几何量计量的发展E.doc

几何量计量的发展Development of the Geometrical Measurement专 业 测控技术与仪器班 级 10测控1班学 号 1010131116姓 名 周畅成 绩 教 师 杨 练 根 老 师 2011 年 10月 11日目录 1.摘要 . 3 2.计量学的历史 . 43.几何量计量的基本知识. 43.计量学的概念. 53.2单位. 53.3基本原则. 64.几何量计量的发展态势. 64.1仪器. 114.2技术. 145.参考文献. 15 摘要：通过对国内外先进几何量计量仪器、技术的发展的初步了解，介绍几何量计量在高精度等方面的发展趋势，简单分析目前国内几何量计量存在的主要问题以及发展前景。关键词：高精度 几何量计量 现状 发展趋势引 言(一)计量本身就是科学技术的一个重要组成部分，科学生产和技术革新都离不开计量 计量本身就是科学技术的一个重要组成部分，事物都是由一定的“量”组成，并通过“量”来体现，任何科学技术，都是为了探讨、分析、研究、掌握和利用事物的客观规律，只有通过计量，认识“量”并确切获得其量值，才能对事物的客观规律进行认识和掌握。从经典的牛顿力学到现代的量子力学，各种定律、定理，都是通过计量手段的进一步观察、分析、研究、推理和实际验证才被揭示、承认和确立。 历史上三次大的技术革命，都充分地依靠了计量，也促进了计量的发展。以蒸汽机的广泛应用为主要标志的第一次技术革命，是以经典力学和热力学为社会科技发展的重要理论基础。在蒸汽机的研制和应用的过程中，需要对蒸汽压力、热膨胀系数、燃料的燃烧效率、能量的转换等进行大量的计量测试。力学和热工计量，就是在这种情况下发展起来的。机械工业的兴起，使几何量的计量得到了进一步的发展。以电的产生和应用为基本标志的第二次技术革命，更加推动了社会生产的发展。欧姆定律、法拉第电磁感应定律以及麦克斯韦电磁波理论等理论，为电磁现象的深入研究和广泛应用、电磁计量和无线电计量的开展，提供了重要的理论基础。例如，爱因斯坦在普朗克假说的基础上，提出了光不仅具有波动性，而且还具有粒子性，即光是以太速度，上述理论成功地解释了光电效应，成了热辐射计量的基础，同时也使计量开始从宏观进入微观领域。随着量子力学、核物理学的创立和发展，电离辐射计量逐渐形成。核能及化工等的开发与应用，导致了第三次技术革命。原子能、化工、半导体、电子计算机、超导、激光、遥感、宇航等新技术的广泛应用，使计量日趋现代化，计量的宏观实物基准逐步向量子(自然)基准过渡。原子频率基准和米的新定义形成，频率和长度的精密测定，促进了现代科技的发展。比如，光速的测定，原子光谱的超精细结构的探测，航海、航天、遥感、激光、微电子等许多高科技领域，都是以频率和长度的精密测量为重要基础的。 以下主要是介绍几何计量学的相关内容。一、几何量计量的基本知识1）几何量计量的概念(参考文献3)几何量计量又称长度计量，是计量领域发展最早的学科。在实际中，几何量计量主要包括：光波波长、量块、线纹、表面粗糙度、平直度、角度、通用量具、工程测量、齿轮测量、坐标测量、几何量量仪和经纬仪类仪器等。它的主要任务是研究和确定长度单位的定义，建立、保存长度计量基准和标准，开展长度和角度检定、校准和测试进行量值传递，以确保量值的统一和正确。2）几何量计量的单位几何量计量的基本参量是长度和角度。按SI的规定，其长度单位为“米”，单位符号为“m”；角度分为平面角和立体角，其单位分别为“弧度”、“球面度”，符号分别为“rad”、“sr”。几何量计量单位具备三个特点：(参考文献10)()基本性：长度单位“米”在SI中被列为第一个基本单位，许多导出单位都包含长度单位因子，因此不少导出计量基准的准确度在很大程度上取决于长度单位量值的准确度。()多维性：物体的形状和位置是用空间坐标中的若干点表示的，由三个互相垂直的坐标轴构成的坐标为三维空间。如果在其中再插入角度坐标，还可构成四维、五维、六维坐标。()广泛性：几何形状是客观世界中最广泛的物质形态，绝大部分物理量都是以几何量信息的形成进行定量描述的。3）几何量计量的基本原则测量结果的准确度是实现正确测量的四个基本要素之一，为了实现正确可靠的测量，人们在测量时间中进行了长期的探索，总结出了几何量测量的四条基本准则，即阿贝原则、最小变形原则、最短测量链原则，以及封闭原则。