工業制造業中幾何量測量技術及應用分析

于佃清

（遼寧省測量科學研究院，遼寧 沈陽 110004）

幾何量測量是指長度測量，在測量學領域中占據重要地位，通過合理的幾何量測量技術應用，可以保證測量精密度和準確度。而在當前信息化、自動化和智能化背景下，制造業開始了新一輪的技術革命，大量新技術和新設備的應用，促使工業制造業開始趨于智能化發展。智能制造期間，主要是依托幾何量測量技術和傳感器設備獲取幾何量數據，并且要求在自動化、智能化基礎上提取，實現數據高效開發和利用，滿足智能制造發展需要。

1 工業生產制造中的幾何量測量技術概述

幾何量測量技術與工業制造有著密切的關系，它們共同組成了整個工業生產的相關工作流。在測量技術方面，可以說是工業制造的關鍵環節，很可能會直接影響到產品的精度與效率，因而必須重視幾何量測量技術的有關內容。

1.1 工業生產制造中的幾何量測量技術

在工業制造領域，幾何量測量技術主要包括測量、傳感和設備測量，主要是通過采集和加工機器的幾何尺寸來完成測量。簡單地說，就是以物理為基礎，將其用于工業的生產和加工，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聯系在一起，以此為基礎，通過儀器對信號進行轉換，從而把被測對象轉化成可以被人類所認識和處理的信號?？傊?，幾何量測量技術是一種應用非常廣泛的技術，它總是處于一個不斷變化的過程之中，必須正確的運用它，才能更好地推動工業的生產和發展。

1.2 工業生產制造中幾何量測量技術的基本理論

（1）靜態理論。在我國工業生產制造過程中，就幾何量測量技術而言，靜態理論在精確性上更易受隨機誤差、系統誤差等因素的影響，而系統誤差和隨機誤差是有其自身發展規律的，而粗大誤差則是脫離了規則約束的。這就是靜態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）動態理論。就幾何量測量技術而言，它的動力原理所包含的內容，可以實現高精度的控制功能，特別是在整個系統的動態測量中起著舉足輕重的作用。運用動態理論，可以使有關的測量者對內部的錯誤和外在的影響因素進行全面的分析，并根據這些問題做出合理的處理。同時，動態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對象的檢測與管理的。

（3）工業生產制造中幾何量測量技術的作用。隨著我國科技、社會、經濟的不斷發展，工業建設的規模開始不斷擴大中，傳統的人工勞動已不能很好地適應社會的需要。相關企業需要通過優化傳統的手工作業，從而更好地提高工業生產的效率。在工業生產中運用幾何量測量技術，既能檢驗生產線的精度，又能改進工藝，提高產品的質量。此外，由于各種幾何量測量技術的綜合利用，使得測量技術的應用范圍也隨之擴展，因此必須不斷更新和優化測量技術，以適應各種場合的不同需求。

2 工業制造業中幾何量測量技術及應用

2.1 納米測量技術

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

納米測量技術在超精密工業加工、光學、半導體微電子加工和精密工程中應用較為廣泛，經過長期改進完善，開始朝著兩方向發展，一是立足于傳統測量方法基礎，引進先進測量儀器設備來解決微細加工的納米測量問題，剖析不同測量技術優劣所在，結合其不足針對性提出改善措施。二是在新概念基礎上涌現的新技術，在量子物理和微觀物理研究成果基礎上，在測量領域中應用，推動納米測量技術朝著更高層次發展。

但納米測量技術也有一定不足，也正是這些不足限制了此項技術的應用發展。如何有效構建納米測量環境，是應用幾何量測量技術測量的一個關鍵性問題，不同測量方法的納米環境不盡相同。加之人們對納米材料的特點和結構了解不充分，一定程度上造成了設計和制造的盲目性，還有很多不足亟待優化和改進。

2.2 機器視覺技術

機器視覺技術是借助專門的機器視覺裝置，通過攝取目標信息轉化為一定格式的圖像信號，傳輸到圖像處理系統來獲取目標形態信息，并進一步轉化為數字化信號。通過對這些信號運算和分析，提取目標特征，以此為依據控制現場的設備運行。機器視覺技術特點鮮明，生產自動化、柔性化，可以代替人工視覺完成一系列高強度、風險大的工作，滿足多種場合需要。對于大批量零件生產中，借助此項技術可以顯著提升生產效率和測量準確度，促使信息高度集成，提升工業制造自動化和智能化。

機器視覺技術的應用，對目標信息的提取和轉化主要是借助CCD 照相機實現，通過運算提取目標特征，包括位置、數量、面積和長度等參數，聯合其他條件綜合判斷，實現自動化識別和控制。在電子行業與半導體行業應用廣泛，同時在紡織、包裝、制藥和交通等流域部分環節代替人工，有效提升生產效率與質量。

2.3 影像測量技術

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

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

2.4 在線測量技術

在線測量技術是一種較為先進、可靠的技術，基于測頭觸碰待測件來獲取位置坐標。具體包含測頭、數據采集系統和信號傳輸系統等部分構成，對于提升在線檢測幾何精度具有重要作用。此項技術借助機床數控系統功能，可以及時反饋和處理信息，并修正誤差，調整機床各項參數，提升加工質量。使用在線測量方式，可以及時找正降低誤差，適當減少工件周轉次數導致的誤差問題。同時，加強中間環節質量控制，盡可能減少特殊工裝設計制造，縮短加工效率同時，切實提升生產效率和質量。

