通过集成可移动的显示、控制单元,方便了操作者进行分析、测量,并在编制测量程序时更靠近测量点,在节省体力的同时提高了效率;软件的兼容性。所采用的车身和覆盖件测量及脱机编程的专用软件IDA具有很好的兼容性,通过DMIS接口可以兼容不同的测量软件;在采取了不少创新技术和简洁、实用的措施后,降低了制造成本,且该机器经久耐用、便于维护。对于以汽车厂为主的用户来讲,不但降低了初次采购时的投入,因日常维护和更换易损件很容易,至使整个维修时间非常短,使这台设备的生命周期成本大大降低。

此外,通过配备了灵活多变、适应性很强的夹具系统使检测中将更容易触及的被检工件的测量点;采用模块化设计,整体组成和布局合理,可以更快、更有效地配合主机完成不同的测量任务;该套夹具系统中还包含了所有的紧固件和用于紧锢的工具,故装备一套夹具后即可实现所有拆装、重组功能;由于系统的很多组件能在不使用工具的前提下灵活调整,更易于自由搭配以实现个性化的测量需求,使这套新夹具系统拥有更好的扩展性。

五轴联动扫描测量系统的推出

然而,为了能更好地发挥它们的作用,除了通过上述技术途径外,还藉助在更核心的检测装置方面采取的措施,有效地提升其功能。温泽公司推出的五轴联动扫描测量系统就是一个很好的案例。

该系统通过采用以革命性的测头REVOTM为基础的五轴扫描技术Renscan5TM,从而具有了将三坐标测量机移动时因结构重量所导致的动态误差降至最小,从而显著地提高扫描速度的优势。众所周知,为确保精确度,在大多数情况下,传统坐标测量机的扫描速度均限制在10mm/s左右,这就极大地限制了生产率。然而,当采用五轴测量系统时,因为测头REVOTM不但更轻巧而且动态性能更好,其频率响应特性很出色,故能快速地跟随工件几何形状的变化,就不会引起动态误差,使测量机可按最佳的原设计方式进行,即可匀速移动。而之所以具备如此的功能,主要是测头REVOTM所采用的一系列新颖技术:譬如,为了使测头机构在高速运动状态下的动态效应降至最低,利用激光来精确测定探针端部的确切位置。一束激光从REVOTM测头一直射到探针端部的反射镜上。

此外,REVOTM探针采取不同于传统探针的弯曲设计,意在偏转激光束的返回路径,它将由同样安装在测头体内部的PSD(位置传感器)接收。射在PSD上激光点的移动将与测头座和测头几何运动变化,以及三坐标测量机每轴光学尺的输出值结合在一起,并被转换成测量值输出。从而可推算出探针端部在空间中的确切位置。正是这一新颖的原理在降低测量中运动误差和动态误差的同时,进而提高了测量效率(最高速可达500mm/s),此外还有诸多优点,如由于扫描作用力极小,探针几乎不会磨损;由于采用了无级定位方式和五轴联动,因此可以测量更复杂的工件;以及减少辅助时间,简化工件之程序编制过程等。

虽然,各种类型的高性能光学测量仪器已越来越多地进入了以汽车行业为代表的现代制造业,但客观地说,迄今在广大企业担当着主体检测责任的仍然是三坐标测量机这些设备,可通过汽缸盖测量(图3)来感受该系统的优越性。

图3 五轴联动扫描用于缸盖测量的案例

带有光学测头的坐标测量机功能的提升和突破

●三坐标测量机的专用检测系统

20世纪90年代中叶,光学测量已开始在国内制造业,尤其是汽车行业逐步获得应用。但包括配有光学测头的三坐标测量机在内的检测系统,在显示出众多优点的同时,一些似乎天然的短板也局限了其应用范围,这是很遗憾的。随着近几年来一些仪器厂商在技术上的不懈努力,这种状况已经发生了极大的变化。在知名企业蔡司(ZEISS)的O-INSPECT复合式扫描测量机就是一个典型例子,该机配备了蔡司Discovery V12光学变焦镜头系统,可实现高倍率快速视(影)像测量,其独到的远心技术则可满足其中高精度尺寸的要求。通过提供独到的整体解决方案,具有对复杂工件及其中微细结构尺寸进行全面分析评价的能力。安全带锁扣即是一例,事实上对其的测量十分复杂,包括:多种材料且复杂的装配要求、微米级的公差、近百个尺寸需监控,尤其不仅涉及常规间距和角度量测,还有形位公差中的轮廓度及微细结构测量等。鉴于安全带锁扣组件中所涉及到的几种软塑料关键件具有材质偏软、有明显的弹性等特点,O-INSPECT则以其强化的微测力设计、出色的连续扫描精度(优于传统扫描30%起),可对上述那些软材质实施高精度的3D连续扫描测量。O-INSPECT作为一种高精度复合式扫描测量机(图4),具有测量效率高、多种检测仪器功能一体化的核心竞争力,可有效缩短测量环节,目前包括天合汽车(TRW)在内的多家国内外厂家已选择了此方案。

图4  O-INSPECT测量机

●通用型非接触式线性激光测头及其相应软件的应用

日本“三丰”推出了两款产品:用于坐标测量机的非接触式线性激光测头系列SurfaceMeasure;用于坐标测量机的自动测量程序生成软件MiCAT Planner。前者已是一款系列化的成熟产品,藉助于它,就能方便地完成对各种材质零件的高精度、高效率的测量。尤其是以往的激光测头需要调节激光强度和相机的感光度,以适应不同的工件材质和符合工作环境的要求,而SurfaceMeasure系列具有自动调节功能,能更加简便、快捷地完成对被测物的激光扫描,测量过程中也无需考虑工件表面的色调和光泽度。该系列产品包括四组类型的测头,其中三种为单向线性激光测头606/610/1010;另一种则为交叉型线性激光测头606T。事实上,每种型号即反映了扫描范围这一基本参数,如606代表扫描宽度60、扫描深度60,而606T 则为扫描宽度3×65、扫描深度65。三种单向线性测头分别对应了由较小到较大的工作范围,精度则从12~18μm稍有下降,探测距离则处于240~280mm的区间,检测不同工件应选用不同的测头,这样才能取得最好的效果。当进行车身内、外覆盖件的测量时,就可选1010型,因为相比606,其探测范围大很多,故效率会更高。

交叉型线性激光测头606T,由于采用3道激光束同时扫描,因此,即使被检工件的形状很复杂,也能进行有效的测量。而且由于明显地减少了(在三坐标测量机上的)测头改变姿态的频率,因此工作效率就高了。当然,采用606T的主要原因还是为了提升检测能力,鉴于该测头可同时向三个方向发出扫描激光束,这就具备了对被检工件的顶部和侧面同时进行测量的条件。

总结

在“智能制造”已逐渐为现代汽车制造业普遍接受并推行的大趋势下,在企业中广泛应用的测量技术,特别是配置在生产现场监控产品制造质量的检测技术,正发生着深刻的变化。本文以在用坐标测量检测设备为例,指出:为了适应汽车行业这一新情况,往往更加强调通用性、多功能、低成本和操作的便捷等功能,而不再只是关注高精度等传统指标。此外,不断发展和推出的先进测量技术,诸如激光、白光等先进的非接触式计量设备,利用它们所具有的高效、环保、可持续利用等诸多特性,才使它们拥有了强大的生命力。