精密测量与精微机械

第七讲精密测量与精微机械康宜华李柱17.1测量的意义

俄国科学家门捷列夫说过，“没有测量就没有科学”；

生产一线的工人有这样的精辟论断，“只要测得出，就一定可以做得出”；

华中科技大学的李柱教授有如此的口头禅，“测量是顶天立地的科技”。

测量是顶天的科学，最高科学桂冠诺贝尔自然科学奖项中很多与测量有关。X射线的发现、核磁测定方法、扫描隧道显微镜、心电图。2普通心电图仪长程

心电图仪7.2精密测量

精密测量是精密工程的关键。精密工程的目标是达到下一个数量级，其最明显的特点是需要超乎寻常地细心，以求达到精细化和更小的测量尺度。3

在机械行业，零件的表面形貌均要通过精密测量来实现。机械加工的表面不是一平如镜的，即使加工手段再高明，在不同尺度下放大观察，仍然是凸凹不平的

为了准确测量和描述加工表面的状况，采用表面粗糙度测量仪进行测量。传统表面粗糙度测量仪由传感器、驱动器、指零表、记录器和工作台等主要部件组成，从输入到输出全过程均为模拟信号。采用针描法原理，针描法又称触针法7.2精密测量4

电感传感器是测量仪的主要部件之一。

在传感器测杆的一端装有金刚石触针，触针尖端曲率半径很小，测量时将触针搭在工件上，与被测表面垂直接触，利用驱动器以一定的速度拖动传感器。此运动经支点使磁芯同步地上下运动，从而使包围在磁芯外面的两个差动电感线圈的电感量发生变化。这种仪器适用于测定0.02~10µm的Ra值。

仪器配有各种附件，以适应平面、内外圆柱面、圆锥面、球面、由面以及小孔、沟槽等形状的工件表面测量。7.2精密测量5

在传统的表面粗糙度测量仪的基础上，采用计算机系统对其进行改进后，通过模／数转换将模拟量转换为数字量送入计算机进行处理，使得仪器在测量参数的数量、测量精度、测量方式的灵活性、测量结果输出的直观性等方面有了极大的提高。

电子技术的进步，某些型号的表面粗糙度测量仪还可将表面粗糙度的凹凸状况作三维处理，测量时在相互平行的多个截面上进行，通过模／数变换器，将模拟量转换为数字量，送入计算机进行数据处理，记录其三维放大图形，并求出等高线图形，从而更加合理地评定被测面的表面粗糙度，更加全面地描述表面。7.2精密测量6三维表面粗糙度自动测量仪

z向测量范围为100nm，z向分辨率为5nm，触针半径为2nm，测量力为0.0007N,x-y工作台移动范围为30mm×30mm，步距为1.25nm。对单刻线样板的二维测量结果

（Ra二4.5µm)对单刻线样板的三维测量结果（SRa

二4.41µm)对多刻线样板的二维测量结果对多刻线样板的三维测量结果7.2精密测量7

将光学原理用到测量上有其明显的特点，除了可采用非接触式测量，还可以获得更高的测量精度。

在光切法测量方法中，光线通过狭缝后形成的光带投射到被测表面上，以它与被测表面的交线所形成的轮廓曲线来测量表面粗糙度。

光学干涉法利用光波干涉原理将被测表面的形状误差以干涉条纹图形显示出来，并利用放大倍数高（可达500倍）的显微镜将这些干涉条纹的微观部分放大后进行测量，以得出被测表面的粗糙度。光切显微镜7.2精密测量8

三坐标测量机（CMM,coordinatemeasuringmachining）一种新型高效的精密测量仪器。它的出现，一方面是由于自动机床、数控机床

高效率加工以及越来越多复杂形状零件加工需要有快速可靠的测量设备与之配套，另一方面是由于电子技术、计算机技术、数字控制技术以及精密加工技术的发展。

基本原理：将被测零件放入它的测量空间，精密地测被测元素上测量点的x、y、z三个坐标值，将这些点的数值进行计算机数据处理，拟合成相关几何元素，经过数学计算得出形状、位置公差及其他几何量数据。

通用的三维长度测量仪器，它的机械主体由三个相互垂直的测量轴及其各自的长度测量系统组成，结合测头系统、控制系统、数据采集与计算机系统等构成坐标测量系统的主要系统元件。

通过机器运动系统带动传感器即测头实现对测量空间内任意位置的被测点的瞄准；当瞄准实现时测头发出读数信号，通过测量系统就可以得到被测点的几何坐标值。7.3大尺度与视觉测量9

