工业大尺寸测量仪器的溯源现状及发展趋势

工业大尺寸测量仪器的溯源现状及发展趋势
马骊群1,2,王立鼎1,靳书元2,王继虎2,曹铁泽2
(1.大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116024;
2.中国一航北京长城计量测试技术研究所,北京100095)
摘　要:大型工业产品及装备制造的信息化和全球化需要高精度大尺寸测量仪器作计量保障。

本文介
绍了现有工业大尺寸测量仪器的发展现状和应用特点,对现有的校准技术和溯源形式作了总结与分析,并展望了今后大尺寸测量仪器的溯源形式。

关键词:大尺寸;测量仪器;溯源;校准
中图分类号:T B9;T H711 文献标识码:A 文章编号:1002-6061(2006)06-0001-05
Traceability Status and Developing Trend of Industrial Large -scale Measuring Instruments
M A L i-qun 1,2,W ANG L i-ding 1,JIN Shu-y uan 2,W ANG Ji-hu 2,CAO T ie-ze 2
(1.Key Laboratory for Precis ion &Non -tr aditional M achinin g of M inistry of Edu cation ,Dalian University of T echnology,
Dalian 116024,China; 2.Changch eng Institute of M etrology &M eas urem ent,Beijing 100095,China)
Abstract :Mo re precision measuring inst ruments have been dev elo ped t o meet t he gl obalizat ion and inf orm atizat ion o f l ar ge-scale indust rial manufact ures.T he current sit uatio n and charact eristics o f larg e-scale measuring instr um ent s are present ed and t he m et hods of cal ibrat ion and tr aceabilit y are analy zed in br ief .T he devel opm ent tr end of tr aceabilit y fo r l ar ge -scal e measuring instr um ent s in t he f uture is also discussed .
Key words :lar ge-scal e;measuring inst rument ;t raceabilit y ;cal ibrat ion
收稿日期:2006-05-29
作者简介:马骊群(1965-),女,高级工程师,博士研究生,主要从事几何量计量测试与校准工作,研究方向为精密机械加工与测试;王立鼎(1934-)男,教授,博士生导师,中科院院士。

0　绪论
大尺寸计量的发展主要是受工业产品需求的影响,特别是航空航天及汽车等传统大尺寸工业,由于生产产品的信息化及全球化使得一些复杂产品需要由来自世界各地生产的零部件进行无缝连接、统一装配,供应商通过多层渠道提供的大型部件必须在尺寸上满足国际标准的溯源性,并且要给出测量不确定度的说明。

另外舰船、航天器、粒子加速器、大型地面望远镜等都需要准确的大尺寸计量,利用大尺寸测量仪器建立和维护系统,以确保系统准确地校准。

大型部件的测量主要依赖于直线距离或空间坐标测量系统,例如激光干涉仪、坐标测量机、经纬仪、激光跟踪仪、摄影测量仪和3D 扫描仪等,由于这些系统的功能和原理各不相同,在满足现行国际标准的前提下,正确地评定系统的测
量不确定度成为人们关注的热点问题,同时高精度、高
效率、低成本的校准手段成为研究人员和用户共同追求的目标。

1　工业大尺寸测量仪器
传统的光学工具测量技术已逐渐被智能化空间坐标测量技术所取代,在汽车、造船和飞机制造等工业领域,人们越来越多地使用高精度、高效率、具有多种分析与计算功能的空间大尺寸坐标测量系统。

