提高測量技術(shù)的重要性

在高質(zhì)量產(chǎn)品的制造和高效率生產(chǎn)環(huán)境的構(gòu)建中，測量技術(shù)起到了很大的作用，其重要性與日俱增。尤其在生產(chǎn)國際化、全球經(jīng)濟一體化迅速發(fā)展的時期，要求不同地區(qū)生產(chǎn)的高精度零部件，必須具有良好的互換性，因此，急需建立一種基于國際標準的擁有極佳測量精度及可靠性的測量體制。為了滿足上述要求，精密測量儀器必須具有更高的精度、質(zhì)量和可靠性。各個儀器生產(chǎn)廠商也都在積極開發(fā)功能更強、服務(wù)性能更好的新產(chǎn)品，而從中我們可以看到測量儀器的最新動向。

加工和測量猶如車上的兩個輪子

    近年來，隨著經(jīng)濟的復(fù)蘇，制造業(yè)設(shè)備運轉(zhuǎn)率不斷提高，長期處于不景氣的測量儀器生產(chǎn)也有較大的增長。日本通商產(chǎn)業(yè)省機械統(tǒng)計資料表明，2003年精密測量機（含光學測量機）的產(chǎn)值比2002年增長20.7%，2004年1～6月，比2003年同期增長22.1%。

    目前，生產(chǎn)現(xiàn)場非常重視提高加工效率和降低生產(chǎn)成本，其中，最重要的便是生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。為此，必須實行嚴格的質(zhì)量管理，只有在保證高質(zhì)量生產(chǎn)的前提下，制造業(yè)才能生存和發(fā)展。作為保證制造業(yè)順利發(fā)展的重要手段，高精度零部件構(gòu)成的加工機床和由高精度測量儀器組合集成的加工生產(chǎn)線構(gòu)建成的自律式加工系統(tǒng)，是很有必要的。據(jù)此可以預(yù)計，今后，市場對用于質(zhì)量管理的測量系統(tǒng)和機器設(shè)備的需求將不斷增長。

    制造業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場對測量儀器及裝置的要求大致如下：①能夠適應(yīng)廣泛范圍的環(huán)境溫度；②抗污染和防振動性能優(yōu)異；③測量重復(fù)精度高；④使用方便。目前，各廠家以便于在加工環(huán)境使用為前提，正積極地開發(fā)新產(chǎn)品，這些新產(chǎn)品能夠進行高速、高精度測量，而且穩(wěn)定性極佳，操作便捷。

    在測量技術(shù)方面，日本精密測量儀器工業(yè)協(xié)會常務(wù)理事龜井明敏指出：“任何一種加工設(shè)備，無論其多么先進，均會出現(xiàn)由熱變形引起的偏移和由工具磨損產(chǎn)生的誤差，而要掌握這些偏移和誤差，則必須依靠測量技術(shù)。”龜井認為，在現(xiàn)場加工過程中，進行測量作業(yè)的目標應(yīng)該是：“①判斷產(chǎn)品質(zhì)量是否合格：即在加工過程中配置測量環(huán)節(jié)，保證其能夠進行最終加工；②檢測工具磨損、熱變形等引起的誤差：根據(jù)輸出的補償信號，采取相應(yīng)的措施；③選取生產(chǎn)節(jié)拍和制品精度的最佳配合：不僅要保證所選適應(yīng)技術(shù)等絕對精度，還應(yīng)保證獲得相對精度，從而提高總體生產(chǎn)效率。在這些過程中，測量技術(shù)起著舉足輕重的作用。”

    不久前舉辦的第22屆日本國際機床工具展覽會（JIMTOF 2004）上反映出，人們普遍認識到測量技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量管理中的重要作用，因此，在測量儀器相關(guān)展臺前，參觀者總是絡(luò)繹不絕。

提高測量技術(shù)的認識

    在汽車零件及其它各種機械零件的測量中，目前已大量采用三坐標測量機，在電氣及電子零件測量方面，則大量采用顯微鏡或圖像測量儀。隨著加工精度的提高，測量精度的要求也不斷提高。目前，測量精度達1μm以內(nèi)的超高精度三坐標測量機、顯微鏡、圖像測量機等已開始普及。其中，初項（首項）誤差為0.35μm的三坐標測量機已投放市場。另外，整個零件均采用攝像頭（照相機）或激光進行測量，并可對尺寸測量及整體形貌進行評價的測量機也已大量使用。

