面向新世紀(jì)迅速發(fā)展的精密測量技術(shù)

        當(dāng)前，制造業(yè)省人化、自動化趨勢進(jìn)展迅猛異常，而測量作業(yè)在此過程中是不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它與生產(chǎn)加工和制品運(yùn)送同等重要。制造業(yè)對測量儀器的需求，在經(jīng)過1998、1999年的低迷疲軟之后，2000年后有了較明顯的增長。當(dāng)今世界，提高運(yùn)營效率已成為制造業(yè)面臨的重大課題，制造技術(shù)也隨之掀起了不斷革新的浪潮。在這種注重經(jīng)營和技術(shù)創(chuàng)新的前提下，對測量儀器行業(yè)也提出了更高的要求，即量儀產(chǎn)品必須實(shí)現(xiàn)高速、高精度和系統(tǒng)化，而且必須與IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展相對應(yīng)，同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)質(zhì)量管理。目前，各大公司針對測量儀器市場增長勢頭，正在加大資金投入，積極開發(fā)新技術(shù)、新產(chǎn)品。本文擬介紹近年來各公司面向新世紀(jì)開發(fā)的精密測量新技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品。

需求由疲軟轉(zhuǎn)向增長 

        由于受到長期經(jīng)濟(jì)增長呆滯的影響，自1998年以來，精密測量儀器的需求一直處于不景氣狀態(tài)。測量儀器是一個深受機(jī)床和汽車工業(yè)動向影響的行業(yè)。以日本的情況為例，1999年日本機(jī)床的訂貨回升，對精密測量儀器的需求從1999年下半年起也隨之增長，如卡尺、千分尺等的產(chǎn)量均有所回升。當(dāng)然，1999年由于產(chǎn)品單件價(jià)格下滑等因素，測量儀器行業(yè)總的形勢仍有兩位數(shù)字的下降幅度。

進(jìn)入2000年以后，盡管增長緩慢，但從年初開始，連續(xù)9個月精密測量儀器的產(chǎn)值均呈正值增長。其中，傳統(tǒng)型號的產(chǎn)品仍占市場的主流，但在三坐標(biāo)測量機(jī)、粗糙度測量儀、圓度測量儀等方面，則對高精度產(chǎn)品需求的增長十分突出。預(yù)計(jì)，今后對那些面向質(zhì)量管理的測量輔助系統(tǒng)及裝置需求將有更大的增長。 

        必須注意的是，客戶所要求的測量精度已由微米級向納米級提升，而且這種提升的趨勢一年比一年迅猛。如果不能適應(yīng)此種需求去開發(fā)產(chǎn)品，則將難以擴(kuò)大精密測量儀器的市場規(guī)模。當(dāng)前，尤其是與半導(dǎo)體相關(guān)的領(lǐng)域，測量技術(shù)不敷應(yīng)用的狀況亟待改善。

據(jù)日本有關(guān)的調(diào)查顯示，各測量儀器相關(guān)企業(yè)2000年的產(chǎn)值(以1998年度為100進(jìn)行比較計(jì)算)將有兩位數(shù)字的增長，增長幅度可望達(dá)到10%～30%。其中，BLOM-LMT公司的產(chǎn)值增長幅度估計(jì)將達(dá)80%，SOL公司的產(chǎn)值可增長90%。這些企業(yè)大都經(jīng)營國外測量機(jī)產(chǎn)品，他們的增長幅度明顯高于日本國內(nèi)企業(yè)。日本測量儀器企業(yè)中，以東京精密公司的增長幅度最高，估計(jì)2000年將增長60%，銷售的產(chǎn)品中，70%以上為半導(dǎo)體制造行業(yè)所需的測量儀器。

努力增強(qiáng)產(chǎn)品開發(fā)能力 

        面對需求增長的良好勢頭，各公司正在加大資金投入，努力增強(qiáng)開發(fā)新產(chǎn)品的能力。如以機(jī)床行業(yè)為最大用戶的索尼精密工程公司，在其下屬的伊勢原事業(yè)所內(nèi)建立了“校正中心”，從2000年10月開始承接檢測測量儀器偏移及修理校正的委托業(yè)務(wù)，并和專門生產(chǎn)電動測微儀的索尼テヶトロニヶス公司合作，通過索尼公司內(nèi)部的協(xié)作，對機(jī)械式和電動式測微儀進(jìn)行委托校正服務(wù)，預(yù)計(jì)2001年的營業(yè)收入將達(dá)1億日元。 

