精密三坐标测量机

为贯彻落实“十四五”规划纲要部署，深入实施制造强国战略，机械工业联合会根据《机械工业创新体系管理办法》相关要求，批准建设第九批机械工业创新平台，包括机械工业超精密坐标测量机工程研究中心，依托西安德普赛科计量设备有限责任公司（以下简称“德普赛科”）建设。该项目投资4.2亿元，总建筑面积7.8万平方米，覆盖超精坐标测量机工程技术研究中心、十万级精密坐标测量机技术洁净实验室、精密计量仪器生产中心、先进计量产品展示中心等，旨在攻克超精密坐标测量机的设计、制造、及产业化技术难题，紧密结合我国对高精度三坐标测量机的技术发展需求，为超精密三坐标测量机设计和制造提供技术支撑，形成行业示范效应。揭牌仪式近日，机械工业超精密坐标测量机工程研究中心在德普赛科正式揭牌。哈尔滨工业大学谭久彬院士、北京工业大学石照耀教授、成都工具研究所有限公司谢华锟高工、德普赛科董事长徐强等出席揭牌仪式。谭久彬院士与徐强董事长为“机械工业超精密坐标测量机工程研究中心”揭牌谭久彬院士担任机械工业超精密坐标测量机工程研究中心技术委员会主任，他表示，工程技术研究中心将围绕超精密坐标测量机的行业发展要求，精心凝练学科方向，打造科研特色，致力成为西北地区乃至全国的“超精密坐标测量机”研究高地之一；他要求工程研究中心在技术、管理等各个方面进行创新，攻克超精密坐标测量机的设计、制造及产业化技术难题，紧密结合我国对超精密坐标测量机的技术发展需求，为测量机设计和制造提供技术支持，形成行业示范效果，为提高我国超精密坐标测量机行业技术水平、自主创新能力贡献力量。机械工业超精密坐标测量机工程技术研究中心建成后，以超精坐标测量领域专业技术优势和课题公关能力为核心进行辐射，通过中心承载计量行业课题研究进行成果转化，利用中心先进的试验环境、测试系统对成果进行工程化，形成稳定、可靠、可批量化的工程成果，促进行业技术迭代升级，加快我国计量产业的发展。工程技术研究中心未来将围绕“一个中心、两个基地” 为发展核心，即“超精密坐标测量技术研发创新中心”、“长度几何量测量技术服务基地” 和“长度几何量测量技术输出基地”，通过技术优势服务于地方企业，促进企业实现高效的技术产业升级，更好的为地方经济服务，为社会创造效益。机械工业超精密坐标测量机工程研究中心施工现场

我国几何量精密测量领域自主创新成果——关节式坐标测量机关键技术研究于连栋，赵会宁，贾华坤[序言] 2004年我的导师费业泰教授开始与合肥工业大学校友Richard He合作开发便携关节式坐标测量机，是国内较早开展关节式坐标测量机研究的团队之一，当时费老师带领胡鹏浩和胡毅等几位老师及若干研究生从零开始攻关，研制了首台关节式坐标测量机原型样机。2006年6月本人加入这项研究工作，主要负责测量机误差建模和测量机参数标定和辨识方面的工作。初期仪器的研发工作还曾与中国船舶工业第6354研究所合作过一段时间。经过多年的持续研发，我们在关节式坐标测量机的创新精度支撑理论和仪器研发工程技术方面均积累了丰富的成果，本人先后主持4项与关节式坐标测量机相关的国家自然科学基金面上项目，2013年成功获批“便携关节式坐标测量机开发与应用”国家重大科学仪器设备开发专项（简称仪器专项），项目分别于2018年和2020年通过技术验收和综合验收。天津大学叶声华院士曾经说过“关节臂仪器项目的顺利实施得益于费老师和合肥工业大学在仪器精度理论领域积累的丰硕成果”。该项目历时近20年经过两代人的持续投入和潜心研发，完全掌握了关节式坐标测量机的核心关键技术和应用开发技术，实现了具有自主知识产权的关节式坐标测量机零的突破，该技术成果获中国仪器仪表学会科学技术奖一等奖。