一、引（yǐn）言

       近年數字化測量（liàng）技術及量具量（liàng）儀的發展綜述。

二、數字化精密測量技（jì）術和儀器新（xīn）動（dòng）向———光學/激（jī）光非接觸掃描測量倍受重視三坐標測量機作為精密測量儀器的基本型主導產品（pǐn），繼續在機械製造業中得到重視，應用場合不斷擴展。精密儀器進入車間、服務於（yú）生產現場（chǎng），乃至融合於製造過程、集成（chéng）於生產線，成為（wéi）先進數字製造（zào）係統中（zhōng）不可或缺的關（guān）鍵組成，是包括三坐標測量技術在內的精密技術發展的一個重要趨（qū）勢。與精密的非接觸式掃描測量技術的結合，實現多功能、多種傳感（gǎn）器（qì）的集成和（hé）融合，使坐標測量技（jì）術的應用更加豐富和（hé）實用。

      1.汽車大型覆蓋件的非（fēi）接觸掃描精密測量技術配（pèi）備有光學/激光式非接觸掃描傳感器的水平臂三坐標測量機實現了快速精密檢測。瑞典HEXAGON 集團公司所（suǒ）屬DEA的PRIMA C1 係列水平臂測量機，在其CW43L 型連續伺服（fú）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務的多功能測量（liàng）要求（qiú）。德國ZEISS 公司的PROR Premium 坐（zuò）標機，配備有EagleEye 導航係（xì）統，能夠在汽車車身大型覆蓋件、尤其是車身分總成（chéng）質量的過程控製中，對工件的幾何參數、表麵和邊緣的特征點、間隙和貼合（hé）性（xìng）等實施高速精密測量（liàng）。連續回轉的測座可以自動調整（zhěng）方位，使測量處於被測區的法線（xiàn）方向，以保證激光測頭能得到最佳測量結果。可以說這是（shì）在以往傳統的反求工程非接觸掃描測量技術上的進一步發展。

     德國GOM公司擁有數字化圖像處理和3D 數據處理分析等核心技術，應用於三維掃描、坐標測（cè）量和變形（xíng）測量。公司推出的ATOS 精密（mì）光學掃描儀具有‘ 流動坐標’特（tè）點，不需（xū）要任何找台（ 固定坐標係）的（de）支持，可隨意（yì）移動測頭到任意（yì）位置對複雜型麵進行高速測量，所測數據（jù）能自動拚接（jiē）。測量時係統投影一束光帶於預先貼有參考點的被測工件上，用高分辨力數碼相（xiàng）機攝取影像，經處理後可計算（suàn）出工件輪廓三維坐標，簡便易（yì）行。國內最大的三坐標水平臂測量劃線機製造企業，四川中（zhōng）測量儀公司近年也成功開發出可對（duì）大（dà）型（xíng）覆蓋件非接觸測量（liàng）的測（cè）量機（jī），采用的是北京博維恒信科技公司出產的CF 係列的光學三維掃描係統（tǒng）。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（de）便攜式（shì）柔（róu）性關節（jiē）臂測量（liàng）機激（jī）光掃描測量係（xì）統增強了關節臂測量機的測量功能（néng）。美國（guó）CIMCORE 公司開發的配備有先進激光掃描測量（liàng）係統的關節臂測量機采用碳纖維材料，輕而剛（gāng）性好，其中INFINITE 係列的還具有（yǒu）無線通訊係統，采用了（le）PC- DMIS 軟件（jiàn），測量功能強。選配管件測量係統，還可實現管件的長度（dù）、彎曲度、管件回彈等多種數據的測（cè）量和比較。測量範圍1.2m 儀器的點（diǎn）測重複精度為0.010mm，空間長度（dù）精度為0.015mm，測量範圍3.6m 儀器的（de）點測重（chóng）複精度為0.05mm，空間長度精度為0.068mm。對汽車模型、手機外殼（ké）、電話（huà）機罩殼等樣品的反（fǎn）求測量，測量速（sù）度快、功能（néng）強（qiáng），尤其是測量過程的實時顯示和（hé）補漏測量數據的無縫拚接軟件技術，水平突出。可以說該儀器可完（wán）成三坐標（biāo）測量、三維造型、產品測繪、逆向工程、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（cè）、在線檢測以及產品最終檢測等全（quán）部測量工作。美國FARO 技術公司也生產有完全類似測量功能和精度的儀器-FAROARM係（xì）列便攜式三坐標測量臂，儀器配（pèi）備有FARO 激光掃描係統，可快速測量複雜型（xíng）麵，並能實現與接觸（chù）式測量數據的無縫連（lián）接（jiē）。儀器標準配置測量軟件為CAM2 MEASURE。3.軸類零件光電非接觸測量技術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（liàng）儀（ 圖2），采用2 個線陣CCD 組件，通過工件回轉和（hé）軸向移動對工件進行（háng）投影（yǐng）和掃描（miáo），對軸類零件的位置公差和形狀公差進行精確測量，對截麵形狀和輪廓（kuò）度進行評估比（bǐ）較，以及統計質量分析。還能對零件的局部（ 如過渡曲線、微（wēi）小溝槽等）進行放大測（cè）量。工（gōng）件立柱可以傾斜，因而能對螺紋、蝸杆、絲杆等進行全參數精（jīng）度的精確（què）測量，是該儀器PLUS 係列的一大特色。以TESAScan Plus 為例，儀器用於（yú）螺紋類工件測量時立（lì）柱可傾斜15°螺旋（xuán）角，儀器在直徑（jìng）方向上的分辨力0.0003mm，精（jīng）度2（+ 0.01D）μm，重（chóng）複性0.001mm。德國SCHNEIDER 的WMM係列的軸類零件及工具測量（liàng）儀，操作簡單、測量速度高，特別適用於車（chē）間（jiān）檢數據。儀器數顯分辨力為（wéi）0.0001mm，長度測量不確定度為E2（= 2.0+L/200）μm；L 的單（dān）位（wèi）為（wéi）mm。德國BLUM 公司的LaserMicro100，能對直徑（jìng）從0.5 ～100mm 的軸類零件進行臥（wò）式高精度測量。采用聚焦（jiāo）半導體（tǐ）激光（ 685nm），儀器分辨力0.1μm，直徑測量的重複性±0.2μm，測量不確定（dìng）度≤1.0μm。德國HOMMEL 公司（sī）也有類（lèi）似的光學軸類零（líng）件測量係列產品。