        當(dāng)前，制造業(yè)省人化、自動化趨勢進(jìn)展迅猛異常，而測量作業(yè)在此過程中是不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它與生產(chǎn)加工和制品運(yùn)送同等重要。制造業(yè)對測量儀器的需求，在經(jīng)過1998、1999年的低迷疲軟之后，2000年后有了較明顯的增長。當(dāng)今世界，提高運(yùn)營效率已成為制造業(yè)面臨的重大課題，制造技術(shù)也隨之掀起了不斷革新的浪潮。在這種注重經(jīng)營和技術(shù)創(chuàng)新的前提下，對測量儀器行業(yè)也提出了更高的要求，即量儀產(chǎn)品必須實(shí)現(xiàn)高速、高精度和系統(tǒng)化，而且必須與IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展相對應(yīng)，同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)質(zhì)量管理。目前，各大公司針對測量儀器市場增長勢頭，正在加大資金投入，積極開發(fā)新技術(shù)、新產(chǎn)品。本文擬介紹近年來各公司面向新世紀(jì)開發(fā)的精密測量新技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品。

需求由疲軟轉(zhuǎn)向增長 

        由于受到長期經(jīng)濟(jì)增長呆滯的影響，自1998年以來，精密測量儀器的需求一直處于不景氣狀態(tài)。測量儀器是一個深受機(jī)床和汽車工業(yè)動向影響的行業(yè)。以日本的情況為例，1999年日本機(jī)床的訂貨回升，對精密測量儀器的需求從1999年下半年起也隨之增長，如卡尺、千分尺等的產(chǎn)量均有所回升。當(dāng)然，1999年由于產(chǎn)品單件價(jià)格下滑等因素，測量儀器行業(yè)總的形勢仍有兩位數(shù)字的下降幅度。

進(jìn)入2000年以后，盡管增長緩慢，但從年初開始，連續(xù)9個月精密測量儀器的產(chǎn)值均呈正值增長。其中，傳統(tǒng)型號的產(chǎn)品仍占市場的主流，但在三坐標(biāo)測量機(jī)、粗糙度測量儀、圓度測量儀等方面，則對高精度產(chǎn)品需求的增長十分突出。預(yù)計(jì)，今后對那些面向質(zhì)量管理的測量輔助系統(tǒng)及裝置需求將有更大的增長。 

        必須注意的是，客戶所要求的測量精度已由微米級向納米級提升，而且這種提升的趨勢一年比一年迅猛。如果不能適應(yīng)此種需求去開發(fā)產(chǎn)品，則將難以擴(kuò)大精密測量儀器的市場規(guī)模。當(dāng)前，尤其是與半導(dǎo)體相關(guān)的領(lǐng)域，測量技術(shù)不敷應(yīng)用的狀況亟待改善。

據(jù)日本有關(guān)的調(diào)查顯示，各測量儀器相關(guān)企業(yè)2000年的產(chǎn)值(以1998年度為100進(jìn)行比較計(jì)算)將有兩位數(shù)字的增長，增長幅度可望達(dá)到10%～30%。其中，BLOM-LMT公司的產(chǎn)值增長幅度估計(jì)將達(dá)80%，SOL公司的產(chǎn)值可增長90%。這些企業(yè)大都經(jīng)營國外測量機(jī)產(chǎn)品，他們的增長幅度明顯高于日本國內(nèi)企業(yè)。日本測量儀器企業(yè)中，以東京精密公司的增長幅度最高，估計(jì)2000年將增長60%，銷售的產(chǎn)品中，70%以上為半導(dǎo)體制造行業(yè)所需的測量儀器。

