纳米三坐标测量机研究进展

党威武

（陕西国防工业职业技术学院智能制造学院，陕西西安 710300）

1 三坐标测量机概述

三坐标测量机是近些年发展起来的一项三维测量技术，其测量原理是测出零件表面点位于空间三个坐标位置的数值，将这些点的坐标值经过计算机数据处理，拟合形成各种测量元素，经过数学计算得出其尺寸、形状、位置误差及其他几何量数据的一种测量方法。在计算机技术的发展与辅助下，甚至能完成各种复杂的测量[1]。具有测量精度高、效率高及万能性等特点，主要应用于机械、教育、电子、国防等领域，是现代工业质量控制与检测的一种新型、高效、精密测量设备[2-3]。

2 微纳米检测技术的发展

纳米是长度单位，它是微观世界研究的核心。纳米技术就是在纳米体系（1～100 nm）内研究材料及其性能、应用，并实现其特有功能、智能作用的一种先进技术[4]。纳米技术的主要贡献是物质在纳米尺度下，将表现出不同于宏观尺度下的特性，甚至具有宏观状态下物质不具有的特征，这些物质、材料或器件的新特征、新功能正是科研工作者所关注的，可见纳米技术具有广阔的发展前景。

近些年，随着纳米技术的发展，各种器件产品尺寸在微纳米范围内，如电子器件尺寸已达到100 nm 范围，传统三坐标测量机已经不能满足其测量要求。纳米级测量精度的检测与表征是微型机械产品等纳米尺度制造业发展的基础。

此外，微电子机械系统技术发展迅速，各种特征尺寸位于微纳米范围内的微型器件层出不穷，为了保证器件质量，对高精度、纳米体系检测技术提出更高要求。扫描隧道显微镜、原子力显微镜等微纳米体系精密检测设备主要用于二维测量，很难测量微型器件的三维特征。而传统三坐标测量机由于测量精度有限，所用探针不能检测1 mm 以下器件，无法在纳米尺度上研究器件的结构、性能，不能完成微型器件的质量控制与检测。因此，有必要建立纳米级测量精度表征手段，高精度、小体积、微纳米级测量精度三坐标测量机的探究与发展势在必行，各国科学家对纳米三坐标测量机进行了广泛而深入的研究。

本文简要归纳和总结了近些年国内外纳米三坐标测量机的研究现状，分析讨论存在的问题，为纳米三坐标测量机的发展提供研究基础，并对纳米三坐标测量机的发展趋势进行展望。

3 纳米三坐标测量机研究现状

研究者在传统三坐标测量机的基础上，尝试多方面改进，以开发出具有纳米级测量精度的三坐标测量机。

Takamasu 等人[5]首次提出纳米三坐标测量机的相关概念和基本特征，指出纳米三坐标测量机的技术指标（如分辨率、测量范围、测量精度等）是传统三坐标测量机的1/1000～1/100，见表1。

表1 传统三坐标测量机与纳米三坐标测量机的技术参数对比

英国国家物理实验室设计了一种高精度三坐标测量机[6-7]，其测量范围为50 mm×50 mm×50 mm，总体测量不确定度约50 nm，各轴分辨率为0.3 nm。它是在传统三坐标测量机基础上，加装微型平台和微型探头，该微型平台具有高精度位移测量系统。该测量机已广泛应用于实际测量中，一定程度上促进了纳米测试技术的发展。

荷兰Eindhoven 大学Haitjema 等人[8]研制的新型纳米三坐标测量机，采用了三点对称式机台设计，符合阿贝原则。接触式触发探头直径0.3 mm，测量不确定度为25 nm。整机测量范围达100 mm×100 mm×100 mm，总体测量不确定度为100 nm，单轴测量不确定度为100 nm。

瑞士Küng 等人[9]开发出采用接触式探头的超精密微型三坐标测量机，测量范围为90 mm×90 mm×38 mm，各轴重复性误差低于5 nm。测量系统与三维工作台分离设计，由于导轨下装有空气轴承，避免了振动对测量的影响，总体测量精度较好，低于30 nm。

范光照等人[10]研制出微/纳米级三坐标测量机，其测量精度为30 nm。利用花岗岩材料制作测量机平台，利用压电材料摩擦驱动与挠性变形原理实现X/Y 轴的移动，测量探头最佳分辨率达2.5 nm。文章总体上介绍了一种成本低廉、小型三坐标测量机的研制过程，对纳米三坐标测量机的发展具有一定的参考意义。

天津大学栗大超课题组[11]基于德国SIOS 公司纳米三坐标测量机测量定位平台，研制出一种应用于纳米三坐标测量机的三维微接触式测头，并对其进行结构设计和优化，如测头相关结构参数的仿真优化，像测杆、中心连接体等，实现测头较高测量精度和稳定性。

中国航空工业集团公司王霁等人[12]研制了一种高精度干涉仪，能够应用于纳米三坐标测量机，使其在测量过程中具有中大范围、高精度位移的特性，测量范围小于40 mm，分辨率小于0.1 nm。研究发现，该干涉仪克服了双频激光干涉仪的缺点，结构上具有光学器件的偏振特性，提高了系统分辨率、抗干扰性能及精度。同时，纳米三坐标测量机具有很好的测量重复性。

4 展望

三坐标测量机是现代测量技术发展起来的一种精密测量设备，具有高精度、高效率等优点，能代替多种量具完成各种复杂测量。随着机械、电子等微型器件产品迅速发展，纳米三坐标测量机应运而生，它具有更高的纳米级测量精度，能对各种微型器件进行质量控制与检测，以保证产品质量，因此，纳米三坐标测量机备受各国科研工作者的青睐。

纳米三坐标测量机的主体结构、定位及测量工作台设计、探头及检测系统等是影响其精度、性能的主要因素，如何降低这些因素的影响是科研工作者不断研究的主题，这对开发高精度、高质量的纳米三坐标测量机具有重要意义。［1］张作鹏，陈学奎.浅谈三坐标测量机及其应用［J］.广西轻工业，2009（7）：53－56.