淺析現(xiàn)代精密測量技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

麻中耀 張晨暉

摘 要：：對現(xiàn)代工程的測量，由于工程對多種技術(shù)指標(biāo)的要求越來越多，所以對于測量工作也有了更多要求，需要現(xiàn)代精密測量技術(shù)來進行精度更高的測量工作。本文對現(xiàn)代精密測量技術(shù)的現(xiàn)狀以及發(fā)展進行了探討，希望能為業(yè)界同行提供參考。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代工程；精密測量；現(xiàn)狀與發(fā)展

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，在相關(guān)的制造技術(shù)以及科學(xué)研究中，精密測量儀器的發(fā)展更趨向于智能性和精密性。作為一個重要的發(fā)展目標(biāo)，每個國家都在微米/納米方向的測量技術(shù)進行了廣泛的應(yīng)用和研究。坐標(biāo)測量機代表了上述發(fā)展趨勢，能夠高精度地測量制造中所有三維復(fù)雜零件的形狀、尺寸和相互位置。測量在生產(chǎn)制造工作中越來越廣泛的應(yīng)用，同時，在生產(chǎn)制造的過程中，精確測量的數(shù)據(jù)也應(yīng)用于計算機化以及智能應(yīng)用。在此前提下，對現(xiàn)代精密測量的數(shù)據(jù)要求已經(jīng)不單單是實驗室中測量報告那么簡單，而是制造過程的實時動態(tài)和視覺跟蹤分析。

現(xiàn)代精密測量技術(shù)作為一門集多種技術(shù)于一體的綜合技術(shù)，不僅包括光學(xué)、傳感器和計算機技術(shù)，同時還包括電子、圖像以及制造技術(shù)等，與很多學(xué)科領(lǐng)域都有密切的聯(lián)系，該技術(shù)的發(fā)展離不開這些相關(guān)技術(shù)的支持。在如今的現(xiàn)代制造工業(yè)以及科學(xué)研究的相關(guān)技術(shù)中，現(xiàn)代測量技術(shù)使用到的儀器在發(fā)展趨勢上有著精密、智能和集成的特征。這種精密儀器的典型代表就是三坐標(biāo)測量機，其很好的適應(yīng)了以上闡述的發(fā)展趨勢，這種儀器基本上能夠精確測量生產(chǎn)制造中需要的數(shù)據(jù)。另外，現(xiàn)在精密測量技術(shù)作為國際上技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵目標(biāo)，許多國家都對其在微米/納米領(lǐng)域的測量技術(shù)進行了深入的研究。

2 現(xiàn)代精密測量技術(shù)

（1）微米/納米級的精密測量技術(shù)

精密測量技術(shù)從毫米發(fā)展到微米/納米級的小領(lǐng)域。微米/納米技術(shù)具有研究和檢測從微米到納米尺度的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、大小和分辨率的功能，幫助人類在自然轉(zhuǎn)化中侵入原子和分子納米尺度。具有微米和納米測量精度的幾何和表面形貌測量技術(shù)和設(shè)備，例如HP 5528雙頻激光干涉儀系統(tǒng)等已經(jīng)很成熟[1]。

（2）接觸式傳感技術(shù)（三維精密）

三維精密探針用作檢測期間傳輸信號的裝置，測量結(jié)果在可靠性以及準(zhǔn)確性等方面，在一定程度上取決于其測量精度的高低。按照微觀測量原理以及過零信號的觸發(fā)機制的區(qū)別，可以分為兩種類型：接觸探針和非接觸探針。

接觸探針進一步分為觸發(fā)探針和掃描探針。根據(jù)圖1可以看出，觸發(fā)探針的原理是在檢測期間產(chǎn)生切換信號，此時，控制系統(tǒng)鎖存光柵計數(shù)器數(shù)據(jù)并將該信號發(fā)送給軟件[2]。