努力增強(qiáng)產(chǎn)品開發(fā)能力 

        面對需求增長的良好勢頭，各公司正在加大資金投入，努力增強(qiáng)開發(fā)新產(chǎn)品的能力。如以機(jī)床行業(yè)為最大用戶的索尼精密工程公司，在其下屬的伊勢原事業(yè)所內(nèi)建立了“校正中心”，從2000年10月開始承接檢測測量儀器偏移及修理校正的委托業(yè)務(wù)，并和專門生產(chǎn)電動測微儀的索尼テヶトロニヶス公司合作，通過索尼公司內(nèi)部的協(xié)作，對機(jī)械式和電動式測微儀進(jìn)行委托校正服務(wù)，預(yù)計(jì)2001年的營業(yè)收入將達(dá)1億日元。 

        三豐公司為了增強(qiáng)產(chǎn)品開發(fā)能力，已于2000年4月在川崎市高津區(qū)建立了由總公司直接管轄的“川崎研究開發(fā)中心”，該中心將對三豐集團(tuán)的研究開發(fā)力量進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配，使公司分散在國內(nèi)外的研究所、開發(fā)部門相互聯(lián)接為一個整體，從而大大增強(qiáng)了開發(fā)能力�，F(xiàn)已開發(fā)出非接觸式測量機(jī)和新型卡尺、千分尺等。該中心的運(yùn)作方式大體如下：首先將三豐集團(tuán)分散于國內(nèi)外的研究部、研究所聯(lián)為一體，再按其特點(diǎn)分別從事關(guān)鍵技術(shù)、新產(chǎn)品、新技術(shù)的開發(fā)工作，最后由中心匯總至生產(chǎn)之中。 

        東京精密公司則非常重視那些具有特殊技能的專業(yè)技術(shù)人員，在法定的工作年限內(nèi)(通常為60歲)，讓他們擔(dān)任重要的管理職務(wù)，并委任他們?yōu)楣�司�?ldquo;常務(wù)理事”。對于這些具有技術(shù)專長的人員，工作年限可以延長到65歲；同時(shí)，還采取減少集體股份和增加個人持股等措施，以適應(yīng)圍繞企業(yè)周邊的環(huán)境變化，提高經(jīng)營業(yè)務(wù)的透明度。 

        另一個值得注意的動向是外國公司設(shè)在日本的法人企業(yè)正在竭力擴(kuò)大其日本市場的占有份額。如BLUM-LMT公司是德國測量機(jī)企業(yè)BLUM-NOVOTEST公司在日本建立的法人企業(yè)，該公司成立于1999年2月，德國BLUM公司以此為橋梁，大力向包括日本在內(nèi)的亞洲地區(qū)開展了營銷活動。BLUM-LMT公司主要銷售利用激光測量尺寸、形狀的各種測量系統(tǒng)，如該公司的激光可控式微型工具測量裝置，采用非接觸方式隨機(jī)測量切削工具的長度、直徑、振擺、磨損及折斷等情況，可有效提高加工精度和生產(chǎn)效率。該公司的接觸式傳感器Z-NANO是一種高精度檢測裝置，傳感器配有三維測頭，檢測時(shí)測頭只需以極小的壓力接觸被測對象，檢測信號的傳輸則采用光學(xué)原理，為非接觸傳輸。Z-NANO的測量精度很高，測頭的重復(fù)精度達(dá)0.5μｍ。BLUM-LMT公司在提供檢測儀器的同時(shí)，還提供相應(yīng)的技術(shù)服務(wù)。 

        MARPOSS公司近1～2年來，特別注重元件的商品供應(yīng)，他們看準(zhǔn)了其他公司在制作測量儀器時(shí)急需大量的零部件，因此加大了元件的供應(yīng)批量。另外，該公司的電動測微儀超小型測頭系列可進(jìn)行1μｍ以下的精密測量。 

