一、引言

       近年數字化測量技術及量具（jù）量儀的發展綜述。

二、數字化精密測量技術和儀器新動向———光學/激光（guāng）非接觸掃描測量倍受重視三坐標測量機作為精密測量（liàng）儀器的基本型主導產品，繼續在機械（xiè）製造業（yè）中得到重視，應用場合不斷（duàn）擴展。精密儀器進入車間、服（fú）務於生產現場，乃（nǎi）至融合於製造（zào）過程、集成於生產線，成為（wéi）先進（jìn）數字製造係統中不可或缺的關鍵組成，是包括三坐標測量技術在內的精密（mì）技術發展的（de）一個重要趨勢。與精密的非接觸式掃描測量技術的結合，實現多（duō）功能、多種（zhǒng）傳感器的集成和融合，使坐標測（cè）量技（jì）術的應用更加豐富和實用。

      1.汽車大型覆蓋件的非接觸掃描精密測量技術配備有光學/激光式非接觸（chù）掃描（miáo）傳（chuán）感器的水平臂三坐（zuò）標測量機實現了快速精密檢測（cè）。瑞典HEXAGON 集團公司（sī）所屬DEA的PRIMA C1 係列水平臂測量機，在其CW43L 型連續伺服關節測座上，可配備觸發式測頭、連續掃描測頭（tóu）、光學或激光掃描測頭等多種測頭，以滿足不同環境和任（rèn）務的多功能測量要求（qiú）。德國ZEISS 公司（sī）的PROR Premium 坐標機（jī），配備有EagleEye 導航係統，能夠在汽車車身大型（xíng）覆蓋件（jiàn）、尤其是車身分總成質量的過程（chéng）控製中，對（duì）工（gōng）件的幾何參數（shù）、表（biǎo）麵和邊緣的特征點、間隙和貼合性等實施高速精密測量（liàng）。連續回轉的測（cè）座可以自動調（diào）整方位，使測量處於被測區的法線方向，以保（bǎo）證激光測頭（tóu）能（néng）得到最佳測量結果。可以說（shuō）這（zhè）是在以往傳統的反求（qiú）工程非接觸掃描測（cè）量技術上的進一步發展。

     德國GOM公司擁（yōng）有數字化圖像處（chù）理（lǐ）和3D 數據處理分析等核（hé）心技術，應用於三維掃描、坐標測量和（hé）變形測量（liàng）。公司推出的ATOS 精密光學（xué）掃描儀具有‘ 流動坐標’特點，不需要（yào）任何找台（ 固定坐標係）的支持，可隨意移動測頭到任意位置對複雜（zá）型麵進行高速（sù）測量，所測數據能（néng）自動拚接（jiē）。測量時係統投影（yǐng）一束光帶於預先貼有參（cān）考點的被測（cè）工件上，用高分辨力數碼相機攝取影像，經處理後可計算出工件（jiàn）輪廓三維坐標，簡（jiǎn）便易行。國內最大的三坐標水平臂（bì）測量（liàng）劃線機製造企（qǐ）業，四（sì）川中測（cè）量儀公司近（jìn）年也成功開發出可對大（dà）型覆蓋件非接觸測量的（de）測量機，采用的是北京博維恒信科技公司出產的（de）CF 係列的光學三（sān）維掃描（miáo）係統。北京南航立科公司也有類似產品。

