智能制造檢測技術與裝備

上海大眾動力總成有限公司 朱正德

北京奔馳汽車有限公司 劉 攀

智能制造檢測技術與裝備

上海大眾動力總成有限公司 朱正德

北京奔馳汽車有限公司 劉 攀

自21世紀初以來，融入了眾多先進技術的“智能化制造”已逐漸為越來越多的企業(yè)所接受并予以踐行。相比已為人們耳熟能詳?shù)摹皺C械化、自動化”，智能化制造所追求的目標并非僅是減輕勞動強度、提高生產(chǎn)效率等較單一的考慮，而是出于最大程度地適應、滿足不斷變化的市場和消費者的需求，通過轉變企業(yè)的運行模式（如采取多品種混線的柔性化生產(chǎn)方式等），并盡量地符合可持續(xù)發(fā)展和綠色制造的基本原則，而測量技術這一要素占據(jù)了其中的重要位置。現(xiàn)今，測量技術，尤其是配置于生產(chǎn)現(xiàn)場的在線檢測技術，已經(jīng)成為汽車制造業(yè)中眾多企業(yè)里一種重要的質量監(jiān)控手段。在“智能化制造”逐漸為企業(yè)接受并推行的大背景下，導致其發(fā)展走向發(fā)生了更為深刻的變化。

一、適應汽車柔性化生產(chǎn)方式的檢測技術

智能化生產(chǎn)的鮮明特征之一就是把監(jiān)控產(chǎn)品質量的重點轉移到生產(chǎn)過程中的制造質量，以及提高對柔性化生產(chǎn)方式的適應程度。這就決定了坐標測量機必須作為一種工序檢測手段進入車間現(xiàn)場。為了迎合這一趨勢，一些富有遠見和前瞻性的儀器供應廠商在主流汽車企業(yè)的配合下，藉助不斷開發(fā)、推出的新產(chǎn)品，以及新的檢測理念，為提升智能化制造的應用做出了重要貢獻。如不久前（德）蔡司（ZEISS）公司推出的一款全新懸臂式機型CARMET（見圖1），就是個典型例子。

圖1 新機型CARMET正在工作

眾所周知，“懸臂式”是一種技術上相當成熟的坐標測量機，已在汽車車身和覆蓋件等類零件的測量中得到了廣泛的應用，但被稱為測量多面手的新機型CARMET仍然在多方面有所創(chuàng)新和突破：

（1）更強的通用性。整車加工鏈涉及到的覆蓋面有車身分總成、車身骨架、整車、以及夾具、主模型等，盡管均選取“懸臂式”，但一般得采用幾種機型才能勝任。而CARMET的新穎結構，尤其是其很有特色的測頭和探針，使它能靈活地應對上述汽車企業(yè)加工鏈中的各種檢測之需。

（2）嚴密的安全保護措施。在車間相對惡劣的工作環(huán)境下，測量機較之專用檢具，結構顯得脆弱和易損，為此采取了多項有效措施，如將光柵尺安裝于線性導軌之間，而導軌安裝在Y軸下方，從而降低了碰撞危險，即使在Y軸經(jīng)受碰撞時也能提供可靠防護。而且，不同于大多數(shù)測量機所選用的齒輪驅動方式，新機型CARMET采取了摩擦驅動，不但降低了噪聲的齒輪驅動方式，在保護測量機自身和機器操作員的安全方面也發(fā)揮了積極的作用。

（3）“集成控制系統(tǒng)”（見圖2）的應用。通過集成可移動的顯示、控制單元，使操作者能更方便地進行分析測量，并在編制測量程序時更靠近測量點，在節(jié)省體力的同時提高了效率。

圖2 二種型式的集成控制系統(tǒng)

（4）軟件的兼容性。所采用的車身和覆蓋件測量及脫機編程的專用軟件IDA具有很好的兼容性，通過DMIS接口可以兼容不同的測量軟件。

（5）在采取了不少創(chuàng)新技術和簡潔、實用的措施后，降低了制造成本，且該機器經(jīng)久耐用、便于維護。對于以汽車廠為主的用戶來講，不但降低了初次采購時的投入，因日常維護和更換易損件很容易，至使整個維修時間非常短，使這臺設備的生命周期成本大大降低。