    近期，人們對大幅度提高測量精度極為關(guān)注。原來為0.1mm左右的精度，現(xiàn)在已能達到10μm甚至幾μm的水平。帶攝像頭的專用測量機或三坐標測量機已配置帶有在線激光測頭系統(tǒng)等附屬裝置，使之具有多種測量功能。另外，推出的能與接觸式測頭自動切換、配備輕而小的圖像測頭的三坐標測量機，可在一臺儀器上實現(xiàn)接觸式和非接觸式的測量。

    如何抑制高速運動和加減速時產(chǎn)生的振動，提高測量機的可靠性，也是人們關(guān)注的問題。各公司在設(shè)計產(chǎn)品時，均盡可能提高測量機的剛性和采用高水平的驅(qū)動控制技術(shù)，以減輕測量過程中的振動。

    目前，在測量儀器制造業(yè)中，各方面均占有很大優(yōu)勢的三豐公司（Mitutoyo）、德國卡爾蔡司+東京精密及�？怂箍导瘓F（Leitz、Brown&sharpe、DEA、Tesa、Sheffield及其他）形成了三大巨頭鼎立態(tài)勢。當然，還有一些公司分別以其獨創(chuàng)的技術(shù)，盡可能開展一些有別于同行企業(yè)的營銷戰(zhàn)略。譬如阿卡西公司就特別重視抑制振動的技術(shù)，為了滿足用戶對高靈敏度、高分辨力振動消除器的需求，該公司將進一步擴大多種振動消除器系列產(chǎn)品的銷售業(yè)務(wù)。大塞公司是一家自動測量檢測機生產(chǎn)企業(yè)，該公司將根據(jù)市場需求變化及不同用戶的特殊需要，開發(fā)出新的軟件技術(shù)，以滿足用戶的需求。

更高精度要求的應(yīng)對和競爭

    目前，尺寸精度已經(jīng)由單純的長度測量進入了綜合的形狀測量階段。隨著制品不斷向高精度和高質(zhì)量化發(fā)展，對測量技術(shù)也提出了更嚴格的要求。

    作為長度基準的測量尺領(lǐng)域內(nèi)，一方面長度增加和高分辨力是發(fā)展的趨勢，而對應(yīng)于按順序?qū)ξ⒓毧虅澗�技術(shù)的增量式測量，已經(jīng)開發(fā)出不計數(shù)就能檢測出測量尺位置的絕對式測量尺。索尼公司已開發(fā)出短波長磁尺，牌號為SR33/34，并已作為商品投放市場，這種刻度尺采用高密度磁性材料，抗環(huán)境干擾性優(yōu)異，操作方便，采用屏蔽式結(jié)構(gòu)，響應(yīng)速度為150m/min。

    用于角度測量的圓編碼器（角度傳感器）也已開發(fā)出可進行絕對測量的新產(chǎn)品。如海登海因公司已開發(fā)出可檢測絕對位置角度的絕對測量型圓編碼器RCN827，其特點是：①采用φ100mm大口徑中空軸；②外表設(shè)有油槽，可排除冷卻潤滑液；③配有自共振頻率范圍廣的軟件，可控制性能良好；④最高操作速度300rpm；⑤最小分辨力為27bit/r。

    為了滿足設(shè)備小型化的測量要求，西鐵城鐘表公司開發(fā)出30×16.5mm極小尺寸的長編碼器測量單元，最小讀數(shù)1μm，量程3mm。

    在齒輪測量方面，對形狀精度要求極為嚴格，大阪精密機械公司開發(fā)出一種高精度齒輪測量儀MGL－26（見圖1），其特點是：①采用高精度激光位置檢測傳感器，可精密測量出齒面形狀；②可自動計算出誤差值；③由于采用激光測量，可避免過去測量機驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生的振動；④測量重復(fù)精度0.3μm，最小分辨力達1nm。

     在軸類工件測量方面，已開發(fā)出采用CCD陣列傳感器的非接觸測量技術(shù)，可在數(shù)10s時間內(nèi)，測量出旋轉(zhuǎn)軸的長度、直徑、同軸度、圓度、重直度及跳動等多種數(shù)據(jù)。如Tesa公司開發(fā)出一種CNC非接觸式軸類零件測量儀TESASCAN，其測量精度為2+0.01Dμm（D為被測量件的直徑）。

