坐标纸绘制的标准

我国几何量精密测量领域自主创新成果——关节式坐标测量机关键技术研究于连栋，赵会宁，贾华坤[序言] 2004年我的导师费业泰教授开始与合肥工业大学校友Richard He合作开发便携关节式坐标测量机，是国内较早开展关节式坐标测量机研究的团队之一，当时费老师带领胡鹏浩和胡毅等几位老师及若干研究生从零开始攻关，研制了首台关节式坐标测量机原型样机。2006年6月本人加入这项研究工作，主要负责测量机误差建模和测量机参数标定和辨识方面的工作。初期仪器的研发工作还曾与中国船舶工业第6354研究所合作过一段时间。经过多年的持续研发，我们在关节式坐标测量机的创新精度支撑理论和仪器研发工程技术方面均积累了丰富的成果，本人先后主持4项与关节式坐标测量机相关的国家自然科学基金面上项目，2013年成功获批“便携关节式坐标测量机开发与应用”国家重大科学仪器设备开发专项（简称仪器专项），项目分别于2018年和2020年通过技术验收和综合验收。天津大学叶声华院士曾经说过“关节臂仪器项目的顺利实施得益于费老师和合肥工业大学在仪器精度理论领域积累的丰硕成果”。该项目历时近20年经过两代人的持续投入和潜心研发，完全掌握了关节式坐标测量机的核心关键技术和应用开发技术，实现了具有自主知识产权的关节式坐标测量机零的突破，该技术成果获中国仪器仪表学会科学技术奖一等奖。仪器专项在实施过程中得到合肥合锻智能制造股份有限公司、清华大学、重庆理工大学、北京信息科技大学等单位的大力支持，项目在申报过程中得到合肥工业大学夏豪杰教授的大力支持，项目实施过程中赵会宁、贾华坤等博士研究生及若干硕士研究生均做出了重要贡献，在此一并表示感谢！一、研究背景关节式坐标测量机是一种广泛应用于汽车制造、飞机装配、模具制造等领域的高精密几何量测量仪器。与传统正交式坐标测量机相比，关节类坐标测量机通常由6或者7个旋转关节串联而成，具有灵活性高、便携性好、测量范围大和适于在位测量等优点。其测角系统由安装在各旋转关节上的高精度角度编码器实现 关节类坐标测量机采用光学扫描测头可实现被测件复杂曲面的非接触快速测量 为得到精确的测量模型，还需研究多种建模和参数辨识方法以及由不同国际组织制定的关节类坐标测量机的性能评价标准。针对上述关键技术，本文介绍了关节类坐标测量机的研究现状和技术进展，并对其未来发展趋势进行了展望。二、核心关键技术2.1基于广义误差模型的运动学建模技术传统D-H建模方法在某些情况下存在病态问题，极大地影响关节式坐标测量机的测量精度。为克服上述问题，提出了一种能够同时包含几何误差和非几何误差的运动学建模方法—广义误差模型建模理论，进一步提高了关节式坐标测量机的模型精度，如图1所示。图1 关节式坐标测量机广义误差模型2.2圆光栅传感器测角误差修正技术将阿贝原则拓展到角度测量领域，定义了测角阿贝误差的概念，提出了测角阿贝误差的修正方法，在修正测角阿贝误差的基础上进一步对测角误差进行修正，圆光栅传感器的测角精度得以显著提高，如图2所示。为探究圆光栅传感器各主要的误差作用方式和各项误差成分比重，开展了基于误差源分析的测角误差修正技术研究，推导并验证了包括旋转主轴径向误差运动和光栅盘安装偏心的测角误差模型，并为精密轴系的设计和装调提供了理论指导作用；为进一步修正温度产生的测角误差，提出了基于傅里叶级数展开-遗传算法优化BP神经网络的方法，显著提高了圆光栅传感器的测角误差。图2 测角阿贝误差测量装置 图3 测角误差修正效果2.3自制3D体约束标定体结合现行ASME B89.4.22-2004、VDI/VDE 2617-9和ISO 10360-12-2016标准，提出一种全新的全测量空间3D体约束的标定系统并首次建立了全空间综合误差标定模型，如图4所示。基于全测量空间3D体约束标定体，利用最佳采样策略，获取全空间标定数据集，建立了基于虚拟距离和单点双重约束的关节式坐标测量机全空间综合误差标定模型（结构参数误差和非结构参数误差），大幅消除了非参数系统误差、拟合误差，并根除了传统标准件位姿变化引起的变形误差，有效提升了标定精度和效率。该技术在机器人、极坐标测量仪器等误差修正方面具有普遍应用价值。