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增強(qiáng)三坐標(biāo)測量機(jī)，以改善制造流程
謝菲爾德自動化（前身吉丁斯和劉易斯）
翻譯者：呂超
競爭廠商都從處理缺陷的檢測開始轉(zhuǎn)移重心，以實(shí)時在過程中缺陷的預(yù)防。在1992年，現(xiàn)有的三坐標(biāo)測量機(jī)（ CMM ）的技術(shù)，是以質(zhì)量控制為目的，但未能滿足可以進(jìn)行高度精確的測量的要求，因?yàn)闄C(jī)器設(shè)在受氣候約束的場所。吉丁斯和劉易斯建議使三坐標(biāo)測量機(jī)設(shè)在生產(chǎn)車間，以改善流程效率和產(chǎn)品質(zhì)量。這些過程的改善，將減少錯誤，從而減少各級廢棄、停機(jī)時間以及相關(guān)財政上的損失。
該公司申請并獲得了分擔(dān)來自先進(jìn)技術(shù)計劃（ ATP ）費(fèi)用的資金，這是一項(xiàng)為期兩年的項(xiàng)目，以開發(fā)光纖自由度的激光測量系統(tǒng)，并獲得了開發(fā)的權(quán)利。這一系統(tǒng)能夠測量部分機(jī)器在工廠車間制造過程中的錯誤，并使錯誤得到糾正，這種開發(fā)方案是可以立即采取的，從而改善產(chǎn)品的質(zhì)量和提高生產(chǎn)速度。
吉丁斯和劉易斯與美國密西根大學(xué)的研究人員合作研究激光光學(xué)系統(tǒng)，以監(jiān)測因位置偏差所造成的三坐標(biāo)測量機(jī)熱擴(kuò)展和自動適應(yīng)補(bǔ)償能力。 持續(xù)存在的問題與熱漂移，使該原型系統(tǒng)無法自動適應(yīng)熱補(bǔ)償。雖然這些完整的技術(shù)從來沒有被研制過，但該公司用這方面的知識來發(fā)展圖譜，他們善于發(fā)現(xiàn)并努力奮斗從而實(shí)現(xiàn)了三坐標(biāo)測量機(jī)的研究。
增強(qiáng)三坐標(biāo)測量機(jī)（ CMM ）的措施可以用幾何圖的一部分來反應(yīng)。從表面上看，可以沿預(yù)定軌道，每當(dāng)探針接觸，計算機(jī)控制記錄瞬時位移探頭與每三個正交軸（X ， Y ， Z ）相交。這種測量可以用來確定部分偏差，制造商利用三坐標(biāo)測量機(jī)主要用于質(zhì)量控制以確保實(shí)際零件的幾何規(guī)格。
由于三坐標(biāo)測量機(jī)是由鋁、鋼以及其他金屬制成，在常溫下他們很容易受到擴(kuò)張和收縮的影響。這些熱效應(yīng)使三坐標(biāo)測量機(jī)漂移探針尖端和程序化的軌道影響精密的三坐標(biāo)測量機(jī)的測量。精確的三維測量工作是必須的，但制造商通常會限制三坐標(biāo)測量機(jī)，把三坐標(biāo)測量機(jī)放置在有溫度調(diào)節(jié)的質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)室里。 這項(xiàng)規(guī)定有一些缺點(diǎn)，因?yàn)楦呔攘悴考圃焐绦枰S持高生產(chǎn)量與生產(chǎn)效率，低成本高效率的生產(chǎn)必須要有優(yōu)質(zhì)的零部件，以保持競爭力。首先，控制氣候的房間的興建與維護(hù)是耗資的；其次，質(zhì)量控制過程是時間密集型的，因?yàn)闇y量零件需要達(dá)到熱平衡，以減少廢料，實(shí)現(xiàn)勞動效率。制造商需要反饋即時的檢測和校正的尺寸誤差，以避免整個生產(chǎn)運(yùn)行中會存在有缺陷的部件。然而，在現(xiàn)有技術(shù)中，生產(chǎn)商必須定期暫停生產(chǎn)（或風(fēng)險不可接受廢料水平）來采取抽樣。一個競爭激烈的商業(yè)環(huán)境，一個CMM可以頂住環(huán)境不穩(wěn)定的工廠，它也可以提供一個早期預(yù)警系統(tǒng)誤差，并提供質(zhì)量審計中的每一個步驟，所以目前的熱補(bǔ)償技術(shù)不成功。