微細、小型零件的測量不斷增多

    在圓度、圓柱度測量儀方面，對其測量精度的要求進一步提高，尤其是隨著微小孔和微細零件測量需求的增多，各公司相繼開發(fā)出能夠滿足高精度測量指標的產(chǎn)品。

    Taylor Hobson公司開發(fā)出一種全自動圓度測量儀Talyrond295，其特點是：①依靠高速調(diào)同心和調(diào)水平機構(gòu)，工件能很容易的迅速調(diào)整安裝。由于工件和儀器發(fā)生干涉的可能性小，測量范圍廣；②采用新開發(fā)的可動防振臺、防風罩，測量精度穩(wěn)定；③在機器校正方面，已獲得英國UKAS（英國檢測協(xié)會）的檢測鑒定保證書規(guī)定的各種相關(guān)數(shù)據(jù)，便于用戶購置該機后，進行對比檢測；④配有高速找正機構(gòu)及水平測量器，工件可快速定位進行測量。該公司負責人指出：“目前，圓度測量儀和表面粗糙度檢查儀雖已制定了行業(yè)標準，但只能在表面質(zhì)量和圓度精度測量方面滿足用戶的需要。隨著自動化的迅速進展，廣大用戶要求快速測量工件的整體形狀精度，這已成為該領(lǐng)域近期的發(fā)展趨勢。”“該領(lǐng)域目前正由接觸式測量向非接觸測量過渡，Taylor Hobson公司開發(fā)出一種綜合測量儀CLI 2000，可在大范圍（□200mm）采用接觸式和非接觸式兩種方式進行測量。公司還銷售一種與超精密鏡面加工機床NANOFORM850（納米級）配套的測量儀，目前，公司正以超精密測量技術(shù)為戰(zhàn)略性開發(fā)方向。”

    在表面粗糙度測量方面，各公司已開發(fā)出能一次將表面粗糙度和輪廓形狀檢測出來的表面形狀測量儀。如三豐公司的CS-5000CNC，可自動測量工件的表面形狀，而且可同時對多個同一類型或不同類型工件進行測量。東京精密公司開發(fā)出一種牌號為SURFCOM 2000 DX的測量儀，驅(qū)動部分采用直線電機，可實現(xiàn)低振動高速驅(qū)動，測量精度和測量效率均大幅度提高。

    激光測量系統(tǒng)方面，雷尼肖公司開發(fā)的ML 10測量系統(tǒng)適用于機械加工現(xiàn)場，可保持很高的可靠性，定位精度為±0.7ppm（0～40℃條件下），分辨力為0.001μm，可用于超精密測量領(lǐng)域。東京貿(mào)易技術(shù)系統(tǒng)公司的Leica激光跟蹤儀，利用激光線性光傳感器進行非接觸測量，測量范圍的半徑達40m，測量精度為25μm/2.5m。

    在圖像測量系統(tǒng)方面，三豐公司開發(fā)出一種快速掃描系統(tǒng)Quick vision，它可以不停止地進行高速圖像測量，測量效率比過去提高數(shù)倍。YKT公司開發(fā)出的顯微攝像系統(tǒng)，是在美國OGP公司生產(chǎn)的直接錄像顯微鏡（VDM）上使用配置光纖光源的EDF鏡片，能顯示出大深度小孔和看不見的被測物體，獲得彩色三維圖像。

接觸和非接觸測量的優(yōu)劣之爭

    三坐標測量機是形狀測量的主導(dǎo)產(chǎn)品，目前，三坐標測量正在開發(fā)能夠適應(yīng)測量環(huán)境變化的新機種，這種新型三坐標測量機在保持原有精密測量性能的前提下，可以離開恒溫恒濕的測量室，在機械加工現(xiàn)場或裝配到機床上使用。例如三豐公司開發(fā)的新產(chǎn)品MACH－V9106，便是一種可進行在線測量的三坐標測量機，它具有很高的測量效率，最大移動速度866mm/s，最大加速度0.86G，指示誤差E=2.5+3L/1000μm。該測量機的環(huán)境適應(yīng)性能十分優(yōu)異，標準產(chǎn)品帶有溫度補償功能，可在15～35℃環(huán)境條件下使用。

