機(jī)械制造領(lǐng)域測(cè)量技術(shù)的發(fā)展研究

李層瑞+任楠

摘 要：基于國(guó)際、國(guó)內(nèi)機(jī)械制造領(lǐng)域測(cè)量技術(shù)近幾年的發(fā)展和現(xiàn)狀分析，就目前我國(guó)機(jī)械制造中測(cè)量技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)，預(yù)測(cè)今后幾年機(jī)械制造領(lǐng)域測(cè)量技術(shù)的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)機(jī)械制造中測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域國(guó)家應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展、支持的方向提出建議。

關(guān)鍵詞：機(jī)械制造；測(cè)量技術(shù)；發(fā)展研究

0引言

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)下，人類對(duì)物質(zhì)世界進(jìn)行測(cè)量，監(jiān)控物質(zhì)世界使之達(dá)到最佳目標(biāo)，逐漸形成了認(rèn)識(shí)世界、改造世界的重要技術(shù)，成為現(xiàn)代科技的重要學(xué)科之一。測(cè)量技術(shù)在科學(xué)的發(fā)展史上起著非常重要的作用，是一切信息科學(xué)的基礎(chǔ)。在機(jī)械制造領(lǐng)域里，測(cè)量技術(shù)更是重中之重，測(cè)量技術(shù)不僅僅用于檢測(cè)，更是機(jī)械制造領(lǐng)域制造設(shè)備的一部分。機(jī)械制造想要達(dá)到一個(gè)更高的水平，必需將生產(chǎn)資料、生產(chǎn)設(shè)備、測(cè)量技術(shù)等結(jié)合到一起。

測(cè)量的主要目的是獲取和處理幾何量，包括位置、形狀、距離、長(zhǎng)度、角度等各種要素。主要測(cè)量技術(shù)包括測(cè)量、儀器、傳感技術(shù)等等。但是不同的測(cè)量方法或不同的測(cè)量環(huán)境所測(cè)量出的值有可能不同，測(cè)量值的不同會(huì)給機(jī)械制造帶來(lái)很大的阻礙。

機(jī)械系統(tǒng)和制造過(guò)程中的測(cè)量學(xué)科，包括傳感、測(cè)量及儀器，主要研究幾何量的獲取與處理。測(cè)量的基礎(chǔ)是物理原理，傳感的本質(zhì)是建立在基本物理、化學(xué)效應(yīng)基礎(chǔ)上的信號(hào)變換，將被測(cè)量變換為易于處理、能被人識(shí)別的信號(hào)形式（如電量）。機(jī)械制造中測(cè)量的目標(biāo)參數(shù)也非常廣泛，僅以幾何量測(cè)量為例，測(cè)量對(duì)象就涉及長(zhǎng)度、距離、角度、形狀和位置等多種要素。不同的測(cè)量方法所涉及的規(guī)律、效應(yīng)不同，而且在不同環(huán)境中同樣的被測(cè)量，可能采用截然不同的測(cè)量方法。

1機(jī)械制造領(lǐng)域測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)械制造中的測(cè)量通常包含兩個(gè)方面：制造系統(tǒng)的測(cè)量和被加工對(duì)象的測(cè)量。前者主要針對(duì)機(jī)床設(shè)備的幾何精度和性能（如運(yùn)動(dòng)性能、動(dòng)態(tài)特性、力學(xué)性能、溫度及電磁特性等）進(jìn)行測(cè)量；后者涉及到加工與裝配中的測(cè)量，以幾何量測(cè)量為主。總體上說(shuō)，機(jī)械制造中幾何量的測(cè)量占90%以上。

1.1測(cè)量理論的研究與發(fā)展

制定測(cè)量方案、設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)、建立測(cè)量模型、編制測(cè)量軟件等，均屬人們的主觀活動(dòng)，要使之符合客觀規(guī)律，還必須研究測(cè)量理論、應(yīng)用測(cè)量理論。測(cè)量技術(shù)的主要理論是誤差理論。根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)，可分為靜態(tài)測(cè)量精度理論和動(dòng)態(tài)測(cè)量精度理論。