熱效應(yīng)代表的最大單一來源是CMM的尺寸誤差和表面設(shè)備。一個成功的熱補(bǔ)償技術(shù)，可以提供并且改善CMM的精度、可靠性和可重復(fù)性。在1995年，一些現(xiàn)有技術(shù)已試圖解決熱效應(yīng)的問題，這些方法包括使用統(tǒng)一方案，讓所有三坐標(biāo)測量機(jī)的部件夾緊在CMM的天平上，安裝隔熱墊及反光鋁箔，以防止溫度變化，并使用熱絕緣的措施，以建立一個在整個機(jī)器通過積極熱流控制的統(tǒng)一溫度。另一種方法涉及搜集實(shí)證數(shù)據(jù)位移，根據(jù)不同的溫度和存放方面的資料，在一個內(nèi)存表，在原軟件，測量輸出讀數(shù)，將參照這種記憶表把熱誤差補(bǔ)償根據(jù)輸入溫度變化。雖然用這種補(bǔ)償方法估計熱漂移還算不錯，它是趨勢預(yù)測而不是實(shí)時的知識條件和環(huán)境條件，因此缺乏精確的在線監(jiān)測系統(tǒng)。所以可用熱補(bǔ)償技術(shù)供應(yīng)治標(biāo)的解決方案，使測量精確度提高到某種程度，但未能積極針對熱漂移問題。 增強(qiáng)CMM的技術(shù)可以提供顯著的節(jié)約成本的三坐標(biāo)測量機(jī)市場，在1995年表明這些原則的各行業(yè)的重要性機(jī)器在提高制造業(yè)上銷售了1.2億元。三坐標(biāo)測量機(jī)在提高其效率的制造工藝汽車、航空以及其他交通運(yùn)輸工業(yè)具有特殊的價值。這些行業(yè)占516000000000美元和15.0億在美國就業(yè)工人的收入。根據(jù)1997年的人口普查局的統(tǒng)計資料顯示，為了維持產(chǎn)業(yè)的規(guī)模，美國機(jī)床決策者需要供給彈性最好級別的CMM 工具，以方便有效制造流程。舉例來說，失去一個單向復(fù)雜噴氣發(fā)動機(jī)組件累積值可高達(dá)5萬元，并且延誤完成一個發(fā)動機(jī)，會導(dǎo)致更多的財政罰款。吉丁斯和劉易斯預(yù)測說， 三坐標(biāo)測量機(jī)通過消除成本與控制氣候?qū)嶒?yàn)室，并通過加強(qiáng)CMM的精度和速度要求預(yù)防缺陷可節(jié)省制造業(yè)數(shù)以億計的美元。
美國密歇根州提出了一個解決方案，以提高三坐標(biāo)測量機(jī)精密開發(fā)先進(jìn)的自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)的三坐標(biāo)測量機(jī)，使他們能自動調(diào)整因環(huán)境變化卻沒有損失的精度，從而利用三坐標(biāo)測量機(jī)在工廠車間清除了一大路障。吉丁斯和劉易斯是一個小公司，沒有資源來承擔(dān)高風(fēng)險的研發(fā)。因?yàn)?，他們已?jīng)投資十萬元，并沒有能夠從投資者獲得資助的原因是該項(xiàng)目的高風(fēng)險和長期的回報。他們提交了一份提案，以ATP和在共同分擔(dān)費(fèi)用的資金人頒發(fā)755000美元。如果成功的話， 該項(xiàng)目將極大地推動當(dāng)前的三坐標(biāo)測量機(jī)技術(shù)，并有助于鞏固知識基礎(chǔ)，在美國制造業(yè)的勞動生產(chǎn)率和成本效益上，這將有著很大的合作潛力和更加積極的影響。
吉丁斯、劉易斯和密歇根大學(xué)提出了一個獨(dú)特的但有風(fēng)險的解決方案——并向全熱漂移問題。他們打算從軟件的角度而不是一個硬件角度處理問題。研究小組會試圖同時表征四個幾何誤差（橫向平直度、垂直直線、足球場和偏航）利用原始發(fā)明提供給密西根大學(xué)。 發(fā)明了高解析度、緊湊型尺寸、并低成本的多自由度的幾何誤差測量系統(tǒng)同時測量四幾何誤差。草地和偏航誤差測量是基于一種新方法的角度測量，即測角基于內(nèi)部反射效應(yīng)。這種方法利用了特色在附近的臨界角的空氣/玻璃邊界的內(nèi)部反射的激光束。 他們利用一種差分檢測計劃，以減輕固有非線性度和措施，由反射率計算出一個在線電腦數(shù)值控制器（數(shù)控）配備先進(jìn)的軟件，這將占到任何位置偏差，并會調(diào)整測量。此外，調(diào)查小組為提高精度將使用穩(wěn)定、單模光纖束的條件通過一個準(zhǔn)直透鏡。 