日益重要的测量技术

魔神

    为了适应已发生根本变化的市场，制造业正在大力开发具有更高附加值的产品。在产品开发中，测量技术的作用显得日益重要。目前在精密计量检测领域，测量精度已从原来的微米量级发展到纳米量级，对更微细加工形状的检测也受到更多关注。不但对产品的精度质量如形状尺寸、表面粗糙度、圆度等提出了更高的检测要求，而且用于验证加工机床本身精度的各种检测技术也在不断进步。

质量管理对测量技术的需求

生产车间对提高加工效率和降低加工成本的追求是永无止境的。但是，最重要的是提高产品质量。因此，采用严格的标准、实行彻底的质量管理至关重要。

作为质量管理的手段，如同用高精度的零部件群构成加工机床和在生产线上配备高精度测量机那样，需要将生产线构筑成一种“自律”系统。由此可以预测，今后对质量管理所需检测设备及支持系统的需求将进一步增加。

实际上在生产现场，使用量规来检测产品至今仍是主流检测方式。量规是针对各种产品定制的专用量具，不具有兼用于其它零部件的通用性，如零部件的设计发生变更，就需要重新设计和制作量规。随着市场对产品需求的多样化，零部件的种类在不断增加，使量规的数量也随之增加。此外，高精度量规的制作需要高超的技艺，随着技术工人的更替换代，现在已很难购买到高精度量规了。

通过量规获得的检测结果仅仅是零件是否合格，能否进入下一道工序，而无法测量和记录零件的实际尺寸值。因此，可用于生产现场的测量仪器倍受关注。通过引入现场测量仪器，可以采集和积累测量数据，并将这些数据反馈应用于加工流程。此外，通过建立数据库，记录和保存测量数据，在零部件作为最终产品售出后发生质量缺陷等问题时，就能掌握该零部件是在何时、何处加工的，即具有可追溯性（traceability），也就容易查找原因和解决问题了。但是另一方面，随着现场测量仪器测量精度的提高，对仪器的环境适应性、可靠性和检测效率也提出了更高要求。

在精密测量领域，用于质量管理的可追溯性思维方式以及评估测量不确定度的重要性已在制造业获得了广泛共识。作为一般性的测量评估，正在形成研究探讨精度溯源和测量不确定度的环境。由精度溯源和不确定度构成的对测量可靠性的评估，形成了以ISO（国际标准化组织）标准体系为代表的现代质量管理体系。

尺寸的管理可以说是制造的基本要素。今后，随着海外生产的发展前景看好，要求在不同地区生产的高精度零部件具有互换性。在全球化的进程中，不仅仅是大型企业，甚至包括中小型企业都将越来越重视基于国际通用测量方法的产品生产。重新认识生产线在线测量的重要性、探讨彻底的质量管理方法才是超越全球化浪潮的有力武器。

对在线检测的需求

为了满足不断追求高精度、低成本生产的用户需求，要求测量仪器不仅能为检查加工质量而进行尺寸测量（比较测量），还能实现在线检测（或测量仪器安装在生产线旁，便于被测工件的装卸和搬运）。在汽车零部件的形状检测方面，越来越多地采用实时检测工件并将检测结果及时反馈回加工流程等方式，在线检测呈现出强劲的发展趋势。

在生产现场进行检测，需要满足用户的以下要求：①提高生产效率；②提高测量结果的可靠性；③适应生产现场的恶劣环境；④满足测量装置的安装空间等。这些要求主要基于自动化、无人化测量的需求。对应于用户实施质量管理和构筑生产线的需要，各测量设备制造商已将为特定用户提供有关检测问题的解决方案作为重要的发展战略予以实施。制定在线检测解决方案的关键是用于监控加工流程的测量技术是否能与加工设备适当匹配。采用闭环（closed-loop）方式监测刀具及换刀系统将提高机械加工的质量和效率，从而大幅度降低生产成本。

在线检测的目的是保持并提高加工、组装的精度质量和生产效率。目前企业十分重视将原有的生产线转换为能够提高加工、组装系统的性能及可靠性、稳定地生产优质产品的高效生产线，因此非常需要在线检测技术和测量装备的支持。

对自动化测量的需求

Marposs公司最早提出和应用接触式及非接触式测量技术开发在线和离线测量机。该公司将许多标准化的测量元件和组件根据用户的需要进行组合定制，以适应各种加工机床（如磨床）对工件尺寸进行自动测量和控制的要求。作为一揽子解决方案，Marposs公司还开发了对应于各种磨削机床的尺寸形状测量、声发射监测以及振动、磨削量等测量系统。据称，该公司已接到很多系统解决方案的订单和大型订单，显示出旺盛的市场需求。

近年来，对形状精度测量仪器的测量精度要求日趋严格，对微小孔和微细零件的测量需求也在持续增加，满足这种需求的新产品正不断被开发出来。例如，Taylor Hobson公司的超精密非接触式三维表面形状测量机Talisurf基于该公司获得专利的特殊算法，利用干涉条纹确定共振峰值和相位位置，能以很高的测量速度和高分辨率（0.1埃）获取被测样品的高精度信息。仪器的分辨率和测量精度可用具有溯源性的校正规进行校准。