靜態(tài)測(cè)量精度理論已經(jīng)發(fā)展比較成熟，在機(jī)械測(cè)量中得到較全面應(yīng)用。其要點(diǎn)為以下五點(diǎn)：一系統(tǒng)誤差，遵循確定性規(guī)律。系統(tǒng)誤差是可以補(bǔ)償?shù)模`差補(bǔ)償本身也有誤差。二隨機(jī)誤差，遵循隨機(jī)分布規(guī)律。按統(tǒng)計(jì)分析原理處理。三粗大誤差，純屬偶然性，既不遵循必然規(guī)律，也不遵循隨機(jī)規(guī)律。值得注意的是，粗大誤差剔除必須審慎，否則存在風(fēng)險(xiǎn)。四測(cè)量不確定度，測(cè)量過(guò)程不僅要給出測(cè)量值，而且要給出對(duì)此測(cè)量值的測(cè)量不確定度的評(píng)定。過(guò)去使用的測(cè)量準(zhǔn)確度，以真值為基準(zhǔn)對(duì)測(cè)量值分布的范圍進(jìn)行評(píng)定；現(xiàn)在采用測(cè)量不確定度，以測(cè)量值為基準(zhǔn)對(duì)真值分布的范圍進(jìn)行評(píng)定。以可知的測(cè)量值為基準(zhǔn)，比不可知的真值作為基準(zhǔn)更具有實(shí)際意義，更具有可操作性。五測(cè)量誤差的分解。測(cè)量誤差由若干組成環(huán)節(jié)合成。將測(cè)量誤差分解為若干組成環(huán)節(jié)，目的是有針對(duì)性地采取措施，減小測(cè)量誤差。尺寸鏈理論是分解測(cè)量誤差的有效工具。

1.2動(dòng)態(tài)測(cè)量精度理論

動(dòng)態(tài)測(cè)量在測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域占有重要地位，但跟靜態(tài)精度理論相比，動(dòng)態(tài)測(cè)量精度理論的研究由于起步較晚，難度較大，復(fù)雜程度更高，因此其理論體系尚不完善，許多問題還處于探索階段。其主要進(jìn)展如下所述。

（1）全系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)量精度理論。該理論從全面誤差源分析入手，綜合考慮動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部各組成結(jié)構(gòu)單元的誤差和系統(tǒng)內(nèi)外各干擾因素對(duì)測(cè)量結(jié)果精度的影響，盡可能將傳統(tǒng)的對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的黑箱處理方案白化或灰化，建立各單元的誤差傳遞函數(shù)，并根據(jù)系統(tǒng)總的傳輸關(guān)系建立動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)總的誤差模型，由此得到能反映實(shí)際情況的全系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)量精度。

（2）動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差分離與補(bǔ)償技術(shù)。由于動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜性，增加了誤差分離的難度，各種誤差分離方法都有一定的針對(duì)性，其應(yīng)用范圍和實(shí)現(xiàn)方法也存在著局限性。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)誤差分離與補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了很多實(shí)用有效的方法，如多步法、反向法、多測(cè)頭法、互比法、混合法和標(biāo)準(zhǔn)量對(duì)比法等。目前國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)是復(fù)雜測(cè)量系統(tǒng)多因素誤差補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償?shù)睦碚撆c應(yīng)用問題，并已取得了一定成果。

（3）動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差分解與溯源理論。動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差分解與溯源理論基于全系統(tǒng)動(dòng)態(tài)精度理論，通過(guò)誤差分解并溯源到測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部各主要的結(jié)構(gòu)單元，找出導(dǎo)致測(cè)量誤差增大的單元，根本目的是從誤差產(chǎn)生的源頭來(lái)掌握誤差，以便采取有效的措施來(lái)提高動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的精度。