    東京精密公司開發(fā)出一種能適應(yīng)環(huán)境變化的三坐標測量機GageMax（與卡爾蔡司公司合作生產(chǎn)），它不需要專用檢測室即可進行高精度測量。GageMax為懸臂式測量機，所需安置面積較小，可實時處理生產(chǎn)線上反饋的信息，為了補償工件溫度變化，測量機配有相應(yīng)的溫度傳感器，在15～40℃的環(huán)境條件，可保證獲得良好的測量精度。

    DEA開發(fā)出了DCC GAGE 等CNC三坐標測量機，并已正式投放市場。這種測量機采用獨立的二段減速系統(tǒng)，可進行高速測量，移動速度305mm/s，加速度為290mm/s2。

   目前，在幾何參數(shù)測量方面，由于精度要求和傳統(tǒng)操作習慣的緣故，測量時大都使用接觸傳感器。不過，隨著非接觸式傳感器品種的增多，非接觸式測量的范圍正在不斷擴大。非接觸傳感器的測量效率非常高，如在自由曲面整體評價或厚度判斷、反求工程等領(lǐng)域的測量中，可快速連續(xù)獲得由數(shù)萬個點形成的點陣參數(shù)。工件形狀變得復(fù)雜時，非接觸傳感器的姿態(tài)也將隨之相應(yīng)改變。因此，采用按編程可自動改變測量形式進行精密測量的三坐標測量方式，對提高測量效果將更為有利。

    接觸式和非接觸式測量方法孰優(yōu)孰次，是測量技術(shù)行業(yè)長期議論的話題。有關(guān)人士指出：“近來，非接觸式測量雖已逐漸成為主流，但要獲得高度精確的測量值，則仍需進行接觸測量。非接觸式測量速度快，可減輕對工件的損傷，與接觸式測量相比較，優(yōu)點很多。但在測量精度和穩(wěn)定性方面，接觸式測量仍高出一籌。接觸式測量是測頭與工件表面的某一個點接觸進行測量，沿著工件形狀進行掃描，可在短時間內(nèi)高密度地獲得大量點數(shù)，測量點數(shù)越多，越能獲得更為正確的形狀參數(shù)。”

測量技術(shù)的展望

    通過問卷調(diào)查，測量機用戶的需求動向和測量技術(shù)的發(fā)展前景可歸納如下：

    （1）“隨著防振要求的提高，測量機正向兩極分化的方向發(fā)展，面向汽車行業(yè)用戶的測量機，通常均為價格較便宜（不需要很高精度）的機種，另一類則是用于設(shè)備檢測、防災(zāi)、防震領(lǐng)域的高靈敏度機種。根據(jù)不同的用途，要求開發(fā)相應(yīng)的最佳測量技術(shù)。”（阿卡西公司）

    （2）“刀具預(yù)調(diào)測量儀，目前正由投影儀類型向監(jiān)測器類型轉(zhuǎn)變。”（大阪工機公司）“儀表校正等精密工具的測量需求增多。”（柯靈斯公司）

    （3）“特殊零件的測量增多，這些零件采用接觸式測量時，往往會因測量力而變形；采用非接觸式測量又易出現(xiàn)精度不穩(wěn)定，因此，需要開發(fā)新型測量技術(shù)。”（西鐵城鐘表公司）

    （4）“市場需要易于操作的非接觸式測量技術(shù)。”（FARO日本公司）“測量技術(shù)應(yīng)便于操作，且具有多種功能。同時，應(yīng)配裝千分尺和個人計算機等裝置，提高測量機的附加值。”（大塞公司）

    （5）“用戶希望開發(fā)出高精度、高速、低價格的齒輪測量機。”（大阪精密機械公司）

    （6）“汽車行業(yè)存在著減少最終集中測試的趨勢。主動檢測和在線（序后）檢測等在加工中得到推廣應(yīng)用。其中，在保證質(zhì)量方面，許多用戶希望測量技術(shù)能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。”（日本電氣）

    如上所述，測量技術(shù)的主攻方面仍然是進一步提高測量精度；同時，人們對測量技術(shù)的重要性和存在價值的認識應(yīng)大幅度提高，這是測量技術(shù)今后不斷發(fā)展的巨大推動力。