面向新世紀迅速發展的精密測量技術

        當前，制造業省人化、自動化趨勢進展迅猛異常，而測量作業在此過程中是不可或缺的關鍵環節，它與生產加工和制品運送同等重要。制造業對測量儀器的需求，在經過1998、1999年的低迷疲軟之后，2000年后有了較明顯的增長。當今世界，提高運營效率已成為制造業面臨的重大課題，制造技術也隨之掀起了不斷革新的浪潮。在這種注重經營和技術創新的前提下，對測量儀器行業也提出了更高的要求，即量儀產品必須實現高速、高精度和系統化，而且必須與IT產業的發展相對應，同時應進一步加強質量管理。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，積極開發新技術、新產品。本文擬介紹近年來各公司面向新世紀開發的精密測量新技術和相關產品。

需求由疲軟轉向增長 

        由于受到長期經濟增長呆滯的影響，自1998年以來，精密測量儀器的需求一直處于不景氣狀態。測量儀器是一個深受機床和汽車工業動向影響的行業。以日本的情況為例，1999年日本機床的訂貨回升，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、千分尺等的產量均有所回升。當然，1999年由于產品單件價格下滑等因素，測量儀器行業總的形勢仍有兩位數字的下降幅度。

進入2000年以后，盡管增長緩慢，但從年初開始，連續9個月精密測量儀器的產值均呈正值增長。其中，傳統型號的產品仍占市場的主流，但在三坐標測量機、粗糙度測量儀、圓度測量儀等方面，則對高精度產品需求的增長十分突出。預計，今后對那些面向質量管理的測量輔助系統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。如果不能適應此種需求去開發產品，則將難以擴大精密測量儀器的市場規模。當前，尤其是與半導體相關的領域，測量技術不敷應用的狀況亟待改善。

據日本有關的調查顯示，各測量儀器相關企業2000年的產值(以1998年度為100進行比較計算)將有兩位數字的增長，增長幅度可望達到10%～30%。其中，BLOM-LMT公司的產值增長幅度估計將達80%，SOL公司的產值可增長90%。這些企業大都經營國外測量機產品，他們的增長幅度明顯高于日本國內企業。日本測量儀器企業中，以東京精密公司的增長幅度最高，估計2000年將增長60%，銷售的產品中，70%以上為半導體制造行業所需的測量儀器。

努力增強產品開發能力 

        面對需求增長的良好勢頭，各公司正在加大資金投入，努力增強開發新產品的能力。如以機床行業為最大用戶的索尼精密工程公司，在其下屬的伊勢原事業所內建立了“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務，并和專門生產電動測微儀的索尼テヶトロニヶス公司合作，通過索尼公司內部的協作，對機械式和電動式測微儀進行委托校正服務，預計2001年的營業收入將達1億日元。 

        當前，制造業省人化、自動化趨勢進展迅猛異常，而測量作業在此過程中是不可或缺的關鍵環節，它與生產加工和制品運送同等重要。制造業對測量儀器的需求，在經過1998、1999年的低迷疲軟之后，2000年后有了較明顯的增長。當今世界，提高運營效率已成為制造業面臨的重大課題，制造技術也隨之掀起了不斷革新的浪潮。在這種注重經營和技術創新的前提下，對測量儀器行業也提出了更高的要求，即量儀產品必須實現高速、高精度和系統化，而且必須與IT產業的發展相對應，同時應進一步加強質量管理。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，積極開發新技術、新產品。本文擬介紹近年來各公司面向新世紀開發的精密測量新技術和相關產品。

需求由疲軟轉向增長 

        由于受到長期經濟增長呆滯的影響，自1998年以來，精密測量儀器的需求一直處于不景氣狀態。測量儀器是一個深受機床和汽車工業動向影響的行業。以日本的情況為例，1999年日本機床的訂貨回升，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、千分尺等的產量均有所回升。當然，1999年由于產品單件價格下滑等因素，測量儀器行業總的形勢仍有兩位數字的下降幅度。

進入2000年以后，盡管增長緩慢，但從年初開始，連續9個月精密測量儀器的產值均呈正值增長。其中，傳統型號的產品仍占市場的主流，但在三坐標測量機、粗糙度測量儀、圓度測量儀等方面，則對高精度產品需求的增長十分突出。預計，今后對那些面向質量管理的測量輔助系統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。如果不能適應此種需求去開發產品，則將難以擴大精密測量儀器的市場規模。當前，尤其是與半導體相關的領域，測量技術不敷應用的狀況亟待改善。

據日本有關的調查顯示，各測量儀器相關企業2000年的產值(以1998年度為100進行比較計算)將有兩位數字的增長，增長幅度可望達到10%～30%。其中，BLOM-LMT公司的產值增長幅度估計將達80%，SOL公司的產值可增長90%。這些企業大都經營國外測量機產品，他們的增長幅度明顯高于日本國內企業。日本測量儀器企業中，以東京精密公司的增長幅度最高，估計2000年將增長60%，銷售的產品中，70%以上為半導體制造行業所需的測量儀器。

