測量測試是機(jī)械制造技術(shù)重要的組成部分，測量是機(jī)械制造的眼睛，測量技術(shù)的先進(jìn)性反映了產(chǎn)品的先進(jìn)性。精密測量測試技術(shù)不僅對產(chǎn)品質(zhì)量控制起決定作用，在現(xiàn)代高檔數(shù)控和智能技術(shù)為主導(dǎo)的制造系統(tǒng)中，測量測試技術(shù)直接參與精密制造過程，并對制造水平起到?jīng)Q定作用。這里談?wù)剮缀瘟?幾何尺寸、型位誤差等)精密測量測試技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和趨勢，尤其是在航空制造中，光學(xué)掃描測量技術(shù)的最新發(fā)展和應(yīng)用技術(shù)。

　　近年來，在航空制造復(fù)雜零件測量領(lǐng)域，國外的光學(xué)掃描坐標(biāo)測量機(jī)發(fā)展十分迅速。坐標(biāo)測量技術(shù)從點(diǎn)觸發(fā)測量到接觸掃描，再到正在迅速發(fā)展的非接觸掃描測量，效率越來越高。不同類型的測頭同時(shí)使用或交替使用，是當(dāng)前重要的發(fā)展方向，是當(dāng)前測量機(jī)技術(shù)發(fā)展的前沿技術(shù)趨勢。精密測量測試技術(shù)配套技術(shù)發(fā)展，包括非接觸光學(xué)掃描測頭、多軸坐標(biāo)測量機(jī)及其控制系統(tǒng)、通用測量測試評價(jià)軟件等，國內(nèi)產(chǎn)品水平仍有較大差距。

　　坐標(biāo)測量技術(shù)的發(fā)展

　　1 坐標(biāo)測量機(jī)

　　坐標(biāo)測量機(jī)(Coordinate MeasureMachine，CMM)作為一種典型的通用高精度數(shù)控測量儀器，廣泛用于機(jī)械制造領(lǐng)域。它可以進(jìn)行零部件的尺寸、形狀和位置精度的檢測。由于它通用性強(qiáng)、測量范圍廣、精度和效率高，并能與數(shù)控加工系統(tǒng)組成柔性制造系統(tǒng)。坐標(biāo)測量機(jī)作為一類大型精密測量儀器，有“測量中心”之稱。在復(fù)雜零件的精密測量領(lǐng)域，坐標(biāo)測量機(jī)是主要的手段。測量機(jī)以其精度高、柔性強(qiáng)等特點(diǎn)在現(xiàn)代化的生產(chǎn)制造中起著越來越重要的作用，屬于自動(dòng)化生產(chǎn)和柔性制造中一個(gè)重要的組成部分。其不僅能夠完成各種零件的幾何元素、曲線和曲面的測量，還可以和其他加工設(shè)備，如加工中心、數(shù)控機(jī)床等聯(lián)機(jī)組成集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造和檢測的一體化。目前，國外著名的測量機(jī)廠家主要有Hexagon 公司、德國的Zeiss和WENZEL公司、意大利的Coord3公司、英國的IMS 公司、美國的OGP公司、日本的Mitutoyo 公司等;國內(nèi)的測量機(jī)廠家主要有中航工業(yè)精密所、西安愛德華公司等。中航工業(yè)精密所的大型龍門測量機(jī)(見圖1)和Hexagon 公司的移動(dòng)橋是典型的測量機(jī)結(jié)構(gòu)。

　　測量機(jī)在追求精度的同時(shí)，需要不斷提高環(huán)境適用性，德國Zeiss 公司開發(fā)出的Eclipse 550 小型CNC 測量機(jī)，專門為車間測量而設(shè)計(jì)，采用了熱不靈敏的陶瓷技術(shù)，使得測量機(jī)的測量精度在17.8～ 25.6℃的范圍內(nèi)基本可不受溫度影響;Hexagon 旗下公司所開發(fā)的檢測裝備ChameleonCMM，能以較快的速度實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)和掃描模式的轉(zhuǎn)換。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，檢測裝備不斷向高精度、高效率、多功能和低成本的方向發(fā)展，其各組成部分也都在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展。其主要發(fā)展趨勢可以概括為以下幾方面：

　　(1) 機(jī)械結(jié)構(gòu)

　　為了提高測量機(jī)的精度與效率，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用降低運(yùn)動(dòng)重心和減輕運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量的方法，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和運(yùn)動(dòng)速度;既滿足了傳統(tǒng)精度要求，又適應(yīng)了生產(chǎn)節(jié)奏不斷加快而提出的效率要求。

