工業(yè)制造業(yè)中幾何量測量技術(shù)及應(yīng)用分析

于佃清

（遼寧省測量科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110004）

幾何量測量是指長度測量，在測量學(xué)領(lǐng)域中占據(jù)重要地位，通過合理的幾何量測量技術(shù)應(yīng)用，可以保證測量精密度和準(zhǔn)確度。而在當(dāng)前信息化、自動化和智能化背景下，制造業(yè)開始了新一輪的技術(shù)革命，大量新技術(shù)和新設(shè)備的應(yīng)用，促使工業(yè)制造業(yè)開始趨于智能化發(fā)展。智能制造期間，主要是依托幾何量測量技術(shù)和傳感器設(shè)備獲取幾何量數(shù)據(jù)，并且要求在自動化、智能化基礎(chǔ)上提取，實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效開發(fā)和利用，滿足智能制造發(fā)展需要。

1 工業(yè)生產(chǎn)制造中的幾何量測量技術(shù)概述

幾何量測量技術(shù)與工業(yè)制造有著密切的關(guān)系，它們共同組成了整個工業(yè)生產(chǎn)的相關(guān)工作流。在測量技術(shù)方面，可以說是工業(yè)制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，很可能會直接影響到產(chǎn)品的精度與效率，因而必須重視幾何量測量技術(shù)的有關(guān)內(nèi)容。

1.1 工業(yè)生產(chǎn)制造中的幾何量測量技術(shù)

在工業(yè)制造領(lǐng)域，幾何量測量技術(shù)主要包括測量、傳感和設(shè)備測量，主要是通過采集和加工機(jī)器的幾何尺寸來完成測量。簡單地說，就是以物理為基礎(chǔ)，將其用于工業(yè)的生產(chǎn)和加工，所需要的測量對象也是多種多樣的。而感測則是將物理與化學(xué)聯(lián)系在一起，以此為基礎(chǔ)，通過儀器對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而把被測對象轉(zhuǎn)化成可以被人類所認(rèn)識和處理的信號?？傊瑤缀瘟繙y量技術(shù)是一種應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)，它總是處于一個不斷變化的過程之中，必須正確的運(yùn)用它，才能更好地推動工業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展。

1.2 工業(yè)生產(chǎn)制造中幾何量測量技術(shù)的基本理論

（1）靜態(tài)理論。在我國工業(yè)生產(chǎn)制造過程中，就幾何量測量技術(shù)而言，靜態(tài)理論在精確性上更易受隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差等因素的影響，而系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差是有其自身發(fā)展規(guī)律的，而粗大誤差則是脫離了規(guī)則約束的。這就是靜態(tài)測量理論所具有的測量精度特征，而它更注重于對靜止物體的測量。

（2）動態(tài)理論。就幾何量測量技術(shù)而言，它的動力原理所包含的內(nèi)容，可以實現(xiàn)高精度的控制功能，特別是在整個系統(tǒng)的動態(tài)測量中起著舉足輕重的作用。運(yùn)用動態(tài)理論，可以使有關(guān)的測量者對內(nèi)部的錯誤和外在的影響因素進(jìn)行全面的分析，并根據(jù)這些問題做出合理的處理。同時，動態(tài)測量還包含了可追溯性的誤差分解原理以及由錯誤引起的精度損失，這種方法是適用于動態(tài)對象的檢測與管理的。

（3）工業(yè)生產(chǎn)制造中幾何量測量技術(shù)的作用。隨著我國科技、社會、經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)建設(shè)的規(guī)模開始不斷擴(kuò)大中，傳統(tǒng)的人工勞動已不能很好地適應(yīng)社會的需要。相關(guān)企業(yè)需要通過優(yōu)化傳統(tǒng)的手工作業(yè)，從而更好地提高工業(yè)生產(chǎn)的效率。在工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用幾何量測量技術(shù)，既能檢驗生產(chǎn)線的精度，又能改進(jìn)工藝，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。此外，由于各種幾何量測量技術(shù)的綜合利用，使得測量技術(shù)的應(yīng)用范圍也隨之?dāng)U展，因此必須不斷更新和優(yōu)化測量技術(shù)，以適應(yīng)各種場合的不同需求。

2 工業(yè)制造業(yè)中幾何量測量技術(shù)及應(yīng)用

2.1 納米測量技術(shù)

