一、引言

       近年数字化测量技术及量具量仪的发展综述。

二、数字化精密测量技术和仪器新动向———光学/激光非接触扫描测量倍受重视三坐标测量机作为精密测量仪器的基本型主导产品，继续在机械制造业中得到重视，应用场合不断扩展。精密仪器进入车间、服务于生产现场，乃至融合于制造过程、集成于生产线，成为先进数字制造系统中不可或缺的关键组成，是包括三坐标测量技术在内的精密技术发展的一个重要趋势。与精密的非接触式扫描测量技术的结合，实现多功能、多种传感器的集成和融合，使坐标测量技术的应用更加丰富和实用。

      1.汽车大型覆盖件的非接触扫描精密测量技术配备有光学/激光式非接触扫描传感器的水平臂三坐标测量机实现了快速精密检测。瑞典HEXAGON 集团公司所属DEA的PRIMA C1 系列水平臂测量机，在其CW43L 型连续伺服关节测座上，可配备触发式测头、连续扫描测头、光学或激光扫描测头等多种测头，以满足不同环境和任务的多功能测量要求。德国ZEISS 公司的PROR Premium 坐标机，配备有EagleEye 导航系统，能够在汽车车身大型覆盖件、尤其是车身分总成质量的过程控制中，对工件的几何参数、表面和边缘的特征点、间隙和贴合性等实施高速精密测量。连续回转的测座可以自动调整方位，使测量处于被测区的法线方向，以保证激光测头能得到最佳测量结果。可以说这是在以往传统的反求工程非接触扫描测量技术上的进一步发展。

     德国GOM公司拥有数字化图像处理和3D 数据处理分析等核心技术，应用于三维扫描、坐标测量和变形测量。公司推出的ATOS 精密光学扫描仪具有‘ 流动坐标’特点，不需要任何找台（ 固定坐标系）的支持，可随意移动测头到任意位置对复杂型面进行高速测量，所测数据能自动拼接。测量时系统投影一束光带于预先贴有参考点的被测工件上，用高分辨力数码相机摄取影像，经处理后可计算出工件轮廓三维坐标，简便易行。国内最大的三坐标水平臂测量划线机制造企业，四川中测量仪公司近年也成功开发出可对大型覆盖件非接触测量的测量机，采用的是北京博维恒信科技公司出产的CF 系列的光学三维扫描系统。北京南航立科公司也有类似产品。

     2.带激光扫描测量系统的便携式柔性关节臂测量机激光扫描测量系统增强了关节臂测量机的测量功能。美国CIMCORE 公司开发的配备有先进激光扫描测量系统的关节臂测量机采用碳纤维材料，轻而刚性好，其中INFINITE 系列的还具有无线通讯系统，采用了PC- DMIS 软件，测量功能强。选配管件测量系统，还可实现管件的长度、弯曲度、管件回弹等多种数据的测量和比较。测量范围1.2m 仪器的点测重复精度为0.010mm，空间长度精度为0.015mm，测量范围3.6m 仪器的点测重复精度为0.05mm，空间长度精度为0.068mm。对汽车模型、手机外壳、电话机罩壳等样品的反求测量，测量速度快、功能强，尤其是测量过程的实时显示和补漏测量数据的无缝拼接软件技术，水平突出。可以说该仪器可完成三坐标测量、三维造型、产品测绘、逆向工程、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全部测量工作。美国FARO 技术公司也生产有完全类似测量功能和精度的仪器-FAROARM系列便携式三坐标测量臂，仪器配备有FARO 激光扫描系统，可快速测量复杂型面，并能实现与接触式测量数据的无缝连接。仪器标准配置测量软件为CAM2 MEASURE。3.轴类零件光电非接触测量技术和仪器发展迅速瑞士TESA 公司的TESA Scan 系列轴类零件快速扫描测量仪（ 图2），采用2 个线阵CCD 组件，通过工件回转和轴向移动对工件进行投影和扫描，对轴类零件的位置公差和形状公差进行精确测量，对截面形状和轮廓度进行评估比较，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。工件立柱可以倾斜，因而能对螺纹、蜗杆、丝杆等进行全参数精度的精确测量，是该仪器PLUS 系列的一大特色。以TESAScan Plus 为例，仪器用于螺纹类工件测量时立柱可倾斜15°螺旋角，仪器在直径方向上的分辨力0.0003mm，精度2（+ 0.01D）μm，重复性0.001mm。德国SCHNEIDER 的WMM系列的轴类零件及工具测量仪，操作简单、测量速度高，特别适用于车间检数据。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 的单位为mm。德国BLUM 公司的LaserMicro100，能对直径从0.5 ～100mm 的轴类零件进行卧式高精度测量。采用聚焦半导体激光（ 685nm），仪器分辨力0.1μm，直径测量的重复性±0.2μm，测量不确定度≤1.0μm。德国HOMMEL 公司也有类似的光学轴类零件测量系列产品。

