測量測試是機械制造技術重要的組成部分，測量是機械制造的眼睛，測量技術的先進性反映了產品的先進性。精密測量測試技術不僅對產品質量控制起決定作用，在現代高檔數控和智能技術為主導的制造系統中，測量測試技術直接參與精密制造過程，并對制造水平起到決定作用。這里談談幾何量（幾何尺寸、型位誤差等）精密測量測試技術的發展狀況和趨勢，尤其是在航空制造中，光學掃描測量技術的最新發展和應用技術。

近年來，在航空制造復雜零件測量領域，國外的光學掃描坐標測量機發展十分迅速。坐標測量技術從點觸發測量到接觸掃描，再到正在迅速發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，是當前重要的發展方向，是當前測量機技術發展的前沿技術趨勢。精密測量測試技術配套技術發展，包括非接觸光學掃描測頭、多軸坐標測量機及其控制系統、通用測量測試評價軟件等，國內產品水平仍有較大差距。

坐標測量技術的發展

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控測量儀器，廣泛用于機械制造領域。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，并能與數控加工系統組成柔性制造系統。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、柔性強等特點在現代化的生產制造中起著越來越重要的作用，屬于自動化生產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、數控機床等聯機組成集成系統，實現設計、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；國內的測量機廠家主要有中航工業精密所、西安愛德華公司等。中航工業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構。

測量機在追求精度的同時，需要不斷提高環境適用性，德國Zeiss 公司開發出的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，使得測量機的測量精度在17.8～ 25.6℃的范圍內基本可不受溫度影響；Hexagon 旗下公司所開發的檢測裝備ChameleonCMM，能以較快的速度實現單點和掃描模式的轉換。隨著科學技術的不斷進步和適應現代化生產的需要，檢測裝備不斷向高精度、高效率、多功能和低成本的方向發展，其各組成部分也都在傳統技術的基礎上不斷發展。其主要發展趨勢可以概括為以下幾方面：

（1） 機械結構

為了提高測量機的精度與效率，在機械結構設計上，采用降低運動重心和減輕運動部件質量的方法，提高系統動態性能和運動速度；既滿足了傳統精度要求，又適應了生產節奏不斷加快而提出的效率要求。

（2）測頭系統

在測頭方面，傳統的產品包括Renishaw、Zeiss、Hexagon等公司研制的接觸測頭。在最新的測頭技術中，采用了固態傳感器技術，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

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

（4）測量軟件

在測量軟件方面，傳統的產品包括RationalDMIS、PC-DMIS、Quindos等。為了將檢測裝備納入生產線，需要發展具有網絡通信、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和使用。

2 非接觸坐標測量技術

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十微米左右發展到現在的數微米。光學坐標測量種類和方法很多，包括：點結構光掃描、線結構光掃描、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構光測頭，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構光和點結構光。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，但相比過去數十微米的測量精度已經大幅提升，所以這里仍然稱之為“精密”坐標測量技術。在2010 年，德國的WENZEL公司率先推出了首款航空發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、高精度等優點，已經廣泛應用于工業制造領域，并逐步引起了國內一些科研院所的關注，國內對于光學測頭的研究起步較晚，目前，有多家高校、研究機構正研制高精度光學掃描測頭。

3 在線測量技術

廣義在線測量是指在加工生產線中進行測量，通常提到的在線測量是狹義上的，指在機床內部加工過程中的測量。在線測量技術實現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。隨著在線測量技術的發展，測量已不僅僅是最終產品質量評定手段，更重要的是為產品的設計和制造過程服務，使產品的設計、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”。測量的方式從傳統的“離線”測量，進入到制造現場，參與到制造過程，實現“在線測量”，真正做到“加工即可測可知”。在線測量技術在測頭信號傳輸方式上從紅外傳輸向無線傳輸發展，在測量方式上從接觸觸發向接觸掃描和非接觸測量發展。中航工業精密所近年率先開發了光學在機（在線）測量系統，如圖3 所示。