图4 全测量空间3D体约束标定系统2.4结构设计与轴系精密装配自主设计了6-DOF关节式坐标测量机的结构，其核心关键机械结构是精密旋转轴系。根据仪器测量精度的设计指标，选择高精密级轴承并依据轴孔配合原则合理设置公差带。制定零件加工质量检测规程，对旋转主轴等零件的关键部位尺寸使用正交式坐标测量机进行检验。利用热胀冷缩效应装配精密轴系，通过改变轴承预紧力实现对旋转主轴转动状态的调整，制定旋转主轴转动状态检测规程，利用自准直仪等仪器设备对旋转主轴的误差运动进行检测，评估精密轴系是否达到最佳工作状态，如图5所示。图5 精密轴系装配图2.5力平衡系统研发由于关节式坐标测量机是一款手持式精密测量设备，需要在靠近基座的第二个关节处安装力平衡系统以平衡仪器自身的重力，提高工人在长期操作仪器时的舒适性，降低操作疲劳，保障测量结果的准确性和可靠性。经公式推导、仿真分析、定量实验和仪器整机平衡性能验证，研发了可靠的关节式坐标测量机力平衡系统，如图6所示。图6 力平衡系统研发过程图2.7仪器测量软件开发测量软件是仪器的重要组成部分，项目组以Qt软件为开发平台，结合OpenCasCade开发了适用于关节式坐标测量机的测量软件，完成直径、圆度、圆柱度、平面度等几何尺寸、形位公差的算法开发，并用标准测试数据与成熟商用软件进行比对，验证算法准确性。软件具备测量过程实时显示、数据存储、测试结果导出等功能，并方便进行功能扩展，如图7所示。图7 关节式坐标测量机测量软件经上述关键技术积累，成功研制了测量范围为1.2m-3.6m共5种关节式坐标测量机，如图8所示。其单点测量重复性介于±0.018-0.036mm，长度测量重复性±0.049-0.119mm。图8 不同型号关节式坐标测量机三、应用技术开发3.1汽车行业的应用针对汽车行业模具标定、焊接夹具定位和人机工程测试三个典型应用场景，在奇瑞汽车股份有限公司开展了相关测试验证，如图9所示。（1）模具标定测量提出利用关节式坐标测量机对汽车冲压模具进行现场测量。通过在测量现场测量被测模具的多个关键点，把测量机的测量坐标系统一到模具自身设计的坐标系内，然后通过关节式坐标测量机测量得到各被测点坐标值，与其理论设计值比较，给出测量结果评价，也可以通过关节式坐标测量机的测量软件拟合测量得到模具模型，与其设计理论模型比较，得到模具的形变，根据其形变情况标定模具。（2）焊接夹具定位测量 在使用关节式坐标测量机对焊接夹具进行定位检测时，通过对夹具体检测基准的测量，采用与理论数模相拟合的方式建立坐标系，分别测量夹具体的各个定位销及定位面与三维数模的偏差，以判定该夹具是否符合要求。（3）人机工程测试 为保证汽车乘坐人员的乘坐舒适性，需要保证汽车座椅空间3D位置的精密安装。在车身边架设关节式坐标测量机，将其测头伸进车厢内，完成对隐藏在车厢内座椅关键点的位置测量，并通过测量车身各关键点，来判断座椅的安装是否符合人机工程的要求。关节式坐标测量机在汽车制造中的应用，解决了汽车零部件几何尺寸测量和定位安装现场检测的难题，提高了生产效率，保障了生产质量。图9 关节式坐标测量机在汽车行业的应用3.2飞机制造中复杂零件、工装的现场检测在民用飞机制造企业利用关节式坐标测量机对飞机舱门及装配工装进行检测，并对点云数据进行处理。该类测量可以保障装配人员通过可视化的方法提高装配质量，根据提供的详细尺寸参数，实现对飞机关键部件生产质量的全面控制，提升飞机关键部件的产品质量，促进了我国飞机制造业的自主高质量发展。如图10所示。图10 关节式坐标测量机在飞机制造业的应用3.3 EAST核聚变大科学装置关键部件定位测量和形变检测全超导托卡马克核聚变 实验装置（EAST）内部含有种类繁多的关键零部件，每次放电后需要对其装配定位精度和形变进行精密测量。传统方法采用靠板、标尺等手段仅能进行定性测量。为解决核聚变装置内部关键部件装配定位测量难题，我们提出激光跟踪仪与关节式坐标测量机进行组合测量的模式，充分发挥激光跟踪仪超大尺寸全局测量和关节式坐标测量机灵活、便携、无测量障碍点的局部测量优势。