     2.帶激光掃描測量係統的便攜式柔性關節臂測量機激光掃描測量係統增強了關（guān）節臂測量（liàng）機的測量功能。美國CIMCORE 公司開發的配備有先進激光掃描測量係統的（de）關節臂測量機采用碳纖維材料，輕而剛性好，其中INFINITE 係列的（de）還具有無線通訊係統，采用了PC- DMIS 軟件，測量功能（néng）強。選配管件測量係（xì）統，還可實現管件的長度、彎曲度、管件回彈等多（duō）種數據的測（cè）量和比較。測量（liàng）範圍1.2m 儀器的點測重複精度（dù）為0.010mm，空間長度精度為0.015mm，測量範圍3.6m 儀器的點測重複精度為0.05mm，空（kōng）間長度精度為（wéi）0.068mm。對汽車（chē）模型、手機外殼、電話機罩殼等樣品的反求測（cè）量（liàng），測量速度快、功能強，尤（yóu）其（qí）是測量過程的實時顯示和補漏測量數據的無縫拚接軟件技術，水（shuǐ）平突出。可以說該儀器可完成三坐標測（cè）量（liàng）、三（sān）維造型、產品測繪、逆向（xiàng）工程、現場測量以及模具設計製（zhì）造等涉及到設計、製造、過程檢測、在線檢測以及產品最終檢測等（děng）全部測量（liàng）工作。美國（guó）FARO 技術公司（sī）也生（shēng）產有完全類（lèi）似測量功（gōng）能和精度的儀器（qì）-FAROARM係列便攜（xié）式三坐（zuò）標測量臂，儀器配備有FARO 激光掃描係統，可（kě）快速測量複雜型麵，並能（néng）實現與接觸式測量數據的無縫連接。儀器標準配置測量軟件為CAM2 MEASURE。3.軸類零件光電非接觸（chù）測量技術（shù）和儀器發展迅速瑞士TESA 公司的TESA Scan 係列軸類零件快速掃描測量儀（ 圖（tú）2），采用2 個線陣（zhèn）CCD 組件，通過工件回（huí）轉和軸向移動對工（gōng）件（jiàn）進行投影和掃描，對軸（zhóu）類零件的位置（zhì）公（gōng）差（chà）和形狀公差進行精確測量，對截麵形狀和輪廓度進行評估比較，以及統計質量（liàng）分析。還能對零件的局（jú）部（ 如（rú）過渡（dù）曲（qǔ）線、微小溝槽等）進行放（fàng）大測量。工件立柱可以傾斜，因而能（néng）對螺（luó）紋、蝸杆、絲杆等進行全（quán）參數精度的精確測（cè）量，是（shì）該儀器PLUS 係列的一大特（tè）色。以TESAScan Plus 為例，儀器用於螺紋類工件測量時立（lì）柱可傾斜15°螺旋角，儀器在直徑方向上的分辨力0.0003mm，精度2（+ 0.01D）μm，重複（fù）性0.001mm。德國（guó）SCHNEIDER 的WMM係列的軸類零（líng）件及工（gōng）具測量儀，操作簡單、測（cè）量速（sù）度高，特別適用於車間檢數據。儀器數顯分辨力為0.0001mm，長度測量不確定（dìng）度為E2（= 2.0+L/200）μm；L 的單位為（wéi）mm。德國BLUM 公司的LaserMicro100，能對直徑從0.5 ～100mm 的軸類零件進行臥（wò）式高精（jīng）度測量。采用聚焦半導體激光（ 685nm），儀器分辨（biàn）力0.1μm，直徑測量的重複性±0.2μm，測量不確定度≤1.0μm。德國（guó）HOMMEL 公司也有類似的光學軸類零件測量係列產品。