此外，通過配備了靈活多變、適應性很強的夾具系統(tǒng)（見圖3），特點如下：

一是檢測中的測量點將更容易觸及。

二是采用模塊化設計，整體組成和布局合理，可以更快、更有效地配合主機完成不同的測量任務。

三是該套夾具系統(tǒng)中還包含了所有的緊固件和用于緊錮的工具，故裝備一套夾具后即可實現(xiàn)所有拆裝、重組功能。

四是由于系統(tǒng)的很多組件能在不使用工具的前提下靈活調整，更易于自由搭配以實現(xiàn)個性化的測量需求，使這套新夾具系統(tǒng)擁有更好的擴展性。

圖3 ZEISS的模塊化夾具系統(tǒng)

雖然各種類型的高性能光學測量儀器已越來越多地進入了以汽車行業(yè)為代表的現(xiàn)代制造業(yè)，但客觀地說，迄今在廣大企業(yè)擔當著主體檢測責任的仍然是三坐標測量機這些設備。然而，為了能更好的發(fā)揮它們的作用，除了通過上述技術途徑外，還藉助在更核心的檢測裝置方面采取的措施，有效地提升其功能。溫澤公司推出的五軸聯(lián)動掃描測量系統(tǒng)就是一個很好的案例。

系統(tǒng)通過采用以革命性的測頭REVOTM為基礎的五軸掃描技術Renscan5TM，如圖4所示，從而具有了將三坐標測量機移動時因結構重量所導致的動態(tài)誤差降至最小，從而顯著地提高掃描速度的優(yōu)勢。眾所周知，為確保精確度，在大多數(shù)情況下，傳統(tǒng)坐標測量機的掃描速度均限制在10mm/s左右，這就極大地限制了生產(chǎn)率。然而當采用五軸測量系統(tǒng)時，因為測頭REVOTM不但更輕巧而且動態(tài)性能更好，其頻率響應特性很出色，故能快速地跟隨工件幾何形狀的變化，就不會引起動態(tài)誤差，使測量機可按最佳的原設計方式進行，即可勻速移動。而之所以具備如此的功能，主要是測頭REVOTM所采用的一系列新穎技術: 譬如，為了使測頭機構在高速運動狀態(tài)下的動態(tài)效應降至最低，利用激光來精確測定探針端部的確切位置。一束激光從REVOTM測頭一直射到探針端部的反射鏡上。

圖4 革命性測頭REVOTM

此外，REVOTM探針采取不同于傳統(tǒng)探針的彎曲設計，意在偏轉激光束的返回路徑，它將由同樣安裝在測頭體內部的PSD（位置傳感器）接收。射在PSD上激光點的移動將與測頭座和測頭幾何運動變化，以及三坐標測量機每軸光學尺的輸出值結合在一起，并被轉換成測量值輸出。從而可推算出探針端部在空間中的確切位置。正是這一新穎的原理在降低測量中運動誤差和動態(tài)誤差的同時，進而提高了測量效率（最高速可達500mm/s）。此外還有諸多優(yōu)點，如由于掃描作用力極小，探針幾乎不會磨損；由于采用了無級定位方式和五軸聯(lián)動，因此可以測量更復雜的工件；以及減少輔助時間，簡化工件之程序編制過程等。以下通過一個汽缸蓋測量（見圖5）來感受該系統(tǒng)的優(yōu)越性。

圖5 五軸聯(lián)動掃描用于缸蓋測量

任務：12個進排氣閥門座，含36個掃描段（每個閥門座3段）。

效率：采用傳統(tǒng)的三坐標掃描測量方式：3軸掃描速度15 mm/s，掃描耗時為29分13秒；當采用掃描耗時為29分13秒；當采用三坐標聯(lián)動掃描測量方式：掃描速度400mm/s，耗時為3分42秒。從而使零件的測量效率提升高了近7倍。

測頭校準：之前采用傳統(tǒng)的方式時為：32min，而改為聯(lián)動掃描方式后：25min，校準效率提升28%。

二、高效、環(huán)保光學測量技術

1.智能制造對尺寸測量的要求

隨著智能化制造的理念逐步為國內主流汽車企業(yè)所接受并推行，原來的一些用于質量監(jiān)控的傳統(tǒng)方式的不足也越來越多地反映了出來。在車身和覆蓋件這類總成和零部件測量方面，為進一步滿足現(xiàn)代汽車廠隨著智能化制造水平的提升而對尺寸測量提出的要求，在檢測方面還做了如下的提升，如:

（1）在保證足夠精度前提下提高測量效率。

（2）從之前的只對部分特征點的檢測擴展到通過圖像色差分析實現(xiàn)對整個被測區(qū)域的監(jiān)控。

（3）立足于為車間現(xiàn)場的產(chǎn)品制造質量服務的宗旨，快速提供清晰、直觀的檢測結果（報告）。

（4）為迎合汽車廠用戶越來越短的生產(chǎn)準備時間、投放周期，必須縮短設備的安裝、調整周期。

（5）出于當前社會上技能型工人欠缺的現(xiàn)狀，希望整個測量過程中盡量減少對操作人員的依賴。

在動力總成和零部件領域，越來越多的新工藝、新技術在企業(yè)的實際生產(chǎn)中獲得了應用，如：以桁架機械手替代滾道式傳遞零件（見圖6），由加工中心替代專機、組合機床，采用多型號零件公用托盤（Adapter Plate）來取代傳統(tǒng)的工裝夾具定位（見圖7）等。從而使多品種、多型號產(chǎn)品共線生產(chǎn)、以及真正意義上的無人化生產(chǎn)模式的實現(xiàn)成為可能。

圖6 利用桁架機械手傳送零件

圖7 多型號零件公用托盤的應用

但問題是這一智能化的工藝配置也在尺寸檢測方面提出了諸多要求，必須得以妥善、有效地解決。它們包括：

（1）測量系統(tǒng)必須融入智能化加工生產(chǎn)線，且無需人工參與。

（2）在保證足夠精度的前提下提高測量效率。

（3）測量系統(tǒng)需要具備多功能多用途，它將不僅僅是位置尺寸測量，最好能涵蓋輪廓及表面粗糙度等微觀形狀尺寸測量。

（4）測量系統(tǒng)需要更加柔性化，盡量降低投資成本并追求綠色、環(huán)保。

2.激光測量、白光測量的應用

正是這一切來自企業(yè)實際生產(chǎn)的需求，促使了光學測量——激光測量、蘭光測量和白光測量（WLS）等方式，也漸漸地成為現(xiàn)代汽車制造企業(yè)的主流檢測手段之一。

光學測量有多種形式，就媒介物質而言可分為激光、白光、蘭光等幾類，而檢測方法則既有利用便攜式儀器進行的手動測量，又有設置在生產(chǎn)線中（旁）的拱門（固定）式和機器人的通用式自動化測量等幾種。雖然國內光學測量、特別是其中的激光傳感器已在車身、沖壓件檢測中有所應用，但由于其優(yōu)越性尚未真正顯露，故而范圍相當有限。現(xiàn)今，象知名的海克斯康公司生產(chǎn)的各類以光學測量為基礎的檢測設備，已被廣泛地配置在國內眾多的合資、國營和民營企業(yè)。尤其需指出的一點是，海克斯康往往還會根據(jù)不同用戶的具體情況和需求，幫助制定檢測規(guī)劃乃至測量方案，使該企業(yè)所購置的設備在產(chǎn)品質量的監(jiān)控中能最大程度地發(fā)揮出積極的作用。

（1）案例1，WLS白光測量。圖8為兩臺帶有白光測量頭的機器人用于車身生產(chǎn)線在線檢測的實況，右側為清晰、直觀的測量報告。據(jù)此不僅可對生產(chǎn)過程進行有效的監(jiān)控，而且系統(tǒng)在快速生成測量報告的同時，還能對一段時間以來眾多工件的測量結果做統(tǒng)計分析，及時地提供標準差、極差和平均值等直接反映加工質量的數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)偏差異常，將馬上通知車間或工藝部門做相應的調整。

圖8 帶有白光測量頭的機器人用于車身生產(chǎn)線的在線檢測

而以WLS的測量結果為依據(jù)，海克斯康公司還推出了功能更強的“點云分析”，通過“表面色差分析+邊界線+2D截面線”，就能獲得更多的有用信息，這對以后通過數(shù)據(jù)分析，進而再查找制造過程中的誤差源是有積極意義的。當然白光測量在車廠被用于很多不同場合，除了工件、即產(chǎn)品外，還可用來檢測或驗證工位器具，如夾具、檢具、測量支架和模具等。