通过升级EAST大厅外部基准、构建内部基准，统一内外基准网，在EAST核聚变装置维护改造期间通过搭建测量系统，顺利完成关键部件装配定位测量和形变检测，为核聚变实验的顺利进行提供了必要保障，如图11所示。图11 关节式坐标测量机在国家大科学装置的应用四、总结风雨18年仪器研发路，在两代仪器人的共同努力下，积累了基于“新原理、新装置、新工艺”的整套仪器研发经验，实现了自主知识产权的关节式坐标测量机从无到有，从原理样机到小批量生产的突破，打破了国外产品在国内市场的垄断，为相关仪器的国产化替代奠定了基础。【作者】于连栋，博士，教授，2003.9-2020.5年就职于合肥工业大学，2020年6月以来就职于中国石油大学（华东），长期从事3D宏观尺度坐标测试技术、微纳传感技术、超快光学精密测试技术研究，2017年入选国家百千万人才工程、国家级有突出贡献中青年专家、享受国务院政府津贴。点击图片直达报名页

近年来，我国高端制造业蓬勃发展，对高精度测量设备的需求持续攀升，极大地推动了以三坐标测量机为代表的精密测量仪器市场的迅猛增长。众多国内外知名品牌竞相涌入这一赛道，同时，也催生了一批崭露头角的国产新兴力量。在国产替代需求日益增长的趋势下，中国三坐标测量机企业迎来了前所未有的发展机遇。为深入了解中国三坐标测量机产业的发展态势，仪器信息网成立25周年之际，特别策划了“万里行”系列走访活动。该活动深入中国三坐标测量机代表性企业，与行业专家共同开展实地走访，探寻产业发展的最新进展和亮点，为发展新阶段赋能。走访第3站，由上海大学李明教授，仪器信息网产业研究部主任武自伟、营销服务中心经理韩永风、测量仪器编辑牛亚伟等组成的走访项目组走进苏州天准科技股份有限公司（以下简称“天准科技”），天准科技计量事业部技术总监王志伟博士、市场部负责人等接待了走访一行人员。——企业发展进展天准科技成立于2005年，总部位于苏州，致力于以领先技术推动工业数字化智能化发展,致力打造卓越视觉装备平台企业。初创之际，天准科技便聚焦工业视觉领域，专注于运用前沿视觉技术实现精密测量的新高度。2007年，天准科技首台高端全自动影像仪问世，随后与中国计量科学研究院合作编著的《影像测量仪技术基础》，是国内首部“影像测量仪”技术专著，为该仪器品类国产化奠定了基础。天准科技园2013年，天准科技迎来里程碑式的飞跃，牵头承担的科技部国家重大科学仪器设备开发专项——“复合式高精度坐标测量仪器开发和应用”项目，研制出我国首台测量精度达到0.3微米的复合式高精度坐标测量仪器，同年订单额突破一亿。以此为契机，天准科技启动了战略升级2.0，将机器视觉技术应用在高端制造生产线上，布局平台化的产品矩阵，辐射汽车、光伏、PCB等多个行业，业务快速发展。2019年，天准科技凭借出色的市场表现和技术实力，成功登陆科创板，成为首批过会的三家企业之一，开启了资本市场的新篇章。2021年，公司收购德国半导体检测设备公司MueTec，正式进军半导体设备领域，由此公司完成视觉装备平台化布局，正式迈进战略3.0时代。步入2022年，天准科技持续高歌猛进，业绩再创新高，订单额强势突破20亿元大关。2023年，天准科技迎来又一重要里程碑——第10000台影像测量仪成功下线。公司成立了计量事业部，启动“0.3μm国家重大科学仪器专项”成果转化三坐标测量机的商业化量产。为此，公司不惜耗资近千万扩大研发团队和实验室搭建，对研发车间进行了全方位的改造升级与科学布局，这一举措充分彰显了天准科技推动三坐标测量机国产替代的坚定决心与强大信心。计量事业部研发车间目前，天准科技已汇聚了一支超过2200人的精英团队，其中研发人员超800人，年度研发费用占营收比例高达20%。这一数据不仅体现了公司对技术创新的极度重视，也为其在视觉装备领域的持续领先提供了强有力的支撑。——产品技术与布局天准科技自创立之初，以单一的影像测量仪为基石；历经多年深耕细作，如今天准科技已构建起一个涵盖20余条产品线的庞大体系，形成了视觉测量装备、视觉检测装备、视觉制程装备和智能驾驶四大业务战略支柱，应用范围更是拓展至工业计量、消费电子、光伏、半导体、PCB、新能源汽车等精密制造领域和智能驾驶领域。