视觉测试技术是在计算机视觉研究成果的基础上，结合测量学科的特点，采用定量、精确的研究手段，在解决一系列关键技术后，将计算机视觉引人测量领域，拓展成的一种新型的位移、尺寸测试技术。

视觉测量有非接触、速度快、信息量大等优点，可以满足现代在线测量的需要，应用领域宽广。

各种各样的检查、测量和零件识别应用共同特点是连续大批量生产、对外观质量的要求非常高。通常这种带有高度重复性和智能性的工作只能靠人工检测来完成。

把计算机的快速性、可靠性、结果的可重复性，与人类视觉的高度智能化和抽象能力相结合，由此产生了机器视觉的概念。

一般地说，机器视觉就是用机器代替人眼来测量和判断。

视觉测试技术和计算机视觉研究的视觉模式识别、视觉理解等内容不同：7.3大尺度与视觉测量10

计算机视觉的研究目标是用机器实现生物的视觉功能，它侧重于自动识别、自动理解等智能问题；视觉测试技术重点研究物体的几何尺寸及物体的位置测量。

轿车车身三维尺寸的测量、模具三维型面的快速测量、大型工件同轴度的测量等。

视觉测量从原理上来讲，包括基于单光条结构光的视觉测量原理（单眼）、基于十字线结构光的视觉测量原理（双眼）、基于多光条结构光的视觉测量原理（多眼），还有基于立体视觉的主动视觉检测、与机器人技术结合的视觉测量。总体测量原理7.3大尺度与视觉测量11每个测量单元测出钢管的外圆轮廓后计算出该截面的中心实物图7.3大尺度与视觉测量12轿车车体的三维尺寸在线视觉检测

大尺度的部件获得更高的测量精度，既要测量的量程大，又要测量的绝对精度高：基于全球定位系统（GPS）技术的三维测量理念，开发了室内全球定位系统（indoorGPS）：具有高精度、高可靠和高效率。

室内全球定位系统技术和柔性工具联合使用后，生产效率提高了48倍。

室内全球定位系统技术应用于飞机、卫星、汽车、造船等工业测量领域，在实时监控、移动导航、在线检测、大部件的空间尺寸三维测量以及逆向工程等方面体现出明显的优势。7.3大尺度与视觉测量13

能实时监控被测物体在生产、安装和维修过程中的位置和状态；能跟踪和导航工作区域内的起重机、机器人或其他移动设备及工具；能实时控制生产装配线的运行质量。某型号飞机的机尾测量波音飞机零部件生产模具的现场测量7.3大尺度与视觉测量14

它用基于数字光学投影的结构光测量系统作为测量终端，精确测量工件局部范围内复杂曲面的密集点云数据；同时由基于全球定位原理的大范围光电跟踪、定位系统，对大范围全局坐标系进行监控，实时跟踪结构光测量系统在工件全场坐标系下的精确坐标，将测量得到的局部范围的密集点云数据自动融合到同一坐标下，以实现对大尺寸零件的局部或完整由面精密测量。7.4计量标准15

“高标准、严要求”一直是一种口号。可是，真要实施起来，则离不开计量，也就离不开计量原理、方法、仪器和设备。

计量的标准与规范是精密测试技术发展到最高阶段和测试计量过程能够准确实施的必要于段。

在机械行业，标准《产品几何技术规范（GPS）几何公差、形状、方向、位置和跳动公差标注》（GB/T1182——2008）是新一代标准的开始，它蕴涵了机械生产、加工、计量全生命过程的一体化思想。

标准不但是一项“贵族研究”，更代表着一种权威。例如，美国石油协会（API）

制定的标准几乎贯穿着石油生产的所有过程。7.5钟表与精密机械16

目前在我国首都北京的故宫里存放着一座我国自己制造的大座钟。它高约6m，钟后有楼梯，供人上弦和拨针时使用。这座钟表的机件虽然又重又大，可是所走的时间却十分精确。我国故宫所藏的清宫钟表7.5钟表与精密机械17

钟表世界名牌“江诗丹顿”，被认为是“一个天才的推销员和一个天才的机械师”创造的传奇。江诗丹顿把自己的产品卖到了从不低于6900美元，最高甚至到了900万美元的价格。1839年，江诗丹顿邀请机械天才乔治担任公司技术总监，他发明了各种规格化的机芯、零部件机械、模具和制造机器。这是划时代的发明，让钟表制造的产量大大提高，不再受制于手工操作，真正变成了可以规模化生产的大买卖。