（2）案例2，激光測量。圖9為一個手動檢測夾具的實例。

圖9 采取手持方式檢測夾具

（3）案例3。在Romer關節(jié)臂測量機上加載CMS可變焦激光測頭后，再借助于關節(jié)臂測量機的便攜性，可以實現(xiàn)在現(xiàn)場對各種復蓋件的快速測量。而CMS可變焦激光測頭，由于采用了最新的變焦技術，其測量范圍、焦距均可以調節(jié)，在檢測過程中可以根據(jù)零件表面的曲率變化而調節(jié)，在曲率變化比較大的位置會自動增加采點的密度，而在曲率變化比較平緩的位置則會降低采點的密度，這樣的好處既保證測量精度又提高效率，見圖10。同時因減少了點云數(shù)據(jù)量，也提高了計算機的使用效率。

圖10 對復蓋件進行快速測量

（4）案例4。這種激光測量技術不僅僅可以在關節(jié)臂測量機上使用，同樣可以用于橋式測量機和懸臂式測量機。圖11是在橋式測量機上快速測量一個焊接件（即車身分總成）的曲面，包括其邊界等各種特征。另外，通過在懸臂測量機上加載CMS可變焦激光測頭，還能進行螺柱測量。

圖11 焊接件的快速檢測

眾所周知，長期以來，檢測車身或焊接件上的螺柱特征參數(shù)一直是個難題，通常要借助于特制的輔助器具才能進行。然而當加載了CMS可變焦的激光測頭后，就可以通過對其直接進行掃描，隨即就能輸出測量結果，其精度和原來的傳統(tǒng)方式相比，大約提高了一個數(shù)量級，而工作效率則提高了60%，參見圖12。

圖12 測量螺柱的實例

（5）案例5。在以切削加工為主的動力總成和汽車零部件制造領域，近年來隨著光學檢測技術的不斷完善和提升，已使測量從過去采用的接觸方式轉變?yōu)榉墙佑|方式成為了現(xiàn)實。與此同時，這種新穎技術的應用領域也從傳統(tǒng)的主要以檢測位置、尺寸測量為主，發(fā)展到可同時反映微觀變化量的表面粗糙度測量領域。把光學測量方法應用于切削機加工范疇，徹底改變了傳統(tǒng)的以機加工為主的制造業(yè)中的實驗室檢測設備的規(guī)劃。一些經(jīng)過精密加工的、高精度的表面，以及某些內部結構復雜的，或者那些軟性的零部件，從此以后就有了更為便捷的檢測手段。同時，非接觸式的光學測量方法再配合在高精度儀器上的使用，使檢測效率也有了明顯提高。

圖13 帶有白光測量頭的機器人用于車身生產(chǎn)線的在線檢測

圖13 是海克斯康旗下的Leitz于近年來推出的纖維光學探頭（FOP）和光學粗糙度測量頭（TEL），該探針可以配置在LeitzPMM高精度坐標測量機上，通過配合自動更換架裝置，即能自動完成對機加工切削型零部件的高速、高精度掃描方式檢測。它的配置方式是采取了將接觸與非接觸（光學）進行集成，根據(jù)需要又可方便地自由切換。而對工件的整個測量過程，用戶可根據(jù)實際的需求實行自動編程執(zhí)行，并不需要人工的參與。不難想象，對一個過去必須通過多個步驟或多種檢測設備才能完成的測量，如今只需要一個步驟或一臺設備就能完成，這無疑大大地提高了工作效率，而且為用戶企業(yè)顯著地節(jié)約了采購成本。進一步地從生產(chǎn)規(guī)劃的角度來看，則是極大地提升了智能化制造的應用水平。

3.高性能光學測量系統(tǒng)的推出及實際應用

當然，在國內制造業(yè)、尤其是汽車行業(yè)中，應用光學測量、包括配有光學測頭的坐標測量機在內的檢測系統(tǒng)正在不斷擴大。但在顯示出眾多優(yōu)點的同時，一些局限性也漸漸地暴露出來，其中，與接觸型的測量方式相比，其檢測精度較差則是主要的一項。不過近年來，這種情況已發(fā)生了相當大的變化。

