納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)研究進(jìn)展

黨威武

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，陜西西安 710300）

1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)概述

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是近些年發(fā)展起來的一項(xiàng)三維測(cè)量技術(shù)，其測(cè)量原理是測(cè)出零件表面點(diǎn)位于空間三個(gè)坐標(biāo)位置的數(shù)值，將這些點(diǎn)的坐標(biāo)值經(jīng)過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理，擬合形成各種測(cè)量元素，經(jīng)過數(shù)學(xué)計(jì)算得出其尺寸、形狀、位置誤差及其他幾何量數(shù)據(jù)的一種測(cè)量方法。在計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與輔助下，甚至能完成各種復(fù)雜的測(cè)量[1]。具有測(cè)量精度高、效率高及萬能性等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于機(jī)械、教育、電子、國防等領(lǐng)域，是現(xiàn)代工業(yè)質(zhì)量控制與檢測(cè)的一種新型、高效、精密測(cè)量設(shè)備[2-3]。

2 微納米檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展

納米是長度單位，它是微觀世界研究的核心。納米技術(shù)就是在納米體系（1～100 nm）內(nèi)研究材料及其性能、應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)其特有功能、智能作用的一種先進(jìn)技術(shù)[4]。納米技術(shù)的主要貢獻(xiàn)是物質(zhì)在納米尺度下，將表現(xiàn)出不同于宏觀尺度下的特性，甚至具有宏觀狀態(tài)下物質(zhì)不具有的特征，這些物質(zhì)、材料或器件的新特征、新功能正是科研工作者所關(guān)注的，可見納米技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。

近些年，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，各種器件產(chǎn)品尺寸在微納米范圍內(nèi)，如電子器件尺寸已達(dá)到100 nm 范圍，傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)已經(jīng)不能滿足其測(cè)量要求。納米級(jí)測(cè)量精度的檢測(cè)與表征是微型機(jī)械產(chǎn)品等納米尺度制造業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。

此外，微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展迅速，各種特征尺寸位于微納米范圍內(nèi)的微型器件層出不窮，為了保證器件質(zhì)量，對(duì)高精度、納米體系檢測(cè)技術(shù)提出更高要求。掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等微納米體系精密檢測(cè)設(shè)備主要用于二維測(cè)量，很難測(cè)量微型器件的三維特征。而傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)由于測(cè)量精度有限，所用探針不能檢測(cè)1 mm 以下器件，無法在納米尺度上研究器件的結(jié)構(gòu)、性能，不能完成微型器件的質(zhì)量控制與檢測(cè)。因此，有必要建立納米級(jí)測(cè)量精度表征手段，高精度、小體積、微納米級(jí)測(cè)量精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的探究與發(fā)展勢(shì)在必行，各國科學(xué)家對(duì)納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行了廣泛而深入的研究。

本文簡要?dú)w納和總結(jié)了近些年國內(nèi)外納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的研究現(xiàn)狀，分析討論存在的問題，為納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的發(fā)展提供研究基礎(chǔ)，并對(duì)納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

3 納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)研究現(xiàn)狀

研究者在傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基礎(chǔ)上，嘗試多方面改進(jìn)，以開發(fā)出具有納米級(jí)測(cè)量精度的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。

Takamasu 等人[5]首次提出納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的相關(guān)概念和基本特征，指出納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的技術(shù)指標(biāo)（如分辨率、測(cè)量范圍、測(cè)量精度等）是傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的1/1000～1/100，見表1。

表1 傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)與納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的技術(shù)參數(shù)對(duì)比

英國國家物理實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)[6-7]，其測(cè)量范圍為50 mm×50 mm×50 mm，總體測(cè)量不確定度約50 nm，各軸分辨率為0.3 nm。它是在傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)基礎(chǔ)上，加裝微型平臺(tái)和微型探頭，該微型平臺(tái)具有高精度位移測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量機(jī)已廣泛應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量中，一定程度上促進(jìn)了納米測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。

荷蘭Eindhoven 大學(xué)Haitjema 等人[8]研制的新型納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，采用了三點(diǎn)對(duì)稱式機(jī)臺(tái)設(shè)計(jì)，符合阿貝原則。接觸式觸發(fā)探頭直徑0.3 mm，測(cè)量不確定度為25 nm。整機(jī)測(cè)量范圍達(dá)100 mm×100 mm×100 mm，總體測(cè)量不確定度為100 nm，單軸測(cè)量不確定度為100 nm。

瑞士Küng 等人[9]開發(fā)出采用接觸式探頭的超精密微型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，測(cè)量范圍為90 mm×90 mm×38 mm，各軸重復(fù)性誤差低于5 nm。測(cè)量系統(tǒng)與三維工作臺(tái)分離設(shè)計(jì)，由于導(dǎo)軌下裝有空氣軸承，避免了振動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響，總體測(cè)量精度較好，低于30 nm。

范光照等人[10]研制出微/納米級(jí)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，其測(cè)量精度為30 nm。利用花崗巖材料制作測(cè)量機(jī)平臺(tái)，利用壓電材料摩擦驅(qū)動(dòng)與撓性變形原理實(shí)現(xiàn)X/Y 軸的移動(dòng)，測(cè)量探頭最佳分辨率達(dá)2.5 nm。文章總體上介紹了一種成本低廉、小型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的研制過程，對(duì)納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的發(fā)展具有一定的參考意義。

天津大學(xué)栗大超課題組[11]基于德國SIOS 公司納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量定位平臺(tái)，研制出一種應(yīng)用于納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的三維微接觸式測(cè)頭，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，如測(cè)頭相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真優(yōu)化，像測(cè)桿、中心連接體等，實(shí)現(xiàn)測(cè)頭較高測(cè)量精度和穩(wěn)定性。

中國航空工業(yè)集團(tuán)公司王霽等人[12]研制了一種高精度干涉儀，能夠應(yīng)用于納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，使其在測(cè)量過程中具有中大范圍、高精度位移的特性，測(cè)量范圍小于40 mm，分辨率小于0.1 nm。研究發(fā)現(xiàn)，該干涉儀克服了雙頻激光干涉儀的缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)上具有光學(xué)器件的偏振特性，提高了系統(tǒng)分辨率、抗干擾性能及精度。同時(shí)，納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具有很好的測(cè)量重復(fù)性。

4 展望

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)發(fā)展起來的一種精密測(cè)量設(shè)備，具有高精度、高效率等優(yōu)點(diǎn)，能代替多種量具完成各種復(fù)雜測(cè)量。隨著機(jī)械、電子等微型器件產(chǎn)品迅速發(fā)展，納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，它具有更高的納米級(jí)測(cè)量精度，能對(duì)各種微型器件進(jìn)行質(zhì)量控制與檢測(cè)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，因此，納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)備受各國科研工作者的青睞。

納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的主體結(jié)構(gòu)、定位及測(cè)量工作臺(tái)設(shè)計(jì)、探頭及檢測(cè)系統(tǒng)等是影響其精度、性能的主要因素，如何降低這些因素的影響是科研工作者不斷研究的主題，這對(duì)開發(fā)高精度、高質(zhì)量的納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具有重要意義。［1］張作鵬，陳學(xué)奎.淺談三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)及其應(yīng)用［J］.廣西輕工業(yè)，2009（7）：53－56.