     4.用於中小（xiǎo）尺寸平麵類精（jīng）密零（líng）件（jiàn）的二維、三維（wéi）非接觸測量帶CCD 數字攝像頭、激光測頭（tóu）及觸發測頭的多傳感測頭的多測量功能的光（guāng）學測量（liàng）儀器得到快速的發展。德國MAHR 公（gōng）司的MAR -VISION 係列三（sān）維光學坐標（biāo）測量機（ 圖3）、瑞（ruì）士TESA 公司的三坐（zuò）標成像測量係統TESAVISIO、德（dé）國SCHNEIDER公司的SKM係列3D 多測頭坐標測量機、美國的OGP 公司等國外著名廠商都開發有相應產品。日本三（sān）豐公司CNC 視（shì）像測量（liàng）係統QUICK VISION 係列產品中（zhōng）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尺，X、Y 軸導軌采用了靜壓空（kōng）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。據稱具有同類型儀器世界最高測量精度等（děng）級的（de）三豐Hyper MF 型測量顯微鏡，其X、Y 軸的測量精度（dù）超過日本（běn）標準規定的0 級。儀器在X、Y 軸上的測量精度為（wéi）±(0.9+3L/1000) μm，L 單位（wèi）為mm，儀器數（shù）顯分辨力0.01μm，是用於精密模具、精密切削刀具以及超小半導體電子元件如芯片和集（jí）成電路等檢測的最好選擇。

      國產儀器（qì）則有（yǒu）西安愛德華、深圳智（zhì）泰、貴陽新天光（guāng）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。貴陽新天光電公司近年注重新技術和（hé）新產品的開發，2004 年成功推出的JX13C 圖像處理萬能工（gōng）具（jù）顯微鏡，采用了金屬光柵和高分辨力的CCD 攝像頭，儀器（qì）測量精度達到（ 1.0+L/100）μm。配套的半導體（tǐ）激光導向技術便於操作者快速確定測量位置。該公司的JX15A/B 型視頻測量顯微鏡，同樣采用了CCD 數字成（chéng）像技術，將采（cǎi）集到的被測件（jiàn）圖（tú）像送入計算機進行（háng）處理，進行相（xiàng）應幾何精度檢測。深圳智泰公司VMT 係（xì）列的3D 影像量測儀，在CCD 視覺測量（liàng）係（xì）統上，還配備有高精度觸發式測頭，實現坐標機多功能測量。