陀飞轮、万年历等手表功能也会提高手表的身价。在钟表中，陀飞轮堪称精密机械的典范。

瑞士钟表大师路易·宝矶先生在1795年发明的一种钟表调速装置。7.5钟表与精密机械18

为了校正地心引力对钟表机件造成的误差，把整个擒纵调速系统安装在一个框架中，框架以一定的速度不断地打转。当摆轮在某一位置受到陀飞轮表某一方向的重力影响时，到另一位置将会受到另一方向的重力影响，框架不断地转动，摆轮的位置也随之改变，从而接受各种方向的影响。

代表了钟表技术的最高水准，世界上能生产这类手表的厂家并不多，产品也极为昂贵。

中华陀飞轮产生得却很晚。1995年，北京手表厂许耀南领导的技术小组才完成了第一只样表。7.6精微机械192000年7月7日，清华大学专家在北京正式宣布，我国首颗微小卫星——

航天清华一号卫星目前运行情况良好，已成功发回大量信息。

微小卫星在姿态控制系统、光学遥感和无线电通信系统等方面工作状况良好。它是我国目前最小的卫星，重量只有50峙，可以对森林火灾、环境污染等自然、人为灾害进行监测。

卫星按照质量的大小分级如下：飞米卫星，质量小于0.1kg；皮米卫星，质量小于1kg，美国军方2005年11月底首次发射的皮米卫星质量不到230u；纳米卫星，质量在1~10kg；微米卫星，质量在10~100kg；小卫星，质量在100~1000kg；一般卫星，质量大于1000kg。7.6精微机械20

在空中飞行的微型直升机则更小了，按照美国国防预研局的规定，这种掌上飞机的长、宽、高均小于15cm，发射质量为10~100g，有效载荷为20g，飞行时速为30~60km，留空时间为20~60min，最大飞行距离为10km。

掌上飞机相当精致，虽然仅有几十克重，十几厘米长，但可谓“麻雀虽小，五脏俱全”，电动机、掌上大功率的电池、飞机数据记录仪、舵机、无线电接收系统，一应俱全，如果需要还可以在飞机的腹部装上掌上电视摄像镜头和发射器。

飞机摄像系统不过花生米般大小，而整个控制系统也就火柴盒般大小，所以要求配件非常精密，许多制造过程必须借助放大镜才能完成。

掌上飞机一般飞行高度在200m左右，飞行时速可达到40~50km，遥控半径为1000m，续航时间为20min，飞行过程中可不断向地面监视器发回空中拍摄的地面实况。7.6精微机械21

掌上飞机在技术上既涉及空气动力学、推进系统、材料与结构设计等传统的航空技术领域，又涉及微机电设计与制造等新型的学科领域。发展和研究掌上飞机的关键技术之一就是基于微机电的加工与制造技术。

掌上飞机的体形小并携有摄像和发射装置，可以应用于民用领域，如飞机能从失火的建筑群中寻找被困人员，也可在空中摄像、环境监测、道路交通监控、牧场巡逻等方面发挥重要作用。

掌上飞机在军事领域有着更为重要的作用。掌上飞机可装入衣兜里随时随地发射，主要作为单兵携带的战场侦察平台使用，也可以用于空中监视、情报侦察、目标定位、通信中继、地雷布设以及大型建筑物与工厂内部的侦察。

在军事上发展出纳米部队，它包括以下几种纳米“武器”。7.6精微机械221）麻雀卫星，在太阳同步轨道上等间隔布置功能不同的648颗，可对地球上任一点进行连续监视。2）蚊子导弹，可以神不知鬼不觉地潜入目标内部进行攻击。

3）针尖炸弹，它是分子大小的小液滴，大小为针尖的1/5000，可炸毁微小敌人（生化武器的炭瘟抱子）。4）苍蝇飞机、蚂蚁士兵、间谍草、沙粒坐探等。

第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，可注入人体内，用来进行健康检查和疾病治疗，毁灭癌细胞和修补被损坏的人体组织，进行人体器官的修复工作、做整容手术，从基因中除去有害的DNA或把正常的DNA安装在基因中，使机体正常运行。纳米机器人还能够通过处理各种化学物品制造出有用的科学原料。