由于操作原理的限制，這種探針原則上還會導(dǎo)致復(fù)雜表面測量中的系統(tǒng)誤差。當(dāng)觸測復(fù)雜表面時，在接觸測試的法線方向和輪廓接觸點的法線方向上必然存在觸測角。

（3）非接觸式傳感技術(shù)（三維精密）

按照操作原理的區(qū)別，光學(xué)三維測量技術(shù)能夠分為幾個不同的類別，包括攝影測量、飛行時間、三角測量和投影光柵等。就深度分辨率來說，這類技術(shù)已經(jīng)涵蓋了廣泛的研究應(yīng)用領(lǐng)域，從大規(guī)模3D地形測量到精細(xì)結(jié)構(gòu)研究。在高精度3D檢測領(lǐng)域，重點是激光干涉的應(yīng)用集成（見圖2）和共聚焦原理。

（4）圖像識別測量技術(shù)

如今科學(xué)技術(shù)在快速的發(fā)展，形狀以及幾何尺寸的測量已經(jīng)從宏觀物體發(fā)展到微觀視圖，從一維等簡單的形狀發(fā)展到復(fù)雜的三維形體。由于待測物體的圖像包含大量信息，因此精確的圖像識別測量是測量技術(shù)中的關(guān)鍵問題。圖像的識別測量處理包括圖像信息的獲取、特征提取和圖像信息的處理等。計算機和相關(guān)計算技術(shù)完成信息的處理和確定，包括各種識別模型和數(shù)學(xué)統(tǒng)計。圖像測量系統(tǒng)通常具有以下結(jié)構(gòu)（如圖3）。基于機械系統(tǒng)，線陣列、全息系統(tǒng)和面陣電荷耦合器件構(gòu)成相機系統(tǒng)[3]。

（5）全球定位系統(tǒng)測量法

GPS是如今廣泛使用的全球領(lǐng)先的信息定位系統(tǒng)。就衛(wèi)星信號來說，GPS接收器有著一樣的誤差，在這種情況下，基線側(cè)通常較短，不超過5千米，并且相關(guān)的測量范圍較小。例如，使用差分分辨計算電離層折射誤差等，發(fā)生的誤差可能會相互抵消。成功的高精度觀測需要精心的方案設(shè)計以及觀測設(shè)計。

通過使用GPS系統(tǒng)，可以對一整天實現(xiàn)觀察的目的，并且可以實現(xiàn)更高強度的自動化。GPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)單向系統(tǒng)，即無論外界天氣如何，都可以做到全天候觀測的要求，并且用戶只需要接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的信號。另外，GPS系統(tǒng)還具有計算機化程度高、操作方便等特點。借助計算機，還能夠自動完成信號的內(nèi)部處理，可以廣泛使用和大范圍的傳播。

3 現(xiàn)代精密測量所使用的儀器

為了全方位提高精度測量的技術(shù)水平，常用于實際測量操作的精密測量儀器主要含有激光跟蹤儀、液位計、檢測機器人、電子全站儀、激光掃描儀、多傳感器集成等各類測繪系統(tǒng)和GPS接收機等。

中國目前的高速鐵路軌道測量系統(tǒng)通常是由激光測距部分、傳感系統(tǒng)、激光掃描儀和測量機器人組成，完成了鐵路軌道部分的自動測量。在各種測量任務(wù)中，使用專業(yè)設(shè)備可以有效提高精密測量的可靠性，進而為現(xiàn)代精密測量提供牢固的基礎(chǔ)[4]。

4 現(xiàn)代精密測量的現(xiàn)狀

現(xiàn)代制造工藝以及精密測量的結(jié)合增加了對硬件架構(gòu)的要求。結(jié)構(gòu)傳輸系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)字控制驅(qū)動、傳感器組件、軟件分析等不同的部分綜合確定了測量系統(tǒng)的精度指標(biāo)和應(yīng)用要求。坐標(biāo)的測量系統(tǒng)在類型方面存在區(qū)別，根據(jù)獲取三維尺寸數(shù)據(jù)以及尺寸方面的控制性能和應(yīng)用的能力，測量系統(tǒng)一般能夠分成現(xiàn)場型和實驗室型兩類。

