大型零部件几何尺寸测量技术现状及趋势

大型零部件几何尺寸测量技术现状及趋势

王敏 1 姜华 2 于正伟 3

北方华安工业集团有限公司 黑龙江齐齐哈尔 161046

摘要：大型零件的几何尺寸测量与控制是保证产品交付质量的基础，设备性能和产量的提高对几何尺寸测量的精度及效率提出了更高的要求。

关键词：大型零部件；几何尺寸；尺寸测量

大尺寸测量技术的发展和载运执行技术的联合应用，为大型零部件的高精度、高效率测量提供了支撑。然而，如何在现有技术的基础上构建一个能满足大型零件智能制造需求的测量系统，是现代制造企业面临的普遍问题。基于此，本文对大型零部件几何尺寸的测量进行了详细的论述。

一、专用大尺寸测量系统

专用大尺寸测量系统是利用现有的大尺寸测量技术及载运执行技术构建的，以满足复杂大型零件几何尺寸高效测量的需要。载运执行技术的发展为大型零件的自动测量提供了一种有效的手段。用于测量大型零件几何参数测量的执行机构或载运支撑系统，按其功能不同可分为三类：

第一类是综合执行测量装置，主要采用高精度直线导轨或旋转轴承作为高精度直线或旋转导向手段，光栅尺作为测长手段，圆光栅或角度编码器作为测角手段,传感测头由电机驱动，载运到被测工件的测量工况位置。同时采集传感测头、光栅尺或圆光栅数据，经建立的几何误差补偿模型，实现被测大型零件几何参数的高精度、高效率测量。

第二类是传感测量执行装置，用于根据测量范围、角度、稳定性等测量要求，将非接触式或接触式测量传感器载运到被测工况位置，进行高效测量。传感测量执行装置本身不需高的定位精度，传感器空间位置由大尺寸测量设备独立获得，从而达到高效、可达、经济的测量目的。

第三类是大尺寸测量系统载运支撑装置，用于将测量仪器按计划载运到优化站位，实现站位优化，保证测量过程中支撑的稳定性。典型代表是航空工业计量研究所研制的高空精测平台，有效提高了“嫦娥”探测器的精测效率。

专用大尺寸测量系统按其工作特点可分为固定测量系统、柔性测量系统。专用测量系统主要针对大型零件生产测量的需求构建，一般采用执行测量一体化方案或大尺寸测量系统与传感测量执行装置的组合方案。如中车四方在建设高铁转向架智能制造示范线时，就提出了其自动检测的需求，要求在20min内实现轴距、轮距、轴对角线长度、基准块与轮对内侧距离等8个尺寸的一键自动检测。大型龙门坐标测量机可满足实验室环境下的测量精度要求，但三坐标单次触发采点方式不能满足测量效率要求。另外，三坐标自动测量对初始定位精度要求较高，对重量大于8t的高铁转向架来说很难实现。为此，基于坐标测量理念，航空计量研究所使用两组六个非接触式激光测距传感器安装在龙门梁上，结合安装在两端的双磁光栅尺，可一次快速采集轮对内侧、踏面、转向架基准块、龙门梁位置数据，结合几何误差补偿模型，实现一键非接触测量。通过两代产品的迭代，测量效率由4人50min/次提高到2人6min/次，解决了高铁转向架的高效、高精度测量和实时质量监控问题。为满足生产线批量生产需要，建立一套完整的执行测量装置是实现高效测量的重要手段，但测量系统从建设到实施都需一支高度专业的研发团队来完成，专用测量设备的研制和投入使用、后期功能和可靠性完善需较长时间，因此必须考虑研发周期、成本和风险等因素。

便捷式坐标测量系统和传感测量执行装置的结合，提供了一种快速构建大型零件自动测量系统的方案。该方案采用商业化大尺寸测量系统，通过搭建机器人与相应的拓展单元来构成执行机构，并结合运动控制和测量分析软件实现自动测量。执行机构主要功能是实现测头的运动规划而非高精度位置测量定位功能,准确度要求低,该系统的核心是建立一个集运动控制、数据采集、测量分析与评价于一体的测量软件平台。近年来，国内先临、辰维、中观等企业在手持式扫描测量系统、光学跟踪三维扫描仪等扫描仪的开发方面取得了较大成绩，然而，在工业几何测量与分析软件方面却鲜有创新突破，这也限制了我国大型零件几何尺寸自动测量系统的创新发展和自主应用。

