現(xiàn)代精密測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀綜述

1、現(xiàn)代精密測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀綜述摘要：現(xiàn)代精密測量技術(shù)是一門集光學(xué)、電子、傳感器、圖像、制造及計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的綜合性交叉學(xué)科，涉及廣泛的學(xué)科領(lǐng)域，它的發(fā)展需要眾多相關(guān)學(xué)科的支持。在現(xiàn)代工業(yè)制造技術(shù)和科學(xué)研究中，測量儀器具有精密化、集成化、智能化的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：現(xiàn)代精密測量，現(xiàn)狀，發(fā)展趨勢。引言：在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今天，現(xiàn)代精密測量技術(shù)對一個(gè)國家的發(fā)展起著十分重要的作用。如果沒有先進(jìn)的測量技術(shù)與測量手段，就很難設(shè)計(jì)和制造出綜合性能和單相性能均優(yōu)良的產(chǎn)品，更談不發(fā)展現(xiàn)代高新尖端技術(shù)，因此世界各個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國家都很重視和發(fā)展現(xiàn)代精密測量技術(shù)。1. 國內(nèi)外形勢：三坐標(biāo)測量機(jī)：三坐標(biāo)測量機(jī)即三次元，它

2、是指在一個(gè)六面體的空間范圍內(nèi)，能夠表現(xiàn)幾何形狀、長度及圓周分度等測量能力的儀器，又稱為三坐標(biāo)測量儀或三坐標(biāo)量床。三坐標(biāo)測量儀可定義為“一種具有可作三個(gè)方向移動(dòng)的探測器，可在三個(gè)相互垂直的導(dǎo)軌上移動(dòng)，此探測器以接觸或非接觸等方式傳送訊號，三個(gè)軸的位移測量系統(tǒng)(如光學(xué)尺)經(jīng)數(shù)據(jù)處理器或計(jì)算機(jī)等計(jì)算出工件的各點(diǎn)坐標(biāo)(X、Y、Z)及各項(xiàng)功能測量的儀器”。三坐標(biāo)測量儀的測量功能應(yīng)包括尺寸精度、定位精度、幾何精度及輪廓精度等。三坐標(biāo)測量機(jī)在機(jī)械、電子、儀表、塑膠等行業(yè)廣泛使用。三坐標(biāo)測量機(jī)是測量和獲得尺寸數(shù)據(jù)的最有效的方法之一，因?yàn)樗梢源娑喾N表面測量工具及昂貴的組合量規(guī)，并把復(fù)雜的測量任務(wù)所需時(shí)間從小

3、時(shí)減到分鐘，這是其它儀器而達(dá)不到的效果。組成結(jié)構(gòu)：1、主機(jī)機(jī)械系統(tǒng)（X、Y、Z三軸或其它）；2、 測頭系統(tǒng)；3、 電氣控制硬件系統(tǒng)；4、 數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)（測量軟件）；三坐標(biāo)測量機(jī)在現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造流程中的應(yīng)用逆向工程定義：將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)，幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱。德國CarlZeiss公司最近開發(fā)的CNC小型坐標(biāo)測量機(jī)采用熱不靈敏陶瓷技術(shù)，使坐標(biāo)測量機(jī)的測量精度在17.825.6范圍不受溫度變化的影響。公司開發(fā)的坐標(biāo)測量機(jī)軟件STRATA-UX，其測量數(shù)據(jù)可以從CMM直接傳送到隨機(jī)配備的統(tǒng)計(jì)軟件中去，對測量系統(tǒng)給出的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與管理，根據(jù)要求對其進(jìn)行