實驗室中使用的測量系統(tǒng)主要是結(jié)構(gòu)形式以及運動關(guān)系的移動橋梁的測量系統(tǒng)與固定的測量系統(tǒng)。從圖4可以看出，移動橋這類的結(jié)構(gòu)使用的是可移動的橋基，能夠沿著固定好的工作平臺移動，結(jié)構(gòu)上也比較簡單，開放性極佳。將工件放在固定工作臺上，不影響測量機的轉(zhuǎn)速，受基礎(chǔ)的影響整體上說比較小，適用于大部分加工零件的幾何公差檢測。然而，由于光柵尺和驅(qū)動部分布置在工作臺的一側(cè)，因此發(fā)生大的阿貝誤差。因為工業(yè)要求的提高，對測量系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性的要求也大大提高。

5 現(xiàn)代精密測量技術(shù)的發(fā)展

從技術(shù)理論體系的角度來看，建立標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)和量化測量的不確定性能夠在一定程度上增加測量技術(shù)的可靠程度。理論價值以及應(yīng)用價值的重要問題是：測量技術(shù)原理和技術(shù)理論新思維的創(chuàng)新性研究；測量技術(shù)的基礎(chǔ)原理研究以及應(yīng)用方面的研究；對高速坐標(biāo)測量機進行的誤差抑制方面的研究；微系統(tǒng)測控技術(shù)，有關(guān)材料的特性的測試，亞微米等級圖像測量系統(tǒng)的開發(fā)；對表面結(jié)構(gòu)方面進行分析處理系統(tǒng)的研究。

從完成理論維度的改進，再到結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)過程，制造技術(shù)可分為硬件、軟件和信息技術(shù)。在精密測量技術(shù)方面，測量技術(shù)發(fā)展也朝著更加高的精度、可靠性和更廣泛的環(huán)境適應(yīng)性、更快的速度和更多的檢測技術(shù)方向發(fā)展。隨著測量分辨率的逐漸的提高，精度從μm級發(fā)展到nm級。從點測量到表面測量的過渡提高了整體的測量精度，即從精確的長度測量到精確的形狀測量[5]。

6 結(jié)束語

科學(xué)技術(shù)在快速的發(fā)展，其中現(xiàn)代精密測量技術(shù)又是其中比較有活力的，其測量數(shù)據(jù)的可靠性會對工程的質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響，同時，現(xiàn)代精密測量技術(shù)的發(fā)展對現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展也有著重要的意義?，F(xiàn)代精密測量作為現(xiàn)代先進制造業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，在智能制造中充當(dāng)了眼睛的作用，它顯著提升了生產(chǎn)的效率，同時降低了生產(chǎn)制造的成本，間接的促進了人類文明和社會的進步。在現(xiàn)代制造業(yè)信息化的條件下，精密測量是現(xiàn)代制造的先進技術(shù)，精密測量的技術(shù)方法和設(shè)備在先進制造或先進的新發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上不斷進步，為先進制造業(yè)的智能化發(fā)展提供支持。

參考文獻

[1]司國斌，張艷.精密超精密加工及現(xiàn)代精密測量技術(shù)[J].機械研究與應(yīng)用，2006，19（1）：15-18.

[2]李曉華，王衛(wèi)華，趙建才，等.現(xiàn)代精密工程測量技術(shù)及新進展[C]// 全國測繪科技信息交流會暨信息網(wǎng)成立30周年慶典.2007.

[3]陳永強.高校精密測量技術(shù)實訓(xùn)中心建設(shè)實踐與探索[J].吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2016，32（3）：16-18.

[4]周建林.高速鐵路精密工程測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究與應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2016，6（8）.

[5]周菊香.動態(tài)測量技術(shù)的發(fā)展——訪北京長城計量測試技術(shù)研究所 總工程師 張力[J].航空精密制造技術(shù)，2008，44（3）：24-25.