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

唐明幸

摘要：測(cè)量技術(shù)是機(jī)械制造領(lǐng)域十分重要的組成部分，因?yàn)槠涮厥庑裕环Q為機(jī)械制造行業(yè)的眼睛。機(jī)械制造技術(shù)中的創(chuàng)新以及應(yīng)用，直接決定了測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向。現(xiàn)階段，我國在經(jīng)濟(jì)以及技術(shù)上的發(fā)展是比較快速的，而測(cè)量技術(shù)的先進(jìn)程度則成為我國未來幾年制造行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。本文主要對(duì)機(jī)械制造測(cè)量理論進(jìn)行系統(tǒng)化的分析，然后根據(jù)我國機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展特點(diǎn)，來對(duì)未來幾年機(jī)械制造領(lǐng)域測(cè)量技術(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，這對(duì)于機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展來講是非常重要的。

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

機(jī)械制造行業(yè)測(cè)量技術(shù)主要從兩個(gè)方面進(jìn)行闡述，即機(jī)械設(shè)備的測(cè)量和加工測(cè)量。前者主要是對(duì)機(jī)械加工設(shè)備的一系列性能進(jìn)行測(cè)量，包括機(jī)床及其連帶設(shè)備的力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等測(cè)試。后者則是就被加工對(duì)象的幾何測(cè)量為主。對(duì)于機(jī)械制造行業(yè)來講，幾何測(cè)量占據(jù)了大多數(shù)。

一、測(cè)量技術(shù)理論概述

在開展測(cè)量的時(shí)候，人們需要制定切實(shí)可行的測(cè)量方案，完善測(cè)量系統(tǒng)，構(gòu)建測(cè)量模型，最后利用測(cè)量軟件進(jìn)行程序測(cè)量。在測(cè)量的時(shí)候，需要很多的測(cè)量理論進(jìn)行支撐，其中最為關(guān)鍵的理論便是誤差理念。由于測(cè)量理論之間存在著的差異性，可以將其劃分為兩種，即靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的測(cè)量理論。

（一）靜態(tài)測(cè)量精度理論

目前，該種測(cè)量精度理論已經(jīng)相對(duì)成熟，在機(jī)械制造測(cè)量工作中的應(yīng)用比較常見，我們可將靜態(tài)測(cè)量精度理論概括為幾下特征。

1.系統(tǒng)誤差特征

系統(tǒng)誤差需要遵守確定性規(guī)律。系統(tǒng)誤差是能夠進(jìn)行補(bǔ)償?shù)模沁@種誤差補(bǔ)償本身也會(huì)存在著一定的誤差。

2.隨機(jī)誤差特征

隨機(jī)誤差需要遵守隨機(jī)分布的規(guī)律。在處理隨機(jī)誤差的時(shí)候，往往按照隨機(jī)分布的統(tǒng)計(jì)原理進(jìn)行處理。

3.粗大誤差特征

粗大誤差具有較高的偶然性，沒有固定的規(guī)律。不過因?yàn)榇执笳`差對(duì)于測(cè)量的影響比較大，因此在處理粗大誤差的時(shí)候需要提高警惕性，否則測(cè)量很有可能出現(xiàn)大問題。

4.測(cè)量不確定度特征

在處理不確定度的時(shí)候，不僅僅需要給出相應(yīng)的測(cè)量值，還要對(duì)該測(cè)量值的不確定度進(jìn)行分析。在傳統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度分析上，一般是以真值作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)測(cè)量進(jìn)行范圍評(píng)定。現(xiàn)階段的測(cè)量準(zhǔn)確度，則是以實(shí)際測(cè)量值為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)真值的分部進(jìn)行判定。將實(shí)際測(cè)量值作為標(biāo)準(zhǔn)，相比于具有未知性的真值來講具有更強(qiáng)的操作性。

5.測(cè)量誤差的分解特征

測(cè)量誤差是將不同的環(huán)節(jié)組合在一起，然后有針對(duì)性地采取對(duì)應(yīng)手段，來盡可能地減小測(cè)量誤差。其中在分解測(cè)量誤差的時(shí)候，需要運(yùn)用到尺寸鏈理論。