圖14所示的O-INSPECT復合式掃描測量機就是一個范例。該機配備了蔡司Discovery V12光學變焦鏡頭系統(tǒng)，可實現(xiàn)高倍率快速影像測量，其獨到的遠心技術則可滿足其中高精度尺寸要求。通過提供獨到的整體解決方案，具有對復雜工件及其中微細結構尺寸進行全面分析評價的能力。

圖14 O-INSPECT測量機

安全帶鎖扣（見圖15）即是一例，事實上，對其的測量是十分復雜的，原因是它由多種材料構成，且裝配要求復雜、微米級的公差、近百個尺寸需監(jiān)控，尤其不僅涉及常規(guī)間距和角度量測，還有形位公差中的輪廓度及微細結構測量等。鑒于安全帶鎖扣組件中所涉及到的幾種軟塑料關鍵件具有材質偏軟、有明顯的彈性等特點，O-INSPECT則以其強化的微測力設計，出色的連續(xù)掃描精度（優(yōu)于傳統(tǒng)掃描30%起），可對上述那些軟材質實施高精度的三維連續(xù)掃描測量。O-INSPECT作為一種高精度復合式掃描測量機，具有測量效率高，多種檢測儀器功能一體化的核心競爭力，可有效地縮短測量環(huán)節(jié)，目前包括天合汽車（TRW）在內的多家國內外廠家已選擇了此方案。圖15左即為蔡司高精度微測力連續(xù)掃描測頭系統(tǒng)VAST XXT實現(xiàn)對軟塑料結構高精度掃描測量。

圖15 安全帶鎖扣的測量

另一種有代表性的高性能光學測量系統(tǒng)是由海克斯康公司研發(fā)的“HP-O探測系統(tǒng)”。該光學測量裝置利用位于紅外區(qū)間(1550nm)的不可見光為工作光束，而以可見的紅色激光作為瞄準和編程中輔助觀察之用。基本的測量原理是：通過反射光和低頻的調制原始光進行干涉，其頻率差異和原始光之間成一定的比例。圖16為工作示意。

圖16 高精度干涉法測量原理圖

它成功地解決了長期以來困擾測量用戶的“檢測精度偏低”的短處，上述非接觸式的高精度干涉法距離測頭（傳感器）可達到亞微米級的分辨率，幾乎與PMM-C或SIRIO-688等高精度坐標測量機上的電感型接觸式測頭處于同一水平。事實上，這個系統(tǒng)的特點之一也就是上面兩種傳感器可用于同一測量程序中，根據(jù)需要測頭隨時實現(xiàn)自動更換。總之，其使用方法與接觸測頭接近，但又具有眾多的優(yōu)勢：

（1）探針小(直徑3～5mm、長度100mm)，測量效率高、掃描速度達到350mm/s，接收角度高達30°（漫反射），厘米級的測量工作距離。

（2）對環(huán)境光沒有限制要求，可以使用特制的漫反射球進行校驗，被測面為敏感表面（例如銅，鉛等金屬表面、拋光面或鏡面等）時無需噴涂，可在標準的三坐標測量機工作環(huán)境中使用。因此，很適合測量啞光和高亮的葉片一類工件（見圖17）；對于一些有特別測量要求的零部件，象整體葉盤，其結構并非很復雜，被測參數(shù)的精度指標也沒有定得過高。

圖17 HP-O系統(tǒng)測量啞光葉片

但眾所周知，對整體葉盤（見圖18右）上那么多葉片的葉尖跳動，以及它的內腔空間（見圖18左）的測量，是一件非常困難的任務。即使借助高性能坐標測量機也很不容易，不僅效率低，而且難以測準。可若一旦擁有了HP-O探測系統(tǒng)，情況就發(fā)生了根本的變化，利用其非接觸式光學探頭進行葉尖的連續(xù)掃描，不僅測得準，且相比傳統(tǒng)方法，耗用的時間減少了90%。至于在測量內腔空間尺寸時，接觸探針基本上無法達到內腔要求的位置，而配備了上述新穎檢測手段后，這些難題均迎刃而解。