        德國最大的測量機(jī)制造企業(yè)瑪勒公司最初是向日本推銷卡尺之類的小型測量工具，隨后才銷售三坐標(biāo)測量機(jī)等大型測量設(shè)備�，斃展�司除了完善新的小型測量機(jī)專銷網(wǎng)點(diǎn)外，還開展了網(wǎng)上銷售業(yè)務(wù)，他們試圖通過多種銷售渠道擴(kuò)大市場占有份額。該公司以日本總代理TECHNO精密公司為核心，先后在東京、大阪、名古屋、九州等地區(qū)建立和完善了代銷網(wǎng)點(diǎn)，同時(shí)，配合網(wǎng)上銷售，已經(jīng)建立起一個小型測量裝置的專門銷售體制。

非接觸、高效率是測量技術(shù)的重要發(fā)展方向 

        近來來，精密測量技術(shù)的發(fā)展迅速，成果喜人。例如在線測量技術(shù)，已可進(jìn)行加工狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，根據(jù)對加工狀態(tài)的監(jiān)控，可及時(shí)檢測是否出現(xiàn)異常狀況，從而可大幅度提高生產(chǎn)效率。另外，對于機(jī)床控制裝置，則要求高精度化、低成本和小型化。其中，最重要的是高精度化，因?yàn)橹T如汽車發(fā)動機(jī)等均要求其組成零部件必須具有非常高的精度，以便減少噪聲、防止環(huán)境污染和節(jié)省能耗，這些都是時(shí)代對制造業(yè)提出的緊迫要求。 

        在高精度加工和質(zhì)量管理過程中，通常均需使用三坐標(biāo)測量機(jī)、圓度形狀測量機(jī)、表面粗糙度測量機(jī)、各種長度及角度測量裝置等設(shè)備。光學(xué)測量機(jī)是以光學(xué)系統(tǒng)等硬件為主要功能部件的制品，因此，隨著光機(jī)電一體化、系統(tǒng)化的進(jìn)展，光學(xué)測量技術(shù)有了迅速的發(fā)展，相應(yīng)的測量機(jī)產(chǎn)品大量涌現(xiàn)，測量軟件的開發(fā)也日益受到重視。 

        近年來，利用光學(xué)原理開發(fā)的非接觸測量機(jī)及各種裝置非常多。如MARPOSS公司的非接觸式工具測量系統(tǒng)Mida Laser就是利用激光測頭的新型測量機(jī)，該機(jī)可在CNC機(jī)床保持運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，自動對所用工具進(jìn)行非接觸測量，并可根據(jù)測量所得數(shù)值，對工具進(jìn)行自動定位。索尼精密工程公司的非接觸形狀測量機(jī)YP20/21也是利用半導(dǎo)體激光高速高精度自動聚焦傳感器的形狀測量機(jī)，所用刻度尺均系標(biāo)準(zhǔn)元件。傳感器和載物臺均由微型計(jì)算機(jī)控制，具有優(yōu)異的操作性能和數(shù)據(jù)處理功能。YKT公司銷售的非接觸三坐標(biāo)測量系統(tǒng)Zip250是一種高剛性、高速、高精度的新型測量機(jī)。該機(jī)載物臺的承載重量為25kg，刻度尺的分辨率(X、Y、Z軸)均為0.00025mm。機(jī)上配裝了帶數(shù)碼法蘭盤的CCD攝像機(jī)和最新DSP轉(zhuǎn)換器，因此，可進(jìn)行高速圖像處理測量，同時(shí)，也可與接觸式測頭并用進(jìn)行相關(guān)測量。

隨著非接觸、高效率測量機(jī)的大量出現(xiàn)，專家們預(yù)計(jì)，21世紀(jì)測量技術(shù)的發(fā)展方向大致如下：

(1)測量精度由μｍ級向nm級發(fā)展，進(jìn)一步提高測量分辨率；

(2)由點(diǎn)測量向面測量過渡，提高整體測量精度(即由長度的精密測量擴(kuò)展至形狀的精密測量)；

(3)隨著圖像處理等新技術(shù)的應(yīng)用，遙感技術(shù)在精密測量工程中將得到推廣和普及；

(4)隨著標(biāo)準(zhǔn)化體制的確立和測量不確定度的數(shù)值化，將有效提高測量的可靠性。 

        總之，測量技術(shù)必須實(shí)現(xiàn)高精度化，同時(shí)也要求實(shí)現(xiàn)高速化和高效率化，因此，非接觸測量和高效率測量也就必然成為新世紀(jì)精密測量技術(shù)的重要發(fā)展方向。