柔性自动测量系统主要用于测量几何尺寸超过10m的大型零件。一般的构建思路是：通过建立测量网拓展测量范围，利用大尺寸测量系统载运支撑装置实现站位自动优化，将大尺寸测量系统与传感测量执行机构相结合，实现测量传感的可达性，最后开发了基于该模型的综合测量软件平台，实现测量的规划、执行和分析等。

此外，随着高端制造业的升级，专用大尺寸测量系统越来越受到制造商的重视。建立控制与测量一体化平台，实现测量控制与评价的自动化，是专用大尺寸测量系统发展的重要方向。

二、大尺寸测量系统的校准

大型零件的几何尺寸测量系统必须有相应的校准方案。大尺寸测量系统的校准形式包括实验室校准、现场校准、现场核查。

传统实验室校准的目的是确定测量设备在规定条件下的性能，实现测量数据的可追溯性。因此，构建大尺寸测量系统的校准装置是实验室校准的基础。我国航空计量研究院建立了35m激光干涉测长装置，以气浮花岗岩为导向基础，采用一路分三路双频激光干涉方案，实现精密测长及运动滑台阿贝误差补偿，测量不确定度,参照GJB 8624《大尺寸测量系统-激光跟踪仪校准规范》，通过比较同向、横向测量数据，实现大尺寸便捷式坐标测量系统的坐标测量的实验室校准。另外，根据JJF 1242《激光跟踪三维坐标测量系统校准规范》，也可使用坐标校准墙或一维标准器进行实验室校准，坐标校准墙通常采用碳纤维杆等作为标准器，并采用热膨胀释放机构对安装面进行物理隔离，以提高标准装置的稳定性，坐标校准墙布局的典型结构是“米”字型结构。

由于非接触入射角的存在，激光干涉测长装置无法解决激光雷达等扫描测量系统的大尺寸扫描校准问题，为此，根据球坐标扫描测量系统的扫描校准和曲面测量评价的需求，航空计量研究所研制了直径为4.5m的大型因钢凹凸曲面标准装置，以提供可旋转的大型曲面标准和系列参考目标，解决了目前大型曲面轮廓测量无法校准的问题。

当前，激光跟踪仪、摄影测量系统和结构光手持式三维扫描仪都有相应的校准规范，但还有许多其他大尺寸测量系统无校准规范，需现场校准及核查来检验设备性能。现场校准主要用于检验含有环境因素的测量设备的使用性能，包括同一环境下使用高精度测量系统进行现场校准与标准器校准，例如，室内GPS组成的测量网可用激光跟踪仪校准，激光跟踪仪可用标尺或激光导轨现场校准。现场核查主要应用于测量对象的测量性能评价，实物标准器因具有结构稳定、携带方便、成本低等优点，已成为大尺寸测量系统最常用的核查方案。实物标准器按维度不同可分为四类：一维标准器、二维标准器、三维立体坐标标准器、扫描标准器。其中，一维标尺是一维标准器的典型代表，它结构简单，尺寸稳定，是测量系统引入比例因子的一种重要手段；二维标准器的典型代表是平面基准转换标准器，它不仅可用于二维方向的尺寸校准，还可用于坐标融合；三维标准器的主要代表是四面体因钢标准器，通过六个因钢连接四个基准点构建为空间立体标准器，通过分析拟合内切圆、外切圆和三个点构成平面矢量，实现针对测量对象的测量性能评价；扫描标准器使用不同直径球和凹球面实物实现扫描测量仪器校准。

大尺寸测量系统的校准是保证大尺寸测量系统可靠应用的重要手段，实验室校准是保证大尺寸测量数据准确性的基础。目前，大尺寸测量系统正朝着大规模扫描和曲面评价方向发展。实物标准器是现场校准和核查的重要实物标准，如何实现基于不同标准的大尺寸测量系统的现场校准、核查评价是当前的重点研究方向。

参考文献：

[1]孙安斌.高铁转向架在线自动测量系统的研制[J].制造业自动化,2018(12).

[2]王继虎.大型零部件几何尺寸测量技术现状及趋势[J].计测技术，2021(02).