納米測量技術(shù)，基于納米測量機(jī)實現(xiàn)，屬于實用可靠的綜合測量技術(shù)。納米測量機(jī)配備一個專門測頭傳感器，高速電子控制系統(tǒng)驅(qū)動，閉環(huán)控制朝著待測件運(yùn)動，達(dá)到理想信號值后及時存儲下坐標(biāo)信息，隨著測頭傳感器運(yùn)動，可以滿足任意位置1 nm 增量閉環(huán)控制需要。測頭傳感器是一個MEMS 系統(tǒng)，可以高精度測量待測件和監(jiān)測測針間距。而在測量期間，測針并不會直接接觸待測件，因此可以規(guī)避對待測件的損傷，屬于無損測量技術(shù)。

納米測量技術(shù)在超精密工業(yè)加工、光學(xué)、半導(dǎo)體微電子加工和精密工程中應(yīng)用較為廣泛，經(jīng)過長期改進(jìn)完善，開始朝著兩方向發(fā)展，一是立足于傳統(tǒng)測量方法基礎(chǔ)，引進(jìn)先進(jìn)測量儀器設(shè)備來解決微細(xì)加工的納米測量問題，剖析不同測量技術(shù)優(yōu)劣所在，結(jié)合其不足針對性提出改善措施。二是在新概念基礎(chǔ)上涌現(xiàn)的新技術(shù)，在量子物理和微觀物理研究成果基礎(chǔ)上，在測量領(lǐng)域中應(yīng)用，推動納米測量技術(shù)朝著更高層次發(fā)展。

但納米測量技術(shù)也有一定不足，也正是這些不足限制了此項技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。如何有效構(gòu)建納米測量環(huán)境，是應(yīng)用幾何量測量技術(shù)測量的一個關(guān)鍵性問題，不同測量方法的納米環(huán)境不盡相同。加之人們對納米材料的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)了解不充分，一定程度上造成了設(shè)計和制造的盲目性，還有很多不足亟待優(yōu)化和改進(jìn)。

2.2 機(jī)器視覺技術(shù)

機(jī)器視覺技術(shù)是借助專門的機(jī)器視覺裝置，通過攝取目標(biāo)信息轉(zhuǎn)化為一定格式的圖像信號，傳輸?shù)綀D像處理系統(tǒng)來獲取目標(biāo)形態(tài)信息，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為數(shù)字化信號。通過對這些信號運(yùn)算和分析，提取目標(biāo)特征，以此為依據(jù)控制現(xiàn)場的設(shè)備運(yùn)行。機(jī)器視覺技術(shù)特點(diǎn)鮮明，生產(chǎn)自動化、柔性化，可以代替人工視覺完成一系列高強(qiáng)度、風(fēng)險大的工作，滿足多種場合需要。對于大批量零件生產(chǎn)中，借助此項技術(shù)可以顯著提升生產(chǎn)效率和測量準(zhǔn)確度，促使信息高度集成，提升工業(yè)制造自動化和智能化。

機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用，對目標(biāo)信息的提取和轉(zhuǎn)化主要是借助CCD 照相機(jī)實現(xiàn)，通過運(yùn)算提取目標(biāo)特征，包括位置、數(shù)量、面積和長度等參數(shù)，聯(lián)合其他條件綜合判斷，實現(xiàn)自動化識別和控制。在電子行業(yè)與半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)用廣泛，同時在紡織、包裝、制藥和交通等流域部分環(huán)節(jié)代替人工，有效提升生產(chǎn)效率與質(zhì)量。

2.3 影像測量技術(shù)

此項技術(shù)是在傳統(tǒng)投影測量技術(shù)基礎(chǔ)上衍生而來，通過整合計算機(jī)軟件技術(shù)、CCD 高像素感光攝像技術(shù)，屬于一種非接觸的測量技術(shù)，可以規(guī)避對待測件的損壞。通過計算機(jī)上安裝的圖像測量和控制軟件，可以高精準(zhǔn)的獲取光柵尺位移坐標(biāo)值，并輸入到控制軟件中計算得到結(jié)果，計算效率和精度高，可以在軟件上直觀呈現(xiàn)圖像，用于支持工作人員對比分析。

就影像測量技術(shù)的原理與特點(diǎn)來看，通過掃描產(chǎn)品的幾何形狀和外部輪廓，獲取待測件尺寸規(guī)格，完成產(chǎn)品繪圖要求，并標(biāo)識清楚尺寸規(guī)格。經(jīng)過軟件處理后的尺寸信息，是待測件真實信息。影像測量技術(shù)精度高、操作便捷、功能強(qiáng)大，可以最大程度上降低人為測量誤差，加之該儀器設(shè)備集合了電子顯微鏡技術(shù)，放大倍率較高，在逐步完善下可以智能化識別產(chǎn)品信息，減少人為誤差，提升測量精密度和準(zhǔn)確度。

