工業測量儀器和工控自動化如何發展?看海克斯康Romer公司怎么說
2011-06-08
海克斯康測量集團(Hexagon Metrology)旗下Romer公司的產品經理Dave Armstrong認為，“目前一個確定的趨勢是測量更加靠近生產現場。”其證據是便攜式關節臂型坐標測量機(PCMM)的流行——該公司在生產現場安裝使用的此類測試儀器已達數千臺。Armstrong將其流行部分歸結于該產品測量精度的提高。例如，Romer公司最近推出的8′(2.4m)規格的Infinite系列便攜式關節臂測量機精度已達到24.5?m。用戶可以使用PCMM完成從產品和工藝的統計檢驗到(有時會實施的)100%全數檢測。用戶可以利用海克斯康測量集團的PC-DMIS軟件從工件的CAD模型創建出測量程序。這種測量程序可用于檢測后續工件，指導用戶完成每一道檢測步驟。
Armstrong指出，盡管PCMM有可能會取代手動量具，但根據他的看法，PCMM并不一定會取代固定式坐標測量機(CMM)。他表示，“一般來說，便攜式關節臂測量機只是CMM的一種補充，而不會取代它。每一種測量系統都有其各自的用途。CMM非常適合批量生產，如果你有同一批生產出來的大量產品需要檢測，最好是編寫一個測量程序用CMM檢測。如果你需要檢測單件或小批量產品，或者用CMM測量耗時太長，那么采用關節臂測量機是一個很好的選擇。”例如，2008年，海克斯康測量集團的Sheffield業務部開發了用于車間測量的Discovery III坐標測量機。該機可以使用視頻傳感系統、激光傳感系統或接觸式測頭，在三種不同的測量空間范圍內(最大為762mm×1016mm×609mm)，其接觸式測頭的測量精度可達到3.9?m。
法如(Faro)公司產品經理Rob Sanville表示，“已經大量采用便攜式關節臂測量機(如FaroArm)的重要行業包括航空、汽車和醫療器械制造業。一般而言，任何切削加工行業都可以使用它。”用戶發現，PCMM能夠用于在機測量和加工中測量，這就意味著如果工件存在誤差，通常可以不必將其從機床夾具上卸下，而立即對其進行修正。法如公司還可以提供各種型號的關節臂測量機，從規格為12′(3.7m)的FaroArm Quantum測量機(空間測量精度可達60?m)，到在直徑1200mm測量空間范圍內測量精度可達5?m的PowerGage測量機。PowerGage能夠利用英國Delcam公司開發的PowerInspect軟件從工件的CAD模型創建測量程序。
FARO Gage是PCMM的一個有趣的變化品種，它是一種1200mm的測量臂，其測量精度也達到了5?m，但不包括使用離線編程軟件(如PowerInspect)的接口。Sanville介紹說，“FARO Gage是為車間設計的，可在工件加工現場使用。它并不一定會取代手動量具，但確實能提供更好的測量一致性。更重要的是，它可以提供打印的測量數據報告。”Romer公司2008年推出的MultiGage便攜式關節臂測量機是一種與此類似的測量裝置，其1200mm長的測量臂也能達到5?m的測量精度，該測量機是作為手持量具的一種具有柔性的替代手段而開發的。憑借其PC-DMIS版本的測量軟件，MultiGage可以實現常見的三維測量(如尺寸、特征和結構)，甚至可以模仿高度規檢測工件高度。
PCMM的另一類變化品種稱為光學三坐標測量機，它使用一個固定的攝像系統來跟蹤在便攜式測量裝置上的測量目標。其中一個例子是Metris公司開發的K系列光學三坐標測量機。它利用安裝在手持測量裝置(稱為SpaceProbes)上的發光二極管(LED)，通過一臺使用三線陣CCD攝像機的測量裝置進行遠距離三角法測量。如Metris K610測量機采用三角法測量測頭上LED的位置時，其空間精度可達60?m。作為一種柔性好、易于使用的檢測系統，該測量機能夠測量很大的空間(如整輛轎車)，而不需要像便攜式關節臂CMM那樣進行原點“轉接”。這種K系列測量機的另一個特點是具有動態基準點，從而使測量非靜止的動態工件成為可能。