4、評估。依據(jù)此數(shù)據(jù)庫，可自動(dòng)生成各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表，包括X-BAR&R及X_BAR&S圖表、頻率直方圖、運(yùn)行圖、目標(biāo)圖等。?？怂箍禍y量技術(shù)(青島)有限公司是中國唯一的世界級坐標(biāo)測量系統(tǒng)制造商。旗下有多款三坐標(biāo)測量儀，不過技術(shù)上多少對國外存在依賴，以德國和日本的技術(shù)為主。日本三豐高精度CNC三坐標(biāo)測量機(jī)是FALCIO-Apex 系列中的高端產(chǎn)品，特點(diǎn)：  高測量精度、高運(yùn)動(dòng)速度。  全數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制。  三軸導(dǎo)軌均使用經(jīng)改進(jìn)的高強(qiáng)度氣浮軸承。三坐標(biāo)測量儀的主要應(yīng)用領(lǐng)域主要用于機(jī)械、汽車、航空、軍工、家具、工具原型、機(jī)器等中小型配件、模具等行業(yè)中的箱體

5、、機(jī)架、齒輪、凸輪、蝸輪、蝸桿、葉片、曲線、曲面等的測量，還 可用于電子、五金、塑膠等行業(yè)中，可以對工件的尺寸、形狀和形位公差進(jìn)行精密檢測，從而完成零件檢測、外形測量、過程控制等任務(wù)。非接觸測量: 非接觸測量是以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，在不接觸被測物體表面的情況下，得到物體表面參數(shù)信息的測量方法。典型的非接觸測量方法如激光三角法、電渦流法、超聲測量法、機(jī)器視覺測量等等。目前基于三角測量原理的非接觸激光光學(xué)探頭已經(jīng)應(yīng)用于CMM上代替接觸式探頭。通過探頭的掃描可以準(zhǔn)確獲得表面粗糙度信息，進(jìn)行表面輪廓的三維立體測量及用于模具特征線的識別。該方法克服了接觸測量的局限性。將激光雙三角測量法應(yīng)用于大范圍內(nèi)

6、測量，對復(fù)雜曲面輪廓進(jìn)行測量，其精度可高于1m。微/納米級精密測量技術(shù)： 20世紀(jì)末，測量精度水平開始向微納米級發(fā)展。發(fā)達(dá)國家的計(jì)量院對基標(biāo)準(zhǔn)的研究是長期和連續(xù)不斷的，投入很大。以美國的NIST，英國的NPL和德國的PTB為首，在亞洲，以日本的NIMJ和韓國的KRISS為主，在近年來研究方面發(fā)展迅速，逐步步入發(fā)達(dá)國家行列。我國在這方面起步較晚，近年來也取得一些重大成果，總體上還是存在差距。微/納米技術(shù)研究和探測物質(zhì)結(jié)構(gòu)的功能尺寸與分辨能力達(dá)到微米至納米級尺度，使人類在改造自然方面深入到原子、分子級的納米層次。納米級加工技術(shù)可分為加工精度和加工尺度兩方面。加工精度由本世紀(jì)初的最高精度微米級發(fā)展到

7、現(xiàn)有的幾個(gè)納米數(shù)量級。金剛石車床加工的超精密衍射光柵精度已達(dá)1nm，實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)可以制作10nm以下的線、柱、槽。微/納米技術(shù)的發(fā)展，離不開微米級和納米級的測量技術(shù)與設(shè)備。具有微米及亞微米測量精度的幾何量與表面形貌測量技術(shù)已經(jīng)比較成熟，如HP5528雙頻激光干涉測量系統(tǒng)（精度10nm）、具有1nm精度的光學(xué)觸針式輪廓掃描系統(tǒng)等。因?yàn)閽呙杷淼里@微鏡、掃描探針顯微鏡和原子力顯微鏡用來直接觀測原子尺度結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，使得進(jìn)行原子級的操作、裝配和改形等加工處理成為近幾年來的前沿技術(shù)。顯微鏡測量技術(shù)：主要利用各類高精密顯微鏡進(jìn)行精密測量，比如起步較早的掃描探針顯微鏡，它具有極高的空間分辨率，廣泛應(yīng)用于表面科學(xué)