     4.用于中小尺寸平面类精密零件的二维、三维非接触测量带CCD 数字摄像头、激光测头及触发测头的多传感测头的多测量功能的光学测量仪器得到快速的发展。德国MAHR 公司的MAR -VISION 系列三维光学坐标测量机（ 图3）、瑞士TESA 公司的三坐标成像测量系统TESAVISIO、德国SCHNEIDER公司的SKM系列3D 多测头坐标测量机、美国的OGP 公司等国外著名厂商都开发有相应产品。日本三丰公司CNC 视像测量系统QUICK VISION 系列产品中的ULTRAQV350- pro，采用了公司自制的超高精度、高分辨力、低膨胀玻璃光栅基准尺，X、Y 轴导轨采用了静压空气轴承，仪器的分辨力达到0.01μm，测量精度X、Y 轴（ 0.3+L/1000）μm，Z 轴（ 1+2L/1000）μm，L：10~60mm。据称具有同类型仪器世界最高测量精度等级的三丰Hyper MF 型测量显微镜，其X、Y 轴的测量精度超过日本标准规定的0 级。仪器在X、Y 轴上的测量精度为±(0.9+3L/1000) μm，L 单位为mm，仪器数显分辨力0.01μm，是用于精密模具、精密切削刀具以及超小半导体电子元件如芯片和集成电路等检测的最好选择。

      国产仪器则有西安爱德华、深圳智泰、贵阳新天光电、东莞万濠、苏州怡信、深圳鑫磊以及北京天地宇等公司生产。贵阳新天光电公司近年注重新技术和新产品的开发，2004 年成功推出的JX13C 图像处理万能工具显微镜，采用了金属光栅和高分辨力的CCD 摄像头，仪器测量精度达到（ 1.0+L/100）μm。配套的半导体激光导向技术便于操作者快速确定测量位置。该公司的JX15A/B 型视频测量显微镜，同样采用了CCD 数字成像技术，将采集到的被测件图像送入计算机进行处理，进行相应几何精度检测。深圳智泰公司VMT 系列的3D 影像量测仪，在CCD 视觉测量系统上，还配备有高精度触发式测头，实现坐标机多功能测量。

     5. 带CCD 摄像头的自动刀具预调测量仪的国内产品最新登场以往凡是带数字摄像头的CNC 高档数控数字式对刀仪都是国外的产品，国产刀具预调测量仪的开发虽然较早，但发展缓慢，多年来产品一直都是光学投影式或数显光学投影式。2005年我国精密测量仪器的最大生产厂哈尔滨量具刃具厂和我国刀具预调测量仪的最大生产厂天津市天门精密机械公司，相继推出了自行开发的、带CCD 摄像头的自动刀具预调测量机。天门精密机械公司的DTGⅢ 2550 型光电自动刀具预调测量仪，仪器测量半径为0～250mm，轴向为40～500mm；分辨力0.001mm，放大倍数80 倍。十字线可自动跟踪刀具刃口图像而获得准确数据，测量重复性±0.002mm。可测量刀具刀尖圆角半径和刀具各几何参数，测量数据可由RS- 232C 串口传送至数控机床。哈尔滨量具刃具厂的1611 型台式自动瞄准刀具预调测量仪，径向最大量程200mm，轴向为500mm，分辨力为0.001mm，测量精度为0.004mm。与国外的同类型先进产品相比，在仪器测量精度、测量软件以及刀具管理软件功能等方面还有一定差距。