二、几何量计量的发展态势目前，几何量计量早已跨越传统领域的范畴，在微电子学、生命科学、土木工程等领域发挥日益重要的支撑作用。这是因为许多物理量可以通过测量其几何量的变化而确定量值。例如：温度的测量，可以在规定的温度变化范围内，通过测量某种已知膨胀系数的材料的长度变化来实现；压力的测量也可以通过测量水银柱的高低求得；甚至磁场一类的参数也可在有电流通过时测量悬浮体在磁场中的位移而测出。1）测量仪器的发展在工业上，机床是制造业的母机，数控机床是机床产品先进技术的体现，尤其是高档数控技术，它是装备制造业现代化的核心技术，是国家工业发展水平、综合国力的直接体现。而数控技术的重要环节，正是测量设备。在总结当今世界机床发展和先进制造技术的最新成果，了解我国数控机床产业近几年来高速发展的最新产品和技术后，我们可以看到当今工业几何量测量仪器的发展动向和特点。()测量精度高（参考文献1）随着现代科技向高精度方向发展，超精密加工技术对数控精度的要求越来越高，对测量设备精度的要求更高。测量设备逐渐由传统的微米、亚微米精度向着纳米量级精度方向发展。目前，除各种激光干涉仪外，光栅测量技术也达到纳米量级。如海德汉的LIP382超高精度直线光栅尺，其测量步距可以达到1nm；上海机床厂出厂的纳米级精密微型数控磨床，其机床最小进给1nm，重复定位精度50nm，电主轴转速60000r/min。纳米级精密微型数控磨床也是CIMT2007展览会的亮点之一，能对微型超精密件进行加工，可用于军工和航空航天行业的超精密磨削设备。体积不大的它，如同一个可以自由转动的“魔方”，加工范围很广，可磨削加工自由曲面、凹凸球面、圆环面等。它的成功研制标志着基于测量技术的发展，我国机床行业开始进入纳米级精密机床的领域。图1. 纳米级精密微型数控磨床另外，在精密测角方面，光电所建有一等测角标准装置，配有ELCOMAT3000电子自准直仪(测角误差为0.25)、ELCOMAT HR电子自准直仪( 测角误差为0.03)、T5000电子经纬仪、T4光学经纬仪、精密测角仪(测量不确定度0.20)、多齿分度台、多面棱体等高精度测角设备。在使用中积累了大量的经验，开展了多项精密测角技术研究课题，如排列互比法用于超精测角的研究、光电轴角编码器动态精度检测技术研究等。（参考文献4P2第一段）()测量速度高现代制造业进行的是大规模、大批量、专业化生产，需要多参数、实时在线的测量，故要求测试仪器的测量速度高、设备轻便、操作界面直观。激光干涉测量技术是精密测量的一种重要方法，目前，各种激光干涉测量系统已向轻巧、便携、高测速的方向发展。如雷尼绍XL-80干涉仪，款型小巧，可提供 4m/s最大的测量速度和50kHz记录速率，可实现1nm的分辨率；激光跟踪仪可实现快速数据采集与处理，有利于测量精度的提高；各种影像测量设备利用触摸屏，可以方便直观地实现对特征尺寸的测量。图2. 雷尼绍XL-80干涉仪图3. 激光跟踪仪()三维测量多样化三维测量技术向着高精度、轻型化、现场化的方向发展。传统基于直角坐标的三坐标测量机经过50年的发展，其技术愈加成熟，测量更加快捷，功能更加强大。除直角坐标测量系统外，极坐标测量仪器也有自身独特的优势，如FARO、ROMER等厂家生产的激光跟踪仪对 大尺寸结构的装备具有操作方便灵活的特点，而对于小尺寸测量，关节臂测量机因其低廉的成本、较高的精度、现场方便的操作等优势，在汽车等行业展现出广阔的应用前景。图4. 关节臂测量机()测量智能化 测量设备借助计算机技术向着智能化、虚拟化的方向进一步发展。测量仪器的虚拟化、接口的标准化以及测量软件的模块化，加速了测量技术的发展，使测量仪器的应用更加方便、直观、智能。根据测量需求以及测量对象的不同，可基于同一软件平台使用不同的仪器协同工作，采用不同的测量软件模块，实现了广普测量仪器的网络化、协同化，提高了测量的自动化水平。虚拟仪器是20世纪80年代中才出现的一种新的仪器模式,它是通过建模+软件+数据交换卡+传感器构成的一类虚实并存的仪器系统。同传统测试仪器相比,虚拟仪器有以下优点:利用通用硬件平台构建的虚拟仪器系统具有开放性,便于系统的升级和更新；丰富的软件资源和良好的人机交互图文界面使得虚拟仪器系统易于使用；相同的性能条件下开发费用和维护升级价格相对比较便宜。