努力增強產品開發能力 

        面對需求增長的良好勢頭，各公司正在加大資金投入，努力增強開發新產品的能力。如以機床行業為最大用戶的索尼精密工程公司，在其下屬的伊勢原事業所內建立了“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務，并和專門生產電動測微儀的索尼テヶトロニヶス公司合作，通過索尼公司內部的協作，對機械式和電動式測微儀進行委托校正服務，預計2001年的營業收入將達1億日元。 

        三豐公司為了增強產品開發能力，已于2000年4月在川崎市高津區建立了由總公司直接管轄的“川崎研究開發中心”，該中心將對三豐集團的研究開發力量進行統一調配，使公司分散在國內外的研究所、開發部門相互聯接為一個整體，從而大大增強了開發能力�，F已開發出非接觸式測量機和新型卡尺、千分尺等。該中心的運作方式大體如下：首先將三豐集團分散于國內外的研究部、研究所聯為一體，再按其特點分別從事關鍵技術、新產品、新技術的開發工作，最后由中心匯總至生產之中。 

        東京精密公司則非常重視那些具有特殊技能的專業技術人員，在法定的工作年限內(通常為60歲)，讓他們擔任重要的管理職務，并委任他們為公司的“常務理事”。對于這些具有技術專長的人員，工作年限可以延長到65歲；同時，還采取減少集體股份和增加個人持股等措施，以適應圍繞企業周邊的環境變化，提高經營業務的透明度。 

        另一個值得注意的動向是外國公司設在日本的法人企業正在竭力擴大其日本市場的占有份額。如BLUM-LMT公司是德國測量機企業BLUM-NOVOTEST公司在日本建立的法人企業，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的亞洲地區開展了營銷活動。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，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原理，為非接觸傳輸。Z-NANO的測量精度很高，測頭的重復精度達0.5μｍ。BLUM-LMT公司在提供檢測儀器的同時，還提供相應的技術服務。 

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

        德國最大的測量機制造企業瑪勒公司最初是向日本推銷卡尺之類的小型測量工具，隨后才銷售三坐標測量機等大型測量設備�，斃展�司除了完善新的小型測量機專銷網點外，還開展了網上銷售業務，他們試圖通過多種銷售渠道擴大市場占有份額。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、九州等地區建立和完善了代銷網點，同時，配合網上銷售，已經建立起一個小型測量裝置的專門銷售體制。

非接觸、高效率是測量技術的重要發展方向 

        近來來，精密測量技術的發展迅速，成果喜人。例如在線測量技術，已可進行加工狀態的實時顯示，根據對加工狀態的監控，可及時檢測是否出現異常狀況，從而可大幅度提高生產效率。另外，對于機床控制裝置，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，因為諸如汽車發動機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、防止環境污染和節省能耗，這些都是時代對制造業提出的緊迫要求。 

        在高精度加工和質量管理過程中，通常均需使用三坐標測量機、圓度形狀測量機、表面粗糙度測量機、各種長度及角度測量裝置等設備。光學測量機是以光學系統等硬件為主要功能部件的制品，因此，隨著光機電一體化、系統化的進展，光學測量技術有了迅速的發展，相應的測量機產品大量涌現，測量軟件的開發也日益受到重視。 

        近年來，利用光學原理開發的非接觸測量機及各種裝置非常多。如MARPOSS公司的非接觸式工具測量系統Mida Laser就是利用激光測頭的新型測量機，該機可在CNC機床保持運轉的情況下，自動對所用工具進行非接觸測量，并可根據測量所得數值，對工具進行自動定位。索尼精密工程公司的非接觸形狀測量機YP20/21也是利用半導體激光高速高精度自動聚焦傳感器的形狀測量機，所用刻度尺均系標準元件。傳感器和載物臺均由微型計算機控制，具有優異的操作性能和數據處理功能。YKT公司銷售的非接觸三坐標測量系統Zip250是一種高剛性、高速、高精度的新型測量機。該機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。機上配裝了帶數碼法蘭盤的CCD攝像機和最新DSP轉換器，因此，可進行高速圖像處理測量，同時，也可與接觸式測頭并用進行相關測量。