吉丁斯、劉易斯和密歇根大學(xué)提出了一個獨(dú)特的，但有風(fēng)險的解決方案討論了熱漂移問題。 前ATP的項(xiàng)目，先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備，先進(jìn)的三坐標(biāo)測量機(jī)精選某些類型的幾何誤差補(bǔ)償程序?yàn)榧尤胛⑻幚砥髟鰪?qiáng)精度（ MEA的） 測量讀出。然而，這些制度假定幾何誤差信息將維持靜在外地使用。 ATP的項(xiàng)目，旨在在工廠車間獲得一個改善精度的CMM的測量讀數(shù)，由包括溫度變誤差分量在測量補(bǔ)償公式。要做到這一點(diǎn)，他們將建造一個在線監(jiān)測變化的激光傳感器，顯性誤差零件及將制定一項(xiàng)計劃，以更新該信息庫在MEA的補(bǔ)償制度。
研究小組勾劃出一個獨(dú)特的技術(shù)方案：
1 、設(shè)計和建造一個光纖自由激光測量系統(tǒng)監(jiān)察變化多重誤差分量同時，為每一項(xiàng)議案主軸。前向項(xiàng)目，幾個技術(shù)壁壘妨礙使用非干涉測量激光技術(shù)與感官系統(tǒng)的情況包括問題與激光束漂移、空氣湍流、低傳感器的決議案。然而， 研究人員在美國密西根大學(xué)曾發(fā)現(xiàn)之前向項(xiàng)目使用的內(nèi)部反射效應(yīng)和單模光纖約束解決這些問題。這項(xiàng)突破為使用激光技術(shù)為CMM的感官系統(tǒng)掃清了道路。因此，該小組的目的是發(fā)展：
1、調(diào)理和交付系統(tǒng)為一個高度穩(wěn)定單模光纖的激光束。這種激光束有上級指向穩(wěn)定使用于運(yùn)動的參考系統(tǒng)，可提供高精度角和直線度測量CMM的定位上的X、Y和Z軸。該系統(tǒng)載多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收信息從多種位置傳感探測器（月臺幕門）。
2 、查明健全計量（測量）妥善安裝基地為激光光學(xué)系統(tǒng)上的CMM。精心挑選的穩(wěn)定基地為系統(tǒng)是勢在必行，以熱變形系統(tǒng)的能力檢測變化的幾何誤差分量當(dāng)CMM的經(jīng)驗(yàn)。做這一點(diǎn)，小組打算制定一個錯誤靈敏度分析模型。他們計劃要做到這一點(diǎn)，由確定敏感性各種結(jié)構(gòu)部件環(huán)境扭曲，然后再通過評估影響這些變化對已確定的誤差消息來源。這種模式為CMM奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。
3 、開發(fā)自適應(yīng)補(bǔ)償軟件，以書面加工誤差的在線信息，從多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該軟件將計算出最終的位置同相對探針尖端角偏差的一向適應(yīng)工作臺的計量讀據(jù)參考。
4 、發(fā)展一種快速，單機(jī)標(biāo)定裝置副產(chǎn)品這一項(xiàng)目的開發(fā)。這種低成本的裝置將提供同時測量幾何誤差分量，以校準(zhǔn)和三坐標(biāo)測量機(jī)其他機(jī)床，以取代現(xiàn)有的裝置是太慢了，不適合校準(zhǔn)多重幾何誤差組成部分。
如果改進(jìn)三坐標(biāo)測量機(jī)成功的話，吉丁斯和劉易斯技術(shù)計劃承諾的基礎(chǔ)廣泛的經(jīng)濟(jì)利益，三坐標(biāo)測量機(jī)建設(shè)者和各個用戶，包括汽車、飛機(jī)、航空以及占用道路的裝備產(chǎn)業(yè)以及數(shù)以千計的供應(yīng)商。CMM的檢查能力通過提高速度和減少廢料所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)福利會導(dǎo)致越來越多的質(zhì)量和成本效益。 此外，該項(xiàng)目旨在擴(kuò)大美國知識庫通過演示成功應(yīng)用非激光干涉測量方法，進(jìn)而提高了接受這一新型技術(shù)。通過會議與三坐標(biāo)測量機(jī)技術(shù)交流組織，如作為美國密西根大學(xué)的工業(yè)/大學(xué)合作研究中心的三坐標(biāo)，吉丁斯和劉易斯界定項(xiàng)目的目標(biāo)是：建立一個有效的科技基礎(chǔ)。 其自適應(yīng)補(bǔ)償方法，使該業(yè)可先從商業(yè)化和使三坐標(biāo)測量機(jī)到工廠的地板迅速和有效率， 補(bǔ)償誤差與溫度變化。