4 其他專用測量技術

除上述傳統坐標測量技術外，一些適合特定應用場合的專用測量技術也在快速發展，包括關節臂測量、激光跟蹤儀、室內GPS 等。關節臂式坐標測量系統由多個關節構成，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。機械臂的關節上裝有角度傳感器，可以實時測量關節的轉動角度，根據臂長和各關節的轉動角度計算出測量點的三維坐標。關節臂式坐標測量系統的主要優點有量程大、體積小、重量輕、可在現場進行測量，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，且無需考慮路徑優化等問題，因此使用更加靈活、快捷。激光跟蹤測量系統是工業測量系統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。激光跟蹤測量系統的工作基本原理是在目標點上安置一個反射器，跟蹤頭發出的激光射到反射器上，又返回到跟蹤頭，當目標移動時，跟蹤頭調整光束方向來對準目標。同時，返回光束為檢測系統所接收，用來測算目標的空間位置。

激光跟蹤儀不僅可以實現空間靜止目標的三維高精度測量，而且可以實現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，是大尺寸工業測量的主要手段之一，近年來得到迅速發展和廣泛應用。室內GPS 測量系統基于全球衛星定位系統的技術概念提出。安裝在裝配車間的室內GPS 系統，繼承了全球定位系統發射器（衛星）與各接收器相互獨立工作的概念。室內GPS 系統由許多發射器和接收器構成，發射器發射的信號由接收器接收，從而獲得接收器相對于發射器的水平方位角和垂直方位角。室內GPS 在測量空間有較大的自由度, 可以根據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射器發射的信號，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動機葉片型面及進排氣邊的快速精密測量。葉片是航空發動機中形狀復雜、尺寸變化大的零件，葉片的加工質量決定著發動機的工作性能。葉片的型面和進排氣邊對發動機的能量轉換效率有著巨大的影響, 但是，在發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節。隨著發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，傳統的接觸觸發式坐標測量機不能滿足生產需求。目前，葉片檢測主要依賴于傳統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量巨大，單點觸發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，在獲得檢測數據的同時，還可以把檢測結果反饋于加工，有利于提高葉片邊緣的加工質量，提高其空氣動力學性能。中航工業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

整體葉盤結構復雜，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所面臨的難題之一，傳統的測量方法是利用三坐標測量機攜帶不同規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。隨著測量技術的發展，掃描測頭技術的應用，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展。高精度多軸測量機、專業分析和評價軟件是整體葉盤測量必備條件。整體葉盤測量實現途徑有兩種：一種是帶精密轉臺的測量機配備旋轉測頭座和接觸式掃描測頭實現葉盤型面的快速測量，利用Blade 等葉片評估軟件完成測量結果分析。 另一種是采用RENISHAW公司REVO測頭，利用Renscan 五軸掃描技術，實現整體葉盤高速掃描測量，速度高達 500mm/s。專業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

微小精密零件的特征包括微孔、微錐面和微螺旋槽，發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構特點，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精密所研制的Agility 小型多軸非接觸測量機來實現。該模塊采用“三直線軸+ 轉臺”的多軸快速運動機構，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對噴嘴微小復雜曲面非接觸測量的自動路徑規劃，保證非接觸測頭光束的法線跟隨，從而可以實現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，從而得到內孔孔徑、錐角和微孔的其他特征參數。該模塊利用微型精密運動結構，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，能夠對噴嘴的內孔特征進行精確測量。

如今，測量測試技術在制造行業中的地位越來越重要，制造過程中的任何一個環節都離不開測量技術的支撐。目前國內測量測試技術落后于高端制造技術的發展需要。航空產品的復雜性使零部件各具特點，不同的零部件在生產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，都有其優點和局限性，如何綜合利用坐標測量技術解決生產環節中的檢測問題是目前航空制造發展的關鍵和瓶頸。

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