不斷開發(fā)高性能產(chǎn)品 

        需求形勢的好轉(zhuǎn)，進(jìn)一步激發(fā)了生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品的積極性。近年來，各公司不斷推出高性能的測量機(jī)產(chǎn)品。在高分辨率方面，前述索尼公司的YP20/21最為突出，該機(jī)是一種超高精度非接觸式形狀測量機(jī)，其Z軸的分辨率高達(dá)10nm，重復(fù)精度為±30nm。該公司還生產(chǎn)一種小型激光刻度尺BS77，其分辨率在10nm以下。 

        在形狀精密測量方面，最近市場上出現(xiàn)了配裝高速高密度掃描測頭的三坐標(biāo)測量機(jī)，如東京精密公司開發(fā)的CONTURA三坐標(biāo)測量機(jī)就匯集了最新掃描技術(shù)，可進(jìn)行高密度數(shù)據(jù)采集(200點(diǎn)/秒)。該機(jī)安裝了高速掃描測頭VASTXT，最大掃描速度為70mm/秒，測量范圍(X、Y、Z)=700mm×1000mm×600mm。該公司開發(fā)的圓度、圓柱形狀測量機(jī)RONDCOM65A，據(jù)稱可測量目前世界上可達(dá)到的最高回轉(zhuǎn)精度0.01μｍ，測量機(jī)上也配有最新的解析程序TIMS，可實(shí)現(xiàn)高速高效率精密測量作業(yè)，最大測量直徑為φ420mm，左右送進(jìn)范圍為220mm，上下送進(jìn)范圍為500mm。 

        英國Taylor Hobson公司開發(fā)出一種分離式表面形狀及粗糙度測量機(jī)，操作、顯示均采用紅外線信號，因此，可對驅(qū)動測量部分進(jìn)行遙控。驅(qū)動測量部分采用2μｍ測頭，測量范圍為1mm，分辨率為16nm。另外，該公司還開發(fā)出Tarlyrond 265/290系列圓度及圓柱度測量機(jī)，該機(jī)測量范圍廣，可對小至幾mm的微型零件，大至75kg的大型零件，進(jìn)行全自動測量。該機(jī)配有自動定心及矯正裝置，立柱可上下移動，杠桿可前后移動，可對工件的內(nèi)圓、外徑、端面進(jìn)行全自動測量。Tarlyrond測量機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)不同需要，選擇不同的配置組合。該機(jī)的測量范圍為φ350～500mm，測量圓度精度為±(0.04μｍ+0.3μｍ/m)。 

        Brown & Sharpe 公司開發(fā)的PMM-C700測量機(jī)采用不移動橋架的結(jié)構(gòu)，從而可長期保證橋架移動型結(jié)構(gòu)難以達(dá)到的高精度和高穩(wěn)定性。該機(jī)的最小分辨率為0.005μｍ，可對凸輪軸、渦輪葉片等復(fù)雜形狀的機(jī)械零件進(jìn)行高速高精度測量。

齒輪形狀曲線復(fù)雜，測量起來極為困難。日本大阪精密機(jī)械公司開發(fā)出一種準(zhǔn)雙曲面齒輪測量機(jī)，型號為HyB-35，該機(jī)不僅可進(jìn)行三坐標(biāo)測量機(jī)那樣的晶格結(jié)點(diǎn)測量，而且可在線性方面對輪齒的棱邊進(jìn)行測量，從而捕捉到導(dǎo)致出現(xiàn)噪聲和振動的微細(xì)形狀誤差，以進(jìn)一步提高齒輪精度。

分辨率達(dá)到0.1μｍ的刻度尺 

        索尼精密工程公司開發(fā)出一種非接觸圖像測量機(jī)，型號為YF10。這是一種利用圖像處理技術(shù)的精密測量機(jī)，機(jī)上配置了數(shù)字?jǐn)z像裝置，采用了全軸分辨率為0.1μｍ的刻度尺；此外，該機(jī)還采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，可進(jìn)行高精度測量。

