ISO 10360-102021 产品几何量技术规范（GPS）坐标测量系统（CMS）的验收和再验证试验第10部分激光跟踪器标准立项发展报告

ISO10360-10:2021《产品几何量技术规范（GPS）坐标测量系统（CMS）的验收和再验证试验第10部分：激光跟踪器》标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:GeometricalProductSpecifications(GPS)—AcceptanceandReverificationTestsforCoordinateMeasuringSystems(CMS)—Part10:LaserTrackers摘要随着航空航天、高端装备制造、新能源汽车等战略性产业对大型零部件三维测量精度要求的持续提升，激光跟踪测量技术凭借其测量范围大、精度高、实时动态跟踪等优势，已成为大尺寸空间坐标测量的核心技术手段。为确保各制造商生产的激光跟踪器在性能评定与验收验证方面具有统一、可比的规范依据，国际标准化组织（ISO）发布ISO10360-10:2021《产品几何量技术规范（GPS）坐标测量系统（CMS）的验收和再验证试验第10部分：激光跟踪器》。该标准是ISO10360系列标准在便携式大尺寸坐标测量领域的重要拓展，系统规定了激光跟踪器的技术要求、验收试验方法、再验证试验周期及合格判定准则。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容及其与ISOGPS（几何产品技术规范）标准体系的框架关系，分析了标准实施的行业影响与应用前景，并对我国在该领域的标准化工作提出建议与展望。报告指出，ISO10360-10:2021的发布实施对于统一全球激光跟踪器性能评价体系、促进国际贸易与技术交流、保障精密测量数据溯源性具有重要的基础性支撑作用。关键词：产品几何量技术规范；坐标测量系统；激光跟踪器；验收试验；再验证试验；国际标准；大尺寸计量Keywords:GeometricalProductSpecifications;CoordinateMeasuringSystems;LaserTracker;AcceptanceTest;ReverificationTest;InternationalStandard;Large-ScaleMetrology1引言1.1标准化背景激光跟踪器（LaserTracker）是一种基于激光干涉测距或绝对测距原理，结合高精度角度编码器实现空间三维坐标动态测量的高精度仪器。自20世纪80年代问世以来，激光跟踪器经历三十余年的技术迭代，已从最初的单点静态测量工具发展为集动态跟踪测量、六自由度姿态测量、自动化辅助测量等功能于一体的综合测量平台。在当前工业制造向数字化、智能化转型的背景下，激光跟踪器广泛应用于飞机总装线部件对接、火箭箭体装配测量、大型风电叶片型面检测、粒子加速器准直安装、船舶分段建造等关键测量场景，测量精度从亚毫米级提升至微米级，测量范围覆盖数米至数十米乃至上百米。然而，在ISO10360-10:2021发布之前，激光跟踪器的性能验收和周期检定主要依据各制造商自行制定的企业规范或部分国家的区域性标准，缺乏全球统一的、经国际协商一致的性能评定方法。这一现状导致不同品牌、不同型号激光跟踪器的性能指标缺乏横向可比性，验收试验和再验证试验的程序与判据各异，用户方和第三方计量机构在仪器验收、周期核查及测量结果仲裁方面面临标准缺位的困境，也在一定程度上制约了溯源体系的完善和国际贸易的便利化。1.2ISO10360系列标准概况ISO10360是国际标准化组织下设的ISO/TC213（产品几何量技术规范与检验技术委员会）制定的关于坐标测量系统验收和再验证试验的核心系列标准。