特别是在三坐标测量机很好地解决了中、小型零部件测量的前提下,对便携式大尺寸坐标测量系统的需求与日俱增[1]。

近二十年,各类满足不同需求的便携式坐标测量系统相继出现,使得工业大尺寸测量仪器的家族日益庞大。

目前国际上工业大尺寸测量仪器主要有三大类,他们分别是激光干涉仪、固定式坐标测量机、便携式坐标测量系统。

1.1　激光干涉仪
激光干涉仪是一种高精度距离测量仪器,配合相应的光学组件还可以完成角度、直线度的测量。

干涉仪的测量范围比较大,一般都可以到几十米。

用途很广,
既可以作为高精度位置传感器,也可以作为校准工具[2,3]。

主要解决机床、坐标测量机等精密定位系统的精度评估。

英国Renishaw公司的M10型激光干涉测量系统,配备高精度的环境传感器和补偿装置,提高了现场测量精度,在40m范围内,其线性测量精度可达0.7×10-6。

为了提高机床的检测效率,美国API公司推出了六维激光测量系统,一次安装调试后,可同时测量数控机床的6项精度。

1.2　固定式坐标测量系统
固定式坐标测量系统绝大部分采用的都是正交直角坐标测量系统,具有固定的工作台或工作空间。

在三个互相垂直的轴向上分别装有导向机构、测长元件和数显装置等,测量时通过测头进行采点。

根据三轴的安置结构可分为桥式、龙门式、立柱式、悬臂式等多种形式的坐标测量机。

测量机的功能很多,可以测量直接尺寸,也可以根据测量的特征点通过相应的分析软件计算出工件的形位公差及各种相关关系。

多测头的使用,扩大了坐标测量机的功能,例如工件扫描测量等。

对于自动型的坐标测量机还可以实现批量零件的自动检测。

为了满足大型工件的测量,具有开放型结构的坐标测量机也越来越多,美国Bro w n&Sharp公司的LAMBDA SP型超大系列龙门式测量机Y向行程最大可达10m。

1.3　便携式坐标测量系统
固定式三坐标测量系统最大的问题是测量空间有限、测量方式被动。

上个世纪80年代初,各种面向现场的便携式坐标测量系统不断出现,解决了各种工业现场测量的难题。

这些系统不再是简单的直角坐标测量体系,而是通过测角、测长及相应的计算方法求解出物体的空间坐标。

系统结构紧凑、携带方便,测量空间开放,是面向测量对象的主动式测量。

根据系统所用传感器的不同,可以分成下述几种类型。

1)可移动、多关节式坐标测量系统采用空间支导线原理进行测量。

它通过安装在各关节及连杆内部的角编码器获得各关节及连杆的转角,再结合关节及连杆的机械参数(厚度、长度等)计算出测量点的三维坐标。

关节式坐标测量系统是一种经济有效的测量解决方案,使用灵活,不需要被测点的通视条件,支持多种测头,由于测量范围有限,一般用于中、小型模具、汽车零部件、钣金件、塑料制品、木制品、雕塑等的快速检测和逆向设计。

美国星科公司的新型ST INGER II型柔性关节臂式测量机最大臂长为4.6m。

2)经纬仪坐标测量系统是一种早期的工业坐标测量系统。

它由多台(至少两台)高精度的电子经纬仪构成,采用空间三角交汇的原理进行坐标测量。

由于单台经纬仪仅具有测角功能,因此需要借助长度已知的标准尺建立测量坐标系。

测量时,需要通过望远镜进行瞄准,是一种非接触式坐标测量系统。

系统操作简单、便于携带、受环境影响较小。

采用高精度的电子经纬仪(测角精度0.5″),在10m 之内,坐标测量的不确定度小于0.1mm。

由于采用人眼瞄准、逐点观测,因此测量效率较低。

3)视觉测量系统以相机作为传感器,结合摄影测量、三角交汇测量、结构光投射测量或多目标测头测量等技术实现物体的坐标测量。

根据使用相机的数目又可分为单相机系统或双(多)相机系统。

双(多)相机系统测量时包含冗余信息,因此相对于单相机系统而言测量精度更高、功能更强。

除了采用多目标测头需要接触物体外,视觉测量系统是一种满足通视条件的非接触式测量,测量范围一般都在10m以内。

比较有特点的视觉测量系统有德国GOM公司的ATOS测量系统,通过投射多条可见光带,可以同时采集大量的物体空间位置信息,测量速度快,特别适合逆向工程测量。

另外挪威M etronor公司的视觉光笔测量系统更像是一种基于相机的便携式三坐标测量机,它将多个发光LED与测头相结合,通过相机捕捉LED的光学影像从而求解出测头的空间坐标,由于不受被测点通视条件的限制,使用更加灵活。

4)激光跟踪仪是一种具有球坐标系的坐标测量系统,由两个测角单元和一个测距单元组成,测角采用角度编码器,测距采用单光束激光干涉仪,通过球形反射镜接触被测物体实施测量,是一种接触式测量仪器。