三、数控机床三维空间位置误差测量新技术

     基于体对角线的激光矢量测量技术（ 图4），开辟了快速精密测量数控机床、加工中心等机床三维空间位置误差的新途径。该技术是由美国光动公司发明并获得专利。它遵循了ASME B5.54（ 1）和ISO0230-（6 2）机床测量标准中对体对角线误差测量的要求。现今对于构成（ X、Y、Z）直角坐标系的三轴数控加工机床所具有的21 项几何误差，通常采用激光干涉仪等仪器来进行检测，相当费事。美国光动公司开发了基于体对角线、对机床三维空间位置误差进行测量的激光矢量测量新原理，在上海交通大学的协助下，理论分析并验证了具有（ X、Y、Z）直角坐标三轴结构的四种类型数控机床，在采用体对角线测量三维位置误差时，体对角线位移误差对于机床角度误差不敏感的结论。采用激光多普勒位移测量仪和大平面反射镜，和自行开发的分步体对角线位移测量法（ 即激光矢量测量技术），能在较短时间（ 2～3h）内，完成对数控机床四条体对角线位移的测量，获得12 组数据。然后通过计算确定机床21 项误差中的12 项基本误差（ 3 项位移误差，6项直线度误差和3 项垂直度误差），在体对角线位移误差对于机床角度误差不敏感的结论基础上，最后计算得到数控机床三维空间位置（ 定位）误差。在加工中心上进行实际测量和补偿的应用实例，表明了该测量新技术在数控加工机床或加工中心的精度检测和精度补偿上的可行性和实用性。其技术发展和应用前景值得关注。

      英国RENISHAW公司的新型双光路差动/比较式激光测量尺RLD DI，突出的优点是使用时环境温度变化对测量结果影响很小（ 零漂10nm/℃），激光尺装调简单，安装面的震动位移不影响测量精度，适用于精密加工机床与测量仪器的实时监测与反馈控制。

四、齿轮测量仪器、表面粗糙度轮廓测量仪等精密仪器的发展

     1.满足批量生产汽车、摩托车齿轮制造精度全数100%终检和分选

     成都工具研究所成功开发了CQPF200 型齿轮在线自动检测分选机（ 图5）。该仪器参照了国外资料，采用了新颖的齿轮径向综合三维误差测量原理，即通过齿轮双面啮合和三维浮动测量机构，借助于特殊标准齿轮和高精度位移传感器，对变速箱圆柱齿轮（ 包括盘类、轴类齿轮、阶梯齿轮等）的齿轮径向综合偏差、齿圈径向跳动、齿厚偏差、齿向平均偏差、齿向偏差、齿向锥度偏差，以及毛刺、磕碰等缺陷进行快速精密检测和分选。据称仪器还具有齿轮加工质量统计分析、加工工艺系统故障远程诊断、测量数据远程传输等多种先进功能。受到国内齿轮制造厂的关注。

- 合格”弧锥齿轮产品的数字化齿轮先进制造全过程，达到国际水平。据介绍，获得省中小企业创新基金支持的哈尔滨精达公司也已和高校合作，成功开发出CNC 齿轮测量中心用弧锥齿轮测量软件。值得一提的是美国GLEASON 公司新近推出了与其凤凰数控锥齿轮加工机床相配套的数字化圆锥齿轮制造技术———格里森专家制造系统，简称GEMS 系统。该系统是一个集成化的计算机网络软件系统，它将基于视窗平台的格里森圆锥齿轮软件模块集成一体，提供工程工作站和格里森凤凰数控机床间的信息通讯和互换。该系统也可用于原有GLEASON 弧锥齿轮加工机床的调整加工。据称该系统开创了弧锥齿轮和双曲线齿轮数字化制造的新纪元，并已在我国某工厂获得应用。资料介绍，德国Klingelnberg 公司也有类似集成软件技术的报道。