     4.用於中小尺寸（cùn）平麵類精密零件的二維、三維非接觸測量帶CCD 數字攝像頭、激光測頭及觸發測頭的多傳感測頭的多測量功能的（de）光學測量儀器得到快速的發展。德國MAHR 公司的MAR -VISION 係列三維（wéi）光學坐標測量機（jī）（ 圖3）、瑞士TESA 公司的三坐標成像測（cè）量係統TESAVISIO、德國SCHNEIDER公司的（de）SKM係列3D 多測頭坐標測（cè）量機、美國的OGP 公司（sī）等國外（wài）著名廠（chǎng）商都開發有相應產品。日本三豐公司CNC 視像測量係（xì）統（tǒng）QUICK VISION 係列產品中的ULTRAQV350- pro，采用了公司自製的超高精度、高分辨力、低膨脹玻璃光柵基準（zhǔn）尺，X、Y 軸導軌采用了靜壓空氣軸承，儀器的分辨力達到0.01μm，測量精度X、Y 軸（ 0.3+L/1000）μm，Z 軸（ 1+2L/1000）μm，L：10~60mm。據稱（chēng）具（jù）有同類型儀器世（shì）界最高測（cè）量精度等級的（de）三豐Hyper MF 型測量顯微鏡（jìng），其X、Y 軸的測量精（jīng）度超過日本（běn）標準規定（dìng）的0 級。儀器在X、Y 軸（zhóu）上的測量精度為±(0.9+3L/1000) μm，L 單位為mm，儀器數顯分辨力0.01μm，是用於精（jīng）密模具、精密切削（xuē）刀具以及超小半導體電子元件如芯片和集成電路（lù）等檢測的最（zuì）好選擇。

      國產儀器則有西安（ān）愛德華、深圳智（zhì）泰（tài）、貴陽新天光電、東莞萬濠、蘇州怡信、深圳鑫磊以及北京天地宇等公司生產。貴陽新天光電公司（sī）近年注重（chóng）新技術和新產品（pǐn）的開（kāi）發，2004 年成功推出的JX13C 圖（tú）像處理萬（wàn）能工具顯微鏡，采用了（le）金屬光柵和高分辨力的CCD 攝像頭，儀器測量精度達到（ 1.0+L/100）μm。配套的半導體激光（guāng）導向技（jì）術便於操作者快速確定測量位置。該公司（sī）的（de）JX15A/B 型視頻測量顯微（wēi）鏡（jìng），同樣采（cǎi）用了CCD 數字成像技術，將采集到的被測（cè）件圖（tú）像送入計算機進（jìn）行處（chù）理，進行相應（yīng）幾（jǐ）何精度檢測。深圳智泰公司VMT 係列的3D 影像量測儀，在CCD 視覺測量係統上，還配備有高精度觸發式測頭（tóu），實現坐標機多（duō）功能測量。

     5. 帶CCD 攝像頭的自動刀（dāo）具預（yù）調測量儀（yí）的國內產（chǎn）品最新（xīn）登場以（yǐ）往凡是帶數字攝像頭的CNC 高檔（dàng）數控數字式對刀儀都是（shì）國外的產品，國產刀具預調測量（liàng）儀的開發雖然較早，但發展緩慢，多年來產品一直都是光學投影式或（huò）數顯光學投（tóu）影式。2005年我國精密測量儀器的最大生產廠哈爾（ěr）濱量具刃具廠和我（wǒ）國刀具預調測量儀的最大生產廠天津市（shì）天門精密機械公司，相繼（jì）推出了自行開發的、帶CCD 攝像頭的自動刀具預調測量機（jī）。天（tiān）門精密機械公司的DTGⅢ 2550 型光電自動刀具預調測量儀，儀器測量半徑（jìng）為0～250mm，軸向為40～500mm；分辨力0.001mm，放大（dà）倍數80 倍（bèi）。十字線（xiàn）可自動跟蹤（zōng）刀具刃口圖像而獲得準（zhǔn）確數據，測量重複性±0.002mm。可測量刀具刀尖（jiān）圓角半（bàn）徑和刀具各幾何參數，測（cè）量數據可由RS- 232C 串口傳送至數控機床。哈爾濱量具刃具廠的1611 型台式自動瞄準刀具預調測量儀，徑向最大量程200mm，軸向（xiàng）為500mm，分辨力為0.001mm，測量精度為0.004mm。與國外的同類型先進產品相比，在儀器測（cè）量精度、測量軟件以及刀具管理軟件功能等方麵還（hái）有一定差距。