8、、材料科學(xué)和生命科學(xué)等研究領(lǐng)域，在一定程度上推動(dòng)了納米技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。光學(xué)干涉顯微鏡測量是目前比較常用也是發(fā)展較為完善的一種測量手段。光學(xué)干涉顯微鏡測量技術(shù)，包括外差干涉測量技術(shù)、超短波長干涉測量技術(shù)、基于F-P（Ferry-Perot）標(biāo)準(zhǔn)的測量技術(shù)等，隨著新技術(shù)、新方法的利用亦具有納米級測量精度。同樣利用干涉的納米測量的掃描X射線干涉技術(shù)能給出納米級分辨率，國內(nèi)清華大學(xué)測試技術(shù)與儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在1997年5月利用自己研制的X射線干涉器件在國內(nèi)首次清楚地觀察到X射線干涉條紋。軟X射線顯微鏡、掃描光聲顯微鏡等用以檢測微結(jié)構(gòu)表面形貌及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微缺陷。掃描X射線干涉測量技術(shù)是微/納米測量中

9、的一項(xiàng)新技術(shù)，它正是利用單晶硅的晶面間距作為亞納米精度的基本測量單位，加上X射線波長比可見光波波長小兩個(gè)數(shù)量級，有可能實(shí)現(xiàn)0.01nm的分辨率。美國NIST和德國PTB分別測得硅（220）晶體的晶面間距為192015.560±0.012fm和192015.902±0.019fm。日本NRLM在恒溫下對220晶間距進(jìn)行穩(wěn)定性測試，發(fā)現(xiàn)其18天的變化不超過0.1fm。實(shí)驗(yàn)充分說明單晶硅的晶面間距具有較好的穩(wěn)定性。圖像識別與傳感器技術(shù)：圖像識別測量過程包括：（1）圖像信息的獲??；（2）圖像信息的加工處理，特征提??；（3）判斷分類。計(jì)算機(jī)及相關(guān)計(jì)算技術(shù)完成信息的加工處理及判斷分類，

10、這些涉及到各種不同的識別模型及數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識。隨著現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,各類算法的不斷優(yōu)化，軟硬件水平不斷上升，對圖像的獲取與識別也變得更為迅速而廣泛。以機(jī)械系統(tǒng)為基礎(chǔ)，線陣、面陣電荷耦合器件CCD或全息照相系統(tǒng)構(gòu)成攝像系統(tǒng)；信息的轉(zhuǎn)換由視頻處理器件完成電荷信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換；計(jì)算機(jī)及計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的處理和顯示；回饋系統(tǒng)包括溫度誤差補(bǔ)償，攝像系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)焦等功能；載物工作臺具有三坐標(biāo)或多坐標(biāo)自由度，可以精確控制微位移。CCD傳感器技術(shù)非接觸電荷耦合器件CCD是近年來發(fā)展很快的一種圖像信息傳感器。它具有自掃描、光電靈敏度高、幾何尺寸精確及敏感單元尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。隨著集成度的不斷提高、結(jié)構(gòu)改善及材

11、料質(zhì)量的提高，它已日益廣泛地應(yīng)用于工業(yè)非接觸圖像識別測量系統(tǒng)中。在對物體三維輪廓尺寸進(jìn)行檢測時(shí)，采用軟件或硬件的方法，如解調(diào)法、多項(xiàng)式插值函數(shù)法及概率統(tǒng)計(jì)法等，測量系統(tǒng)分辨率可達(dá)微米級。也有將CCD應(yīng)用于測量半導(dǎo)體材料表面應(yīng)力的研究。2.現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展趨勢： 1，精密化。2，自動(dòng)化。3，智能化。4，集成化。5，非接觸化。6多功能化。3.個(gè)人見解：現(xiàn)代精密測量技術(shù)是一門集光學(xué)、電子、傳感器、圖像、制造及計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的綜合性交叉學(xué)科，涉及廣泛的學(xué)科領(lǐng)域，它的發(fā)展需要眾多相關(guān)學(xué)科的支持。因此我國的精密測量技術(shù)要持續(xù)發(fā)展，就必須在各學(xué)科上都要進(jìn)行長期的發(fā)展，已經(jīng)不單單是傳統(tǒng)的機(jī)械行業(yè)了，在這里