2我國(guó)機(jī)械制造中測(cè)量領(lǐng)域存在問題

雖然在近幾年內(nèi)，我國(guó)機(jī)械制造領(lǐng)域中測(cè)量技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，出現(xiàn)了很多新的原理、新的測(cè)量技術(shù)和數(shù)字化測(cè)量，不管是在研究理論上還是測(cè)量精度上都有了很大的進(jìn)步和發(fā)展，這些成績(jī)不能否定，但是與國(guó)外一些測(cè)量技術(shù)發(fā)展水平較高的國(guó)家相比，我國(guó)的測(cè)量技術(shù)、測(cè)量理論、測(cè)量設(shè)備、測(cè)量精度上面都存在一些不足，具體分析如下：

2.1自主創(chuàng)新能力差，原創(chuàng)技術(shù)少

已有主流的各類測(cè)量技術(shù)及儀器設(shè)備中，很少有我們自己的原創(chuàng)技術(shù)。長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)和工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在制造技術(shù)上的差距，相當(dāng)程度上影響了測(cè)量技術(shù)的研發(fā)能力，但不可否認(rèn)的是，對(duì)測(cè)量技術(shù)的作用和地位認(rèn)識(shí)上的不充分、研究力度和資金投入不足、研究工作不扎實(shí)，急功近利、只重?cái)?shù)量不重質(zhì)量、只重理論成果，不重工程應(yīng)用等因素，也直接促成了當(dāng)前研究缺乏活力的狀況。

2.2高端、高附加值測(cè)量?jī)x器設(shè)備幾乎空白

當(dāng)前主流行業(yè)應(yīng)用中的高端儀器設(shè)備，國(guó)內(nèi)品牌被排斥在外。高端儀器設(shè)備的高額利潤(rùn)建立在高技術(shù)含量的基礎(chǔ)上，因?yàn)槔麧?rùn)高，保證了后續(xù)研發(fā)有充足的資金投入，形成了良性循環(huán)。與此形成反差的是，國(guó)內(nèi)建立在原材料和人力成本優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上的儀器設(shè)備，必然利潤(rùn)微薄，繼而造成研發(fā)投入不足，嚴(yán)重制約著我國(guó)測(cè)量技術(shù)及儀器設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展。

2.3測(cè)量設(shè)備的性能、功能落后

現(xiàn)有國(guó)內(nèi)測(cè)量產(chǎn)品在測(cè)量精度和功能上與國(guó)外產(chǎn)品相比還具有相當(dāng)差距。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的一些測(cè)量設(shè)備只能用于測(cè)量及簡(jiǎn)單的計(jì)算，而很少有數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、排除外部干擾等作用，智能化程度還比較低，導(dǎo)致我國(guó)的測(cè)量設(shè)備很難進(jìn)行高端的測(cè)量工作。而國(guó)外的一些測(cè)量設(shè)備已經(jīng)能夠達(dá)到很高的智能化程度，能夠適應(yīng)各種環(huán)境，能夠在排除外部干擾的情況下得出真實(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)

2.4高端測(cè)量設(shè)備幾乎空白。

跟國(guó)外的測(cè)量設(shè)備相比，我國(guó)的測(cè)量設(shè)備還比較低端，幾乎沒有高端的測(cè)量設(shè)備，因?yàn)楦叨藴y(cè)量設(shè)備制作成本高，難度大，附加值高，加上國(guó)內(nèi)測(cè)量設(shè)備研制中的急功近利，導(dǎo)致我國(guó)的高端測(cè)量設(shè)備很少，幾乎空白。

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)機(jī)械制造中的測(cè)量技術(shù)近幾年取得了可喜的進(jìn)步，但與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在比較大的差距。就目前機(jī)械制造中測(cè)量技術(shù)發(fā)展的突出的問題，建議如下。

依托國(guó)家重大專項(xiàng)，高度重視機(jī)械制造一線的測(cè)量技術(shù)重大需求和出現(xiàn)的新的測(cè)量問題。重點(diǎn)關(guān)注包括新型傳感原理及傳感器研究、超大尺寸，微納米級(jí)精密測(cè)量，先進(jìn)制造的現(xiàn)場(chǎng)、非接觸、數(shù)字化測(cè)量、儀器智能化、基標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)測(cè)量理論研究，復(fù)雜型面的檢測(cè)等基本問題。

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