幾何量數字化測量方法與裝備現狀及發展趨勢

摘 要：隨著我國制造業的蓬勃發展，工業生產提出了更高的精準化要求。本文通過介紹當前的不同幾何量數字化測量系統的發展現狀和具體技術方法，分析幾何量數字化測量的發展趨勢和方案設計，為制造業的測量方法和裝備選擇提供參考。

關鍵詞：測量與測量裝備，數字化，幾何量數字化，發展趨勢

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.16.032

0 引 言

當前，多種測量設備及多功能儀器的出現逐漸顛覆舊有測量理念，數字化的幾何量測量逐步成為不可或缺的力量。通過建立多種幾何量數字化測量技術方法的應用體系，使生產測量能夠適應跨領域、多角度、強應用的精密度測量需求，能夠在增強企業的核心生產競爭力的同時，實現幾何量測量領域系統性能及技術創造的有效發展。

1 幾何量測量的測量技術方法

1.1 納米測量

納米測量技術方法通過納米測量機搭載MEMS系統測頭傳感器，以電子系統控制驅動進行運動坐標的位置測算，通過控制測針及理想定位的間距，進行增量閉環控制從而儲存理想信號的坐標數據。該方法立足于傳統測量方法，引進先進設備解決精細化加工問題，主要應用于工業、光學、半導體工程及微電子精密等加工行業。

1.2 關節臂測量

關節臂測量技術方法通過借助關節臂測量機對測定點位進行溫度、角度及應變傳感信息的收集，在確定測定點位信息后，通過傳感器將測量數據上傳銜接至互聯網統計平臺，以計算機與單片機的交互對接實現數據歸納處理，最終通過測量軟件獲得目標定位的坐標數據，實現有效跟蹤反饋。

1.3 激光跟蹤測量

激光跟蹤測量技術方法是依托于發射機的跟蹤運動進行光束調節探測，以跟蹤探頭的回波波束對物體的物理空間定位進行測量，在汽車制造和一般制造等領域能夠進行廣泛激光測距獲得控制標高的應用，但由于激光角編碼器會受到大氣溫度、氣壓等影響，因此需要及時監控大氣參數。

2 幾何量數字化測量裝備現狀

本文基于傳統測量理念，對數據采集、分析及技術通信接口和數據信息分析模塊進行理論創新，逐步實現幾何量測量系統下產品生命周期的有效延長和產品全鏈條的可靠發展。依據當前不同領域下測量的傳感模式，可將幾何測量裝備發展現狀分為以下三種系統模式。

2.1 距離與角度原理融合的數字化測量系統

基于目標距離和角度測算原理的數字化測量系統，是通過測定一個固定距離數值與兩個角度值建立形成一個球坐標系，以空間點位作為坐標觀測點進行數字測量，其中激光跟蹤儀依靠系統精準測量任務的形狀、位置及尺寸誤差，以動態跟蹤速度實現運動目標的精確數值獲取；激光雷達通過對物體表面進行空間輪廓動態路徑設計，在自動掃描的同時形成系統的特征點數據。該技術能夠在適應高亮反射及精細表面的前提之下實現大空間輪廓測量，對我國大型曲面輪廓設備的測量具有突出價值。

2.2 距離約束原理的數字化測量系統

基于距離約束的數字化測量系統是通過單一距離設置固定距離坐標值，以此為觀測點進行約束距離的記錄。其中，激光跟蹤干涉儀測量系統以激光干涉儀基站為中心，以廣角測量目標為基礎，通過搭建控制器與環境氣象站、核心計算機群設置二維轉臺機構，以此實現大型基準控制網和多軸設備的高精度自由校準。移動空間坐標測量是距離約束原理的另一應用系統，通過超聲發射基站進行空間網絡測量，然后利用手持探針接收超聲基站信號并解測為尖端三維坐標，再傳導至計算機解算測量值，該方法具有便捷性和擴展性俱佳的優點。

