精密测量理论与技术(1)

目录

第一章 绪论 ..................................................................................................................................... 2

1.1引言 .................................................................................................................................... 2 1.2工业4.0背景下精密测量技术的意义 ............................................................................ 2 1.3工业4.0背景下纳米三坐标测量机国外发展现状 ........................................................ 3 第二章 纳米三坐标测量机的系统结构 ......................................................................................... 6

2.1纳米三坐标测量机“331”布局原则 .............................................................................. 6 2.2“331”原则结构系统组成 ............................................................................................... 6 2.3测量机的不完善性对“331”结构的影响 ...................................................................... 9 2.4纳米三坐标测量机结构系统 .......................................................................................... 10

2.4.1测量机总体结构组成 .......................................................................................... 10 2.4.2测量机测量系统简介 .......................................................................................... 11 2.4.3纳米三维测头 ...................................................................................................... 12 2.4.4测量机力平衡系统及隔振控温系统 .................................................................. 13 2.5纳米三坐标测量机的精度分析 ...................................................................................... 14

2.5.1激光干涉仪波长稳定度误差 .............................................................................. 15 2.5.2激光反射镜误差 .................................................................................................. 16 2.5.3测量机几何误差 .................................................................................................. 17 2.5.4测量机几何误差总表达式 .................................................................................. 19

第三章 三坐标测量机在工业4.0背景下的应用 ....................................................................... 21 参考文献......................................................................................................................................... 22

第一章 绪论

1.1引言

德国“工业4.0”从倡议到形成国家战略，其发展过程可以简单描述如下:

2011年，在汉诺威工业博览会开幕式致辞中，德国人工智能研究中心负责人和执行总裁Wolfgang Wahlster教授首次提出“工业4.0”这一词，旨在通过互联网的推动，形成第四次工业革命的雏形。

\2013年，是“工业4.0”在德国发展非常快速的一年。德国信息通讯新媒体协会(巳工丁KOM)、德国机械设备及制造协会(VDMA)和电气电子行业协会(ZVEI)建立了“工业4.0”研讨平台，并在法兰克福设立秘书处，在互联网上开设了一个门户(http : / /. plattform-i40. de/)。

\2013年，德国成立了“工业4.0”工作组，并于同年4月在汉诺威工业博览会上发布了最终报告《保障德国制造业的未来:关于实施工业4.0战略的建议》(Securing the future of German manufactur-ing industry:Recommendations for implementing thestrategic initiative INDUSTRIE 4.0)。

\2013年，德国联盟教研部与联邦经济技术部将其列为《高技术战略2024》十大未来项目之一。

\年12月，德国电气电子和信息技术协会发表了德国首个“工业4.0”标准化路线图。

\年4月，汉诺威工业博览会，主题:“融合的工业—下一步”。 德国的工业4.0为全球制造业描绘出了第四次工业革命的宏伟蓝图：基于赛博一物理系统(Cyber-Physical System, CPS)，建立人机一体的智慧工厂(Smart Factory）。实施工业4.0的核心问题之一是构建智慧工厂的生产线，即将大量先进技术组织为有机整体，并固化为生产线及管理模式，从而通过大幅提升生产效率，将生产线的精益化水平推向新高峰。

1.2 工业4.0背景下精密测量技术的意义

随着科学技术的发展，生产线的硬件设备和技术手段不断更新换代。不可否

认，硬件设备和技术手段的更新换代使得生产线的效率得到了很大的提升。但同时也应当看到，生产线经常有半数以上的潜能都没有得到发挥，其中有生产线设计不合理的原因，也有实施管理的原因，而这些正是精益的最佳用武之地。生产线的设计和实施都应当围绕着精益这个主题展开。对工业4.0的生产线而言，网络化、数字化、物联网都是服务于精益的技术手段，简单地堆砌这些技术手段很难达到预期的效果，这就如同不从审美出发，堆砌高档服装达不到理想的衣着效果一样。

如上文所述，精益是生产线永恒的主题，精益是将工业4.0的各项先进技术组合为一体的最佳工具。精益生产线设计的核心是生产线的价值流设计，一切设计工作都需要围绕着这个核心开展，新世纪的测量技术得到了快速发展，从离线测量发展为在线测量，从直接测量发展为间接测量，从接触式检验升级为非接触式检验。测量设备也逐步自动化，不仅有大型的专用自动测量装置(如三座标测量机)，还有小型的便携式测量器具(如手持自动测量器具)。

很多自动化加工设备也已经集成了先进测量技术，能够实现加工过程中的在机测量和自动矫正加工、换刀后的自动测刀和数控程序自动插补。要在生产线上合流搭配各项测量设备，使其构成一套能够支撑精益生产线的测量系统。测量系统设计的关键在于将检测活动层次化、分散化，使生产价值流尽可能地保持连续性，而对于检测活动的重新划分，除了需要配置相应的自动检测设备，更需要对检测工艺和管理方式做出调整。