便攜式關節臂CMM用于生產環境可能存在一些局限性。Perceptron公司工業業務部門高級副總裁Mark Hoefing解釋說，“在以相對較大的批量生產價值昂貴的復雜工件時，你將需要一種自動化的測量解決方案。”對于將在線測量技術集成到制造工藝中，Perceptron公司已有28年的經驗，最早始于汽車車身的裝配。為了滿足車間檢測需求，該公司的產品在測量柔性、易用性以及準確性上均有很大提高。與多年來作為在線測量標準選擇的、傳統的固定式在線檢測裝置相比，該公司的AutoGauge機器人測量系統具有更好的測量柔性。在頻繁更換產品、需要對生產工藝進行驗證時，自動化測量系統(如AutoGauge)只需修改測量程序，即可開始測量新的工件。
為了實現更好的測量柔性，該公司還提供機器人式、固定傳感器式以及混合式等多種型式的AutoGauge產品。固定傳感器式測量系統最適合生產率高、品種模式單一的產品檢測。而機器人式測量系統則最適合品種模式多樣化的生產線。不過，選用測量系統時需要進行綜合權衡。Hoefing在對機器人測量系統與傳統的固定傳感器解決方案進行比較時指出，“機器人可以提供更大的測量柔性，但每次測量的時間要增加2-3秒，原因在于其測量是順序進行而非同時進行的。”無論采用何種結構型式，該系統均可達到約200?m的空間測量精度(6σ)。機器人測量系統在初始安裝時需要進行校準，其內置功能可對溫度變化(通常發生在測量循環的更換工件材料階段)進行自動補償。
Hoefing指出，并不是在每種情況下都需要采用全自動的100%全數在線檢測系統。在決定采用何種測量系統時，除了工件的批量、價值和復雜性以外，其他許多因素(包括公差、工藝穩定性以及相對檢測成本)也必須予以考慮。他建議，當采用100%在線檢測經濟成本太高，而手動檢測速度又太慢時，可以采用一種折衷解決方案。例如，可以在機器人上安裝一個激光掃描儀，并圍繞其設置多達10個獨立的工件夾具，由檢測人員將工件手動安裝到夾具上進行檢測，然后將測量結果送到數據庫中進行所需要的分析。“這些測量系統通常可以由可能對計量知識知之甚少的人員來操作。”Hoefing說，“越來越多的用戶正在生產車間安裝這種自動化測量單元。另一個特點是，用戶可以調整其檢測采樣率。例如，在試生產階段，由于存在很大的變動性，可能需要檢測更多的工件(或許每天數百個)。與此相反，在穩定生產階段，每天可能只需要檢測5個工件。”
改進機器人測量的一種方法將是不依賴于機器人的定位精度，這樣就能消除初始校準和測量過程中的溫度補償。Metris公司綜合服務和技術部門的項目工程師Darian Butt表示，為了實現了這一目標，該公司在其K系列光學CMM上使用了安裝有MMD激光掃描儀的機器人，其結果是形成了其K-Robot系列測量機。由于不需要對機器人進行校準，因此其運動路徑是可預知的，該系統可利用安裝在機器人頭部的發光二極管(LED)進行位置跟蹤。然后，用一個光學CMM三角測量裝置——與用于K系列光學CMM中的相同——來測量這些LED。Butt說，“用戶可在任何一個服務軟件包中(或利用機器人自帶的OLP軟件包)對機器人進行離線編程。”在17m3的測量空間范圍內，測量精度(2σ)可達100?m。這種檢測概念的其他優點包括：具有對處于運動狀態的工件進行加工中測量的能力(如果該工件或夾持工件的夾具上安裝了LED的話)。Butt解釋說，“如果工件正在運動，無論是直線移動、轉動甚至振動，我們都能對它進行掃描，并將所有數據聯系起來，因為K系列光學CMM是一種高頻測量設備。”