2.4 在線測量技術(shù)

在線測量技術(shù)是一種較為先進(jìn)、可靠的技術(shù)，基于測頭觸碰待測件來獲取位置坐標(biāo)。具體包含測頭、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和信號傳輸系統(tǒng)等部分構(gòu)成，對于提升在線檢測幾何精度具有重要作用。此項技術(shù)借助機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)功能，可以及時反饋和處理信息，并修正誤差，調(diào)整機(jī)床各項參數(shù)，提升加工質(zhì)量。使用在線測量方式，可以及時找正降低誤差，適當(dāng)減少工件周轉(zhuǎn)次數(shù)導(dǎo)致的誤差問題。同時，加強(qiáng)中間環(huán)節(jié)質(zhì)量控制，盡可能減少特殊工裝設(shè)計制造，縮短加工效率同時，切實提升生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

2.5 關(guān)節(jié)臂測量技術(shù)

關(guān)節(jié)臂測量技術(shù)，是借助關(guān)節(jié)臂測量機(jī)進(jìn)行測量，安裝溫度傳感器、角度傳感器和應(yīng)變傳感器在測量機(jī)的各處，可以通過不同類型傳感器來收集信息，并通過總線連接，將采集的信息輸入到計算機(jī)系統(tǒng)中存儲和分析。單片機(jī)采集傳感器數(shù)據(jù)后，上傳到計算機(jī)平臺上處理，進(jìn)而實現(xiàn)與單片機(jī)的高效交互，最終使用專門的測量軟件對坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.6 三維掃描技術(shù)

三維掃描技術(shù)，同樣屬于非接觸測量方式，通過對待測件表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，進(jìn)而擬合成產(chǎn)品表面形狀，構(gòu)建三維模型。通過此種方式，可以實現(xiàn)待測件表面顏色數(shù)據(jù)信息快速采集，同時借助工業(yè)攝影測量方式來獲取待測件光學(xué)信息，經(jīng)過計算后得到空間坐標(biāo)，并通過影像匹配和計算機(jī)處理數(shù)字圖像等操作后，獲得高精度的三維模型。三維掃描技術(shù)應(yīng)用范圍較廣，包括機(jī)器人導(dǎo)引、逆向工程、工業(yè)設(shè)計和地貌測量等，實際應(yīng)用中效果顯著。但同時，此項技術(shù)同樣存在一定缺陷和不足，缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的重建技術(shù)，方法和儀器直接決定好了物體表面特性。如，光學(xué)技術(shù)難以實現(xiàn)鏡面或高亮物體表面處理，激光技術(shù)由于自身特性不適合變質(zhì)表面測量處理，因此需要靈活使用不同的測量技術(shù)，更好地滿足實際工作需要。

2.7 坐標(biāo)測量技術(shù)

坐標(biāo)測量技術(shù)，即任意形態(tài)均為三維空間點(diǎn)，其所有的幾何測量均可歸為三維空間點(diǎn)的測量，因而準(zhǔn)確獲取空間點(diǎn)的坐標(biāo)是評價任意幾何形態(tài)的基本依據(jù)。具體的測量是將待測物體置于測量機(jī)所能容許的測量空間中，準(zhǔn)確地測出待測物體在三個空間坐標(biāo)位置上的位置，然后用計算機(jī)對其進(jìn)行擬合，得到其形狀、位置、公差等幾何參數(shù)。坐標(biāo)測量技術(shù)的主要應(yīng)用載體是三坐標(biāo)測量儀（CMM)，它可以實現(xiàn)三個方向的運(yùn)動，在三條互相垂直的軌道上自由運(yùn)動，并且可以通過接觸來鎖定信號。本發(fā)明的測量功能包括幾何尺寸、定位精度、幾何精度和外形精度。主要用于工業(yè)、汽車、航空、等行業(yè)的精密測量，以便于完成零件的檢測、外形測量、工藝控制等工作。

2.8 激光跟蹤測量技術(shù)

激光跟蹤測量系統(tǒng)的工作原理是：在目標(biāo)點(diǎn)放置一臺發(fā)射機(jī)，由跟蹤頭發(fā)射的激光照射到該發(fā)射機(jī)，然后再回到該跟蹤頭，在該跟蹤頭運(yùn)動時，該跟蹤頭會調(diào)節(jié)光束的方向，使其對齊。同時，探測系統(tǒng)接收到的回波波束，用于測量物體的空間定位。激光跟蹤器廣泛用于汽車、航天和一般制造等行業(yè)的工裝安裝、檢測和機(jī)床的控制和標(biāo)定。但是，激光跟蹤系統(tǒng)采用的是激光測距技術(shù)，而且角編碼器會隨著距離的增大而產(chǎn)生較大的定位誤差，因此跟蹤系統(tǒng)會產(chǎn)生一定的角度偏差。此外，由于激光自身受大氣溫度、氣壓、濕度等方面的影響，因此將大氣參數(shù)作為補(bǔ)償對于該儀表的正常運(yùn)行至關(guān)重要。