圖18 HP-O系統(tǒng)測量整體葉盤

三豐公司近年也推出了幾款新的儀器產(chǎn)品，體現(xiàn)了他們在提升光學檢測技術水平領域的作為和取得的業(yè)績。以下是有代表性的兩項：

（1）用于坐標測量機的非接觸式線性激光測頭系列SurfaceMeasure，見圖19。

圖19 SurfaceMeasure激光測頭

（2）用于坐標測量機的自動測量程序生成軟件MiCAT Planner。前者已是一款系列化的成熟產(chǎn)品，藉助于它，就能方便地完成對各種材質零件的高精度、高效率的測量。尤其是以往的激光測頭需要調節(jié)激光強度和相機的感光度，以適應不同的工件材質和符合工作環(huán)境的要求，而SurfaceMeasure系列具有自動調節(jié)功能，能更加簡便、快捷地完成對被測物的激光掃描，測量過程中也無需考慮工件表面的色調和光澤度。

該系列產(chǎn)品包括四組類型的測頭，其中三種為單向線性激光測頭606/610/1010，另一種則為交叉型線性激光測頭606T，見圖20。

圖20 不同類型的線性激光測頭

事實上，每種型號即反映了掃描范圍這一基本參數(shù)，如606代表掃描寬度60mm、掃描深度60mm，而606T則為掃描寬度3mm×65mm、掃描深度65mm。三種單向線性測頭分別對應了由較小到較大的工作范圍，精度則從12μm到18μm稍有下降，探測距離則處于240～280mm。檢測不同工件應選用不同的測頭，這樣才能取得最好的效果。當進行車身內、外覆蓋件的測量時，就可選1010型，因為相比606，其探測范圍大很多，故效率會更高（見圖21）。

圖21 測頭測量范圍示意

至于圖20右所示的交叉型線性激光測頭606T，由于采用3道激光束同時掃描，因此，即使被檢工件的形狀很復雜，也能進行有效的測量。而且由于明顯地減少了（在坐標測量機上）改變測頭姿態(tài)的頻次，因此提高了工作效率。當然，采用606T的主要還是為了提升檢測能力。鑒于該測頭可同時向三個方向發(fā)出掃描激光束，這就具備了對被檢工件的頂部和側面同時進行測量的條件。圖22a就是這個過程的簡釋，激光束甚至可投射到中心部位，圖22b是用于檢測變速器殼體時的實景圖。

圖22 606T激光測頭的應用

眾所周知，為了應對被測工件的多樣性，僅僅擁有適應能力很強的（以直角坐標為基礎的）三坐標測量機是不夠的。必須有不同類型、用途的激光掃描測頭，包括上述那些用于坐標測量機（CMM）的激光線性掃描測頭、配在手持式檢測裝置上的激光測頭，以及適于超大尺寸非接觸測量的激光雷達。其中，尼康公司的新產(chǎn)品系列最為齊全，包括了單線性掃描的LC15Dx / LC60Dx /LC50Cx，以及“十字”線性掃描的XC65Dx型等多款。尤其是手持式激光掃描測頭ModelMaker MMDx / MMCx，雖然相比前面介紹的用于CMM的“三豐”激光線性掃描測頭系列，在技術指標上差別并不大，可手持式激光掃描測頭就完全不同。由于MMDx / MMCx采用了多項先進的技術，如它具有高幀速率和200mm的光帶寬度，故可實現(xiàn)超高效率掃描。此外，該系列激光掃描測頭因為具備了第三代增強傳感器（EPS3）的優(yōu)良性能，不僅檢測精度高，且?guī)缀蹩梢話呙枞魏尾牧稀odelMaker測頭主要用于便攜式（也稱“關節(jié)式”）測量機，見圖23，或直接以手持式檢測裝置的形態(tài)出現(xiàn)。