三、數控機床三維空間位置誤差測量（liàng）新技術（shù）

     基於體對角線的激光矢量測量技術（ 圖4），開辟了（le）快速精密測量數控機床、加（jiā）工中心等機床三維空間位（wèi）置誤差的新（xīn）途徑。該技術是由美國光動公司發明並獲得專利。它遵循了ASME B5.54（ 1）和ISO0230-（6 2）機床測量標準中對體對角線誤（wù）差測量的要求。現今對於構成（ X、Y、Z）直角坐標係的（de）三軸數（shù）控加工機床（chuáng）所具有的21 項幾何誤差，通常采用激光幹涉儀（yí）等儀器（qì）來進行檢測，相當費事。美（měi）國光（guāng）動公司開發了基於體（tǐ）對角線、對機床三維空間位置誤差進行（háng）測量的激光矢量測量新原理，在上海交通大學（xué）的協助下，理論分析並驗證了具有（yǒu）（ X、Y、Z）直角坐標三軸結構的四種類型數控機床，在采用體（tǐ）對角線測量三維位置（zhì）誤差時，體對角線位移誤差對（duì）於機床角度誤差不敏感的結論。采用激光多普勒位移測量（liàng）儀和大平麵反射（shè）鏡，和（hé）自行開發的分步體對角線位移測量法（fǎ）（ 即（jí）激光矢量測量技（jì）術），能在較短（duǎn）時間（ 2～3h）內，完成對數控機床四條（tiáo）體對角線位移的測量，獲得12 組數據。然後通過計算確定機床21 項誤差中的12 項基本誤差（ 3 項位（wèi）移誤差，6項直線度誤（wù）差和3 項（xiàng）垂直度誤差（chà）），在體對角線位移誤差對於機床角度誤差不敏感的結論基礎上（shàng），最後計算得到數控（kòng）機床三維空間位置（zhì）（ 定位）誤差。在加工中心上進行實際測量和補償的應用實例，表明了該測（cè）量新技術在（zài）數控加工機床或加工中心的精度檢測和精度補償上的可行性和實用性。其技術發（fā）展和應用前（qián）景值得關注。

      英國RENISHAW公司的（de）新型雙光路差動/比較式激光測量（liàng）尺RLD DI，突出的優點是使用時環境溫度變化對測量結果影響很小（ 零漂（piāo）10nm/℃），激光尺裝調簡單，安裝麵的震動位移不影響測量精（jīng）度，適用於精密加工機床與測量儀器的實時監測與反饋控（kòng）製（zhì）。

四、齒（chǐ）輪測量儀器、表麵粗糙（cāo）度（dù）輪廓測量儀等精密儀器的發展

     1.滿足批量生（shēng）產汽車、摩托車齒輪製造精度全數100%終檢和分選

     成（chéng）都工具研究所成功開發（fā）了CQPF200 型（xíng）齒輪在線（xiàn）自動檢測（cè）分選機（ 圖5）。該儀器參照了（le）國外資料，采用了新穎的齒輪徑向綜合三維誤差測（cè）量原理，即通過齒輪雙麵齧（niè）合和三（sān）維浮動測量機構，借助於特殊標準齒（chǐ）輪和高精度位（wèi）移傳感器，對變速箱圓柱齒輪（ 包（bāo）括（kuò）盤類、軸類齒輪、階梯齒輪等）的齒輪徑向綜合偏差、齒圈徑向跳動（dòng）、齒厚偏差（chà）、齒向平均偏差、齒向偏差、齒向錐度偏差，以及毛刺、磕碰等缺陷進行快（kuài）速精密檢測和（hé）分（fèn）選。據稱儀器還具有齒（chǐ）輪加（jiā）工質量統計（jì）分析、加工工藝係統故（gù）障遠程診斷、測量數據遠程傳輸等多種先進功（gōng）能。受到國內齒輪製（zhì）造廠的關注。