跟踪仪最大的特点是可以跟踪目标反射镜进行动态测量。

实现跟踪的是一个四象限PSD传感器[4],由它控制马达,使激光束始终指向目标反射镜的中心。

激光跟踪仪作为一种可移动式的空间坐标测量仪器一出现就受到普遍关注,它测量精度高(坐标测量精度小于10×10-6)、测量速度快(采点最高频率可达1000点/s)、测量范围大(半径大于30m),而且还可以跟踪测量动态目标点(跟踪速度可达4m/s),可提供非常准确的动态和静态坐标测量,是工业大尺寸现场测量、安装、定位、校准等方面首选的计量设备[5,6]。

目前国际上知名的跟踪仪生产商有瑞士的Leica公司、美国的API公司和FARO公司。

5)基于激光测距的球坐标测量系统一般用于解决几十米甚至上百米空间范围内的物体测量。

激光测距在技术上可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光
测距。

瑞士Leica公司的T DM5100型全站仪采用具有正弦载波信号的红外调制光配合反射目标进行测距,在百米之内测距误差不超过1mm。

比利时M etricVi-sion公司的M V226型激光雷达扫描系统结合了激光测距、雷达测距等多种先进技术实现了物体的快速扫描,是一种高精度、无需标识点、反射目标或测头的非接触测量,激光雷达波直接扫描物体表面,特别适合飞机外形检查和大型天线面形扫描,系统测量速度快,扫描速率最大为1000点/s,测量空间半径可达60m。

6)室内GPS系统是由美国ARC SECOND公司推出的一种基于工业厂房区域内超大型现场测量系统。

其测量原理与地面GPS相同,也是由发射器和接收器组成,基本测量量是发射器的水平角和垂直角,其接收器和发射器的组合就像是经纬仪与目标。

确定接收器的位置至少需要两个发射器,两个发射器之间的相对位置和方向要用建立测量网的方法来确定,用引入校准过的标尺来定义一对接收器之间的距离。

室内GPS 系统最大的特点是测量不受限,测量范围大(可达上百米),无论在工件外还是在工件内,都可以完成测量,适用于大型结构的整体精密测量。

工业大尺寸测量仪器的发展越来越趋向于高精度、高效率、大范围、多功能,其作用已不仅限于测量,由于与计算机及功能强大的应用软件相结合,还可以对测量数据进行分析、为加工生产制定决策,应用行业也从早期的飞机和汽车制造业向航天、造船等领域扩展。

从趋势上看,未来的工业生产将越来越依赖于大尺寸测量仪器所提供的计量保证。

2　大尺寸工业测量系统的溯源
溯源的目的是保证测量的可靠性。

工业大尺寸测量系统与传统的计量仪器有许多不同,如系统种类繁多、测量量不单一、测量空间大、使用环境是工业现场等,仅用传统的直接到国家计量机构进行溯源的方式已经无法满足设备应用的需求。

为此一些计量的权威机构[7,8]分别制定计划寻求溯源途径。

目前大尺寸测量仪器的溯源方式呈现出多样性,除了传统的到国家计量机构进行实验室溯源外,在不确定度满足要求的前提下,人们越来越多的倾向于现场溯源。

1)直接溯源:将特定被测量按照国家计量机构等级链进行直接比较溯源,比如量块、标尺等直接到计量部门检验。

这种方式适合那些参数单一、携带方便的计量器具。

2)间接溯源:工业测量多样性给传统的特定测量方式带来了压力。

计量部门很难有资金和能力为每种工业计量仪器建立校准装置,为了保证溯源环节不中断,可使用将直接溯源的特定被测量引入到其它被测量的方法。

例如,使用直接溯源的标准长度去校准三坐标测量机,因为三坐标测量机可以测量两点之间的距离;然后使用三坐标测量机去测量其它的被测量,如同轴度、同心度等。

尽管这种量值传递涉及到复杂的运算,然而却给出了可溯源的测量结果。

3)局部溯源:大部分的计量仪器都具有连续输出的能力,但校准时只能取少量的采样点,因此要用有限的测量数据进行误差评定,以此代替仪器的整体测量结果,从而给出近似的不确定度表达。

