測量測試是機械制造技術(shù)重要的組成部分，測量是機械制造的眼睛，測量技術(shù)的先進性反映了產(chǎn)品的先進性。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。這里談談幾何量（幾何尺寸、型位誤差等）精密測量測試技術(shù)的發(fā)展狀況和趨勢，尤其是在航空制造中，光學掃描測量技術(shù)的最新發(fā)展和應用技術(shù)。

近年來，在航空制造復雜零件測量領(lǐng)域，國外的光學掃描坐標測量機發(fā)展十分迅速。坐標測量技術(shù)從點觸發(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使用或交替使用，是當前重要的發(fā)展方向，是當前測量機技術(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，包括非接觸光學掃描測頭、多軸坐標測量機及其控制系統(tǒng)、通用測量測試評價軟件等，國內(nèi)產(chǎn)品水平仍有較大差距。

坐標測量技術(shù)的發(fā)展

1 坐標測量機

坐標測量機（Coordinate MeasureMachine，CMM）作為一種典型的通用高精度數(shù)控測量儀器，廣泛用于機械制造領(lǐng)域。它可以進行零部件的尺寸、形狀和位置精度的檢測。由于它通用性強、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)。坐標測量機作為一類大型精密測量儀器，有“測量中心”之稱。在復雜零件的精密測量領(lǐng)域，坐標測量機是主要的手段。測量機以其精度高、柔性強等特點在現(xiàn)代化的生產(chǎn)制造中起著越來越重要的作用，屬于自動化生產(chǎn)和柔性制造中一個重要的組成部分。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備，如加工中心、數(shù)控機床等聯(lián)機組成集成系統(tǒng)，實現(xiàn)設計、制造和檢測的一體化。目前，國外著名的測量機廠家主要有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（見圖1）和Hexagon 公司的移動橋是典型的測量機結(jié)構(gòu)。

測量機在追求精度的同時，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，專門為車間測量而設計，采用了熱不靈敏的陶瓷技術(shù)，使得測量機的測量精度在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，能以較快的速度實現(xiàn)單點和掃描模式的轉(zhuǎn)換。隨著科學技術(shù)的不斷進步和適應現(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） 機械結(jié)構(gòu)

為了提高測量機的精度與效率，在機械結(jié)構(gòu)設計上，采用降低運動重心和減輕運動部件質(zhì)量的方法，提高系統(tǒng)動態(tài)性能和運動速度；既滿足了傳統(tǒng)精度要求，又適應了生產(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由于預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，必須要求測量機具有開放式的控制系統(tǒng)，具有更大的柔性和適用性。同時，多軸（四軸或四軸以上）聯(lián)動控制有利于掃描測量的高精度實現(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)絡通信、建模、反向工程功能模塊的軟件；同時完善應用于不同類型工件的專用測量軟件的開發(fā)和使用。

2 非接觸坐標測量技術(shù)

光學掃描測頭應用于三坐標測量機上已有20 余年，測量精度從開始時的數(shù)十微米左右發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)微米。光學坐標測量種類和方法很多，包括：點結(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。影像測量已廣泛應用于坐標測量，在測量二維尺寸方面具有優(yōu)勢，但對三維復雜曲面測量能力有限。測量機上對葉片等三維復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，形成被測點云要素。投射的光束包括線結(jié)構(gòu)光和點結(jié)構(gòu)光。點光測頭投射光點到工件表面，對工件表面進行逐點掃描，相對線掃描方式效率較低，但測量精度可以達到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，光學掃描坐標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)動機葉片多軸高速白光檢測裝備MAXOS/CORE，如圖2（左）所示。其采用白光點掃描測頭，采點速度可達4200點/min；其光點直徑可小至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以及反射光信號強度等問題，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，測量重復精度可以2μm，基于此測頭的掃描測量機，空間測量精度達到12μm（2σ），在航空制造領(lǐng)域，尤其是葉片快速檢測，取得了較好的應用。德國WENZEL 公司的五軸白光掃描測量機和以色列NEXTEC 公司的光學掃描測量機近年已經(jīng)進入中國市場，如圖2 所示。近年來，光學測頭憑借其非接觸、高精度等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應用于工業(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)對于光學測頭的研究起步較晚，目前，有多家高校、研究機構(gòu)正研制高精度光學掃描測頭。