　　(2)測頭系統(tǒng)

　　在測頭方面，傳統(tǒng)的產(chǎn)品包括Renishaw、Zeiss、Hexagon等公司研制的接觸測頭。在最新的測頭技術(shù)中，采用了固態(tài)傳感器技術(shù)，大大減少了測量誤差，特別減少了在使用較長測桿時(shí)由于預(yù)行程變差所引起的誤差。

　　(3)控制系統(tǒng)

　　在控制系統(tǒng)方面，傳統(tǒng)的產(chǎn)品包括Pantec、UCC 等。為了提高與制造系統(tǒng)的兼容與匹配，必須要求測量機(jī)具有開放式的控制系統(tǒng)，具有更大的柔性和適用性。同時(shí)，多軸(四軸或四軸以上)聯(lián)動(dòng)控制有利于掃描測量的高精度實(shí)現(xiàn)。

　　(4)測量軟件

　　在測量軟件方面，傳統(tǒng)的產(chǎn)品包括RationalDMIS、PC-DMIS、Quindos等。為了將檢測裝備納入生產(chǎn)線，需要發(fā)展具有網(wǎng)絡(luò)通信、建模、反向工程功能模塊的軟件;同時(shí)完善應(yīng)用于不同類型工件的專用測量軟件的開發(fā)和使用。

　　2 非接觸坐標(biāo)測量技術(shù)

　　光學(xué)掃描測頭應(yīng)用于三坐標(biāo)測量機(jī)上已有20 余年，測量精度從開始時(shí)的數(shù)十微米左右發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)微米。光學(xué)坐標(biāo)測量種類和方法很多，包括：點(diǎn)結(jié)構(gòu)光掃描、線結(jié)構(gòu)光掃描、平面影像測量及三維影像合成等。影像測量已廣泛應(yīng)用于坐標(biāo)測量，在測量二維尺寸方面具有優(yōu)勢，但對三維復(fù)雜曲面測量能力有限。測量機(jī)上對葉片等三維復(fù)雜曲面測量主要依靠結(jié)構(gòu)光測頭，即投射光束到工件表面，形成被測點(diǎn)云要素。投射的光束包括線結(jié)構(gòu)光和點(diǎn)結(jié)構(gòu)光。點(diǎn)光測頭投射光點(diǎn)到工件表面，對工件表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，相對線掃描方式效率較低，但測量精度可以達(dá)到10μm 左右，在測量精度上具有優(yōu)勢，對航空制造測量精度要求較高的場合更適用。目前，光學(xué)掃描坐標(biāo)測量精度雖然比接觸測量精度仍有差距，但相比過去數(shù)十微米的測量精度已經(jīng)大幅提升，所以這里仍然稱之為“精密”坐標(biāo)測量技術(shù)。在2010 年，德國的WENZEL公司率先推出了首款航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片多軸高速白光檢測裝備MAXOS/CORE，如圖2(左)所示。其采用白光點(diǎn)掃描測頭，采點(diǎn)速度可達(dá)4200點(diǎn)/min;其光點(diǎn)直徑可小至9μm，能夠測量到葉片表面非常微小的幾何特征，最大限度地降低了葉片實(shí)測表面的失真度;并且有效規(guī)避了激光測頭具有的散斑效應(yīng)以及反射光信號強(qiáng)度等問題，適用于各種表面的葉片測量。以色列Nextec 公司近年推出的環(huán)形激光三角法測頭，測量重復(fù)精度可以2μm，基于此測頭的掃描測量機(jī)，空間測量精度達(dá)到12μm(2σ)，在航空制造領(lǐng)域，尤其是葉片快速檢測，取得了較好的應(yīng)用。德國WENZEL 公司的五軸白光掃描測量機(jī)和以色列NEXTEC 公司的光學(xué)掃描測量機(jī)近年已經(jīng)進(jìn)入中國市場，如圖2 所示。近年來，光學(xué)測頭憑借其非接觸、高精度等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域，并逐步引起了國內(nèi)一些科研院所的關(guān)注，國內(nèi)對于光學(xué)測頭的研究起步較晚，目前，有多家高校、研究機(jī)構(gòu)正研制高精度光學(xué)掃描測頭。

　　3 在線測量技術(shù)