圖23 尼康手持式激光掃描測頭的兩種應用

表1以下一些性能指標較充分地表明了這個產(chǎn)品系列的技術水平。

三、隨機測量技術和在線檢測技術

前面已談到，“智能化制造”的特征之一就是生產(chǎn)模式的變化，期間所融入的眾多先進制造工藝，包含了與生產(chǎn)模式的演變相適應的在線檢測體系的完善和實施。關于這一點，可以從汽車發(fā)動機那些主要零部件的制造過程中得到映證。現(xiàn)今，高柔性、高效能的加工手段已漸漸占據(jù)主流地位，如對于缸體、缸蓋、罩殼等箱體類零部件，廣泛采用了加工中心；而對于曲軸、凸輪軸、驅動軸等軸類零件，則越來越多地應用了先進的CBN砂輪跟蹤磨削技術。值得注意的一點是，在那些充分體現(xiàn)了所采用的先進制造工藝的新機床設備上，往往還同時配備了新穎的隨機測量儀器和相應的數(shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)，以及與所執(zhí)行先進制造工藝的機床設備的有機結合，才能有效地推動智能化生產(chǎn)過程的實現(xiàn)。通過曲軸這一發(fā)動機中的至關零件在現(xiàn)代汽車動力總成工廠的生產(chǎn)過程，即可清楚地認識到這一點。此時，在曲軸生產(chǎn)線的磨削工序，主軸頸和連桿頸的精加工采取了高速高效隨動/跟蹤磨削技術，只需經(jīng)過一道裝夾就可完成對主軸頸和連桿頸的磨削加工。采用了砂輪能實現(xiàn)隨動、跟蹤的CNC磨床是曲軸精加工技術一次很大的提升。一方面通過對CNC控制程序的調整，可以靈活地應用于不同類型工件的加工，即具有很好的柔性，而由于執(zhí)行一次裝夾即能完成全部主軸頸、連桿頸的磨削，有效地降低了由此引起的制造誤差，提高了精度。另外，因為采用了CBN砂輪后，大大地增加了砂輪的耐用度，提升了生產(chǎn)率，并結合先進的隨機測量和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進一步改善、提高了工件的尺寸和形狀精度。

一般可采用以下這二種方式：

（1）借助設置于車間現(xiàn)場的生產(chǎn)測量室中的Adcole1200儀器對工件軸頸的圓度測得的數(shù)據(jù)，在輸出磨床的控制系統(tǒng)之后，通過修正、補償，即能有效地改善軸頸的制造質量。

（2）但是，無論是國外的知名的專業(yè)磨床生產(chǎn)商（象德國的Junker公司）、還是國內如上海機床廠這樣的歷史悠久的國內著名品牌企業(yè)，更多的還是采取了利用掛鉤式外徑主動測量儀來完成對被磨削軸頸輪廓的隨機測量(見圖24左)，并根據(jù)自動檢測的結果，進而通過即時的數(shù)據(jù)反饋修正，以實現(xiàn)對被加工軸頸輪廓的控制(見圖24右)。其過程大致如下：構建了以專用的曲軸在線測量裝置為核心的測量系統(tǒng)，滿足對曲軸連桿頸和主軸頸的隨機檢測，測量過程由機床自動控制，以實時高速采集到的數(shù)據(jù)，為誤差補償提供最新的樣本；建立軸頸誤差補償模型和補償規(guī)則。需要強調的是，不僅要進行對尺寸的實測值予以修正、補償，更需對圓度進行動態(tài)修正、補償。據(jù)此來確定高效的自動在線補償策略及工藝方法，從而保證了工件加工的高效率和高精度，見圖25。

表1 典型激光掃描測頭產(chǎn)品的技術指標

圖24 通過修正、補償方法來提升軸頸圓度的加工質量

圖25 數(shù)字式隨機測量控制系統(tǒng)

作為執(zhí)行這一先進制造工藝的直接效果，曲軸的軸頸圓度由原先的磨削工藝只能控制在4～4.5μm，提高到可以控制在2μm以內。正因為如此，不僅提高了整個曲軸磨削加工工序的柔性，與此同時還減少了生產(chǎn)線上設備的配置數(shù)量，包括那些必不可少的在線檢測器具的配備數(shù)量。也正因為如此，在采用了柔性化的曲軸加工方式后，整條生產(chǎn)線的在線檢測的規(guī)劃理念、即在工序間配備檢測器具的方式和思路也發(fā)生了顯著的變化，呈現(xiàn)出智能化、簡約化和柔性化趨勢。原來在整個磨削工段共配置了三臺不同檢具，分別對應于三臺磨床(一臺用于主軸頸，而另兩臺用于連桿軸頸)，且均為多參數(shù)半自動綜合性檢具，采用動態(tài)（回轉）測量方式，不但能測出尺寸參數(shù)，還能檢查圓度、凸度、錐度、跳動等形位公差。