3 在線測量技術(shù)

廣義在線測量是指在加工生產(chǎn)線中進行測量，通常提到的在線測量是狹義上的，指在機床內(nèi)部加工過程中的測量。在線測量技術(shù)實現(xiàn)了零件加工后直接進行測量，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)品的設計和制造過程服務，使產(chǎn)品的設計、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，進入到制造現(xiàn)場，參與到制造過程，實現(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)了光學在機（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)坐標測量技術(shù)外，一些適合特定應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)臂式坐標測量系統(tǒng)由多個關(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掃描。機械臂的關(guān)節(jié)上裝有角度傳感器，可以實時測量關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度，根據(jù)臂長和各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度計算出測量點的三維坐標。關(guān)節(jié)臂式坐標測量系統(tǒng)的主要優(yōu)點有量程大、體積小、重量輕、可在現(xiàn)場進行測量，甚至裝在被測工件或機器上。由于其柔性的特點和采用人手操作，與正交式三坐標測量機相比，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、用戶計算機、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點上安置一個反射器，跟蹤頭發(fā)出的激光射到反射器上，又返回到跟蹤頭，當目標移動時，跟蹤頭調(diào)整光束方向來對準目標。同時，返回光束為檢測系統(tǒng)所接收，用來測算目標的空間位置。

激光跟蹤儀不僅可以實現(xiàn)空間靜止目標的三維高精度測量，而且可以實現(xiàn)運動目標的跟蹤測量。激光跟蹤儀操作簡便，測量精度高、效率高，可以實時掃描測量和三維點云顯示，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)需要設計它的型號以便適應測量空間，GPS 的測量范圍能達到2~300 m。由于反射器和接收器之間的信號是單向傳輸，因此接收器的個數(shù)沒有限制。只要對于某個接收器能同時接收到兩個以上的發(fā)射器發(fā)射的信號，就可以確定接收器的空間坐標。

航空典型零件的測量技術(shù)需求

1 葉片型面及進排氣邊測量

光學掃描坐標測量的典型應用之一是發(fā)動機葉片型面及進排氣邊的快速精密測量。葉片是航空發(fā)動機中形狀復雜、尺寸變化大的零件，葉片的加工質(zhì)量決定著發(fā)動機的工作性能。葉片的型面和進排氣邊對發(fā)動機的能量轉(zhuǎn)換效率有著巨大的影響, 但是，在發(fā)動機零部件的檢測中, 葉片型面和進排氣邊的檢測是目前仍然沒有很好解決手段的瓶頸環(huán)節(jié)。隨著發(fā)動機性能的不斷提升，葉片型面檢測精度要求也越來越高，檢測工作量巨大，對檢測效率要求很高，傳統(tǒng)的接觸觸發(fā)式坐標測量機不能滿足生產(chǎn)需求。目前，葉片檢測主要依賴于傳統(tǒng)的接觸式坐標測量機。接觸式三坐標測量機采點速度慢，測量效率低；空間復雜曲面的測量采點數(shù)量巨大，單點觸發(fā)式測量效率很難大幅提升。接觸式測量由于測尖球頭的存在，對尺寸很小的零件特征（例如葉尖半徑為0.2mm 的葉片邊緣等）的測量誤差很大，甚至根本無法測量，接觸式坐標測量用于葉片進排氣邊的檢測功能十分受限。目前為止，針對壓氣機進排氣邊檢測，各廠家大多采用光學放大鏡目測法、氣動多點葉型檢查儀、光學投影儀、光學跟蹤葉片型面檢查儀、水柱差壓式氣動量儀、標準樣板光隙法以及葉片型面光學機械儀等。因此，研究和研制發(fā)動機進排氣邊緣專用高效、精密檢測坐標測量機尤為重要，在獲得檢測數(shù)據(jù)的同時，還可以把檢測結(jié)果反饋于加工，有利于提高葉片邊緣的加工質(zhì)量，提高其空氣動力學性能。中航工業(yè)精密所研制了光學掃描測量機，用于葉片及進排氣邊檢測。