熱漂移影響原型的可行性在該項(xiàng)目中是個重大問題，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出兩款原型系統(tǒng)，采用非偏光光學(xué)和原子化金屬能夠使測量出的四個錯誤組成的部分同時進(jìn)行。第一個原型使用氦氖激光束和第二次使用的二極管激光器。第二個原型是首選，因?yàn)樗a(chǎn)生較少熱量。第二體系也是能夠衡量的組成部分軋輥。盡管它的激光準(zhǔn)直儀（裝置用來提供理想的光束直徑，以滿足特定束流配送要求）經(jīng)歷了嚴(yán)重的熱漂移問題，能夠顯示這些電子光學(xué)元件受損的表現(xiàn)，這些電子光學(xué)元件可以用來證明此系統(tǒng)的可行性。 熱漂移充分地妨礙了該系統(tǒng)的發(fā)展，吉丁斯和劉易斯了解熱特性的激光準(zhǔn)直儀及原子金屬，以減少不穩(wěn)定漂移。他們經(jīng)過很多探索改進(jìn)，如增加了熱電制冷系統(tǒng)，以穩(wěn)定相對低功率機(jī)械來適應(yīng)設(shè)計制造較佳的機(jī)械對稱性，并證明了系統(tǒng)使用的材料有低系數(shù)熱膨脹，如合金鐵和鎳。
不過吉丁斯和劉易斯是無法辦到這些修改內(nèi)部ATP項(xiàng)目的時間和資金限額。美國密西根大學(xué)續(xù)這一研究和開發(fā)的實(shí)證模型，以補(bǔ)償熱漂移作為一個功能溫度實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，3個方向?yàn)榻窈蟾倪M(jìn)的主要來源尚未解決的錯誤：1 ）傾斜輸出準(zhǔn)直儀的激光束，2 ）變形的光學(xué)儀器，3 ）熱輻射的參考階段。 三磷酸腺苷項(xiàng)目進(jìn)展激光計量技術(shù)盡管困難，阻止全面發(fā)展一種激光光學(xué)傳感系統(tǒng)自適應(yīng)熱補(bǔ)償，該項(xiàng)目取得了該地區(qū)顯著進(jìn)步的激光計量。項(xiàng)目期間，研究人員證實(shí)，該技術(shù)的價值是激光器所用的單模光纖光纖激光器的光束，實(shí)現(xiàn)了前所未有穩(wěn)定少于十分之一的其中的一個微米的光束。該項(xiàng)目取得了另一種獨(dú)特的事先確認(rèn)有能力的激光傳感系統(tǒng)，以測量誤差組成的名冊。 雖然該系統(tǒng)吉丁斯和劉易斯設(shè)想其建議，因?yàn)檫@三磷酸腺苷項(xiàng)目沒有完全實(shí)現(xiàn)，該公司后來發(fā)現(xiàn)，發(fā)達(dá)國家在如何把技術(shù)項(xiàng)目納入其地圖集產(chǎn)品來檢驗(yàn)?zāi)芰μ岣咿k學(xué)質(zhì)量和效益。發(fā)展這一項(xiàng)目的同時也提供了知識基礎(chǔ)，研究人員在美國密西根大學(xué)與美國國家科學(xué)基金會協(xié)作努力，制造一套小型規(guī)模的機(jī)床。
此外，研究人員的調(diào)查結(jié)果轉(zhuǎn)由本項(xiàng)目以工業(yè)通過本文的介紹，在大型會議其中包括介紹一名密歇根大學(xué)在1995年的社會制造工程師激光計量學(xué)研討會并出版一本參考書主編約翰博士——葉文軍。三坐標(biāo)測量機(jī)及系統(tǒng)（Marcel ，1995年）。博士是一個顧問，謝菲爾德自動化（吉丁斯和劉易斯）在時間是和李前總統(tǒng)的謝菲爾德測量。