2.5 關節臂測量技術

關節臂測量技術，是借助關節臂測量機進行測量，安裝溫度傳感器、角度傳感器和應變傳感器在測量機的各處，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系統中存儲和分析。單片機采集傳感器數據后，上傳到計算機平臺上處理，進而實現與單片機的高效交互，最終使用專門的測量軟件對坐標數據進行處理。

2.6 三維掃描技術

三維掃描技術，同樣屬于非接觸測量方式，通過對待測件表面點云數據采集，進而擬合成產品表面形狀，構建三維模型。通過此種方式，可以實現待測件表面顏色數據信息快速采集，同時借助工業攝影測量方式來獲取待測件光學信息，經過計算后得到空間坐標，并通過影像匹配和計算機處理數字圖像等操作后，獲得高精度的三維模型。三維掃描技術應用范圍較廣，包括機器人導引、逆向工程、工業設計和地貌測量等，實際應用中效果顯著。但同時，此項技術同樣存在一定缺陷和不足，缺少統一標準的重建技術，方法和儀器直接決定好了物體表面特性。如，光學技術難以實現鏡面或高亮物體表面處理，激光技術由于自身特性不適合變質表面測量處理，因此需要靈活使用不同的測量技術，更好地滿足實際工作需要。

2.7 坐標測量技術

坐標測量技術，即任意形態均為三維空間點，其所有的幾何測量均可歸為三維空間點的測量，因而準確獲取空間點的坐標是評價任意幾何形態的基本依據。具體的測量是將待測物體置于測量機所能容許的測量空間中，準確地測出待測物體在三個空間坐標位置上的位置，然后用計算機對其進行擬合，得到其形狀、位置、公差等幾何參數。坐標測量技術的主要應用載體是三坐標測量儀（CMM)，它可以實現三個方向的運動，在三條互相垂直的軌道上自由運動，并且可以通過接觸來鎖定信號。本發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、汽車、航空、等行業的精密測量，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

激光跟蹤測量系統的工作原理是：在目標點放置一臺發射機，由跟蹤頭發射的激光照射到該發射機，然后再回到該跟蹤頭，在該跟蹤頭運動時，該跟蹤頭會調節光束的方向，使其對齊。同時，探測系統接收到的回波波束，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的工裝安裝、檢測和機床的控制和標定。但是，激光跟蹤系統采用的是激光測距技術，而且角編碼器會隨著距離的增大而產生較大的定位誤差，因此跟蹤系統會產生一定的角度偏差。此外，由于激光自身受大氣溫度、氣壓、濕度等方面的影響，因此將大氣參數作為補償對于該儀表的正常運行至關重要。

3 測量技術在工業生產制造中存在的問題

3.1 創新能力不夠充足

目前國內自主創新的品牌數量相對較少，與國外相比存在一定的差距，對國內的測試技術研究也產生一定的影響。由于部分國內工業企業對測量技術在發展中的地位和作用了解不夠，總體上的投資相對欠缺，導致研發力度不夠，產品創新能力差，難以形成具有自主創新能力的自主品牌。

3.2 高端儀器設備的空缺

現在，國產高端的測量儀器在市場上的應用，已經被主流市場所排斥，雖然價格相對便宜，但由于技術和產品品質的影響，導致利潤相對較低。而且，由于企業在研發方面的投資并不多，這也對國產品牌的后續發展產生許多不利的影響，長此以往形成一個惡性循環。

3.3 技術資源的利用不充分

在許多發達國家，測量技術應用都是緊跟著市場的發展，技術人員都是以客戶的需求為基礎進行研發。但是，現階段國內對測量技術研究人員大都集中在研究機構或者高校里面，所以導致研究成果并不能適應市場發展的需要，從而影響到測量技術的使用效率，無法適應工業生產的實際發展。

4 測量技術在工業生產制造中的發展趨勢

4.1 極限制造中的測量技術

隨著大規模的工業生產和使用，對于測量空間的需求越來越大，相應的測量參數也越來越寬泛，這就需要對測量技術進行深入研究，使之能夠向著納米尺度的方向發展，并不斷的改進其實際性能。未來的測量技術，既要保證其可靠度、抗干擾性，又要保證其快速、穩定的發展，進而促進更高層次的測量技術的產生與發展，使測量問題得到更好的解決。將測量技術應用于極限加工，將有助于實現更大尺寸、更高密度的測量狀態，使之能更好地適應工業生產的數字化需求。

4.2 動態測量與現場測量

今后的測量技術將逐步由靜態、非現場的測量逐步向動態、在線實時監測轉變。在工業生產中，產品設計、工藝技術的選擇、材料的品質等都是必須重視的問題。同時，還要將檢測技術和生產技術相結合，使二者實現一體化，使之成為一個智能化的體系，使我國的工業制造更加快速發展。

4.3 測量過程中的信息融合

在現代的工業生產中，對于生產的產品有許多的需求，所以在測量的過程中，所需要的數據量也會越來越大。如何做好數據的收集、整合與應用，是技術開發工作者必須重視的課題。因此，在工業生產中，相關技術人員需要重點關注各種信息的整合與協同。

5 結論

綜上所述，當前的幾何量測量技術多樣，不同的測量技術，其優勢不同，在工業制造業中的應用，是推動制造業智能化發展的必然選擇。這就需要充分了解不同幾何量測量技術優勢的特點和應用范圍，優化操作流程的同時，最大程度上降低人為因素帶來的測量誤差，提升測量準確度和效率，為工業制造加工提供支持。