仪器专项在实施过程中得到合肥合锻智能制造股份有限公司、清华大学、重庆理工大学、北京信息科技大学等单位的大力支持，项目在申报过程中得到合肥工业大学夏豪杰教授的大力支持，项目实施过程中赵会宁、贾华坤等博士研究生及若干硕士研究生均做出了重要贡献，在此一并表示感谢！一、研究背景关节式坐标测量机是一种广泛应用于汽车制造、飞机装配、模具制造等领域的高精密几何量测量仪器。与传统正交式坐标测量机相比，关节类坐标测量机通常由6或者7个旋转关节串联而成，具有灵活性高、便携性好、测量范围大和适于在位测量等优点。其测角系统由安装在各旋转关节上的高精度角度编码器实现 关节类坐标测量机采用光学扫描测头可实现被测件复杂曲面的非接触快速测量 为得到精确的测量模型，还需研究多种建模和参数辨识方法以及由不同国际组织制定的关节类坐标测量机的性能评价标准。针对上述关键技术，本文介绍了关节类坐标测量机的研究现状和技术进展，并对其未来发展趋势进行了展望。二、核心关键技术2.1基于广义误差模型的运动学建模技术传统D-H建模方法在某些情况下存在病态问题，极大地影响关节式坐标测量机的测量精度。为克服上述问题，提出了一种能够同时包含几何误差和非几何误差的运动学建模方法—广义误差模型建模理论，进一步提高了关节式坐标测量机的模型精度，如图1所示。图1 关节式坐标测量机广义误差模型2.2圆光栅传感器测角误差修正技术将阿贝原则拓展到角度测量领域，定义了测角阿贝误差的概念，提出了测角阿贝误差的修正方法，在修正测角阿贝误差的基础上进一步对测角误差进行修正，圆光栅传感器的测角精度得以显著提高，如图2所示。为探究圆光栅传感器各主要的误差作用方式和各项误差成分比重，开展了基于误差源分析的测角误差修正技术研究，推导并验证了包括旋转主轴径向误差运动和光栅盘安装偏心的测角误差模型，并为精密轴系的设计和装调提供了理论指导作用；为进一步修正温度产生的测角误差，提出了基于傅里叶级数展开-遗传算法优化BP神经网络的方法，显著提高了圆光栅传感器的测角误差。图2 测角阿贝误差测量装置 图3 测角误差修正效果2.3自制3D体约束标定体结合现行ASME B89.4.22-2004、VDI/VDE 2617-9和ISO 10360-12-2016标准，提出一种全新的全测量空间3D体约束的标定系统并首次建立了全空间综合误差标定模型，如图4所示。基于全测量空间3D体约束标定体，利用最佳采样策略，获取全空间标定数据集，建立了基于虚拟距离和单点双重约束的关节式坐标测量机全空间综合误差标定模型（结构参数误差和非结构参数误差），大幅消除了非参数系统误差、拟合误差，并根除了传统标准件位姿变化引起的变形误差，有效提升了标定精度和效率。该技术在机器人、极坐标测量仪器等误差修正方面具有普遍应用价值。图4 全测量空间3D体约束标定系统2.4结构设计与轴系精密装配自主设计了6-DOF关节式坐标测量机的结构，其核心关键机械结构是精密旋转轴系。根据仪器测量精度的设计指标，选择高精密级轴承并依据轴孔配合原则合理设置公差带。制定零件加工质量检测规程，对旋转主轴等零件的关键部位尺寸使用正交式坐标测量机进行检验。利用热胀冷缩效应装配精密轴系，通过改变轴承预紧力实现对旋转主轴转动状态的调整，制定旋转主轴转动状态检测规程，利用自准直仪等仪器设备对旋转主轴的误差运动进行检测，评估精密轴系是否达到最佳工作状态，如图5所示。图5 精密轴系装配图2.5力平衡系统研发由于关节式坐标测量机是一款手持式精密测量设备，需要在靠近基座的第二个关节处安装力平衡系统以平衡仪器自身的重力，提高工人在长期操作仪器时的舒适性，降低操作疲劳，保障测量结果的准确性和可靠性。经公式推导、仿真分析、定量实验和仪器整机平衡性能验证，研发了可靠的关节式坐标测量机力平衡系统，如图6所示。