隨著非接觸、高效率測量機的大量出現，專家們預計，21世紀測量技術的發展方向大致如下：

(1)測量精度由μｍ級向nm級發展，進一步提高測量分辨率；

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

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

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

        總之，測量技術必須實現高精度化，同時也要求實現高速化和高效率化，因此，非接觸測量和高效率測量也就必然成為新世紀精密測量技術的重要發展方向。

不斷開發高性能產品 

        需求形勢的好轉，進一步激發了生產企業開發新產品的積極性。近年來，各公司不斷推出高性能的測量機產品。在高分辨率方面，前述索尼公司的YP20/21最為突出，該機是一種超高精度非接觸式形狀測量機，其Z軸的分辨率高達10nm，重復精度為±30nm。該公司還生產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，最近市場上出現了配裝高速高密度掃描測頭的三坐標測量機，如東京精密公司開發的CONTURA三坐標測量機就匯集了最新掃描技術，可進行高密度數據采集(200點/秒)。該機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。該公司開發的圓度、圓柱形狀測量機RONDCOM65A，據稱可測量目前世界上可達到的最高回轉精度0.01μｍ，測量機上也配有最新的解析程序TIMS，可實現高速高效率精密測量作業，最大測量直徑為φ420mm，左右送進范圍為220mm，上下送進范圍為500mm。 

        英國Taylor Hobson公司開發出一種分離式表面形狀及粗糙度測量機，操作、顯示均采用紅外線信號，因此，可對驅動測量部分進行遙控。驅動測量部分采用2μｍ測頭，測量范圍為1mm，分辨率為16nm。另外，該公司還開發出Tarlyrond 265/290系列圓度及圓柱度測量機，該機測量范圍廣，可對小至幾mm的微型零件，大至75kg的大型零件，進行全自動測量。該機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，可對工件的內圓、外徑、端面進行全自動測量。Tarlyrond測量機采用模塊化設計，可根據不同需要，選擇不同的配置組合。該機的測量范圍為φ350～500mm，測量圓度精度為±(0.04μｍ+0.3μｍ/m)。 

        Brown & Sharpe 公司開發的PMM-C700測量機采用不移動橋架的結構，從而可長期保證橋架移動型結構難以達到的高精度和高穩定性。該機的最小分辨率為0.005μｍ，可對凸輪軸、渦輪葉片等復雜形狀的機械零件進行高速高精度測量。

齒輪形狀曲線復雜，測量起來極為困難。日本大阪精密機械公司開發出一種準雙曲面齒輪測量機，型號為HyB-35，該機不僅可進行三坐標測量機那樣的晶格結點測量，而且可在線性方面對輪齒的棱邊進行測量，從而捕捉到導致出現噪聲和振動的微細形狀誤差，以進一步提高齒輪精度。

分辨率達到0.1μｍ的刻度尺 

        索尼精密工程公司開發出一種非接觸圖像測量機，型號為YF10。這是一種利用圖像處理技術的精密測量機，機上配置了數字攝像裝置，采用了全軸分辨率為0.1μｍ的刻度尺；此外，該機還采用閉環控制系統，可進行高精度測量。

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

        東京精密公司開發的便攜式三維測量系統Optigo，是一種高效高速測量三維曲面的新型測量裝置，該裝置配有新設計的光學系統和數據處理系統，可對汽車的門窗，阻尼器等大型零件進行高速非接觸測量。 

        在通常情況下，作為生產現場使用的測量機具，必須保證在整個測量過程中具有良好的操作性能，而且必須力求節省所占用的空間。如三豐公司開發出一種柔性測量裝置QM-Measure，這是專門為在加工現場測量復雜形狀而研制的袖珍型三坐標測量機，特點是操作簡便，價格低廉。西鐵城公司開發出一種電動測微儀用的小型上置式DTM-C系列，實現了生產設備機械小型化和高精度化，進深達7cm，而體積卻減小了2/3，非常便于安裝在其他生產設備上使用，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了一種非接觸式工具檢測系統NC1，這是一種高速非接觸式測量系統，能快速進行工具長度、直徑的測量，該系統的特點是可在激光束的任意位置上對工具進行測量，測量范圍0.2～0.8mm，分辨率為1μｍ。NC1系統采用了新型激光技術，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。該系統在正常情況下，其使用壽命可達100萬次測量。 

        在超精密及半導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，光線隨著通過的媒體折射率的不同而變化，因此，進行高精度測量時，還必須進行精密的補償。HEIDENHAIN公司開發出一種高精度高分辨率測長系統LIP382/372，可取代以往的激光干涉儀。該系統的測量基準是固定的，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，可以刻出非常細小的刻度；刻度尺的縱向距離可保持0.5μｍ精度，其重復精度極高，只需進行簡單的補償，在小于1mm距離內的測量精度可達數nm，而且其信號非常穩定。 

        綜觀當前精密測量技術的發展狀況，有如下一些特點：普遍追求高速、高精度、系統化、網絡化；為了便于在線測量，各公司正在大力開發小型化的精密測量裝置；為了增強市場競爭能力，生產廠家均在努力加強質量管理，降低生產成本。隨著全球IT產業的蓬勃發展，精密測量領域也不斷開發出適應IT特點的測量機產品�？梢灶A計，面對新世紀的需求，精密測量技術將進一步集約化，產品結構更為緊湊，操作性能進一步提高，自動化水平也必將提升到新的檔次。當然，各廠家高性能產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，擁有先進的管理系統，誰就將在競爭中穩操勝券。