测量技术的发展趋势

在构建高质量产品的制造和高效率生产环境的过程中，测量技术起到了很大的作用，其重要性与日俱增，尤其是在生产国际化、全球经济一体化迅速发展的时期，要求不同地区生产的高精度零部件，必须具有良好的互换性，因此，急需建立一种基于国际标准的拥有极佳测量精度及可靠性的测量体制。为了满足上述要求，精密测量仪器必须具有更高的精度、质量和可靠性。各个仪器生产厂商也都在积极开发功能更强、服务性能更好的新产品，而从中我们可以看到测量仪器的最新动向。

1 目前测量技术的发展趋势与学科前沿

1.1发展趋势

测量技术与仪器涉及所有物理量的测量，对于材料、工程科学、能源科学关系密切。目前的发展趋势有以下几点：

(1)以自然基准溯源和传递，同时在不同量程实现国际比对。如果自己没有能力比对就要依靠其它国家。

(2) 高精度。目前半导体工艺的典型线宽为0.25μm，并正向0.18μm过渡，2009年的预测线宽是0.07μm。如果定位要求占线宽的1/3，那么就要求10nm量级的精度，而且晶片尺寸还在增大，达到300mm。这就意味着测量定位系统的精度要优于3×10-8次方，相应的激光稳频精度应该是10-9 次方数量级。

(3)高速度。目前加工机械的速度已经提高到1m/sec以上，上世纪80年代以前开发研制的仪器已不适应市场的需求。例如惠普公司的干涉仪市场大部分被英国ReNIshaw所占领，其原因是后者的速度达到了1m/sec。

(4)高灵敏，高分辨，小型化。如将光谱仪集成到一块电路板上。

(5)标准化。通讯接口过去常用GPIB、RS232，目前有可能成为替代物的高性能标准是USB、IEEE1394和VXI。现在，技术领先者设法控制技术标准，参与标准制订是仪器开发的基础研究工作之一。

1.2学科前沿

(1)配合数控设备的技术创新

数控设备的主要误差来源可分为几何误差和热误差。对于重复出现的系统误差，可采用软件修正;对于随机误差较大的情况，要采用实时修正方法。对于热误差，一般要通过温度测量进行修正。我国机床行业市场萎缩同时又大量进口国外设备的原因之一就是因为这方面的技术没有得到推广应用。为此，需要高速多通道激光干涉仪：其测量速度达60m/min以上，采样速度达5000次/sec以上，以适应热误差和几何误差测量的需要。空气折射率实时测量应达到2×10-7次方水平，其测量结果和长度测量结果可同步输入计算机。

(2)运行和制造过程的监控和在线检测技术

综合运用图像、频谱、光谱、光纤以及其它光与物质相互作用原理的传感器具有非接触、高灵敏度、高柔性、应用范围广的优点。在这个领域综合创新的天地十分广阔，如振动、粗糙度、污染物、含水量、加工尺寸及相互位置等的测量。

(3)配合信息产业和生产科学的技术创新

为了在开放环境下求得生存空间，没有自主创新技术是没有出路的。因此应该根据有专利权、有技术含量、有市场等原则选择一些项目予以支持。根据当前发展现状，信息、生命医学、环保、农业等领域需要的产品应给予优先支持。如医学中介入治疗的精密仪器设备、电子工业中的超分辨率光刻和清洁方法、机理研究等。 在基础研究的初期，对于能否有突破性进展是很难预测的。但是，当已经取得突破性进展时，则需要有一个转化机制以进入市场。

2 数字化精密测量技术

数字化精密测量技术是数字化制造技术中的关键技术之一。开发亚微米、纳米级高精度测量仪器，提高环境适应能力，增强鲁棒性，使精密测量装备进入生产现场，集成到加工机床和制造系统，形成先进的数字化闭环制造系统，是当今精密测量技术的发展趋势。

美国FA RO技术公司的FaroARM系列便携式三坐标测量臂在工业界首次实现测量臂与激光扫描头的完美结合，在同一坐标系下实现非接触式快速扫描和接触式测量。特点：非接触式灵活快速扫描，获取曲线曲面的点云数据，点云无分层;接触式测量，把握关键特征尺寸与轮廓的精度;非接触式与接触式测量在同一坐标系下完美结合，扫描没有任何分层;扫描头与测量臂及测量软件同为FARO公司产品，技术完全共享，服务更加方便。在实际应用中为客户大大缩短设计生产制造周期，降低成本，质量控制可以在内部完成，自动生成的报告适用于网络应用，从而改善了各生产职能部门之间及实际不同地点间的沟通;提高了准确性，做产品检验时用户通常通过5到10个点来定义曲面，使得用户可以检验由数以万计的点云定义的曲面质量;自动化的SPC可对多个样品进行自动化的统计过程控制。

美国CIMCORE公司推出了配备有先进激光扫描测量系统的关节臂测量机。材料采用碳纤维，INFINITE系列还具有无线通讯功能。用于反求工程时，不仅测量速度快，而且可实现测量过程的实时显示和补漏测量数据的无缝拼接。该仪器可用于三坐标测量、三维造型、产品测绘、反求工程、现场测量以及模具设计制造等涉及到设计、制造、过程检测、在线检测以及产品最终检测等测量工作。