图6 力平衡系统研发过程图2.7仪器测量软件开发测量软件是仪器的重要组成部分，项目组以Qt软件为开发平台，结合OpenCasCade开发了适用于关节式坐标测量机的测量软件，完成直径、圆度、圆柱度、平面度等几何尺寸、形位公差的算法开发，并用标准测试数据与成熟商用软件进行比对，验证算法准确性。软件具备测量过程实时显示、数据存储、测试结果导出等功能，并方便进行功能扩展，如图7所示。图7 关节式坐标测量机测量软件经上述关键技术积累，成功研制了测量范围为1.2m-3.6m共5种关节式坐标测量机，如图8所示。其单点测量重复性介于±0.018-0.036mm，长度测量重复性±0.049-0.119mm。图8 不同型号关节式坐标测量机三、应用技术开发3.1汽车行业的应用针对汽车行业模具标定、焊接夹具定位和人机工程测试三个典型应用场景，在奇瑞汽车股份有限公司开展了相关测试验证，如图9所示。（1）模具标定测量提出利用关节式坐标测量机对汽车冲压模具进行现场测量。通过在测量现场测量被测模具的多个关键点，把测量机的测量坐标系统一到模具自身设计的坐标系内，然后通过关节式坐标测量机测量得到各被测点坐标值，与其理论设计值比较，给出测量结果评价，也可以通过关节式坐标测量机的测量软件拟合测量得到模具模型，与其设计理论模型比较，得到模具的形变，根据其形变情况标定模具。（2）焊接夹具定位测量 在使用关节式坐标测量机对焊接夹具进行定位检测时，通过对夹具体检测基准的测量，采用与理论数模相拟合的方式建立坐标系，分别测量夹具体的各个定位销及定位面与三维数模的偏差，以判定该夹具是否符合要求。（3）人机工程测试 为保证汽车乘坐人员的乘坐舒适性，需要保证汽车座椅空间3D位置的精密安装。在车身边架设关节式坐标测量机，将其测头伸进车厢内，完成对隐藏在车厢内座椅关键点的位置测量，并通过测量车身各关键点，来判断座椅的安装是否符合人机工程的要求。关节式坐标测量机在汽车制造中的应用，解决了汽车零部件几何尺寸测量和定位安装现场检测的难题，提高了生产效率，保障了生产质量。图9 关节式坐标测量机在汽车行业的应用3.2飞机制造中复杂零件、工装的现场检测在民用飞机制造企业利用关节式坐标测量机对飞机舱门及装配工装进行检测，并对点云数据进行处理。该类测量可以保障装配人员通过可视化的方法提高装配质量，根据提供的详细尺寸参数，实现对飞机关键部件生产质量的全面控制，提升飞机关键部件的产品质量，促进了我国飞机制造业的自主高质量发展。如图10所示。图10 关节式坐标测量机在飞机制造业的应用3.3 EAST核聚变大科学装置关键部件定位测量和形变检测全超导托卡马克核聚变 实验装置（EAST）内部含有种类繁多的关键零部件，每次放电后需要对其装配定位精度和形变进行精密测量。传统方法采用靠板、标尺等手段仅能进行定性测量。为解决核聚变装置内部关键部件装配定位测量难题，我们提出激光跟踪仪与关节式坐标测量机进行组合测量的模式，充分发挥激光跟踪仪超大尺寸全局测量和关节式坐标测量机灵活、便携、无测量障碍点的局部测量优势。通过升级EAST大厅外部基准、构建内部基准，统一内外基准网，在EAST核聚变装置维护改造期间通过搭建测量系统，顺利完成关键部件装配定位测量和形变检测，为核聚变实验的顺利进行提供了必要保障，如图11所示。图11 关节式坐标测量机在国家大科学装置的应用四、总结风雨18年仪器研发路，在两代仪器人的共同努力下，积累了基于“新原理、新装置、新工艺”的整套仪器研发经验，实现了自主知识产权的关节式坐标测量机从无到有，从原理样机到小批量生产的突破，打破了国外产品在国内市场的垄断，为相关仪器的国产化替代奠定了基础。【作者】于连栋，博士，教授，2003.9-2020.5年就职于合肥工业大学，2020年6月以来就职于中国石油大学（华东），长期从事3D宏观尺度坐标测试技术、微纳传感技术、超快光学精密测试技术研究，2017年入选国家百千万人才工程、国家级有突出贡献中青年专家、享受国务院政府津贴。点击图片直达报名页