二、動(dòng)態(tài)測(cè)量精度理論

在測(cè)量領(lǐng)域，動(dòng)態(tài)化的精度測(cè)量是非常重要的，其技術(shù)要求比較高，測(cè)量也更加精準(zhǔn)，不過它的成熟度相對(duì)較差。因?yàn)樵摾碚撋星姨幱谝粋€(gè)起步階段，很多內(nèi)容還在研究的過程中，比較復(fù)雜。正是因?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)量精度理論的各方面都不完善，所以實(shí)際應(yīng)用存在著很大的限制。

（一）全系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)量精度理論

該測(cè)量精度理論的基礎(chǔ)是全面誤差源。在檢測(cè)的時(shí)候需要對(duì)內(nèi)部的組成部分誤差以及內(nèi)外干擾因素進(jìn)行分析，用來彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)中較為常用的黑箱處理方案，進(jìn)而構(gòu)建不同單元的誤差傳遞函數(shù)，同時(shí)還要根據(jù)系統(tǒng)的傳輸關(guān)系來構(gòu)建動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中的誤差模型，近而獲得可以反應(yīng)實(shí)際情況的動(dòng)態(tài)測(cè)量精度。只不過這種精度理論尚且沒有得到廣泛的應(yīng)用

（二）誤差分離與補(bǔ)償技術(shù)

誤差分離與補(bǔ)償技術(shù)在動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中占據(jù)著比較關(guān)鍵的地位。由于應(yīng)用的情況存在著一定的差異，導(dǎo)致誤差分離手段也存在著不同。這意味著誤差分離存在著一定的局限條件。為了對(duì)分離和補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行完善，提出了很多切實(shí)可行的方法。但是國內(nèi)研究進(jìn)展比較緩慢。

（三）誤差分解與溯源理論

在全系統(tǒng)動(dòng)態(tài)精度理論中，同樣存在著誤差分解，且誤差分解和溯源理論緊密地聯(lián)系在一起。想要有效的應(yīng)用誤差分解理論，需要對(duì)測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行深入的分析，從而找出誤差較大的部分，進(jìn)而從源頭上尋找到誤差，進(jìn)而采取相應(yīng)的手段來提升測(cè)量系統(tǒng)的精度。

（四）動(dòng)態(tài)測(cè)量的精度診斷技術(shù)

精度損失診斷技術(shù)是一種逆向應(yīng)用，它同樣將誤差分解和溯源理論作為基礎(chǔ)。主要應(yīng)用在測(cè)量被測(cè)對(duì)象的精度上。

三、機(jī)械測(cè)量學(xué)科未來發(fā)展中的重要科技問題及發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

機(jī)械測(cè)量技術(shù)對(duì)于該行業(yè)有著較大的影響技術(shù)，雖然現(xiàn)階段測(cè)量技術(shù)大多是比較傳統(tǒng)的幾種，但是在機(jī)械制造領(lǐng)域中，未來幾年，測(cè)量技術(shù)可能會(huì)得到迅猛的發(fā)展。那么機(jī)械測(cè)量存在著哪些問題？以及對(duì)應(yīng)的處理方法是什么呢？