2.3 角度交匯原理的數字化測量系統

基于角度交匯原理的數字化測量系統，通過兩個空間點位為基點測量水平角度與垂直角度數值，依據角度測算形成數字化測量的空間坐標。其一，室內GPS系統是由基站搭建接收器采集固定周期和距離的錐度激光信號，利用前端處理器將水平角及垂直角的空間數據處理轉化為二維圖像構建智能全局空間測算網，是較為精確的光電定位角度原理系統。其二，數字攝影測量系統是以數字相機為測量工具，利用數字攝影技術進行目標編碼和圖像轉換，再利用圖像處理技術獲取目標定位的幾何特征搭建空間組網，實現空間標志點位的動態測量，在我國汽車、飛機等領域實現高幀率的瞬態應用[1]。

3 幾何量測量方法與裝備的發展趨勢

3.1 由單一參數向多參數測量發展

早期的幾何量測量以單一參數進行核心數據，對目標尺寸的參數測量結果具有局限性。因此，幾何量測量參數逐步向多參數測量發展，采用非接觸測量手段并搭載軟件自動化系統及生產控制運行裝置，通過對目標產品的多參數測量，在保證其實際性能的同時向納米尺度方向發展，提升整體目標的可靠度及抗干擾度，實現對具體目標參數的統一測量及數字化規劃。

3.2 由單點測量向多點云測量發展

隨著科學技術的逐步發展，對復雜零部件裝備的幾何測量充足的測量保證。由對裝備的多點位置輪廓測量發展為特定截面的輪廓線測量，通過激光掃描等有力的測量溯源手段，獲取產品的三維點云數據特征參數，逐步實現對整體輪廓面的測量，實現了裝備關鍵部位的單點測量向多點云測量發展。

3.3 由靜態測量向動態測量發展

在裝備制造測量中，對產品設計、工藝技術及材料的高水平精細檢測是行業發展的關鍵。因此，檢測技術和生產技術結合，對目標產品的尺寸及型面公差等實施高精度測量，將靜態檢測轉向動態檢測，遠程非現場檢測轉變為在線實時監測，以減少設備運動誤差，并通過誤差的補償方法及精確的校準規范提高檢測精度。例如對智能機器設備的機械臂及末端夾爪的控制狀態進行動態檢測，依據自動引導車的運動姿態進行控制算法測量，能夠保證運動數據有效精準[2]。

3.4 由單測量方案向協同方案發展

隨著測量復雜化及需求多樣化，單一測量系統應對復雜問題難以全面解決。因此，數字化測量系統逐步擬合多測量系統方案合并幾何量測量方法并統一測定目標，以數據融合手段形成統一測量基準，設計構建出基于目標模型的數字化多系統測量平臺[3]。

例如在飛機裝配零件生產過程中，以三維定義理論為基礎模型，測量規劃仿真模塊的精細數據以完成飛機大部件的測量方案。具體平臺設計框架如圖1所示。

由圖1可知，通過構建飛機數字化制造裝配的標準化數據系統模型進行平臺搭建，銜接模型算法與大數據軟件形成基準統一，以虛擬仿真和動態分析為基礎將制造環節串聯合并，實現測量任務與幾何量測量技術的有機耦合，為提升航天事業精細化發展提供技術基礎。

4 結 語

綜上所述，幾何量測量方法正逐步面向測量對象和任務發展，形成了多方位和多領域的創新發展趨勢，多種幾何量測量技術方法及智能化的體系搭建能夠適應不同生產制造的特點和應用范圍，為制造業的精密加工和效率提升提供有效助力。

參考文獻

[1]闞侃，熊行創.換熱翅片幾何量數字化測量技術研究及在智能制造中的應用[J].計量學報，2024，45（3）：395-401.

[2]張川，張景可.基于預算與績效管理一體化的高校教育經費新分類探索[J].教育財會研究，2023，34（6）：24-32.

[3]馬駿，賈真，魏亞飛，等.面向商用飛機復合材料的數字化測量技術[J].纖維復合材料，2021，38（3）：23-27.

作者簡介

孫文斐，碩士，研究方向為幾何量檢定、校準、檢測。

（責任編輯：劉憲銀）