在对形状精度要求严格的齿轮测量领域，大阪精机的NC齿形导程测量机等测量设备可对齿轮的齿形、齿向、齿距等参数进行全自动快速测量，并采用了可以消除振动影响的直接传送伺服系统。在汽车制造领域，如何提高齿轮的动力传输效率已成为关键技术，因此要求不断提高齿轮测量机的精度。为了提高汽车的加速性能和舒适性，消除发动机和变速箱的噪音及振动非常重要，尤其是变速箱，对齿轮的检测精度要求很高。关于齿轮的测量方法，大阪精机认为“在日本目前还没有国家认证。因此必须使用作为检定基准的标准齿轮来确认测量精度，再委托国外的有关认证机构进行测试。”

对高精度、高分辨率测量的需求

作为位置精度测量器件，线型编码器（Linear Encoder）的公共溯源体系在日本国内尚未确立。2004年，Heidenhain公司在名古屋工厂引入了长度精度检测装置。这是德国物理工学研究所（PTB）率先开发的精度检定装置。就长度计量而言，PTB以具有可追溯性的激光、基准尺、线型编码器为基础，用合计10个以上的长度标准分阶段地保证测量精度。

对于除了长度以外的温度、气压、角度等测量要素，也确立了分别以半年至数年为周期实施精度检定的可追溯性体系。近年来，与分度标尺编码器一起，绝对（Absolute）编码器已逐渐成为主流。Heidenhain公司的编码器已实现了高精度、高分辨率（可达10nm）和高速通讯化。

用于测量尺寸精度的数字测量规（Digital Gauges）要求具有高精度、高分辨率和对各种工作环境的适应能力。Sony Manufacturing Systems公司的数字测量规产品阵容中新增了体积更小、精度更高、分辨率更小（最小可达0.1μm）的新型号，可实现最大量程12mm的高精度测量。此外，为了满足用户柔性多点测量和多界面输出的需求，该公司还推出了能够灵活对应不同连接线数（最多可达64线）多界面输出的MG系列测量模块。该公司为了构筑能获得计量法规认定、可满足用户需求、具有可追溯性长度检定体系的质量保证系统，已通过了ISO 9001国际标准的认证。

致力于提供测量整体解决方案

用三坐标测量机进行测量时，为了确保尺寸精度的可追溯性并将其应用于工件尺寸的检验，需要评估测量的不确定度。为此，需要评估各种误差因素，以计算出不确定度。在ISO／TC213／WGl0（坐标测量机）标准化工作中，已设定了坐标测量机的精度评估标准，并且正在探讨不确定度的评估标准。

在进一步缩短三坐标测量机的测量时间、提高其运动速度方面一直存在着竞争。目前，进一步提高测量机移动和快速加减速的速度的技术瓶颈是振动，通过采用新的测头技术、驱动方式和高刚性设计等，可以有效消除振动，使得进一步提高测量机运动速度成为可能。尤其当三坐标测量机用于在线检测时，要求在加工线上对工件的温度误差进行补偿修正。因此，测量设备生产商正在致力于为用户提供解决加工中测量问题的总体方案。

对于三坐标测量机，目前还没有可称为“基准规”的精度测量仪器。采用量块可以验证一轴和二轴的精度，但是要对作为三坐标测量机特性的三轴精度进行验证尚有欠缺。浅沼技研开发的三维精度验证规Quality Master置于三坐标测量机的测量工作台上，在正反位置各测量三次，即可根据测量数据瞬间评估和简易校正三坐标测量机的几何精度。

CNC图像测量机的发展

作为检测冲压件、铸件等小型、薄型加工零件的高精度测量仪器，在传感器中导入使用CCD相机的CNC图像测量机有了快速发展。目前，分辨率小于lμm的超高精度图像测量机、装备CCD相机和分辨率达0.0lμm的激光测高仪、用于强化测量高度的混合型测量机等也已经开发出来。

在精密测量技术方面，重要的是对更高精度且形状复杂的工件进行高效测量。测量的不确定度不仅是用于评估检测结果，更重要的是用于从总体上考虑检测成本，以构筑高效率的检测系统。不仅要提供以高精度为基础的标准，而且还要研究能够更精确地模拟评估复杂测量不确定度的技术并使其实用化，这将是今后精密测量领域的重要课题。

在数控加工中需要确定刀具、夹具的干涉等。虽然CAM等加工软件也可以选配仿真模拟校验功能，但加工中的事故或故障通常是操作不注意时引起的，因此最好还是使用其它系统事先进行检查验证。大隈的0SP系列CNC装置采用了防撞击系统，无论是程序控制的机械操作还是手动操作，CNC装置都能自动检查工件、刀具、夹具等的干涉，在发生冲撞前自动停机。除了品种和批量多变的生产以外，在许多需要进行试加工等改变程序的生产现场，防错工具的重要性正在日益增长。

在谈论五轴加工时不可不提到CAM软件。CAM是通过按操作指南设定各种加工条件来体现操作人员风格的。但是，像五轴加工那样越复杂的加工，其加工前的预处理越花费时间。CAM的自动化究竟能达到何种程度，对于今后的制造业是个非常大的课题。

综上所述，可以用“高附加价值加工”这一关键词来概括“复合加工/五轴加工”的产品开发趋势和生产现场要求，而这些技术的进步蕴含着改变日本制造业未来的可能性。