三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，CMM)是指在一个六面体的空间范围内，能够表现几何形状、长度及圆周分度等测量能力的仪器，又称为三坐标测量仪或三次元。回顾三坐标测量机发展史坐标测量机问世于19世纪60年代，最早的坐标测量机是一个仅仅配备X、Y、Z三轴数显的三维设备。据悉，第一台三坐标测量机由英国Ferranti开发。之后，英国LK公司宣称生产了第一台桥式测量机。1973年，蔡司成功制造出全球第一台CNC坐标测量机-UMM 500并首先使用计算机辅助工件坐标系代替机械对准，从此测量机具备了对工件基本几何元素尺寸、形位公差的检测功能。70年代中期，我国才开始三坐标测量机的研制，主要制造测量机的厂商有北京航空精密机械研究所（303所）、北京机床厂、上海机床厂、北京第二机床厂、天津大学、青岛前哨精密研究所、新天光学厂等等。由于当时测量机集成了光、机电一体化、补偿等技术因素，而国内水平有限，测量机的研制水平较低，主要以仿制外国产品为主，且没有成套的产品线。80年代，国内的生产厂商与国外生产厂商陆续合作，从国外引进生产许可证来生产，例如北京航空精密机械研究所和上海机床厂通过取得德国Leitz的生产许可证来生产测量机。1984年，青岛前哨精密研究所投入资金和科研团队研制测量机，并于1988年成功地制造出全花岗岩的高刚度高精度桥式固定测量机ZC8645，并在此基础上继续研发出多种不同尺寸、不同结构类型的测量机。到了90年代，青岛前哨精密研究所已经成为国内最主要的坐标测量机制造商。90年代，国内大型制造厂商的生产要求越来越高，对于测量机的需求越来越多，但其国内的生产和技术水平远达不到其测量标准。经过协商谈判，青岛前哨精密研究所与荷兰英狄沃斯公司成立了国内第一家测量机合资公司——青岛前哨英柯发设备有限公司，其技术水平与国际接轨。从1996年开始，青岛前哨英柯发设备有限公司产品稳坐国内第一宝座，并不断出口到国外多个地区。1999年，青岛前哨精密研究所与世界权威测量机制造厂商Brown＆Sharp合资，成立了青岛前哨朗普测量技术有限公司（Brown＆Sharp前哨）。之后，Brown＆Sharp集团被海克斯康集团收购。2004年，青岛前哨朗普测量技术有限公司更名为海克斯康测量技术（青岛）有限公司。目前，我国测量机的主要生产厂商有303所、西安爱德华、青岛雷顿等，国际比较著名的测量机生产厂家主要有瑞典海克斯康、德国蔡司、德国温泽以及日本三丰等公司，其中计量型测量机市场主要被蔡司和海克斯康垄断。国内外三坐标测量机产品比较目前，国内与国外产品的差距主要体现在以下三个方面：从精度等级上看，进口精密计量型测量机能达到0.5微米以内的检测精度，而国产设备最高仅能达到0.8微米，且测量行程低于进口机型。进口机型从结构设计到材料呈现多方向发展状态，而国内多家厂商的产品在结构和材料上几乎完全相同，缺少创新能力。进口机型的控制系统、测头及测量软件等一般都具有自主知识产权，掌握全部或大部分核心技术；而国产机型除机械本体外，其余关键组成部分均采用国外品牌，自主研发能力较弱，缺少核心技术。国外计量型坐标测量机产品性能参数国内计量型坐标测量机产品性能参数注：表来自 王帼媛,张忠欣. 坐标测量系统精度提升技术研究. 2019航空装备服务保障与维修技术论坛暨中国航空工业技术装备工程协会年会论文集. 表中精度的计算公式中：L为所测长度尺寸值，单位mm。国内三坐标测量机的主要差距三坐标测量机主流厂商及其产品目前，我国市场上三坐标测量机的主要进口仪器供应商有：瑞典海克斯康、德国蔡司、德国温泽、日本三丰、日本东京精密等。国内厂商主要有：西安力德、西安爱德华、北京303所、深圳力合、青岛弗尔迪、青岛雷顿等。