对于那些结构复杂、测量参数多、测量范围大的工业测量仪器,如三坐标机、跟踪仪等这种情况更普遍。

事实上,在仪器校准过程中,传递链是通过一定数量的标准长度建立起来的,这些标准长度与被校仪器的测量结果相比较,由此得到被校仪器的测量不确定度。

尽管这种方式与直接比较溯源不同,但测量结果具有溯源性。

4)现场溯源:这种溯源方式的出现主要源于工业发展的需求。

首先随着科学技术的不断发展,一些高科技工业领域需要获得最高的计量保证,如半导体工业,其精度要求超出了国家计量机构的现有水平,因此企业部门不得不自行开发高精度检测设备来满足量传要求;其次装备制造的全球化要求产品必须国际标准化,产品的加工条件、加工方式、加工精度等都按照客户的需求统一起来,包括给出产品是否满足指标要求的不确定度的说明。

例如使用跟踪仪测量产品的几何尺寸,跟踪仪的现场测量精度就是给出产品不确定度说明的重要依据。

实现现场溯源必须与国际标准长度单位相联系,可以通过使用国家计量机构提供的工具或者有关估计测量不确定的认可证明(如测量能力认可等)来保证溯源的连续性。

值得注意的是现有的现场溯源主要是为了满足工业上特定任务的需求,国家计量机构在帮助企业解决这些特定任务的量传问题时,应该与企业合作研究通用的现场溯源工具与方法,为国家标准或行业标准提供增改建议。

3　工业大尺寸测量系统的校准方法
十几年来利用标准器已经基本上解决了中、小型三坐标测量机现场校准,使用激光干涉仪校准数控机床无论在技术上还是在方法上都已成熟,研究的热点是大型三坐标测量机及近几年广范使用的便携式坐标测量系统的计量溯源问题。

研究的目标就是减少每次的校准时间、延长校准周期,确保量值准确、溯源有据,
从而使制造商们更具有竞争性。

3.1　激光干涉仪的校准
激光干涉测量系统的校准不仅仅限于激光波长的稳定性的检查,大量程范围内的校准需求已经由用户提出。

一些国家级的计量机构纷纷建立几十米长的实验室校准装置,利用比较法检查干涉仪的测量不确定度是否满足预期的指标要求。

在干涉仪的比较测量中,根据标准干涉仪与待校干涉仪目标反射镜的安置位置,可分为同轴比较测量和同向比较测量。

同轴比较测量时两套系统的反射镜背靠背安置,这种方法可以消除阿贝误差,但由于一台干涉仪的近端是另一台干涉仪的远端,两者光程不等,受环境的干扰不同,因此很难将两套系统对测量结果的影响分离出来。

同向比较测量时,两套系统的反射镜并排安置,两路光受环境的影响等同,但导轨直线度的影响不能消除,在直线度不能保证的情况下,测量误差比较大。

所以消除导轨直线度的影响是提高干涉仪校准精度的主要因素。

3.2　大型三坐标测量机的校准
为了解决大型坐标测量机的基准和误差评定问题,德国、美国、英国、日本等测量权威机构均作了大量的研究工作[9-13]。

在原有的中、小型三坐标测量机校准方法的基础上还提出了一些新方法。

1)激光干涉法
采用激光干涉仪可以解决三坐标单轴参数校准,配合水平仪、直角尺等可以将三轴之间的位置关系标定出来。

这种方法校准时间长,校准过程繁琐。

2)标准件法
利用在实验室校准过的标准样件,如量块、步距规、球板、孔板等来评定三坐标测量机。

这种方法比较适合中、小型坐标测量机(测量空间在1m3以内)的校准。

由于标准样件的尺寸不能任意放大(必须考虑它的精度稳定性和使用的便捷性),所以这种方法不适合大型坐标测量机的校准。

3)自校准法
采用非校准的标准件,通过在工作空间内多个安置位置多次测量,配合相应的分析方法,确定仪器的工作状态,这种方法无法确定比例误差,需要另外使用标准长度来确定。