3 測量技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)制造中存在的問題

3.1 創(chuàng)新能力不夠充足

目前國內(nèi)自主創(chuàng)新的品牌數(shù)量相對較少，與國外相比存在一定的差距，對國內(nèi)的測試技術(shù)研究也產(chǎn)生一定的影響。由于部分國內(nèi)工業(yè)企業(yè)對測量技術(shù)在發(fā)展中的地位和作用了解不夠，總體上的投資相對欠缺，導(dǎo)致研發(fā)力度不夠，產(chǎn)品創(chuàng)新能力差，難以形成具有自主創(chuàng)新能力的自主品牌。

3.2 高端儀器設(shè)備的空缺

現(xiàn)在，國產(chǎn)高端的測量儀器在市場上的應(yīng)用，已經(jīng)被主流市場所排斥，雖然價格相對便宜，但由于技術(shù)和產(chǎn)品品質(zhì)的影響，導(dǎo)致利潤相對較低。而且，由于企業(yè)在研發(fā)方面的投資并不多，這也對國產(chǎn)品牌的后續(xù)發(fā)展產(chǎn)生許多不利的影響，長此以往形成一個惡性循環(huán)。

3.3 技術(shù)資源的利用不充分

在許多發(fā)達(dá)國家，測量技術(shù)應(yīng)用都是緊跟著市場的發(fā)展，技術(shù)人員都是以客戶的需求為基礎(chǔ)進(jìn)行研發(fā)。但是，現(xiàn)階段國內(nèi)對測量技術(shù)研究人員大都集中在研究機(jī)構(gòu)或者高校里面，所以導(dǎo)致研究成果并不能適應(yīng)市場發(fā)展的需要，從而影響到測量技術(shù)的使用效率，無法適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的實際發(fā)展。

4 測量技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)制造中的發(fā)展趨勢

4.1 極限制造中的測量技術(shù)

隨著大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)和使用，對于測量空間的需求越來越大，相應(yīng)的測量參數(shù)也越來越寬泛，這就需要對測量技術(shù)進(jìn)行深入研究，使之能夠向著納米尺度的方向發(fā)展，并不斷的改進(jìn)其實際性能。未來的測量技術(shù)，既要保證其可靠度、抗干擾性，又要保證其快速、穩(wěn)定的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)更高層次的測量技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展，使測量問題得到更好的解決。將測量技術(shù)應(yīng)用于極限加工，將有助于實現(xiàn)更大尺寸、更高密度的測量狀態(tài)，使之能更好地適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化需求。

4.2 動態(tài)測量與現(xiàn)場測量

今后的測量技術(shù)將逐步由靜態(tài)、非現(xiàn)場的測量逐步向動態(tài)、在線實時監(jiān)測轉(zhuǎn)變。在工業(yè)生產(chǎn)中，產(chǎn)品設(shè)計、工藝技術(shù)的選擇、材料的品質(zhì)等都是必須重視的問題。同時，還要將檢測技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)相結(jié)合，使二者實現(xiàn)一體化，使之成為一個智能化的體系，使我國的工業(yè)制造更加快速發(fā)展。

4.3 測量過程中的信息融合

在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)中，對于生產(chǎn)的產(chǎn)品有許多的需求，所以在測量的過程中，所需要的數(shù)據(jù)量也會越來越大。如何做好數(shù)據(jù)的收集、整合與應(yīng)用，是技術(shù)開發(fā)工作者必須重視的課題。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中，相關(guān)技術(shù)人員需要重點(diǎn)關(guān)注各種信息的整合與協(xié)同。

5 結(jié)論

綜上所述，當(dāng)前的幾何量測量技術(shù)多樣，不同的測量技術(shù)，其優(yōu)勢不同，在工業(yè)制造業(yè)中的應(yīng)用，是推動制造業(yè)智能化發(fā)展的必然選擇。這就需要充分了解不同幾何量測量技術(shù)優(yōu)勢的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，優(yōu)化操作流程的同時，最大程度上降低人為因素帶來的測量誤差，提升測量準(zhǔn)確度和效率，為工業(yè)制造加工提供支持。