- 合格”弧錐齒輪產品的數字（zì）化齒輪先進製造全過程，達到國際水平。據介紹，獲得省中小企業創（chuàng）新基金支持的（de）哈爾濱精達公司也已和高校合作，成功開發出CNC 齒輪測量（liàng）中心用弧錐齒輪測量軟件。值得一提的是美國GLEASON 公司新近（jìn）推出了與其鳳凰數控錐齒輪加工機（jī）床相配套的數字化圓錐齒輪製造技術（shù）———格裏森專家製造係統，簡（jiǎn）稱GEMS 係統。該係統是一個集（jí）成化的計算（suàn）機網絡軟件係統，它將基（jī）於視窗平台（tái）的格裏森圓（yuán）錐齒輪軟件（jiàn）模塊集成一體，提供工程工作站和（hé）格裏森鳳凰數控機床間的信息通訊和互換。該係統也可用於原有GLEASON 弧錐齒輪（lún）加工機床的調整加工（gōng）。據稱該係統開創了弧錐齒輪和雙曲線齒輪數字（zì）化製造的新紀元（yuán），並已在我（wǒ）國某（mǒu）工廠獲得應用。資料介紹，德國Klingelnberg 公司也有類似集成軟件技術的報（bào）道（dào）。

     3.三坐標（biāo）測量機大齒輪測量技術得到發展

      近年來，采用大型三坐標測量機實施對大型齒輪精度進行檢測的理念得到重視，測量技術也得到發展。著名三坐標測量機製（zhì）造商德國LEITZ 公司（ HEXAGON 集團），近年來大力宣傳精密三坐標測量機的齒（chǐ）輪測量功效。該公司介紹了他們（men）采用高精度大型三坐標測量（liàng）機（jī）和高精度三維掃（sǎo）描式測頭，對大型、超大（dà）型盤齒輪、軸齒輪（lún）及扇形齒輪的各項單項（xiàng）幾何誤差實行精（jīng）密測量的實踐，得到（dào）行（háng）業的普遍關注（ 圖7）。由於在三坐標測量機上測量齒輪時，不存在工裝夾具和被測（cè）齒輪精確同（tóng）軸找（zhǎo）正的（de）要求，不需要高精度精密回轉軸係，減少了輔助時間和工裝，故而對於大型齒輪測量來說有一定的優越（yuè）性（xìng）；尤其是儀器還能對大型傳動係統的箱（xiāng）體及其他零部件的尺寸和形位精度進行（háng）檢測，儀器性價比（bǐ）相對比較高。至於（yú）在高精（jīng）度大齒輪的測（cè）量精（jīng）度和測量效率上，可能比傳統（tǒng）的極（jí）坐標展成式的專用大型（xíng）齒輪量儀還是略微遜色。對於上述兩種（zhǒng）齒輪測（cè）量方法，在不同精度、批量、規格尺寸的齒輪測量應用上的優缺點和（hé）較佳適用場合，還（hái）需要進行深入研究、實測並應用對比後（hòu），才能夠得到較為（wéi）科（kē）學客觀的結（jié）論.