盡管用商業化機器人構建的在線自動化測量系統具有許多優勢，但Metris公司瞄準了未來更長遠的目標。該公司的機器人式關節臂CMM(RCA)在可達性、便攜性和精度上看來都比自己的K-Robot解決方案更勝一籌。K-Robot系統有一個缺點，即在機器人頭部的LED與三角測量攝像機之間需要視向連接才能進行測量。例如，在汽車的車體內就無法實現測量。另一個挑戰是，一般來說，機器人都很笨重，移動困難。此外，盡管有不少人懂得如何為機器人編程，但是，采用大家熟悉的測量系統(如Metris自己的CAMIO系統)進行編程將具有自身的諸多優勢。
Metris英國公司負責設計的副總裁Chris Marriott表示，通過使便攜式關節臂坐標測量機(PCMM)從本質上實現自動化，Metris的目標是將其整個測量空間的測量精度(2σ)提高到50μm左右。“通過使PCMM自動化，Metris希望將其最大規格機型的精度提高到100?m以下——或者大幅提高規格較小、重量較輕機型的測量精度。”PCMM的其他優勢還包括：與機器人測量系統相比更低的總成本，以及可用標準CMM軟件編程。“機器人式關節臂CMM可以移動，但并不輕便。該機重量為120公斤，比一臺PCMM重，但比一個機器人輕得多。如果要移動它，可以使用托盤搬運裝置，或者帶起重臂的夾持式起重機，或針對特定用途的其他方法。”Marriott說，“該項目是我們與合作伙伴塔塔汽車公司和沃里克大學共同開發的，英國技術戰略委員會(TSB)為項目提供了200萬美元資金。目前項目處于第二版測試階段。”該技術在常規檢測中的應用包括：工件的在機(加工機床)檢測、初始抽樣檢測或加工中檢測(包括汽車白車身檢測、夾具裝配檢測或焊接構件檢測)。
Metris公司副總裁Jim Clark解釋說，“在整個測量領域，存在一種簡潔化、自動化以及提供更好的測量結果保持性和更多測量數據的趨勢，而不只是簡單地復制手動測量裝置的功能。用戶希望獲得實時的、當前的測量數據，從而為更換產品提供所需要的管理工具，以預防出錯。”
高精度專用測量設備制造商正在不斷開發適應車間環境條件的測量設備，同時使其更加易于使用，因為這是使測量更加貼近生產線必不可少的兩個條件。當需要以亞微米級精度測量圓度或圓柱度時(如檢測汽車燃油噴嘴或植入人體的醫療器件)，專用的輪廓測量儀就體現出很高的價值，如馬爾聯邦公司的MMQ系列輪廓測量儀具有亞微米級精度，并易于使用。
馬爾聯邦(Mahr Federal)公司測量系統副總裁、在測量領域已有20年從業經驗的Pat Nugent評論道，“從我進入測量行業起，將測量下放到車間現場的呼聲就一直不絕于耳。但事情的發展并不像一些人預期的那樣快。”在過去幾年里，他注意到，對車間測量的需求日益緊迫。他認為，人們一開始低估了車間惡劣的環境條件，以及由生產工人(而不是專業計量人員)來操作量儀時對其易用性的要求。“我們并不需要精度更高的量儀，我們需要的是對每一個操作者都更容易使用，同時仍然能達到原有精度水平的測量系統。”為了回應這種需求，馬爾聯邦公司最近發布了最新升級版的EasyForm 3.0測量軟件。該軟件可以提供直觀的觸摸屏界面，指導操作者進行測量設置與操作。采用一種示教模式，可將重復的多形貌特征測量步驟組合到一起。
另一個值得注意的問題是，缺乏將這些類型的量儀與工件的CAD模型整合到一起的推動力。Nugent認為，盡管馬爾聯邦公司提供了一種稱為MarSim的離線編程工具，可以輸入CAD模型，但手工輸入仍然是首選方式。他解釋說，“我們的客戶喜歡利用觸摸屏界面指導操作者進行測量設置與操作的示教方式。”
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