基本情況

    當(dāng)前，坐標(biāo)測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀可概括為5大點，分別是：直角（正交）坐標(biāo)測量機和非直角（非正交）坐標(biāo)測量機并存；中小型坐標(biāo)測量技術(shù)已趨成熟，生產(chǎn)型、精密型和計量型等多種精度等級的坐標(biāo)測量機日益滿足現(xiàn)代先進制造與科學(xué)研究需要；大尺寸坐標(biāo)測量機發(fā)展迅速；微型/納米級坐標(biāo)測量機成為研究熱點；新材料在測量機中應(yīng)用普遍。

    直角坐標(biāo)測量機包括移動橋式坐標(biāo)測量機、固定橋式坐標(biāo)測量機、移動工作臺式坐標(biāo)測量機、懸臂式坐標(biāo)測量機等形式。非直角坐標(biāo)測量機則包括并聯(lián)機構(gòu)坐標(biāo)測量機、關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機、激光跟蹤儀、全站儀等。其中，激光跟蹤儀、全站儀、經(jīng)緯儀等已成為移動測量和大尺寸測量的重要工具。

    生產(chǎn)型測量機的測量不確定度大于3μm，精密型測量機的測量不確定度大于1μm而小于3μm，測量不確定度小于1μm的測量機為計量型測量機，用于計量器具的檢定和量值傳遞。

    大尺寸坐標(biāo)測量技術(shù)則重在保證機械結(jié)構(gòu)的高精度和穩(wěn)定性。德國Wenzel公司研制了一種雙臂測量機。它的左右兩邊的測量臂分別安裝在大花崗巖基座上，左右基座中間安裝了一個直徑2,200mm的大型靜壓回轉(zhuǎn)平臺，最大承載質(zhì)量為45,360kg，工件最大直徑可達6,000mm。20世紀(jì)末，美國ArcSecond公司開發(fā)了基于全球定位系統(tǒng)（GPS）理念的室內(nèi)GPS–iGPS，成為一種兼具高精度、高可靠性和高效率的三維坐標(biāo)測量技術(shù)。iGPS為大尺寸精密測量以及定位提供了全新的思路，將應(yīng)用于航空航天、飛機制造、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。

    過去十幾年，世界范圍內(nèi)的眾多科研院校紛紛開展了微型/納米級坐標(biāo)測量技術(shù)的研究。微型/納米級坐標(biāo)測量機的量程多不超過100mm×100mm×100mm，分辨率可達納米級。其主要特點包括：采用激光標(biāo)尺，以實現(xiàn)米定義的溯源；采用微測頭系統(tǒng)獲得高探測精度；采用微晶玻璃等零膨脹系數(shù)材料構(gòu)筑測量機主體測量框架，消除溫度的影響；在結(jié)構(gòu)布局上盡可能符合阿貝原則，減小阿貝誤差。

    剛度高、重量輕、受溫度影響小的新材料應(yīng)用日漸普遍。例如，美國Brown&Sharpe公司的橋式結(jié)構(gòu)測量機多采用鋁合金材料，德國Leitz公司的PMM–C型測量機采用陶瓷材料作為z軸，德國Zeiss公司的UPMC系列測量機采用CARAT技術(shù)的光柵尺以保證測量精度。

    探測技術(shù)發(fā)展迅速

    觸發(fā)式測頭應(yīng)用普遍。常規(guī)的觸發(fā)式測頭，其測球材質(zhì)為紅寶石，接觸變形和側(cè)向摩擦小，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。但測桿會產(chǎn)生彎曲變形，且存在各向異性、預(yù)行程、觸發(fā)行程分散、復(fù)位死區(qū)等誤差，限制了其測量精度的進一步提高。英國Renishaw公司推出了PH20新型五軸觸發(fā)式測頭，運用獨特的“測座碰觸”方法進行快速觸發(fā)測量和五軸無級定位，確保實現(xiàn)最佳工件測量。

    掃描式測頭發(fā)展成熟。其測量原理是，測頭測端在接觸被測工件后，連續(xù)測得接觸位移，測頭的轉(zhuǎn)換裝置輸出與測桿的微小偏移成正比的信號。這類測頭既能測量空間點的坐標(biāo)位置，又能掃描測量曲線曲面，不僅可以發(fā)出觸測信號，而且可以給出測端微位移。但該類測頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前只有少數(shù)公司可以生產(chǎn)。

    非接觸式測頭成為研究重點。這類測頭測量時不接觸被測物，測量力為0，可以測量軟質(zhì)材料、高溫材料等前產(chǎn)品化的非接觸式測頭較多，例如德國Zeiss公司的Viscan光學(xué)掃描測頭、德國Wolf&Bec的OTM系列光學(xué)測頭、日本Mitutoyo公司的圖像測頭QVP等，這些測頭大多采用光的三角測量原理。微測頭技術(shù)成為一個新興領(lǐng)域，微測頭也已成為高精度坐標(biāo)測量機的重要組成部分。