第二代纳米机器人是直接由原子或分子装配成的具有特定功能的纳米尺度的分子装置。

第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。7.6精微机械23

气泡状小球称为呼吸者，它们不仅比红血球多携带数百倍的氧分子，而且本身装有纳米计算机、纳米泵，可以根据需要将氧释放，同时将元用的二氧化碳带走。

纳米仿生机器人。这种称为游荡者的纳米仿生物可以为人体传送药物，进行细胞修复等工作。

由于纳米机器人可以小到能在人的血管中自由地游动，对于像脑血栓、动脉硬化等病灶，它们可以非常容易地予以清理7.7纳米计量学24

随着扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）、扫描近场光学显微镜CSNOM）、光子扫描隧道显微镜（PSTM）等的相继出现，从20世纪80年代开始，逐步诞生了一门崭新的学科纳米计量学，它是研究在纳米尺度上进行测量的科学。

为了准确元误地生产纳米材料和器件，并实现纳米技术的应用，在纳米尺度上测量（测定它们的尺寸、形状和物理性质）和表征材料的能力至关重要。

纳米计量包括长度和大小的测量（尺度通常用纳米表述，测量误差常常在1nm以下），以及作用力、质量、电学和其他性质的测量。

实现纳米测量的设备有很多，如光干涉测量仪、量子干涉仪、电容测微仪、X射线干涉仪、频率跟踪式法咱（F-P）标准具、扫描电子显微镜、分子测量机、扫描隧道显微镜及原子力显微镜等。7.7纳米计量学25纳米测量发展方向：1）高精度纳米乃至亚纳米量级大范围测量；2）对环境具有较强的适应能力、长时间连续工作、高稳定性、低漂移；3）在线检测；4）的纳米定位。实现任何量级的计量都需完成四项主要任务：1）在测量空间中建立计量标准；2）依据计量标准建立参考坐标系；3）产生相对于坐标系的往复运动；4）利用测头瞄准工件。7.7纳米计量学261）扫描隧道显微镜

根据量子力学原理，由于粒子存在波动性，当一个粒子处在一个势垒之中时，粒子越过势垒出现在另一边的几率不为零，这种现象称为隧道效应。

扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。

由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度并不在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为1nm。

用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质（称为样品）的表面作为两个电极，当样品表面与针尖靠得非常近（距离小于1nm）时，两者的电子云略有重叠。7.7纳米计量学271）扫描隧道显微镜

若在两极间加上电压，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流。隧道电流的大小与针尖和样品间的距离以及样品表面平均势垒的高度成比例关系。

隧道电流对针尖与样品表面之间的距离极为敏感，如果这一距离减小0.1nm,隧道电流就会增加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原子尺度的起伏，也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机，在屏幕上即显示出与样品表面结构相关的信息。2）原子力显微镜

原子力显微镜采用的是一种类似于扫描隧道显微镜的显微技术，它的许多组件与扫描隧道显微镜是相同的。三维扫描的压电陶瓷系统以及反馈控制器。

与扫描隧道显微镜主要不同点是用一个对微弱力极其敏感的悬臂针尖代替了扫描隧道显微镜的针尖，并以探测悬臂的偏折代替了扫描隧道显微镜中的隧道电流。7.7纳米计量学282）原子力显微镜

接触式及非接触式原子力显微镜易受外界其他因素如水分子的吸引，而造成刮伤材料表面及分辨率差所引起的影像失真问题，使用上有限制，尤其对于生物及高分子软性材料。1）接触式原子力显微镜

利用探针针尖与待测物表面原子力交互作用（一定接触），使非常软的探针臂产生偏折，此时用特殊微小的激光照射探针臂背面，被探针臂反射的激光以二相撒光相位侦捡器来记录激光被探针臂反射后偏移的变化，探针与样品间产生原子间的排斥力为10-9~10-6N。

过大的作用力会损坏样品，尤其是对软性材质如高分子聚合物、细胞生物等。不过在较硬材料上通常能得到较佳的分辨率。2）非接触式原子力显微镜

利用原子间的长距离吸引力范德华力来运作，其探针不必与待测物表面接触，而由微弱的范德华力改变探针的振幅。

7.7纳米计量学292）原子力显微镜

探针与样品间的距离以及探针振幅必须严格遵守范德华力原理，因此，探针与样品的距离不能太远、探针振幅不能太大（2~5nm）、扫描速度不能太快。样品置放于大气环境下，湿度超过30%时，会有一层5~10nm厚的水分子膜覆盖于样品表面上，造成不易回馈或回馈错误。3）间歇接触式原子力显微镜

将非接触式原子力显微镜加以改良，拉近探针与试片的距离，增加探针振动频率(10~300kHz），其作用力约为10-12N，探针有共振振动，因而探针与材料表面有间歇性跳动接触，探针在振荡至波谷时接触样品，由于样品的表面高低起伏，使得振幅改变，再利用回馈控制方式，便能取得高度影像。