而在采取了新的磨削技術后，由于精度、特別是形位公差基本上都可以由工藝來保證。在這種的狀況下，新線配置的檢具由原來的動態(tài)改為靜態(tài)，所有的形位公差都不再檢測，對軸頸也只需要測量一個截面，而不再是原來的三個。故整個工序僅配置了一臺由多個單參數(shù)手持式檢測裝置組成的簡單檢具（見圖26）。兩者相比，無論是從先期投入、其后的維修成本，還是在占有工作場地上，都有大幅度的降低。在這種基本上可以由工藝保證的狀況下，新線的在線檢具由原來的動態(tài)改為靜態(tài)，類似原因，其他所有形位公差都不再檢測，對軸頸則只需要測量一個截面，而不再是原來的三個。表2顯示了兩條曲軸生產(chǎn)線的磨削工段所配檢測手段的差別。至于對箱體類零件，在工序間檢測裝置的規(guī)劃上則出現(xiàn)了越來越多地將三坐標測量機作為在線檢具，配備在車間現(xiàn)場的情況。事實上，隨著坐標測量機用于生產(chǎn)現(xiàn)場的技術日臻成熟，已有越來越多的測量機被置于生產(chǎn)現(xiàn)場作為工序間在線檢測的重要手段，甚至串接于生產(chǎn)線中成為一個工位。不過國內外的企業(yè)多數(shù)還是采取更簡單的半開放形式，圖27即是一種有代表性的配置方案。配備在一條不久前才建成的缸蓋罩殼生產(chǎn)線旁的測量機的實況，選用的機型是海克斯康公司的一款量大面廣的通用型產(chǎn)品Global。而在幾年前在生產(chǎn)同一類零部件的一條老線旁邊，則是以一臺多參數(shù)綜合檢具為主體的檢測工位。

圖26 由多個手持式單參數(shù)檢具組成的智能化檢測工位

若將兩者的使用效果相比較，前者的優(yōu)勢主要是由坐標測量機的通用化、柔性化程度遠高于多參數(shù)綜合檢具而帶來的，因此它們無疑更適應于當代汽車工業(yè)的多品種混線生產(chǎn)方式。那么，兩者比較，前者的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

表2 兩類曲軸生產(chǎn)線的磨削工序所配檢測手段的比較

（1）由于坐標測量機的柔性化程度遠高于一般的多參數(shù)綜合檢具，因此它們無疑更適應于當代汽車工業(yè)的多品種混線生產(chǎn)方式。以圖26為例，相比老線僅三種被測件，它應對的將多達八九種。

（2）檢具一般只適用某道工序，在上例中那以綜合檢具為主體的檢測工位是用于終檢的。但對類似缸蓋罩殼那樣的復雜零件，往往還需監(jiān)控某幾道中間工序，而圖中的測量機能同時為三道工序服務。

圖27 適合車間環(huán)境的半開放式坐標測量機的應用實例

（3）坐標測量機進入車間現(xiàn)場的意義還在于：它將與“生產(chǎn)測量室”——現(xiàn)代汽車發(fā)動機廠質量監(jiān)控體系的另一個重要組成——相配合，為企業(yè)提供更有可靠、高效、經(jīng)濟的檢測手段。

當然，采用圖27的方案的前提條件是需有較好的生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境。否則，生產(chǎn)廠就需要選用一些坐標測量機供應廠商近年來專門為此研發(fā)的、適于一般車間現(xiàn)場條件下正常工作的新穎機型。其中，由Zeiss（蔡司）公司開發(fā)的DuraMax（見圖28上），即是一種適用于生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境的機器，并已在不少企業(yè)獲得了成功應用。其特點如下：

（1）結構緊湊，占用空間小。

（2）能夠適應生產(chǎn)現(xiàn)場條件下溫度變化較大的工作環(huán)境。

（3）從圖可見，裝載被測工件能從上、左、中、右四個方向進入測量機，十分便捷。

（4）無論是從操作者的角度還是從與生產(chǎn)工序的配合，都十分適合。

（5）具有相當高的測量精度，對于一臺中等規(guī)格的機器，其MPE max=2.4μm+L/300。而圖28下則是不久前由海克斯康推出的一款功能相似的名為Tigo的產(chǎn)品。無疑，相比于前述圖26中所選擇的通用型的Global機器，這類適用性更好的設備的價位更高些。

圖28 適合于在車間使用條件下正常工作的兩種坐標測量機 □