（一）機(jī)械制造中的全新測(cè)量技術(shù)問題研究

在機(jī)械制造測(cè)量之中經(jīng)常會(huì)利用到各種全新的測(cè)量手段，如納米級(jí)別的超精密測(cè)量、超大尺寸的精密測(cè)量、數(shù)字化測(cè)量等。在未來的機(jī)械制造中，甚至還可能出現(xiàn)精密度更高的激光測(cè)量和電磁波測(cè)量。不過這些測(cè)量技術(shù)難度較高，且應(yīng)用的空間較小，一般都是應(yīng)用在測(cè)量尺寸或者測(cè)量規(guī)模較大的行為上，例如長度高達(dá)幾十米的同軸度測(cè)量，或者某個(gè)平面上的超大平面測(cè)量。雖然測(cè)量的尺寸和規(guī)模較大，但是對(duì)于精度的要求依然嚴(yán)格，如對(duì)于空間位置的測(cè)量、軸距測(cè)量這些內(nèi)容一般都需要達(dá)到微米級(jí)的單位。如果不采用這些高精端的尺寸測(cè)量方式，很難達(dá)到相應(yīng)的要求。此外在進(jìn)行空間定位測(cè)量的時(shí)候，無導(dǎo)軌測(cè)量技術(shù)以及高速坐標(biāo)跟蹤測(cè)量技術(shù)可以發(fā)揮出較為出眾的作用，尤其是高速跟蹤測(cè)量技術(shù)，其跟蹤速度可以達(dá)到每秒10米。在這種技術(shù)的基礎(chǔ)上，定位測(cè)量以及幾何測(cè)量可以達(dá)到幾毫米到幾十微米的誤差。這些全新測(cè)量技術(shù)可以為機(jī)械制造帶來全新的變革。不過，目前大多測(cè)量手段都是在同一維度的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尺寸測(cè)量可能還會(huì)從一維測(cè)量向著多維測(cè)量的方向發(fā)展，誤差補(bǔ)償也可以達(dá)到納米量級(jí)。

（二）計(jì)量學(xué)的相關(guān)問題研究

計(jì)量學(xué)主要研究的問題是基標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)測(cè)量理論的研究，爭取達(dá)到自校準(zhǔn)和自標(biāo)定的目標(biāo)。在未來的發(fā)展中，免形狀測(cè)量便會(huì)應(yīng)用在機(jī)械制造行業(yè)之中，并進(jìn)行大規(guī)模的使用。何為免形狀測(cè)量？在測(cè)量的過程中，沒有必要去糾結(jié)被測(cè)對(duì)象的形狀，即使不知道它的相關(guān)參數(shù)，仍然可以測(cè)量出它的幾何尺寸以及形狀誤差。這種高精端測(cè)量的思路主要是獲取與被測(cè)對(duì)象輪廓一致的數(shù)據(jù)微粒，然后得到該數(shù)據(jù)微粒輪廓的幾何特征。于此同時(shí)，建立與該輪廓相關(guān)的測(cè)量模型，利用數(shù)據(jù)處理軟件以及誤差分析軟件，將數(shù)據(jù)為例輪廓與理論模型進(jìn)行對(duì)比，然后根據(jù)幾何形狀類型判斷準(zhǔn)則，來確定被測(cè)對(duì)象的形象以及誤差。

免形狀測(cè)量的應(yīng)用能夠明顯解決掉三個(gè)問題，即模型構(gòu)建、形狀判定以及形狀誤差分析。將此測(cè)量手段應(yīng)用在機(jī)械制造之中，可以凸顯出以下優(yōu)勢(shì)。首先，儀器本身就是一個(gè)可操作性的平臺(tái)，不受被測(cè)對(duì)象的束縛。其次，可以反向推理出位置的形狀。最后則是可以減少其他測(cè)量工具的使用。這意味著機(jī)械制造測(cè)量人員的工作強(qiáng)度大大下降，在其他設(shè)備上的資金投入也顯著降低。

除了上述的免形狀測(cè)量之外，基于運(yùn)動(dòng)的虛擬綜合測(cè)量模式也會(huì)在未來的機(jī)械制造行業(yè)進(jìn)行有效的應(yīng)用。這種測(cè)量技術(shù)主要是針對(duì)傳統(tǒng)的螺紋測(cè)量手段來講的。該測(cè)量技術(shù)手段主要是依靠傳感器這種工具。在傳感器的運(yùn)動(dòng)下，可以獲得虛擬的數(shù)字輪廓。這種數(shù)字化輪廓既可以模擬實(shí)體的測(cè)量表面，也可以根據(jù)傳感信號(hào)來得到實(shí)體的對(duì)應(yīng)參數(shù)，在輔以相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析方法，便可以得到被測(cè)螺紋的大體形狀以及位置誤差。與傳統(tǒng)的綜合測(cè)量方法相比較，該方法不僅可以判斷生產(chǎn)的螺紋是否符合標(biāo)準(zhǔn)，更是可以直接給出具體的參數(shù)。不過這種測(cè)量手段對(duì)于傳感技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的要求比較高，在短時(shí)間很難進(jìn)行應(yīng)用。但是如果這種手段問世，并將其應(yīng)用在螺紋的設(shè)計(jì)與測(cè)量上，可以得到高精度的螺紋。