其中，海克斯康和蔡司产品在中国市场的占有量较大。另外，中国三坐标测量机厂商主要集中在西安和青岛两地。海克斯康自成立以来，已收购200余家公司，现有七个产业单元：智能制造、测量、PPM（工程类软件研发）、智慧方案、矿山、自主定位、农业。在中国，海克斯康集团拥有徕卡测量系统贸易(北京)有限公司、徕卡测量系统(上海)有限公司、海克斯康测绘与地理信息系统(青岛)有限公司、海克斯康测量系统(武汉)有限公司、台湾海克斯康测量仪器股份有限公司、思瑞测量技术(深圳)有限公司等各类经营实体。其中，海克斯康测量技术(青岛)有限公司是海克斯康计量产业集团的核心成员和九大测量机制造基地之一。海克斯康三坐标产品涵盖高、中、低端市场，且主要在中、低端市场，在中国测量机行业的市场占有率较高。海克斯康对外表示：其在中国测量机行业的市场占有率超过45%，客户广泛分布在汽车行业、航空航天、电子行业、模具工装、精密制造、国防军工、重工能源和家电等领域，尤其中国军工企业所使用的超高精度三坐标测量机，98%由海克斯康生产制造；其三坐标设备销售额位于全球前三。蔡司（ZEISS）是一家制造光学系统、工业测量仪器和医疗设备的德国企业。公司的名称来源于它的创始人之一——德国光学家卡尔蔡司。它由卡尔蔡司(Carl Zeiss)、恩斯特卡尔阿贝(Ernst Karl Abbe)和奥托肖特(Otto Schott)于1846年在耶拿(Jena)建立。卡尔.蔡司集团由六个独立运作的部门组成，即半导体技术、医疗系统、显微镜、工业测量技术、电子光学系统和消费光学产品。蔡司的三坐标测量机主要为技术型的中高端产品，在我国的市场占有率也较高。蔡司其客户主要集中在汽车、飞机、机械工程等行业。蔡司对外表示：几乎所有的组车厂都有蔡司的三坐标，如一汽大众，占据了其测量产品99.9%的份额；其三坐标设备总销售额位于全球前三。德国温泽集团（WENZEL）创立于1968年，是一家计量解决方案制造商，产品涵盖三坐标测量机、齿轮测量中心、工业CT、模具设计制造、高速测量和数字化系统以及逆向工程等领域。温泽现在全球范围拥有16家子公司，销售及服务伙伴遍及50多个国家和地区的跨国集团。2005年，温泽测量仪器（上海）有限公司在中国成立，主要负责中国及亚洲地区的标准三坐标测量机的组装生产以及温泽全系列产品的销售。温泽三坐标产品主要应用于汽车制造、机械工程、机电制造及其配套领域，在中国具有一定的销售额。日本三丰（Mitutoyo）成立于1934年，向全球范围的广大市场提供千分尺、卡尺等量具以及三坐标测量机、形状测量系统、视像测量系统及光学仪器等系统精密测量仪，是全球综合长度测量仪器的制造商巨头。于2001年成立了以销售服务为主的现地法人企业——三丰精密量仪（上海）有限公司（上海三丰），并以此为契机，于2004年成立了以华北地区为主的销售服务基地的现地法人，三丰精密量仪（天津）有限公司（天津三丰），包括合资的Leeport Metrology公司。2012年，上海三丰与天津三丰进行组织统合。目前，三丰公司在中国完成了华北、华中、华东、华南地区的销售和服务等统合，由三丰精密量仪（上海）有限公司统一管理。三丰产品主要应用于模具、电子、塑胶、五金机械、家居、汽车等领域，在中国市场具有一定的份额。东京精密（ACCRETECH）主要从事半导体加工制造设备及精密测量仪器，并在华成立全资子公司东精精密设备（上海）有限公司,主要生产销售三坐标测量仪、表面粗糙度、轮廓形状测量机、圆柱度测量机、光学测量机，以及半导体制造设备。东京精密三坐标主要应用于模具、车身等，其品牌影响力不如蔡司和海克斯康，在中国有一定的销售额。西安力德测量设备有限公司是一家中英合资的三坐标测量机制造商，2005年成立，位于国家级西安高新技术产业开发区。