     5. 帶CCD 攝像頭的自（zì）動（dòng）刀具預調測量儀的國內產品最新登場（chǎng）以往凡是帶（dài）數（shù）字攝像（xiàng）頭的（de）CNC 高檔數控數字（zì）式對刀儀都是國外的產品，國產刀具預調測量儀的開發雖然較（jiào）早，但發展緩慢，多年來（lái）產品一直都是光學投影式（shì）或數顯光（guāng）學（xué）投影（yǐng）式。2005年我國精密測量儀（yí）器的最大生（shēng）產廠哈（hā）爾濱量具刃具廠和我國刀具預調測量儀的最大生（shēng）產廠天津市天門精（jīng）密（mì）機械公司（sī），相繼推出了（le）自行開發的、帶CCD 攝（shè）像頭的自動刀具預調測量機。天門精密機械公司的DTGⅢ 2550 型光電自動刀具預調測量儀，儀器測量（liàng）半徑為0～250mm，軸向為40～500mm；分辨力0.001mm，放大倍數80 倍。十字線可自動跟（gēn）蹤刀具刃口圖像而獲得準確數據，測量重複性±0.002mm。可測量刀具刀尖（jiān）圓（yuán）角半徑和刀具各幾何參數，測量數（shù）據可由RS- 232C 串口傳（chuán）送至數控機床。哈（hā）爾濱量具刃具廠的1611 型台式自（zì）動瞄準刀具預（yù）調測量儀（yí），徑向最大量程200mm，軸向為500mm，分辨力為0.001mm，測（cè）量精度為0.004mm。與國外的同類型先進產品相比，在儀器測量精度、測（cè）量軟件以及刀具管理軟件功能等方麵還（hái）有一（yī）定差距。

三、數控機床三維空（kōng）間位置誤差測量新技術

     基於體對角線的激光矢量測量技術（ 圖4），開辟了快速精密測量數控機床、加工中心等（děng）機床三維空間位（wèi）置誤差的新途徑。該（gāi）技術是由（yóu）美國（guó）光動公司發明並獲得專（zhuān）利。它遵循了ASME B5.54（ 1）和ISO0230-（6 2）機床測量標準中對體對（duì）角線（xiàn）誤差測量的要求。現今對（duì）於構成（ X、Y、Z）直（zhí）角坐標係的（de）三軸數控加工機床所具（jù）有的21 項幾何誤差，通常采用激光幹（gàn）涉儀等（děng）儀器來進行（háng）檢測，相當費事。美國光動公司開發了基於體對角線、對機床（chuáng）三（sān）維空（kōng）間（jiān）位置誤差（chà）進行（háng）測量的激光矢量測（cè）量新原理，在上海（hǎi）交通大學的協助下，理論分析並驗證了具有（ X、Y、Z）直角坐標三軸結構的四種類型數（shù）控機床，在采（cǎi）用體對角線測量三維位置誤差時，體對角線位移誤差對於（yú）機床角度誤差不敏感的結論（lùn）。采用（yòng）激光多（duō）普勒位（wèi）移測量儀和大平麵反射鏡，和自行開發的分步體（tǐ）對角線位移測量法（ 即激光矢量（liàng）測量（liàng）技術），能在較短時間（ 2～3h）內，完成對（duì）數控機床四條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（zhōng）的12 項基本誤差（ 3 項位移誤差，6項直線度誤差和3 項垂直度誤差），在體對角線位（wèi）移誤差對（duì）於機床角度誤差不敏感的結論基礎上，最後計算得到（dào）數控機床三維空間位置（ 定（dìng）位）誤差。在加工（gōng）中心上進行（háng）實際測量和（hé）補償的應用實例，表明了該（gāi）測量新技（jì）術在數控加工機床或加工中心的精度檢測和精度（dù）補償上的可行性和（hé）實用性。其技術發展和應（yīng）用前景值得關（guān）注。

      英國RENISHAW公司的新型雙光路差動/比較（jiào）式激光測量尺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10nm/℃），激光尺（chǐ）裝（zhuāng）調簡單，安裝麵的（de）震動位（wèi）移不影響測量精度，適用於精密加工機床與測量（liàng）儀器的實時監（jiān）測與反饋控製。