     力、高精度、大量程、小（xiǎo）測力（lì）的傳感器是（shì）關鍵。英國TALAYHOBSON 公司的Form Talysurf PGI 係列激光（guāng）相（xiàng）位幹（gàn）涉粗糙度輪廓（kuò）儀，最大測量範圍可達12.5mm，分辨力高達0.8nm。其非球麵測量儀可以完成（chéng）非（fēi）球麵形狀參數（shù）和粗（cū）糙度參（cān）數測量分（fèn）析，實際形狀和理（lǐ）論（lùn）的比較分析，以及對（duì）未知非球麵（miàn）逆向工程的測量。德國Mahr 公司的MarSurf LD120 粗糙（cāo）度輪廓測量儀（yí），其傳感器（qì）集成（chéng）了特（tè）殊的激光幹涉測量係統，使測量分辨力達到2nm，測量（liàng）範圍達10mm。日本（běn）三豐公司的SV- C3000 CNC 輪（lún）廓測量（liàng）儀（yí），同樣（yàng）集表（biǎo）麵粗糙度測量和（hé）輪廓測量功（gōng）能於一體。我國哈量推出的2302 型（xíng）表麵輪廓測量儀，包括了粗糙度測量係統、輪廓測量係統和形狀測量係統，但需（xū）配備有不同（tóng）測量範圍和分辨力的傳感器（qì），以（yǐ）滿足不同測量項目的要求。北京時（shí）代之峰科技公司2005 年推出的新產品TR300 表麵粗糙度形狀測量儀樣機，配置的（de）是（shì）一個（gè）自行開發的大量（liàng）程差（chà）動電感式傳感器，可（kě）在一次測量行程中（zhōng），對被測零件表麵的粗（cū）糙度、波（bō）紋（wén）度和原始輪廓進行多參數檢測和評定，實現了合（hé）二而（ér）一。為適用於加工過程中生產車（chē）間、生產線上粗糙度的測量，手持（chí）式堅固可靠（kào）的粗糙度檢測儀也得（dé）到發展。如德國HOMMEL 公司的HOMMELTESTER T500 外觀新穎，可儲存（cún）125 個測量數據，也可輸出至打印（yìn）機或計算機（jī）作進一步分析；英國TALAY 公司的SurtronicDuo 粗糙度測量儀攜帶方便，並帶（dài）有紅外（wài）無線數（shù）據通訊；日本三豐公司則推出（chū）了（le）SJ- 201P/M便攜式表麵粗糙（cāo）度測（cè）量儀；北京時代公司的TR210 手持式粗糙度測量儀，分辨力可達0.01μm，可測參（cān）數Ra，Rz，Rq，Rt 等。

五、點評

     1.國內（nèi）量具量儀製造行（háng）業，在國家（jiā）機械製造業快速發（fā）展的良好環境的培育和推動下，經過近幾年的複蘇（sū）、振興，已逐步走上發展；在高新技術領（lǐng）域內的研究投入（rù），開始有所收獲，創新成果（guǒ）日見豐碩。電子數顯（xiǎn）量（liàng）具的技術水平（píng）和國外差距正在縮小（xiǎo），出口量在增長。數字化量儀的中低（dī）端（duān）產品如三坐標劃線測（cè）量機，在國內市場已占有一定份額。但是在高精技術端的數字化量具量儀方麵，國外（wài）產品依然占有絕對優勢，如作為數字化精密測量技術集中體現的基礎測量儀器，三坐標測量機（jī）國產品在國內（nèi）市場的（de）占有率僅隻有約1/10 的份（fèn）額（ 產值（zhí）），差距甚大還有待努力。

     2. 航空航天製造（zào）業研究（jiū）院所如北（běi）京航（háng）空精密機械研究所、101 所，和（hé）機床工具製造研究院（yuàn）所如（rú）成都工具研究所、機床研究（jiū）所等一起，已經而且還（hái）將繼續（xù）為推動我國數字化量具（jù）量儀民族工業的振興和發（fā）展做出重要貢獻。

     3.由於全球化技（jì）術（shù）交流和產（chǎn）品配（pèi）套的加強，工業用精密量（liàng）具量儀的（de）生產、開發處於相（xiàng）對均衡、平等的發展階（jiē）段，給國內企業追趕世界先進水平提供了有利時機。以為用戶服務為主的測量及控製軟件的二（èr）次開發顯得尤為急切（qiē）和重要，發展潛力（lì）和空間較大。

     4.測量技術已經從（cóng）對（duì）單個工件的質量檢測，發展到對整（zhěng）個（gè）產品係列，乃至整（zhěng）個工廠企業的質量檢測、監控等成套方案的係統籌劃。企業內部（bù）局域網（wǎng）質量檢（jiǎn）測係統的建立廣為關注。為企業提供成套質量監控和（hé）測量技術以及數字化測量儀器裝備，已成為大型量具量儀製造廠商的努力目標。