比如可将检测活动分为4个层次:第一层是加工过程中的检测，通过自动化设备上的在机检测模块，实现边加工边测量;第二层是加工工序流转前的检测，该环节的检测项目需要大幅减少，以减少由此带来的生产线等待和价值流中断，要达到这个目的，除了要配置便携式检测设备外，更需要优化工序分离面，将许多检测工作转移到在机检测环节;第三层是某阶段加工完成后的终端检验，因为终端检验是生产线的一个环节，所以检验时间需要与生产线的节拍相吻合;第四层是所有加工完成后的测量间检测，常用的有三坐标测量机等，是否将这部分测量移到生产线外并没有定论，需要综合考虑大型测量设备的成本和利用率。下文将用纳米三坐标测量机讨论在工业4.0背景下的精益生产线设计里的精密测量技术。

1.3 工业4.0背景下纳米三坐标测量机国外发展现状

随着机械制造、汽车、航空航天和电了等工业的发展，许多复杂零件的生产和检验相应需要高精度的测量仪器，因此可以满足三维测量的三坐标测量机应运而生，并日趋成熟。三坐标测量机集成了机械、光学、电了、计算机等技术，可以进行零件和部件的尺寸、形状及相互位置的检测，也可以实现零件的外轮廓尺寸测量。

微系统(MEMS)是现代科技发展标志之一，为了保证微系统的质量与精度，对微机电器件必须进行高精度的检测。当工件尺寸在厘米量级且公差要求在微米级以下时，传统的三坐标测量机便不再能满足测量要求，这就需要我们研制测量围较小、精度高，能够实现测量精度在亚微米级的三维测量仪器。因此研制小型的纳米坐标测量机，已成为现代测试技术的热点研究领域之一，近年来世界各国均投入巨资进行研究。纳米三坐标测量机作为一种三维测量仪器，继承了传统三坐标的一些特点，同时在机械结构布局和材料构成等方面有很多改变，以适应高测量精度的要求。

(1)美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology, KIST)的Teague于1987年开始进行研制分了测量机M3(Molecular Measuring Machine)，以满足工业上纳米器件和电路的测量需求，设计的目标为在测量机SOmmX50mm测量围任何位置实现1 nm的合成不确定度。分了测量机被设计为二维测量仪器，x-y向位移的感测由白行开发的高分辨率的Michelson激光干涉仪实现，:轴的运动围约为1.5um测头系统是采用SPM系统(扫描探针显微镜)，整个测量机在数重环境控制罩的保护下(隔震、隔音、真空、恒温恒湿)。目前，测量机已可实现50*50mm的测量围，测量时温度的稳定度控制在5 mK，干涉仪分辨率为亚纳米级。对于1 mm的测量距离，测量的不确定度为5 Onm(仲展因了K=2)。为了降低测量不确定度，该测量机目前还在进一步的研制中。

(2)东京大学的Takamatsu教授研究的N ano-CMM，始于1995年。机台结构采用了传统CMM的缩小化设计，由单一的低热膨胀材料制成对称移动桥式的机台，以增强测量稳定性，减少温度的影响。测量机以双V型凹槽中放置精密圆棒的方式构成x-y向导轨结构。用摩擦轮结构实现位移驱动。位移测量的基准为Mitutoyo公司的光学玻璃光栅尺，测量围为1 Omm，分辨率为1 Onm。接触式光学探头直径为50um，具有1 Onm的分辨率，测量围0.6um测量机的测量围为1OX10X10mm，导轨直线度误差50nm，位移重复性20nm。

(3)英国国家物理实验室(National Physical Lab, NPL)所研制的小型三维测量机。测量机在Zeiss UPMC 550， Leitz PMM 12106等商品化坐标测量机的工作平台上加装带有高精度位移测量系统的微型工作台，并在原探头上加装可方便拆卸的微型探头。

(4)瑞士联邦计量局Federal office of Metrology(METAS)研制的Ultra precision uCMM，其结构设计采用计量系统和三维运动工作台分离的方式，测量机三轴的激光干涉仪与测头被安装在独立的框架上，三轴干涉仪的测量线相交与测头一点以在空问上满足阿贝原则。测量机的x向和z向运动靠组合式V型导轨的左右平移实现，导轨下装有空气轴承以隔离振三维运动工作台的三面均装有平面反射镜，用于匹配各轴激光器的位移测量。

（5）荷兰Eindhoven大学设计的3D-CMM，采用对称式机台设计，各轴使用线性步进压电式马达驱动。各轴距离计量光栅尺采用符合阿贝原则的布局方式，测头为电了式接触触发式探头，探头直径0.3 mm，不确定度25nmo测量机的测量围为100X100X100mm，各轴不确定度为100nm，总体不确定度也为100nm。

国单位还有一些单位进行与纳米三坐标测量机相关的研究工作，如中国计量科学研究院研制的2.5维纳米结构测量系统，其采用气浮工作台与气动锁紧装置的位移台做大围位移，使用激光干涉仪和原了力测头组成测量系统，因而z向测量行程较小，测量机测量围为50mmX50mmX2mm;中国长城计量测试研究院针对纳米级尺寸的三维测量技术研究;大学与德国SIOS合作，在SIOS商用纳米定位测量机的基础上进行纳米测头的研究;工业大学与大学合作，进行纳米三维测量、纳米测量微型探头方面的研究。