（三）基于新型傳感原理的測(cè)量儀器

伴隨著物理原理以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，全新的測(cè)量儀器逐漸應(yīng)用在了機(jī)械制造行業(yè)之中，解決了傳統(tǒng)測(cè)量手段中存在著的各項(xiàng)問題，以新型賽曼——雙折射雙拼激光器為例，該測(cè)量儀器主要是借助雙拼干涉儀來提升測(cè)量速度。再比如，自定標(biāo)位移傳感器則是借助激光腔鏡中的兩偏振光讓測(cè)量更加準(zhǔn)確。這些全新的測(cè)量儀器大多是以傳感或者遙感技術(shù)為核心。之所以這種類型的設(shè)備還沒有出現(xiàn)便是因?yàn)槲覈膫鞲幸约斑b感技術(shù)還處于發(fā)展的階段。

（四）抗干擾能力強(qiáng)、可靠性強(qiáng)的測(cè)量技術(shù)

在機(jī)械制造中，抗干擾能力以及可靠性強(qiáng)的測(cè)量技術(shù)很重要。在對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，常常會(huì)遇到測(cè)量環(huán)境比較惡劣的問題，而適當(dāng)?shù)恼`差補(bǔ)償技術(shù)則可以有效彌補(bǔ)因?yàn)榄h(huán)境惡劣而導(dǎo)致的測(cè)量數(shù)據(jù)誤差過大問題。目前，車床誤差補(bǔ)償主要是存在于機(jī)構(gòu)誤差以及熱形變誤差之中。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與建模的方法在機(jī)床熱變形補(bǔ)償中也已經(jīng)取得了一定的功效。如果針對(duì)其薄弱項(xiàng)目進(jìn)行進(jìn)一步的完善，那么勢(shì)必會(huì)在機(jī)床誤差補(bǔ)償中廣泛應(yīng)用。對(duì)于一些高精度的機(jī)床，普通補(bǔ)償方法存在著較大的局限性，而實(shí)時(shí)補(bǔ)償則是可以顯著改善這種問題，進(jìn)而彌補(bǔ)傳統(tǒng)補(bǔ)償方法的劣勢(shì)。尤其是在測(cè)量一些不符合剛體模型的零件時(shí)，實(shí)施補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢(shì)將會(huì)體現(xiàn)得淋漓盡致，不僅可以給定測(cè)量范圍，還可以實(shí)現(xiàn)最佳補(bǔ)償。

（五）小尺寸零件的測(cè)量技術(shù)

在測(cè)量的過程中，小尺寸零件也是比較常見的測(cè)量內(nèi)容。在對(duì)這些小尺寸零件進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，傳統(tǒng)的測(cè)量方法很難保證精度，因此，需要采用一些較為特殊的測(cè)量手段。例如，在靶向測(cè)量技術(shù)便是測(cè)量小尺寸零件的重要工具。不過這種技術(shù)及其配套工具尚且處于研發(fā)階段，相信用不了多久便可以正式應(yīng)用在測(cè)量系統(tǒng)中。

四、結(jié)語

總體來講，我國在機(jī)械制造數(shù)據(jù)測(cè)量方面雖然有著一定的進(jìn)步，但是這種進(jìn)步比較小，仍然存在著較大的發(fā)展空間。相信在不久的將來，各種高尖端的數(shù)據(jù)測(cè)量技術(shù)問世，將會(huì)促進(jìn)機(jī)械制造行業(yè)的迅速發(fā)展。這就需要國家進(jìn)一步加強(qiáng)在尖端技術(shù)領(lǐng)域的開發(fā)研究，重視新型科技人才以及一線操作人才的培養(yǎng)，形成較為完善的測(cè)量技術(shù)體系。

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