    CNC控制技術(shù)日趨成熟

    基于數(shù)字信號處理器（DSP）的計算器數(shù)控系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)自動測量、自學(xué)習(xí)測量、掃描測量，也可以通過操作桿進行機動測量，其控制精度高、速度快、插補運算功能強，測量機在高速運行的過程中，系統(tǒng)的跟隨控制精度和定位控制精度高，點位測量和掃描測量精度高。

    光柵、激光干涉儀等位移傳感技術(shù)的發(fā)展，提高了坐標(biāo)測量的精度。高精度光柵采用殷鋼等熱膨脹系數(shù)小的材料和細(xì)分技術(shù)，提高了分辨率和穩(wěn)定性。激光干涉儀的分辨率可達1nm。

    多數(shù)測量機采用旋轉(zhuǎn)電機配置傳動機構(gòu)的驅(qū)動形式。旋轉(zhuǎn)電機配置傳動機構(gòu)的驅(qū)動形式結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，但存在傳動誤差和摩擦生熱。直線電機驅(qū)動坐標(biāo)測量技術(shù)正在發(fā)展。直線電機具有零傳動、非接觸、無摩擦、快速度、微進給等優(yōu)點，徹底消除了傳統(tǒng)驅(qū)動的背隙、摩擦損耗及變形的影響，可實現(xiàn)測量的高效率、高精度和高可靠性。

    坐標(biāo)測量機與柔性制造系統(tǒng)（FMS）的集成技術(shù)得到發(fā)展，坐標(biāo)測量機被用作測量機器人。物流集成和信息流集成技術(shù)得到發(fā)展。前者的關(guān)鍵在于坐標(biāo)測量機和制造系統(tǒng)之間的機械接口，后者主要包括控制信息和質(zhì)量及工藝過程信息的集成。

    可以看出，目前CNC控制技術(shù)正朝4大方向發(fā)展，即高速化、高精度化、智能化以及網(wǎng)絡(luò)化。

    測量軟件功能全面

    測量軟件是影響測量機性能的關(guān)鍵因素，包括基本測量軟件、專用測量評價軟件、統(tǒng)計分析軟件、驅(qū)動和補償功能軟件等。測量軟件大多符合DMIS標(biāo)準(zhǔn)，能確保數(shù)據(jù)互用性。商用測量軟件大多同時提供最小二乘法和最小區(qū)域法等評定算法。

    精度評定與溯源技術(shù)發(fā)展迅速

    對測量不確定度影響因素的研究比較深入。對坐標(biāo)測量機進行不確定度評定需綜合考慮測量環(huán)境、標(biāo)準(zhǔn)量、設(shè)備、測量任務(wù)、軟件和算法、測量過程、操作者等因素。

    點位測量精度評定技術(shù)已成熟。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO10360采用量塊和檢測球評定示值誤差和探測誤差。德國VDI/VDE2617標(biāo)準(zhǔn)采用量塊和步距規(guī)對一維、二維、三維長度測量不確定度指標(biāo)進行評定。美國B89標(biāo)準(zhǔn)則采用檢測球、激光和球棒對重復(fù)性、軸向位置精度、空間球棒誤差性能、偏置測頭的測量性能、短量塊探測誤差等技術(shù)指標(biāo)來評定。

    在動態(tài)測量日益普遍的情況下，動態(tài)測量誤差的評定方法取得進展。筆者提出了評定動態(tài)測量重復(fù)性的均值平移法，可應(yīng)用于坐標(biāo)測量技術(shù)中。

    大尺寸測量儀器的溯源成為研究熱點，其核心是如何從實驗室溯源轉(zhuǎn)向現(xiàn)場溯源。美國NIST開發(fā)了針對激光干涉儀的校準(zhǔn)系統(tǒng)，實現(xiàn)了現(xiàn)場溯源。此外，激光干涉法、樣板法、多邊測量系統(tǒng)等方法已應(yīng)用于大型三坐標(biāo)測量機校準(zhǔn)。

    趨勢：5大技術(shù)方向

    基本趨勢

    發(fā)展精度和經(jīng)濟性兼具的坐標(biāo)測量技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)化坐標(biāo)測量技術(shù)將得到發(fā)展。坐標(biāo)測量機與數(shù)控機床結(jié)合的死循環(huán)制造系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)。隨著互聯(lián)網(wǎng)和物流網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，上下游多臺測量機之間可共享信息，以實現(xiàn)智能化地監(jiān)控和分析全過程制造質(zhì)量趨勢，適時調(diào)整加工方案，提高制造質(zhì)量并降低制造成本。

    發(fā)展并聯(lián)機構(gòu)坐標(biāo)測量技術(shù)和關(guān)節(jié)臂式測量技術(shù)，研究其數(shù)學(xué)模型和參數(shù)誤差標(biāo)定技術(shù)，完善誤差分析和誤差補償技術(shù)，形成高精度中小型非直角坐標(biāo)測量技術(shù)。