瑞士TESA公司的Scan系列用2个线阵CCD组件，通过工件的回转和轴向移动对工件进行投影扫描，可实现对轴类零件位置误差和形状误差的精确检测、对截面形状和轮廓度的评估比较以及统计质量分析，还能对零件的局部(如过渡曲线、微小沟槽等)进行放大测量。对螺纹、蜗杆、丝杆等能够进行全参数精度的精确测量。

德国SCHNEIDER的WMM系列轴类及工具测量仪操作简单、测量速度高，特别适用于车间检查站。仪器采用高分辨力的 Matrix摄像头，可以快速获取测量数据。仪器数显分辨力为0.0001mm，长度测量不确定度为E2=(2.0+L/200)µm(L单位为mm)。

数控机床的精度和性能检测领域中，国外著名厂商Renishaw、API及HP等公司生产的激光干涉仪测量系统和球杆仪等在数控机床的几何精度和运动精度的检测和监控中，无论在机床制造厂还是机床使用厂，都得到了广泛的应用。Renishaw公司的激光干涉测量系统，配备了高精度、高灵敏度的温度、气压、湿度传感器及EC10环境补偿装置，在工作环境下测量精度得到进一步提高;API公司的Rmtea六维激光测量系统可同时测量6个数控机床精度项目的误差，缩短了检测时间，为生产现场数控机床的检测和诊断提供了更为快速高效的精密测量手段。成都工具研究所的MJS系列双频激光干涉仪，分辨力 0.01µm，测量软件覆盖了我国和世界主要工业国的数控机床精度标准评定方法和指标，动态采样功能可用于自动补偿。

在非接触扫描测量，三坐标测量机方面LEITZ公司的精密三坐标测量机用于测量大型齿轮。瑞典HEXAGON集团所属DEA公司的PRIMA C1系列水平臂测量机配备有光学/激光式非接触扫描传感器，可适应不同测量环境和任务的要求。德国ZEISS公司的PROR Premium坐标测量机配备有EagleEye导航系统和可控测座可实施高速精密测量。

美国光动(Optodyne)公司近年推出的基于体对角线的激光矢量测量技术是快速测量和补偿数控机床、加工中心三维空间位置误差的一个新途径。该技术由美国光动公司发明并获得专利，它遵循了ASME B5.54。我国西安爱德华测量机公司自主开发的柔性关节臂测量机的样机。

德国帝目机械设备有限公司(teamtechnik)提供的测试系统解决方案。基于设备功能组成部分的模块化。独立于所测试的零件，功能元件被标准化为模块，并在应用过程中始终保持一致。设备以被测试的零件为中心，这样经过试用检验的技术就能够不断的积累和提高。

3 提高测量技术的重要性

近年来，随着经济的复苏，制造业设备运转率不断提高，长期处于不景气的测量仪器生产也有较大的增长。日本通商产业省机械统计资料表明，2003年精密测量机(含光学测量机)的产值比2002年增长20.7%，2004年1～6月，比2003年同期增长22.1%。

目前，生产现场非常重视提高加工效率和降低生产成本，其中，最重要的便是生产出高质量的产品。为此，必须实行严格的质量管理，只有在保证高质量生产的前提下，制造业才能生存和发展。作为保证制造业顺利发展的重要手段，高精度零部件构成的加工机床和由高精度测量仪器组合集成的加工生产线构建成的自律式加工系统，是很有必要的。据此可以预计，今后，市场对用于质量管理的测量系统和机器设备的需求将不断增长。

制造业生产现场对测量仪器及装置的要求大致如下：①能够适应广泛范围的环境温度;②抗污染和防振动性能优异;③测量重复精度高;④使用方便。目前，各厂家以便于在加工环境使用为前提，正积极地开发新产品，这些新产品能够进行高速、高精度测量，而且稳定性极佳，操作便捷。

在测量技术方面，日本精密测量仪器工业协会常务理事龟井明敏指出：“任何一种加工设备，无论其多么先进，均会出现由热变形引起的偏移和由工具磨损产生的误差，而要掌握这些偏移和误差，则必须依靠测量技术。”龟井认为，在现场加工过程中，进行测量作业的目标应该是：“①判断产品质量是否合格：即在加工过程中配置测量环节，保证其能够进行最终加工;②检测工具磨损、热变形等引起的误差：根据输出的补偿信号，采取相应的措施;③选取生产节拍和制品精度的最佳配合：不仅要保证所选适应技术等绝对精度，还应保证获得相对精度，从而提高总体生产效率。在这些过程中，测量技术起着举足轻重的作用。”

4 提高测量技术的认识

在汽车零件及其它各种机械零件的测量中，目前已大量采用三坐标测量机，在电气及电子零件测量方面，则大量采用显微镜或图像测量仪。随着加工精度的提高，测量精度的要求也不断提高。目前，测量精度达1μm以内的超高精度三坐标测量机、显微镜、图像测量机等已开始普及。其中，初项误差为0.35μm的三坐标测量机已投放市场。另外，整个零件均采用摄像头或激光进行测量，并可对尺寸测量及整体形貌进行评价的测量机也已大量使用。

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