坐標(biāo)測量技術(shù)是衡量精密制造和測量水平的重要標(biāo)志。美、德、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國家都曾投入大量人力物力發(fā)展坐標(biāo)測量技術(shù)，產(chǎn)生了如hexagon、zeiss、mitutoyo等。直至目前，中小型坐標(biāo)測量技術(shù)已成熟，大型和微型坐標(biāo)測量技術(shù)發(fā)展迅速，智能坐標(biāo)測量技術(shù)則成為研究熱點。
zeiss公司推出了*臺計算器數(shù)字控制（cnc）的三坐標(biāo)測量機(jī)umm500
回顧：標(biāo)志性事件
*臺坐標(biāo)測量機(jī)
1959年，法國巴黎機(jī)床博覽會上，蘇格蘭ferranti公司展出了*臺坐標(biāo)測量機(jī)。該測量機(jī)為直角坐標(biāo)測量機(jī)，在x軸和y軸上設(shè)置了2個可移動的導(dǎo)軌和讀數(shù)裝置，并在z向上放置位移傳感器，測量精度為0.001inch。自此，坐標(biāo)測量機(jī)將測量技術(shù)革命性地從傳統(tǒng)的比較式測量模式帶入空間點坐標(biāo)測量模式。
*臺激光跟蹤儀
1968年，美國sandia國家實驗室研制了激光跟蹤儀。激光跟蹤儀基于球坐標(biāo)測量原理進(jìn)行坐標(biāo)測量，跟蹤鏡發(fā)出的激光在安置于目標(biāo)點的反射鏡上發(fā)生反射，回到跟蹤鏡，當(dāng)目標(biāo)移動時，跟蹤鏡調(diào)整光束方向來對準(zhǔn)反射鏡；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。激光跟蹤儀量程為幾十米甚至上百米，分辨率為微米或亞微米級。
*個觸發(fā)式測頭
1972年，davidmcmurtry發(fā)明了觸發(fā)式測頭。其原理是，當(dāng)測球和被測工件接觸時，電開關(guān)發(fā)出脈沖信號，儀器定位系統(tǒng)鎖存測球球心坐標(biāo)值。觸發(fā)式測頭的出現(xiàn)使測量從依靠人工讀數(shù)轉(zhuǎn)入了借助工具讀數(shù)，提高了探測的重復(fù)性和精度。
*臺cnc控制的坐標(biāo)測量機(jī)
1973年，德國zeiss公司推出了*臺計算器數(shù)字控制（cnc）的三坐標(biāo)測量機(jī)umm500（如右圖）。該測量機(jī)采用hp9810計算器，并配置了接觸式掃描測頭，三軸測量精度達(dá)到0.5μm。cnc數(shù)控系統(tǒng)提高了坐標(biāo)測量技術(shù)的自動化水平，奠定了快速掃描測量的基礎(chǔ)，提高了測量效率和精度，并增強(qiáng)了坐標(biāo)測量機(jī)的功能。
*次提出軟件補(bǔ)償誤差技術(shù)
1977年，r.hocken等在mooren.5坐標(biāo)測量機(jī)上實現(xiàn)了誤差的軟件補(bǔ)償，并為此獲得了生產(chǎn)工程科學(xué)院的泰勒獎?wù)隆?985年天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院張國雄教授等對坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行了軟件誤差補(bǔ)償，將精度從20μm提高到2μm。此后，各種軟件誤差補(bǔ)償技術(shù)迅速發(fā)展，如熱誤差補(bǔ)償、動態(tài)誤差補(bǔ)償?shù)?，并獲得廣泛應(yīng)用。
*臺并聯(lián)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)測量機(jī)
1978年，前蘇聯(lián)lapik公司推出了并聯(lián)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)測量機(jī)。該測量機(jī)具有結(jié)構(gòu)剛性大、運動速度高、誤差不疊加等特點，改善了測量精度和效率。
*次提出智能坐標(biāo)測量技術(shù)
1984年，theodoreh.hopp等對智能坐標(biāo)測量技術(shù)進(jìn)行了初步探索，提出從cad數(shù)據(jù)庫中提取公差項和測量項目，并利用它們來驅(qū)動測量的規(guī)劃和伺服控制。此后，智能坐標(biāo)測量技術(shù)不斷發(fā)展。2004年，筆者提出了“免形狀（form-free）”測量模式，并據(jù)此研制了復(fù)雜形狀測量機(jī)formfree300。該測量機(jī)的意義在于：一臺儀器就是一個“開放”的平臺，不依賴于被測對象；能快速實現(xiàn)未知形狀的識別；在“免形狀”測量模式下，擴(kuò)展了精密量儀的功能，減少了儀器配置；更*地避免了操作人員的干預(yù)，有利于提高測量精度并降低了人員的勞動強(qiáng)度。
*臺關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)
1986年，日本小坂研究所的小美濃武久等研制了關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)。關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)由多個關(guān)節(jié)組成，安裝有探測系統(tǒng)的測量臂可由人牽引對零件表面進(jìn)行測量。安裝在關(guān)節(jié)上的角度傳感器獲得轉(zhuǎn)動角度，結(jié)合臂長可計算出測量點的坐標(biāo)值。其主要優(yōu)點為量程大、體積小、質(zhì)量輕、靈活方便、便于現(xiàn)場測量。
*個測量軟件標(biāo)準(zhǔn)
1983年，美國cam–i公司對坐標(biāo)測量機(jī)編程規(guī)范和尺寸測量接口標(biāo)準(zhǔn)（dmis）發(fā)起討論，zui早的dmis版本于1987年問世。dmis的目的是為計算器系統(tǒng)和檢測設(shè)備之間提供一個雙向的檢測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，利用這些標(biāo)準(zhǔn)可以為檢測程序和檢測結(jié)果建立一個中性格式。dmis綜合了用戶和制造商的意見，開創(chuàng)了編制坐標(biāo)測量行業(yè)規(guī)范的先河，奠定了坐標(biāo)測量軟件的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)。
*臺納米坐標(biāo)測量機(jī)
1999年，英國國家物理實驗室（npl）基于商用測量機(jī)pmm12106研制了一臺小量程測量機(jī)。該測量機(jī)的空間量程為50mm×50mm×50mm，測量不確定度為50nm。納米三坐標(biāo)測量機(jī)開創(chuàng)了坐標(biāo)測量精度新紀(jì)元，從而為微型制造奠定了堅定的技術(shù)基礎(chǔ)。
現(xiàn)狀：競爭造就精細(xì)技術(shù)
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(jī)和非直角（非正交）坐標(biāo)測量機(jī)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(jī)日益滿足現(xiàn)代*制造與科學(xué)研究需要；大尺寸坐標(biāo)測量機(jī)發(fā)展迅速；微型/納米級坐標(biāo)測量機(jī)成為研究熱點；新材料在測量機(jī)中應(yīng)用普遍。