    激光跟蹤測量技術(shù)迅速發(fā)展，將成為測量大型零部件、組裝件及整體外形幾何參數(shù)和運動軌跡不可替代的方法。全站儀和經(jīng)緯儀等便攜式坐標(biāo)測量技術(shù)將得到發(fā)展。

    位移傳感技術(shù)和探測技術(shù)

    位移傳感器是坐標(biāo)測量技術(shù)的基礎(chǔ)，光柵、激光干涉儀等已普遍應(yīng)用于坐標(biāo)測量技術(shù)中。隨著坐標(biāo)測量精度的提高，應(yīng)研究如何減小熱量對激光干涉儀精度的影響，提高激光干涉儀的經(jīng)濟性，提高時柵等新興位移傳感器的精度，推動這些技術(shù)在坐標(biāo)測量機中的應(yīng)用。

    發(fā)展非接觸式探測技術(shù)，研究非接觸式測頭性能檢定方法，提高探測精度。目前，結(jié)合接觸式和非接觸式的混合探測系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)，多傳感器信息融合技術(shù)還將繼續(xù)發(fā)展。

    控制技術(shù)

    發(fā)展快速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。隨著探測技術(shù)的發(fā)展，要求控制系統(tǒng)具有每秒上萬個點的快速傳輸海量數(shù)據(jù)的能力，光纖等速度更快的傳輸方式將應(yīng)用在控制系統(tǒng)上。同時，抗干擾能力強的多功能控制技術(shù)將得到發(fā)展，基于功能強大的嵌入式系統(tǒng)和顯示觸摸技術(shù)的操縱器將得到應(yīng)用，無線傳輸技術(shù)將是發(fā)展方向。

    發(fā)展應(yīng)用于車間條件的坐標(biāo)測量控制技術(shù)，形成開放性、兼容性、柔性和抗干擾性俱佳的控制系統(tǒng)。發(fā)展與數(shù)控機床控制系統(tǒng)接口兼容性好的坐標(biāo)測量控制系統(tǒng)，提高坐標(biāo)測量機效率。此外，研究高速驅(qū)動系統(tǒng)以及完善測量機配置也將是控制技術(shù)的重要發(fā)展方向。

    測量軟件

    研制面向車間工人的測量軟件。隨著坐標(biāo)測量機應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，測量軟件將力圖實現(xiàn)制造工程師意圖，而非質(zhì)量工程師意圖。面向車間工人的軟件需要簡單易懂，便于操作。

    實現(xiàn)軟件標(biāo)準(zhǔn)化。其基本要求是從CAD圖紙開始，經(jīng)由制造過程到測量報表，都基于標(biāo)準(zhǔn)化的語言和通訊接口，便于坐標(biāo)測量機之間以及測量機和數(shù)控機床之間的信息交換、報告查閱和數(shù)據(jù)分析。

    發(fā)展復(fù)雜曲面測量軟件。研發(fā)包含采樣策略、路徑規(guī)劃、測頭半徑補償、數(shù)據(jù)處理與誤差評定等關(guān)鍵技術(shù)的復(fù)雜曲面測量軟件包，為復(fù)雜曲面測量和評定提供解決方案。

    編制基于最小區(qū)域、最大內(nèi)接與最小外接準(zhǔn)則的誤差評定軟件，建立國家基標(biāo)準(zhǔn)軟件，形成技術(shù)仲裁標(biāo)準(zhǔn)。深入研究動態(tài)測量誤差的統(tǒng)一評定方法，完善動態(tài)測量重復(fù)性評價指標(biāo)。

    此外，還要完善反求工程軟件、發(fā)展智能坐標(biāo)測量技術(shù)、研究統(tǒng)計分析軟件和專家系統(tǒng)、完善“免形狀”測量技術(shù)、完善虛擬坐標(biāo)測量技術(shù)等。

    精度評定與溯源

    修訂精度評定標(biāo)準(zhǔn)，完善測量機檢測手段。隨著對ISO10360的不斷修訂，以及ISO/TS15530坐標(biāo)測量機測量不確定度評定標(biāo)準(zhǔn)、ISO/TS23165坐標(biāo)測量機檢定不確定度評定導(dǎo)則的發(fā)布，對坐標(biāo)測量機的驗收和不確定度的評定將更加科學(xué)全面。

    發(fā)展面向測量任務(wù)的坐標(biāo)測量機校準(zhǔn)方法和量值溯源方案、發(fā)展遠(yuǎn)程校準(zhǔn)技術(shù)、同時研究大尺寸坐標(biāo)測量儀器校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)裝置及在線校準(zhǔn)和量值溯源方法，推動大尺寸坐標(biāo)測量機的發(fā)展。