在工业计量领域，天准科技匠心打造了VM系列影像测量仪与CM系列三坐标测量机两大精品系列。在消费电子领域，公司聚焦于玻璃瑕疵检测设备与点胶检测一体设备的研发和生产。在半导体领域，天准科技通过战略收购MueTec，将晶圆前道测量技术纳入其技术版图，同时，成立苏州矽行半导体技术有限公司，积极推动明场纳米图形晶圆缺陷检测设备的研发。在PCB领域，公司形成包含4个产品系列的完善业务布局，包括LDI激光直接成像设备、AOI缺陷检测设备、CO2激光钻孔机和TZM高速贴片机。在光伏领域，天准科技亦不遗余力，专注于光伏硅片检测分选设备的研发与应用，以科技创新推动绿色能源产业的可持续发展。王志伟谈到，当年市场客观条件限制了天准科技“复合式高精度坐标测量仪器开发与应用”专项的商业化量产，但这一技术成果为公司的其他测量设备注入了强大的技术动力。近些年，随着全球市场环境的变化，加速了三坐标国产化进程的步伐，国产化的呼声日益高涨。面对这一历史性的机遇，天准科技果断决策，重组并扩大计量仪器事业部，旨在将多年累积的专项技术成果转化为实际生产力。“计量事业部研发人员占比超过50%。在此基础上，天准科技推出的新品VMZ影像测量仪，在精度、智能化及复合功能方面均实现了质的飞跃。同时，公司自研的三坐标测量机Vispec Pro软件系统、HSP测头/TR50旋转测座探测系统、驱控一体TCC电控、直线电机驱控技术预计将于明年正式装机应用。”“尤为值得一提的是，天准科技自研的CM系列三坐标测量机以差异化竞争为核心策略，不仅在测头结构设计上实现了创新突破，更在软件智能化方面下足功夫，力求为用户提供无需复杂培训即可上手操作的便捷体验。”王志伟介绍到。天准CM系列三坐标测量机——国产三坐标测量机发展观点对于国产三坐标测量机产业而言，要想在激烈的市场竞争中持续健康发展，天准公司表示，创新是不可或缺的核心驱动力。在当前行业“内卷”加剧的背景下，企业更需加大创新力度，通过在产品材料、工艺及关键技术的差异化创新，以及在细分市场中探索商业模式的创新，构建独特的竞争优势。创新是企业提升产品附加值、增强市场竞争力的关键所在，更是避免价格战、保障利润空间、实现可持续经营的必由之路。合影留念

日前，国家科学技术部发布了《科技部关于2013年度国家重大科学仪器设备开发专项项目立项的通知》，天准公司承担的&ldquo 复合式高精度坐标测量仪器开发和应用&rdquo 项目入选&ldquo 2013年国家重大科学仪器设备开发专项项目&rdquo 。　　国家重大科学仪器设备开发专项由科技部、财政部于2011年设立，旨在支持重大科学仪器设备开发，提高我国科学仪器设备的自主创新能力和自我装备水平，形成能够在世界上有特色、有影响的科学仪器设备，服务经济和社会发展。专项在前两年共支持项目119项，国家拨款经费高到18亿元。　　&ldquo 复合式高精度坐标测量仪器开发和应用&rdquo 项目针对我国航空航天、国防军工、材料工程、工具制造、精密计量等领域对先进测量及分析手段的迫切需求，通过突破全面测量不确定度评价及精度保障技术、全面误差补偿技术、多测头统一标定技术、多测头数据融合方法等核心技术，研制集成接触式测头、影像测头和激光测头的复合式高精度坐标测量仪。仪器测量精度高达0.3&mu m，全面达到国际先进水平。　　该项目总经费4417万元。天准作为项目牵头单位，联合中国计量科学研究院、天津大学、北京工业大学、中国航空工业集团公司北京航空材料研究院、中国科学院光电研究院、成都工具研究所有限公司等高校及科研机构，搭建产学研用一体的协同创新平台，开展仪器研制、工程化、产业化等工作。　　近年来，天准高度重视创新工作，承担着多个省部级以上科技项目，荣获多项省部级以上科技奖励，在专利申请、新产品研发工作、论文发表等方面都取得了优异的成绩。从影像测量仪、三坐标测量机到自动化，天准一直致力于推动精密测量技术的发展，已成为我国精密测量领域的领先品牌。通过此项目的实施，天准将进一步推进中国精密制造业质量提升，迎接当前全球制造业升级变迁的新一轮的挑战，为国家装备制造业的快速转型贡献自己的力量!