直角坐標(biāo)測量機(jī)包括移動橋式坐標(biāo)測量機(jī)、固定橋式坐標(biāo)測量機(jī)、移動工作臺式坐標(biāo)測量機(jī)、懸臂式坐標(biāo)測量機(jī)等形式。非直角坐標(biāo)測量機(jī)則包括并聯(lián)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)測量機(jī)、關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測量機(jī)、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(jī)的測量不確定度大于3μm，精密型測量機(jī)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(jī)為計量型測量機(jī)，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(jī)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(jī)。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，zui大承載質(zhì)量為45,360kg，工件zui大直徑可達(dá)6,000mm。20世紀(jì)末，美國arcsecond公司開發(fā)了基于定位系統(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(jī)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(jī)的量程多不超過100mm×100mm×100mm，分辨率可達(dá)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(jī)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(jī)多采用鋁合金材料，德國leitz公司的pmm–c型測量機(jī)采用陶瓷材料作為z軸，德國zeiss公司的upmc系列測量機(jī)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(jìn)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*的“測座碰觸”方法進(jìn)行快速觸發(fā)測量和五軸無級定位，確保實現(xiàn)*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(jī)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(jìn)行機(jī)動測量，其控制精度高、速度快、插補(bǔ)運算功能強(qiáng)，測量機(jī)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(dá)1nm。
多數(shù)測量機(jī)采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)配置傳動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動形式。旋轉(zhuǎn)電機(jī)配置傳動機(jī)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(jī)驅(qū)動坐標(biāo)測量技術(shù)正在發(fā)展。直線電機(jī)具有零傳動、非接觸、無摩擦、快速度、微進(jìn)給等優(yōu)點，*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)測量的率、高精度和高可靠性。
坐標(biāo)測量機(jī)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(jī)被用作測量機(jī)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(jī)和制造系統(tǒng)之間的機(jī)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(jī)性能的關(guān)鍵因素，包括基本測量軟件、測量評價軟件、統(tǒng)計分析軟件、驅(qū)動和補(bǔ)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zui小二乘法和zui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(jī)進(jìn)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。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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jì)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(jī)與數(shù)控機(jī)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(jī)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(jī)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(bǔ)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(jì)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(jī)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*力強(qiáng)的多功能控制技術(shù)將得到發(fā)展，基于功能強(qiáng)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(jī)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(jī)效率。此外，研究高速驅(qū)動系統(tǒng)以及完善測量機(jī)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(jī)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(jī)之間以及測量機(jī)和數(shù)控機(jī)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(bǔ)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zui小區(qū)域、zui大內(nèi)接與zui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(jī)檢測手段。隨著對iso10360的不斷修訂，以及iso/ts15530坐標(biāo)測量機(jī)測量不確定度評定標(biāo)準(zhǔn)、iso/ts23165坐標(biāo)測量機(jī)檢定不確定度評定導(dǎo)則的發(fā)布，對坐標(biāo)測量機(jī)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(jī)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(jī)的發(fā)展。