(参考文献7P引言)例如针对当前弹丸参数检测技术现状, 长春理工大学光电工程学院开发研制出一套基于虚拟仪器技术的弹丸参数检测系统。该系统可实现弹丸多个参数自动化及半自动化检测,且性能稳定,受外界影响较小。系统可以分别测量直径、底凹深度、地面不平度、长度、摆差、阳线印痕深度和阳线印痕宽度等7种参数。（参考文献8P1摘要、P2结语）2）测量技术的发展从近年来CIMT展览会上国内外知名量仪制造厂商展示的部分研究成果上可以看出，现代测量技术的发展趋势呈现出面向市场与用户、服务与加工制造现场、测量与加工制造过程融合集成的新动向。()高精度、多维化测量（参考文献2）传统基于直角坐标的三坐标测显机经过50多年的发展，技术愈加成熟，测量愈加快捷，功能也愈加强大。Renscan5TM是一种新型支持性技术，它能够在坐标机上进行高精度、超高速五轴扫描测量，它的引入使一系列测量速度高达500mm/s的突破性五轴扫描产品得以推出。最早使用Renscan5TM技术的产品室REVOTM，它的侧座在执行扫描时采用同步移动，能够快速地跟踪零件几何形状的变化。图5. REVOTM侧座()非接触式高速测量接触式测量是用机械触针式轮廓仪来实现的。由于它有可能产生划痕, 而有被非接触类取代之势。（参考文献9P2.2）近年来，利用光学原理而成的激光非接触测量逐步在西方欧美国家得到应用。与接触式测量方法相比，它能在测量大型复杂零件时，在测量效率和测量精度上减少其他诸多因素的影响。例如用三坐标测量机图像测头对水平放置的丝杆参数进行测量。它利用了影像法的测量原理，不需要将丝杆抬起升角角度就可实现测量,给出了在螺纹轴截面和正交投影间基准转换的关系式,并以此讨论分析了补偿量。本方法在测量时丝杆无需旋转升角角度,减少了对夹具的要求,使测量简单易行,大大提高了工作效率。（参考文献6P1摘要）()现场在线测量随着现代制造企业对于制造效率和工件品质提出了越来越高的要求，原来那种加工完成后交由计量部门进行公差和精度验证的方式已经越来越不能适应企业的需要，更多时候我们需要在制造的车间现场实现对于加工工件测量，完成各种工装与模具的现场尺寸测量与验证，并实时监控装配的状况。通过这种现场在线测量的方法，能够实时反馈装配与加工的质量，并为生产过程的调整以及品质检控提供依据。一般来说，需要在以下两个方向上发展：一是能够克服车间环境对精密测量系统的影响，并能够适应现场生产对于高效率的要求；二是便携测量系统能为现场使用提供便利。英国Renishaw公司新开发的NCI非接触工具测量系统，主要用于机床上工具的调整和运转状况的监视。该系统应用了可视激光，便于对工具位置进行随机测量，可缩短定位时间和防止因工具不当而产生的加工失误，使加工效率和加工质量得到进一步提高。OPTON公司新开发的告诉Moire 3D摄影机，它可高速获取一定范围内的形状数据，并进行计算，实时显示测量结果。Leica激光跟踪仪是一个便于运输、移动式大量程三坐标测量系统。内置的激光干涉仪,使得它可以随时随地进行快捷、高精确的测量工作。不管是单个点还是整个表面,激光跟踪仪都可在一个安装定位上完成测量范围（直径）高达80m,精度不超过士10um/m,速率为3000点/s的测量。激光跟踪仪广泛应用在汽车工业和航空航天工业,主要用于精密工装和部件的设计、制造和测量。利用内置的绝对测距仪(ADM)，跟踪仪可以以自动模式完成周期性检测,重复性测试等类似测量任务。此外,激光跟踪仪的位置可以灵活放置,可以根据被测目标的尺寸形状或有限的测量空间进行随意调整。（参考文献5P1第一段）参考文献：1 李东升 计量学基础 2011.12 曹学东、范天泉、吴时彬等 几何量测量技术进展 红外与激光工程 第37 卷第5 期 2008.103 应用于BMW的便携式现场在线测量 海克斯康测量技术（青岛）有限公司 期刊现代制造 2006.7.154 邓雪漫、廖俊必、高中有等 三坐标测量机非接触式测量在丝杆测量中的应用 中国测试技术 第32卷第1期 2006.15 许治修、黄镇昌、林颖 虚拟仪器在几何量测量中的应用 中图分类号:TP391.9 文献标识码:B 文章编号:16713133(2001)120035026 张尊天 弹丸几何量测