2 整體葉盤測量技術(shù)

整體葉盤結(jié)構(gòu)復雜，葉片型面為復雜自由曲面，葉盤薄、彎曲角度大、形狀復雜、精度要求高，相鄰葉片之間的通道深而窄、開敞性差，因此造成整體葉盤測量難度大。如何高效、高精度完成整體葉盤測量一直是測量技術(shù)所面臨的難題之一，傳統(tǒng)的測量方法是利用三坐標測量機攜帶不同規(guī)格的接觸式測頭在葉盤上對每個葉片進行逐點測量，測量速度慢，效率低，無法滿足整體葉盤快速、高效檢測需求。隨著測量技術(shù)的發(fā)展，掃描測頭技術(shù)的應用，多軸接觸式快速掃描測量在整體葉盤測量中得到了快速的發(fā)展。高精度多軸測量機、專業(yè)分析和評價軟件是整體葉盤測量必備條件。整體葉盤測量實現(xiàn)途徑有兩種：一種是帶精密轉(zhuǎn)臺的測量機配備旋轉(zhuǎn)測頭座和接觸式掃描測頭實現(xiàn)葉盤型面的快速測量，利用Blade 等葉片評估軟件完成測量結(jié)果分析。 另一種是采用RENISHAW公司REVO測頭，利用Renscan 五軸掃描技術(shù)，實現(xiàn)整體葉盤高速掃描測量，速度高達 500mm/s。專業(yè)APEXBlade 軟件快速生成五軸測量DMIS 程序、SurfitBlade 軟件計算和報告葉片截面輪廓，采用REVO 測頭的掃描測量已經(jīng)開始應用于整體葉盤，如圖4 所示。

3 微小精密零件測量技術(shù)

微小精密零件的特征包括微孔、微錐面和微螺旋槽，發(fā)動機燃燒室燃油噴嘴是典型的微小精密零件。針對噴嘴的微小復雜結(jié)構(gòu)特點，采用非接觸測量模塊和接觸式微孔測量專用模塊相結(jié)合的方式對噴嘴的微孔、微槽和微錐進行測量。非接觸測量模塊采用中航工業(yè)精密所研制的Agility 小型多軸非接觸測量機來實現(xiàn)。該模塊采用“三直線軸+ 轉(zhuǎn)臺”的多軸快速運動機構(gòu)，加速度大、速度快，最高速度可以達到750mm/s ；搭載基于錐光偏振全息技術(shù)的高精度激光測頭，測頭測量精度可以達到1μm。同時非接觸測量模塊還配備了基于噴嘴CAD 模型的專用智能化測量軟件，其通過模型可以實現(xiàn)對噴嘴微小復雜曲面非接觸測量的自動路徑規(guī)劃，保證非接觸測頭光束的法線跟隨，從而可以實現(xiàn)對噴嘴微槽類特征的快速精密測量，其精度可以達到5μm。中航工業(yè)精密所研制的小型多軸測量機如圖5 所示。對于噴嘴的微孔、微錐特征來說，采用基于電感式微小感應測頭的接觸式測量模塊對不同的孔徑進行測量，從而得到內(nèi)孔孔徑、錐角和微孔的其他特征參數(shù)。該模塊利用微型精密運動結(jié)構(gòu)，通過自適應的柔性鉸接接頭搭載兩瓣式微型盲孔測頭，其與被測面接觸面積小、靈敏度高，能夠?qū)娮斓膬?nèi)孔特征進行精確測量。