三豐公司開發(fā)出一種快速成像接觸測量系統(tǒng)，可使過去利用CCD的圖像測量機(jī)功能更加完善，操作更為簡便。利用此種新型接觸測頭，也可進(jìn)行非接觸測量。 

        東京精密公司開發(fā)的便攜式三維測量系統(tǒng)Optigo，是一種高效高速測量三維曲面的新型測量裝置，該裝置配有新設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可對汽車的門窗，阻尼器等大型零件進(jìn)行高速非接觸測量。 

        在通常情況下，作為生產(chǎn)現(xiàn)場使用的測量機(jī)具，必須保證在整個測量過程中具有良好的操作性能，而且必須力求節(jié)省所占用的空間。如三豐公司開發(fā)出一種柔性測量裝置QM-Measure，這是專門為在加工現(xiàn)場測量復(fù)雜形狀而研制的袖珍型三坐標(biāo)測量機(jī)，特點(diǎn)是操作簡便，價(jià)格低廉。西鐵城公司開發(fā)出一種電動測微儀用的小型上置式DTM-C系列，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)設(shè)備機(jī)械小型化和高精度化，進(jìn)深達(dá)7cm，而體積卻減小了2/3，非常便于安裝在其他生產(chǎn)設(shè)備上使用，該裝置的最小分辨率為0.1μｍ。 

        RENISHAW公司專門為加工中心和車床開發(fā)了一種非接觸式工具檢測系統(tǒng)NC1，這是一種高速非接觸式測量系統(tǒng)，能快速進(jìn)行工具長度、直徑的測量，該系統(tǒng)的特點(diǎn)是可在激光束的任意位置上對工具進(jìn)行測量，測量范圍0.2～0.8mm，分辨率為1μｍ。NC1系統(tǒng)采用了新型激光技術(shù)，既可保證測頭的精度特性，又便于安裝，且無需作特別的維護(hù)。該系統(tǒng)在正常情況下，其使用壽命可達(dá)100萬次測量。 

        在超精密及半導(dǎo)體零件的檢測等方面，要求測距僅約1nｍ。以往nm級精度的測量大都依靠激光干涉儀，激光干涉儀是利用光的波長作為測量基準(zhǔn)，光線隨著通過的媒體折射率的不同而變化，因此，進(jìn)行高精度測量時(shí)，還必須進(jìn)行精密的補(bǔ)償。HEIDENHAIN公司開發(fā)出一種高精度高分辨率測長系統(tǒng)LIP382/372，可取代以往的激光干涉儀。該系統(tǒng)的測量基準(zhǔn)是固定的，因此，不易受氣壓、溫度等空氣變化的影響。LIP的刻度尺是在Zerodur玻璃陶瓷上采用TITANID格柵，可以刻出非常細(xì)小的刻度；刻度尺的縱向距離可保持0.5μｍ精度，其重復(fù)精度極高，只需進(jìn)行簡單的補(bǔ)償，在小于1mm距離內(nèi)的測量精度可達(dá)數(shù)nm，而且其信號非常穩(wěn)定。 

        綜觀當(dāng)前精密測量技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，有如下一些特點(diǎn)：普遍追求高速、高精度、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化；為了便于在線測量，各公司正在大力開發(fā)小型化的精密測量裝置；為了增強(qiáng)市場競爭能力，生產(chǎn)廠家均在努力加強(qiáng)質(zhì)量管理，降低生產(chǎn)成本。隨著全球IT產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，精密測量領(lǐng)域也不斷開發(fā)出適應(yīng)IT特點(diǎn)的測量機(jī)產(chǎn)品�？梢灶A(yù)計(jì)，面對新世紀(jì)的需求，精密測量技術(shù)將進(jìn)一步集約化，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更為緊湊，操作性能進(jìn)一步提高，自動化水平也必將提升到新的檔次。當(dāng)然，各廠家高性能產(chǎn)品之間的競爭也必然更加激烈，誰搶先擁有高精尖的測量技術(shù)，擁有先進(jìn)的管理系統(tǒng)，誰就將在競爭中穩(wěn)操勝券。