四、齒（chǐ）輪（lún）測（cè）量儀器、表麵（miàn）粗糙度輪廓測（cè）量儀等精密儀器的發展

     1.滿（mǎn）足批量生產汽車、摩托車齒輪（lún）製造精度全數100%終檢和分選

     成都工具（jù）研究所成功開發了CQPF200 型齒輪在線自動檢測分選機（ 圖5）。該儀器參照了國外資料，采用了新穎的齒輪徑（jìng）向綜（zōng）合三維誤差測量原理（lǐ），即通過齒輪雙（shuāng）麵齧合和三維浮動測（cè）量（liàng）機構，借助於特殊標準齒輪和高精度位（wèi）移傳感器，對變速箱圓（yuán）柱齒輪（ 包括盤類、軸類齒輪、階梯齒輪等）的齒（chǐ）輪徑向綜（zōng）合偏差、齒圈徑向跳動（dòng）、齒厚偏差、齒向平（píng）均偏差、齒向偏差、齒向錐度偏差（chà），以及毛刺、磕碰等缺陷進行快速精密檢測和分選。據稱儀器（qì）還具（jù）有齒輪加工質量（liàng）統計分析、加工工藝係統故障遠程診斷、測量數（shù）據遠程（chéng）傳輸等多種（zhǒng）先進功能。受（shòu）到國內齒輪製造廠的關注。

- 合格”弧錐（zhuī）齒輪產（chǎn）品的數字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（yè）創新基（jī）金支持的哈爾濱精達公司也已和高校（xiào）合（hé）作，成功開發出CNC 齒輪測量中（zhōng）心用（yòng）弧錐齒輪測量軟件。值得一提的是美（měi）國GLEASON 公司新近推出了與其鳳凰數（shù）控（kòng）錐齒輪加工機床相配套的數（shù）字（zì）化圓錐齒輪製造技術———格裏森專家製造係統（tǒng），簡稱GEMS 係統。該係（xì）統是一個集成化的計算機網絡（luò）軟件係統，它將基於視窗平台（tái）的（de）格裏森圓錐齒輪軟件（jiàn）模塊集（jí）成（chéng）一體，提（tí）供工程工作（zuò）站和格裏森（sēn）鳳凰數（shù）控機床間的信息通訊和互換。該係統也可用於原有GLEASON 弧錐齒輪加工機床的調整加工。據稱該（gāi）係統開創了弧錐齒輪和雙曲線齒輪數字化製造的新紀元，並已在（zài）我國某工廠獲得應用。資料介紹，德國Klingelnberg 公（gōng）司也有（yǒu）類似集（jí）成軟件技術的報道。

     3.三（sān）坐（zuò）標測量機大齒輪測量技術得到發展（zhǎn）

      近年（nián）來，采用大型三坐標測量機實施對大型齒輪（lún）精度進行檢測的理念得到重視，測（cè）量技術也得到發展。著名三坐標測量機製造商德國LEITZ 公司（ HEXAGON 集團），近年來大力宣傳精密三坐標測量機的齒輪測量功效。該公司介紹了他（tā）們采用高精度大型三坐標測量機（jī）和高精度三維掃描式測頭（tóu），對大型、超大型盤齒輪、軸齒輪及扇形齒輪的各項單項幾何誤差實（shí）行精密測量的實踐，得到行業的（de）普遍關注（ 圖7）。由於在三坐標測（cè）量（liàng）機上測（cè）量齒輪時，不存在工裝夾具和（hé）被測齒輪精確同軸找正的要求，不需要高（gāo）精度精密（mì）回轉軸係，減少了輔助時間和工裝（zhuāng），故而對於大型齒輪測量來說有一定（dìng）的優越性；尤其是儀（yí）器還能對大型傳動係統（tǒng）的箱體及其他（tā）零部件的尺寸和形位精度進行檢測，儀器性價比相對比較高。至於在高精度大齒輪（lún）的測量精度和（hé）測量效率（lǜ）上，可能比（bǐ）傳（chuán）統（tǒng）的極坐標展成式的專用大型齒輪量儀還是略微遜色。對於（yú）上述（shù）兩種齒輪測量方法，在不同精度、批量、規（guī）格尺寸的齒輪測量應用上（shàng）的優缺點和較佳適用場合，還需要進行深（shēn）入研究、實測並應用對比（bǐ）後，才能夠得到較為科學客觀（guān）的結論（lùn）.