由于校准过程繁琐,因此不适合大型坐标测量机的校准。

4)多台跟踪仪法
近几年一些学者开始使用激光跟踪仪,利用跟踪仪的目标跟踪功能和干涉测距功能配合相应的计算方法解决大型坐标测量机的误差评定[14-17]。

如德国PT B 在球板的基础上又发展了“二维虚拟标准样件”即“虚拟光学平面”,它采用多台(多站)激光跟踪仪,利用跟踪仪中的激光干涉信号创建一系列的平面参考坐标,坐标测量机与这些参考坐标作比较,可以计算出相应的测量误差并且给出误差分布图。

这是一种坐标比较法,适合评价大型CM M的系统误差。

这种方法精度较高,但测量过程比较复杂,若能简化过程,统一分析方法,将会提高它的实用性。

3.3　便携式坐标测量仪器的校准
直接针对便携式大尺寸坐标测量系统的校准方法的研究目前还很少。

现有的校准方式主要是采用标准长度或标准件校验法。

例如经纬仪测量系统,一般的情况是先对电子经纬仪本身的测角精度和标尺长度进行单独检定,然后利用标尺检验建立坐标系后的系统测距精度。

这种方法简单,容易实现,在一定程度上反映了系统的精度情况,但不能直接对坐标测量误差作出评定。

3.4　基于球坐标测量系统的激光类仪器的校准
1997年美国机械工程协会(ASME)发布了ASM E B89.4.19“基于球坐标测量系统的激光类仪器的性能评估标准(草案)[18]”。

该标准归类到B89,即有关坐标测量机的标准。

标准中对激光跟踪系统的性能进行了描述,提出了几项有关仪器性能的测试要求。

1)双面测试(前视与后视):前视定义为仪器的正常测量模式,后视是将仪器绕垂直轴旋转180°,且光束调整机构重新将光束调整到同一目标点。

通过该项测试,可以检查角度编码器的性能。

2)系统测试:该项测试是通过一系列的点到点的距离测量来对跟踪仪的性能进行评估。

其中点到点之间的距离是已知的,称为参考长度,这些参考长度可以通过独立溯源获得(如激光干涉仪)、可以包含一组相等长度(如标尺)、一个变长(如激光导轨)或者是一个由两点(由其他仪器确定并测量过)所决定的定长。

系统测试通常用来检查跟踪仪的距离与角度测量子系统。

所选定测量距离的位置和方向要不同,应该能够与跟踪仪已知的典型误差来源相关联。

这些测量如果与双面测量相结合,可以将跟踪仪中反向存在的几何误差凸现出来。

为了将跟踪仪的各项影响(干涉仪、水平编码器、垂直编码器)分离出来,可以选用下面建议的几种测量方式。

¹长度方式:使角编码器位于零位(水平角和垂直角),沿着长度方向进行测量,可以分离出干涉仪对测量的影响;
º水平方式:垂直编码器置于零位,覆盖整个水平
编码器的测量范围,从而分离出水平码盘的影响;
»垂直方式:水平编码器置于零位,覆盖整个垂直编码器的测量范围,分离出垂直码盘的影响;
¼对角方式:该种测量方式包含了系统的三个方面,是检查干涉仪、水平编码器、垂直编码器对测量的共同影响。

尽管这些方法不是基于坐标点的直接校准,但是在现场溯源中更容易实现。

美国NIST(National Insti-tute o f Standards and Technolog y)开发了便携式激光导轨校准系统[19],该系统包括一个激光干涉仪导轨和支撑架,它可以在激光跟踪仪的工作现场提供一个标准长度,调整支架的位置和姿态,还可以改变标准长度的方位,实现激光跟踪仪的现场补偿与校准[20]。

4　结束语
工业大尺寸测量仪器的大量出现和应用也只有二十年的时间,有关这类仪器的校准方法还在研究中,特别是便携式坐标测量系统,如何从实验室溯源转向现场溯源依然是研究的热点。

我国推广和使用此类仪器的时间比较晚,但有关校准方法的研究却在同步进行。

国防科工委在“九五”期间建立了“大尺寸直线校准装置”,解决了激光干涉仪的长距离、高精度校准问题;“十五”期间研制了“大尺寸坐标校准装置”,解决了经纬仪及跟踪仪等便携式坐标测量系统的实验室校准;“十一五”期间又投入资金研究“大尺寸测量系统现场校准装置”。

这些装置的建立不仅标志着我国大尺寸计量的发展水平,还将为我国国防军工产品提供可靠的计量保证。

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