三坐标测量机产品有：EXPERT系列高精度移动桥式三坐标测量机、FLY系列移动桥式三坐标测量机、GREAT系列单边桥式三坐标测量机、GREAT-D系列超大量程龙门式三坐标测量机、S系列车间型超高速三坐标测量机、DRAGON系列手动三坐标测量机、TOP系列超高精度固定桥式三坐标测量机等。其产品主要应用于汽车、航空航天、船舶、电子、模具、教学等。爱德华是总部位于德国，在中国、德国和法国均设有研发与生产基地，横跨欧亚大陆的大型测量产业集团。西安爱德华测量设备股份有限公司，中外合资，自1997年成立，是中国较早从事坐标测量设备研发、生产与销售的企业之一。三坐标测量机产品有：Daisy系列移动桥式三坐标测量机、LEGEND系列桥式三坐标测量机、ML-III系列数控三坐标测量机、MGH系列高精度三坐标测量机、Dreamer系列复合式三坐标测量机、Perfect系列影像坐标测量仪、Perfect L系列影像坐标测量仪等。主要生产中小尺寸的生产型测量机，广泛应用于电子、汽摩、航空航天、船舶、高铁、模具、教育、国防安全等行业。中国航空工业集团公司北京航空精密机械研究所（北京303所）系中国航空工业集团公司所属的综合性基础技术研究所，成立于1961年，全国第一台激光陀螺、第一台电液伺服阀、第一台超精密车床、第一台三轴测试转台、第一台三坐标测量机、中华世纪坛旋转圆坛等均出自于该研究所。该研究所同时拥有测试技术及装备方向5个研究事业部及2个研究中心，分别从事惯性测试及装备、环境试验技术与设备、特种加工技术与设备、三坐标测量技术、精密导电滑环设计技术以及数字化检测技术等方向研究。三坐标测量机产品有：FUTURE系列三坐标测量机、GEM系列三坐标测量机、CENTURY系列三坐标测量机、LM 系列三坐标测量机、ORIENT 系列三坐标测量机等。北京303所是国内早期研究三坐标测量机的单位之一，国有研究所性质，具有硕士学位授予权。产品主要应用领域为航空航天、汽车、能源机械、模具、军工等。深圳力合精密装备科技有限公司成立于2017年，是由清华大学投资发展的国家高新技术企业，主要从事精密测量设备、卫星机电产品的研发和生产。三坐标测量机产品有：LIBRA固定桥系列、POLARIS移动桥系列、TAURUS龙门系列。目前业务分布于珠三角，长三角，北京、上海、天津、长春、成都、烟台及福州等地区。产品主要应用领域有模具、汽车、叶片、镜头、齿轮等。青岛弗尔迪测控有限公司于2011年01月28日成立，总部位于青岛市崂山区，是集研发、生产、销售为一体的专业三坐标测量机国家高新技术企业。青岛弗尔迪是青岛市质量技术监督局指定的三坐标检测基地、三坐标培训基地；是三坐标几何量行业内较早通过计量考核标准的企业；公司拥有多家分支机构，已具有年产500台三坐标测量机的生产能力；产品畅销国内外，出口量已达到销售总量的近50%。弗尔迪主要生产中小尺寸的CNC自动式和手动式测量机，在山东青岛地区有三坐标检测基地和三坐标培训基地。产品广泛应用于船舶制造、航空、航天、机械制造、汽车、精密制造、新能源制造、模具工装及高等院校等领域。公司具有年产500台三坐标测量机的生产能力。青岛雷顿数控测量设备有限公司成立于2006年，由位于美国马里兰州的Leader Metrology Inc 国际计量产业集团投资设立。Leader公司中国制造基地各类测量设备的生产能力已达每年1000台套。三坐标测量机产品有：Miracle系列三坐标测量机、Excellent系列三坐标测量机、Cruiser系列三坐标测量机、Metroking系列三坐标测量机、Navigator系列三坐标测量机、三维激光扫描测量机、Optek系列全自动三坐标影像测量仪、Tornado系列三坐标测量机等。广泛应用于汽车工业、航空航天、机床工具、国防军工、电子塑胶及模具等领域。