间歇接触式原子力显微镜的振幅可调整，小至不受水分子膜干扰，大至不硬敲样品表面而损伤探针。间歇接触式原子力显微镜在测量的Oxy平面上分辨率为2nm。在z方向上，由于探针下压力可视为一种弹性作用，不会像接触式原子力显微镜那样在x、y方向一直拖曳而造成永久性破坏。

7.8集成电路装备中的精微机械系统

30

集成电路（IC）是电子设备中最重要的部分，承担着运算和存储的功能。集成电路装备是指生产半导体器件、集成电路芯片和平板显示器等的专用生产设备。集成电路是计算机、数字家电、通信设备等的“心脏”，而生产“心脏”部件的设备——集成电路装备，占据了科技的制高点。

高速高精多维运动平台是集成电路装备的核心部件之一，平台的运动机构和定位精度直接决定了器件加工所能达到的特征尺寸。2010年，集成电路特征线宽由2008年的65nm提高到45nm。

传统运动平台的执行机构一般由接触式的移动副和旋转副等构成，由于这些运动副是刚性的、机械接触式的，运动副之间不可避免地会产生摩擦和发热，而且刚性结构无法有效阻隔机械结构的振动，制约了这类机构的动力学特性。

在超精密运动平台的设计中，采用非接触式的气浮支承取代机械接触式的运动副。7.8集成电路装备中的精微机械系统

31（1）气浮支承工作原理

采用气体作为润滑介质，通过在气浮支承底面和支承平台平面之间形成一层气体薄膜来实现支承和润滑的功能。

气浮支承可分为动压型、静压型和挤压膜型：

动压型气浮支承是利用气体在模形空间内流动从而形成升力支承负载；

挤压膜型气浮支承是通过运动副间相互法向运动形成气体挤压实现支承功能；

静压型气浮支承是通过气源向气浮支承供给压力气体，压力气体经过气浮支承内的节流孔后充满压力腔，然后流入气浮底面与支承平面之间形成一层压力气膜，从而实现支承和润滑。——承载能力比较大，不需要轴承之间有一定的模角或相对的运动，因此在超精密运动平台中较为常用。7.8集成电路装备中的精微机械系统

32（1）气浮支承工作原理

浮支承一般采用硬质铝合金或陶瓷材料加工而成，内部加工有气体通道并安装了节流塞（一般采用在红宝石上用激光打孔或在气浮支承上直接钻孔的方法制成）。

放置在精密花岗石平台或铝合金导轨上，实现单方向或多方向的运动。由于应用在超精密运动平台中的气浮支承所形成的气膜间隙非常小，因此对支承平台或导轨的表面粗糙度、平行度等指标有着严格的要求。

当供气系统输出压力气体至气浮支承后，气浮支承和支承平台之间将形成一层气膜，该气膜使气浮支承元接触地悬浮在支承平台上。气浮支承运动时所受的摩擦力非常小，几乎没有磨损。7.8集成电路装备中的精微机械系统

33（1）气浮支承工作原理

当气浮支承运行时，若气膜间隙发生变化，气膜内压力分布也会随之发生变化。当气膜间隙为h1，气惊供气压力为p0时，气体流经节流器c产生一定压力降，流出节流孔后充满压力腔，压力变为Ph，再向外流至气浮支承的边界，气膜内气体压力逐渐降为环境压力Pa，此时在气浮工作面与支承平台之间形成的压力气膜支承着整个平台。7.8集成电路装备中的精微机械系统

34（2）气浮支承工作平台

超精密运动平台中气浮支承：气浮导轨，主要是将传统的滚动或滑动导轨中的接触式轴承替换为非接触式的气浮支承，然后通过驱动机构实现指定方向的元摩擦运动

平面运动的气浮支承，该类气浮支承一般用于支承负载，并通过驱动机构实现被支承体在平面内任意的运动

超精密运动机构通常是将这两种形式的气浮支承组合，形成宏微运动机构，其中宏动机构通过直线电动机驱动气浮导轨实现大行程微米量级的运动，微动机构连接在宏动执行机构的末端，通过平面电动机驱动气浮支承实现小行程纳米级的运动。7.8集成电路装备中的精微机械系统

35（3）气浮支承中的纳米测量系统

运动平台的性能很大程度上依赖于测量的精度，没有超精密测量作位置检测和运动反馈，就没有超精密的运动控制。