     3.三坐标测量机大齿轮测量技术得到发展

      近年来，采用大型三坐标测量机实施对大型齿轮精度进行检测的理念得到重视，测量技术也得到发展。著名三坐标测量机制造商德国LEITZ 公司（ HEXAGON 集团），近年来大力宣传精密三坐标测量机的齿轮测量功效。该公司介绍了他们采用高精度大型三坐标测量机和高精度三维扫描式测头，对大型、超大型盘齿轮、轴齿轮及扇形齿轮的各项单项几何误差实行精密测量的实践，得到行业的普遍关注（ 图7）。由于在三坐标测量机上测量齿轮时，不存在工装夹具和被测齿轮精确同轴找正的要求，不需要高精度精密回转轴系，减少了辅助时间和工装，故而对于大型齿轮测量来说有一定的优越性；尤其是仪器还能对大型传动系统的箱体及其他零部件的尺寸和形位精度进行检测，仪器性价比相对比较高。至于在高精度大齿轮的测量精度和测量效率上，可能比传统的极坐标展成式的专用大型齿轮量仪还是略微逊色。对于上述两种齿轮测量方法，在不同精度、批量、规格尺寸的齿轮测量应用上的优缺点和较佳适用场合，还需要进行深入研究、实测并应用对比后，才能够得到较为科学客观的结论.

     力、高精度、大量程、小测力的传感器是关键。英国TALAYHOBSON 公司的Form Talysurf PGI 系列激光相位干涉粗糙度轮廓仪，最大测量范围可达12.5mm，分辨力高达0.8nm。其非球面测量仪可以完成非球面形状参数和粗糙度参数测量分析，实际形状和理论的比较分析，以及对未知非球面逆向工程的测量。德国Mahr 公司的MarSurf LD120 粗糙度轮廓测量仪，其传感器集成了特殊的激光干涉测量系统，使测量分辨力达到2nm，测量范围达10mm。日本三丰公司的SV- C3000 CNC 轮廓测量仪，同样集表面粗糙度测量和轮廓测量功能于一体。我国哈量推出的2302 型表面轮廓测量仪，包括了粗糙度测量系统、轮廓测量系统和形状测量系统，但需配备有不同测量范围和分辨力的传感器，以满足不同测量项目的要求。北京时代之峰科技公司2005 年推出的新产品TR300 表面粗糙度形状测量仪样机，配置的是一个自行开发的大量程差动电感式传感器，可在一次测量行程中，对被测零件表面的粗糙度、波纹度和原始轮廓进行多参数检测和评定，实现了合二而一。为适用于加工过程中生产车间、生产线上粗糙度的测量，手持式坚固可靠的粗糙度检测仪也得到发展。如德国HOMMEL 公司的HOMMELTESTER T500 外观新颖，可储存125 个测量数据，也可输出至打印机或计算机作进一步分析；英国TALAY 公司的SurtronicDuo 粗糙度测量仪携带方便，并带有红外无线数据通讯；日本三丰公司则推出了SJ- 201P/M便携式表面粗糙度测量仪；北京时代公司的TR210 手持式粗糙度测量仪，分辨力可达0.01μm，可测参数Ra，Rz，Rq，Rt 等。

五、点评

     1.国内量具量仪制造行业，在国家机械制造业快速发展的良好环境的培育和推动下，经过近几年的复苏、振兴，已逐步走上发展；在高新技术领域内的研究投入，开始有所收获，创新成果日见丰硕。电子数显量具的技术水平和国外差距正在缩小，出口量在增长。数字化量仪的中低端产品如三坐标划线测量机，在国内市场已占有一定份额。但是在高精技术端的数字化量具量仪方面，国外产品依然占有绝对优势，如作为数字化精密测量技术集中体现的基础测量仪器，三坐标测量机国产品在国内市场的占有率仅只有约1/10 的份额（ 产值），差距甚大还有待努力。

     2. 航空航天制造业研究院所如北京航空精密机械研究所、101 所，和机床工具制造研究院所如成都工具研究所、机床研究所等一起，已经而且还将继续为推动我国数字化量具量仪民族工业的振兴和发展做出重要贡献。

     3.由于全球化技术交流和产品配套的加强，工业用精密量具量仪的生产、开发处于相对均衡、平等的发展阶段，给国内企业追赶世界先进水平提供了有利时机。以为用户服务为主的测量及控制软件的二次开发显得尤为急切和重要，发展潜力和空间较大。

     4.测量技术已经从对单个工件的质量检测，发展到对整个产品系列，乃至整个工厂企业的质量检测、监控等成套方案的系统筹划。企业内部局域网质量检测系统的建立广为关注。为企业提供成套质量监控和测量技术以及数字化测量仪器装备，已成为大型量具量仪制造厂商的努力目标。