雖然吉丁斯和劉易斯的研究小組獲得了豐富的知識和提高精度對于使用激光來界定一個計量系統(tǒng)三坐標(biāo)測量機(jī)（三坐標(biāo)測量機(jī)） ，持久性問題與熱漂移，使得自由激光測量原型系統(tǒng)無法自適應(yīng)熱補(bǔ)償。 因此，該項(xiàng)目突出的地方，需要進(jìn)一步改善，并指出有必要繼續(xù)研究和開發(fā)的工廠底層三坐標(biāo)測量機(jī)。該密西根大學(xué)是無法發(fā)展實(shí)證模型的，以補(bǔ)償熱漂移作為一個功能溫度在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。當(dāng)前國有企業(yè)的藝術(shù)CMM的技術(shù)確實(shí)提供了工廠底層三坐標(biāo)測量機(jī)并包括激光技術(shù)的發(fā)展這ATP的資助項(xiàng)目，但還沒有達(dá)到水平精度和實(shí)時熱膨脹測量技術(shù)的最初提議。（項(xiàng)目凸顯謝菲爾德自動化（前身吉丁斯和劉易斯）
項(xiàng)目名稱：增強(qiáng)型三坐標(biāo)測量機(jī)，以改善生產(chǎn)工序（開發(fā)一種自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)來加強(qiáng)協(xié)調(diào)。
測量機(jī)（ CMM ）的精確度）項(xiàng)目名稱：把一種創(chuàng)新的激光光學(xué)監(jiān)測制度分鐘的尺寸變化，在一個自適應(yīng)控制系統(tǒng)三坐標(biāo)測量機(jī)，以高效率用他們對工廠的地板。時間： 5/1/1993-4/30/1995 三磷酸腺苷號碼： 92-01-0035 提供資金（以千計）：ATP的最終造價為75562美元，其他項(xiàng)目最終造價為46938，總的為1224美元：雖然吉丁斯和劉易斯當(dāng)時尚未完全開發(fā)的激光光學(xué)傳感系統(tǒng)，并自動適應(yīng)補(bǔ)償組成，他們確實(shí)在這個項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：審定的非干涉激光器單模光纖激光束計量應(yīng)用，并證實(shí)了這一實(shí)現(xiàn)光束穩(wěn)定的一個關(guān)鍵緣不到十分之一，其中一微米發(fā)展的一個多自由度激光測量系統(tǒng)，能測量誤差分量的橫向平直度、垂直直線度、偏航、俯仰和滾動商業(yè)化現(xiàn)狀。吉丁斯和劉易斯是不是能發(fā)展一個商業(yè)化的準(zhǔn)備原型？
從他們的工作中看出，該公司適用技術(shù)的發(fā)展以及在ATP的項(xiàng)目后來的發(fā)展中展望：前景為這一項(xiàng)目是不確定的; 不過，研究在三坐標(biāo)測量機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與制造業(yè)。今天，美國機(jī)床廠家提供三坐標(biāo)測量機(jī)可用于工廠車間， 盡管在這工程沒有高水平的精度要求。舉例來說，吉丁斯和劉易斯奮斗系列三坐標(biāo)測量機(jī)，其中包括部分成功的三磷酸腺苷項(xiàng)目特點(diǎn)的實(shí)時溫度補(bǔ)償，在范圍為-5° C ~5 ° C時，線性精度可達(dá)2微米和可重復(fù)性2微米。這不符合建議的目標(biāo)旨在實(shí)現(xiàn)"準(zhǔn)確度直線度測量"優(yōu)于0.5微米和準(zhǔn)確性角偏差優(yōu)于0.05角秒。 （精密的角偏差，是沒有引用，在當(dāng)前公司文獻(xiàn)）。但是，工廠底層是三坐標(biāo)測量機(jī)目前可用來協(xié)助500000000000美元美國制造業(yè)在符合成本效益的制造優(yōu)質(zhì)部分。 綜合表現(xiàn)評分：
無星級員工人數(shù)： 300多名員工，截至2002年11月
公司： 謝菲爾德自動化721斯普林菲爾德街代頓， 045403
聯(lián)系人：吉姆亨利。
電話：（ 937 ） 259-5212
資料：美國密西根大學(xué)機(jī)械工程部的研究和數(shù)據(jù)為現(xiàn)況報告92-01-0035收集在2001年10月-2001年12月和2002年11月。
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