     力、高精度、大量（liàng）程、小測（cè）力的傳（chuán）感器是關鍵。英國TALAYHOBSON 公司的Form Talysurf PGI 係列激光相位幹涉粗糙度輪廓儀，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非球麵形狀參數和（hé）粗糙度參（cān）數測量分析，實際形狀和理論的比較分析，以及對未知非球麵逆向工程的測（cè）量。德國Mahr 公司的MarSurf LD120 粗糙度輪廓測量（liàng）儀，其傳（chuán）感器集成了特殊的（de）激光幹涉（shè）測量係（xì）統，使測量分辨力達到2nm，測量範圍達10mm。日本三豐公司的SV- C3000 CNC 輪廓測量儀，同樣集表（biǎo）麵（miàn）粗糙度測量和輪（lún）廓測量功能於一體。我國哈量推（tuī）出的2302 型表麵輪廓測（cè）量儀，包括了粗糙（cāo）度測量（liàng）係（xì）統、輪廓測量（liàng）係（xì）統和形狀測量（liàng）係統，但（dàn）需配備有不同測量範圍和分辨力的傳感器，以滿足不（bú）同測量項（xiàng）目的要求。北京時代之峰科技公（gōng）司2005 年推（tuī）出（chū）的新（xīn）產品TR300 表麵粗糙度形狀測量儀樣機，配置的是一個自行開發的大量程差動電感式傳感器，可在一次測量行程中，對被測零件表麵的粗糙度（dù）、波（bō）紋度和原始輪廓進行多參數檢測和評定，實現了合二而一。為適用於加工過程中生產（chǎn）車間（jiān）、生產線上粗糙度的測量，手持式堅固可靠的粗糙度檢測儀也得到發展（zhǎn）。如（rú）德國HOMMEL 公司的HOMMELTESTER T500 外觀新穎，可儲存125 個測量數據，也可輸出至打（dǎ）印機或計算機作進一（yī）步分析；英（yīng）國TALAY 公司的SurtronicDuo 粗糙度測（cè）量儀攜帶方便，並（bìng）帶有紅外無線數據（jù）通訊；日本三豐公（gōng）司則推（tuī）出了SJ- 201P/M便攜式表（biǎo）麵粗糙度測量儀；北京時代公司的TR210 手持式粗糙度測量儀（yí），分辨力可達0.01μm，可測參（cān）數Ra，Rz，Rq，Rt 等。

五、點評

     1.國內量具量儀製造行業（yè），在國家（jiā）機械製（zhì）造業快速發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（zǒu）上發展；在高新技術（shù）領域內的研究投（tóu）入，開（kāi）始有所收獲，創新成（chéng）果日見豐碩。電子數顯量（liàng）具（jù）的技術水平和國外（wài）差距正在縮小，出口量在增長。數字化量儀的中低端產品如三坐標劃線測量機，在國內市場已占有一定份額。但是在高精技術（shù）端的數字化量具量儀方麵，國外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（de）基礎測量儀器，三坐標測（cè）量機國（guó）產品在國內市場的占有率僅隻有約1/10 的份額（ 產值），差距甚大還（hái）有（yǒu）待努力。

     2. 航空航天製造業研究院所如（rú）北京航空精密機械研究所、101 所，和（hé）機床工具製造研究院所如成（chéng）都工具研究所、機床研究所等一起，已經而且還將繼續為推動我國數字化量（liàng）具（jù）量儀民族工業的振興和發展（zhǎn）做（zuò）出重要貢獻（xiàn）。

     3.由於全球化技術交流和產品配套的（de）加強，工業用（yòng）精密量具量儀的生產、開發處於相對均衡、平等的（de）發展階段，給國內企業追趕世（shì）界先進水平提供了有利時機（jī）。以（yǐ）為用戶服務為主的測量及控（kòng）製軟件的二次開發顯得尤為急切和重要，發展潛力和空間較大。

     4.測量技術已經從對單個工件的質量檢測，發展到對整個產品係列，乃至整個工廠企業的質量檢測、監控等成套方（fāng）案的係統籌劃（huá）。企業內部局域網質量檢測係統的建立廣（guǎng）為關注。為企業（yè）提供成套質量監控和測量技術以及數（shù）字化測量（liàng）儀器裝備，已成為（wéi）大型量（liàng）具量儀製造廠商的（de）努力目標。