如今，測量測試技術(shù)在制造行業(yè)中的地位越來越重要，制造過程中的任何一個環(huán)節(jié)都離不開測量技術(shù)的支撐。目前國內(nèi)測量測試技術(shù)落后于高端制造技術(shù)的發(fā)展需要。航空產(chǎn)品的復雜性使零部件各具特點，不同的零部件在生產(chǎn)過程中有不同的快速檢測需求。例如，飛機的梁、框、肋類零件需要對其輪廓外形、筋條位置與高度、孔位等尺寸進行快速檢測；發(fā)動機葉片、整體葉盤、飛機蒙皮和整流罩類立體復雜曲面件需要對其型面、邊緣位置和尺寸進行快速檢測；發(fā)動機噴油嘴等微小零件需要對微孔、微槽和微錐等進行精密測量；復材壁板需要對其型面、切邊等尺寸進行快速檢測；任何測量設備和方法都不是萬能的，都有其優(yōu)點和局限性，如何綜合利用坐標測量技術(shù)解決生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的檢測問題是目前航空制造發(fā)展的關(guān)鍵和瓶頸。

精密三坐標測量技術(shù)同樣應用在高精度容積式流量計的加工生產(chǎn)中。上海康匯研發(fā)生產(chǎn)的U-How?容積式旋轉(zhuǎn)活塞流量計，屬于精密加工計量器件，經(jīng)過北京市計量檢測科學研究院檢測認證，精度達到1.0級。確保了流量計轉(zhuǎn)子達到50萬轉(zhuǎn)次以上和腔體容積的穩(wěn)定性，腔體及轉(zhuǎn)子等主要部件，保證部件尺寸精度達到1μm以上。

U-How?康匯燃油流量計

U-How?康匯流量計是上海康匯實業(yè)發(fā)展有限公司，根據(jù)旋轉(zhuǎn)活塞式工作原理自主研發(fā)生產(chǎn)的，具有測量流速低、量程寬、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、工作安全可靠等特點的高精度流量傳感器。

工作原理

旋轉(zhuǎn)活塞式流量計，是屬于容積式流量計，它基于活塞與計量室一直保持的相切密封狀態(tài)。并有一個固定的偏心距計量元件活塞，在壓差的作用下，對活塞產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，使活塞做偏心旋轉(zhuǎn)運動，活塞的轉(zhuǎn)數(shù)正比于流體的流量，通過記數(shù)機構(gòu)記錄出活塞轉(zhuǎn)數(shù)，即可測得流體總流量。

旋轉(zhuǎn)活塞式流量計進出口由隔板隔開。當被測流體從進口進入計量室，這時進出口形成壓差，迫使活塞逆時針旋轉(zhuǎn)如圖a所示。流體連續(xù)流入，迫使活塞轉(zhuǎn)動如圖b所示，形成二個半月牙腔體，在壓差作用下迫使活塞轉(zhuǎn)動如圖c，V2流體從出口排出，使活塞轉(zhuǎn)動如圖d所示，在壓差作用下轉(zhuǎn)動，活塞每轉(zhuǎn)一周迸出的流體等于V1+V2的和。

工作原理圖

流量計爆炸圖：

產(chǎn)品參數(shù)

1、機械部分：

2、電子部分：

測量介質(zhì)：

可測量輕質(zhì)和中質(zhì)油料，如：汽油、柴油、煤油、石腦油、潤滑油

產(chǎn)品資質(zhì)

1. 發(fā)明專利：ZL201020504169.8流量傳感器

2. 國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心車輛檢測報告

3. 交通部委托北京計量院精度檢測報告

油耗監(jiān)控解決方案

應用對象

1.發(fā)動機：

火車、汽車、工程車、拖拉機、發(fā)電機組及內(nèi)河或近海航行的船舶中測量各類動力機器的燃油消耗量，及各種較重液體的裝卸計量和管道過液計量。

2.燃燒器：

車載鍋爐、移動鍋爐等設備的燃油消耗計量。

數(shù)據(jù)采集方式

通過采集流量計脈沖數(shù)據(jù)的方式，以RS485/RS232對接設備單位的系統(tǒng)集成

解決方案