　　廣義在線測量是指在加工生產(chǎn)線中進(jìn)行測量，通常提到的在線測量是狹義上的，指在機(jī)床內(nèi)部加工過程中的測量。在線測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了零件加工后直接進(jìn)行測量，能夠減少二次裝夾誤差，提高效率。對于難加工材料或者難于裝夾找正的大型工件，在數(shù)控加工過程中需多階段加工和反復(fù)測量，在線測量意義重大。隨著在線測量技術(shù)的發(fā)展，測量已不僅僅是最終產(chǎn)品質(zhì)量評定手段，更重要的是為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造過程服務(wù)，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造過程和檢測手段充分集成，形成加工檢測一體化“智能制造系統(tǒng)”。測量的方式從傳統(tǒng)的“離線”測量，進(jìn)入到制造現(xiàn)場，參與到制造過程，實(shí)現(xiàn)“在線測量”，真正做到“加工即可測可知”。在線測量技術(shù)在測頭信號傳輸方式上從紅外傳輸向無線傳輸發(fā)展，在測量方式上從接觸觸發(fā)向接觸掃描和非接觸測量發(fā)展。中航工業(yè)精密所近年率先開發(fā)了光學(xué)在機(jī)(在線)測量系統(tǒng)，如圖3 所示。

　　4 其他專用測量技術(shù)

　　除上述傳統(tǒng)坐標(biāo)測量技術(shù)外，一些適合特定應(yīng)用場合的專用測量技術(shù)也在快速發(fā)展，包括關(guān)節(jié)臂測量、激光跟蹤儀、室內(nèi)GPS 等。關(guān)節(jié)臂式坐標(biāo)測量系統(tǒng)由多個(gè)關(guān)節(jié)構(gòu)成，安裝有測量探頭的測量臂為測量端，可由人牽引在物體表面滑動(dòng)掃描。機(jī)械臂的關(guān)節(jié)上裝有角度傳感器，可以實(shí)時(shí)測量關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，根據(jù)臂長和各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度計(jì)算出測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)。關(guān)節(jié)臂式坐標(biāo)測量系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)有量程大、體積小、重量輕、可在現(xiàn)場進(jìn)行測量，甚至裝在被測工件或機(jī)器上。由于其柔性的特點(diǎn)和采用人手操作，與正交式三坐標(biāo)測量機(jī)相比，測量速度快，且無需考慮路徑優(yōu)化等問題，因此使用更加靈活、快捷。激光跟蹤測量系統(tǒng)是工業(yè)測量系統(tǒng)中一種高精度的大尺寸測量儀器。由激光跟蹤頭(跟蹤儀)、控制器、用戶計(jì)算機(jī)、反射器(靶鏡)及測量附件等組成。激光跟蹤測量系統(tǒng)的工作基本原理是在目標(biāo)點(diǎn)上安置一個(gè)反射器，跟蹤頭發(fā)出的激光射到反射器上，又返回到跟蹤頭，當(dāng)目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，跟蹤頭調(diào)整光束方向來對準(zhǔn)目標(biāo)。同時(shí)，返回光束為檢測系統(tǒng)所接收，用來測算目標(biāo)的空間位置。

　　激光跟蹤儀不僅可以實(shí)現(xiàn)空間靜止目標(biāo)的三維高精度測量，而且可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤測量。激光跟蹤儀操作簡便，測量精度高、效率高，可以實(shí)時(shí)掃描測量和三維點(diǎn)云顯示，是大尺寸工業(yè)測量的主要手段之一，近年來得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。室內(nèi)GPS 測量系統(tǒng)基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的技術(shù)概念提出。安裝在裝配車間的室內(nèi)GPS 系統(tǒng)，繼承了全球定位系統(tǒng)發(fā)射器(衛(wèi)星)與各接收器相互獨(dú)立工作的概念。室內(nèi)GPS 系統(tǒng)由許多發(fā)射器和接收器構(gòu)成，發(fā)射器發(fā)射的信號由接收器接收，從而獲得接收器相對于發(fā)射器的水平方位角和垂直方位角。室內(nèi)GPS 在測量空間有較大的自由度, 可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)它的型號以便適應(yīng)測量空間，GPS 的測量范圍能達(dá)到2~300 m。由于反射器和接收器之間的信號是單向傳輸，因此接收器的個(gè)數(shù)沒有限制。只要對于某個(gè)接收器能同時(shí)接收到兩個(gè)以上的發(fā)射器發(fā)射的信號，就可以確定接收器的空間坐標(biāo)。