该系列标准最早于1994年发布首部分（ISO10360-1），此后逐步形成了覆盖多种坐标测量系统类型的系列标准框架，包括：ISO10360-2（坐标测量机）、ISO10360-3（带旋转工作台的坐标测量机）、ISO10360-4（扫描型坐标测量机）、ISO10360-5（多探针坐标测量系统）、ISO10360-6（高斯辅助误差评定）、ISO10360-7（带成像探针的坐标测量机）、ISO10360-8（带光学距离传感器的坐标测量机）、ISO10360-9（多探针测量系统）等。ISO10360-10:2021正是在这一系列框架基础上，针对激光跟踪器这一特定类别的便携式大尺寸坐标测量系统制定的专项标准。它的发布填补了ISO10360系列在激光跟踪器领域的标准空白，使该系列标准从面向传统固定式坐标测量机扩展至移动式大尺寸测量系统，具有里程碑式的意义。2标准立项背景与编制历程2.1立项必要性分析ISO10360-10:2021的立项基于多重现实需求。首先，全球激光跟踪器市场规模持续扩大，据统计，2020年全球激光跟踪器市场规模约为4.5亿美元，预计2027年将突破7亿美元，年复合增长率约6.5%。主要供应商包括HexagonAB、FAROTechnologies、API（AutomatedPrecisionInc.）、LeicaGeosystems（Hexagon旗下）、Zeiss等国际知名测量仪器企业。市场的高速发展对统一的产品性能评价规范提出了迫切需求。其次，各制造商和用户群体在长期的实践中逐步认识到，激光跟踪器作为高精度计量仪器，其性能不仅取决于设计制造质量，还受到使用环境（温度梯度、振动、气流扰动等）、操作方式和维护状况的显著影响。制定统一的验收和再验证试验标准，有助于建立客观、公正、可复现的性能评价机制，既保护用户利益，也为制造商提供公平竞争的技术平台。再次，从计量溯源的角度，激光跟踪器作为大尺寸测量的工作标准器具，需要建立从国际单位制（SI）米定义到现场测量结果的完整溯源链。ISO10360-10:2021规定的试验方法和计量要求，为溯源链的建立提供了标准化的技术接口，使激光跟踪器的校准结果能够在国际范围内获得一致性的承认。2.2编制历程ISO10360-10的制定工作由ISO/TC213下设的工作组WG10（大尺寸测量）负责推进，项目编号为ISO/DIS10360-10。早在2010年前后，WG10即启动了激光跟踪器性能评定标准的预研工作，并成立了由德国物理技术研究院（PTB）、美国国家标准与技术研究院（NIST）等国家计量院专家以及主要制造商代表组成的起草小组。在标准制定过程中，工作组系统参考了VDI/VDE2617系列指南（德国工程师协会/德国电气工程师协会发布的坐标测量机精度检验指南）中有关激光跟踪器的技术内容，以及ASMEB89.4.19（美国机械工程师学会关于激光跟踪器性能评价的标准），力求在兼顾各方技术传统的基础上，建立一套真正意义上的国际统一规范。该标准历经委员会草案（CD）、国际标准草案（DIS）、最终国际标准草案（FDIS）等阶段，经过了多轮技术讨论和实验室间比对验证。标准制定过程中组织了多次国际循环比对试验（Round-RobinTest），来自德国、美国、中国、日本、英国等国家的多个实验室参与了对不同品牌激光跟踪器的试验验证，以确保标准中规定的试验方法具有可行性和可复现性。最终，ISO10360-10:2021于2021年8月27日正式发布，标准全称为《产品几何量技术规范（GPS）坐标测量系统（CMS）的验收和再验证试验第10部分：激光跟踪器》。3标准核心技术内容3.1适用范围与基本框架ISO10360-10:2021适用于基于球坐标测量原理的激光跟踪器，即通过测量目标点到仪器中心的距离和两个角度（水平角和垂直角）来确定目标点三维坐标的系统。标准的适用范围涵盖了激光跟踪器的以下几个关键方面：-性能参数的表示方法：规定了制造商应如何声明和表示激光跟踪器的主要计量性能参数，包括长度测量误差（\(E_0\)）、径向距离测量误差（\(E_r\)）、角度测量误差（\(E_a\)）以及体积测量误差等；-验收试验：规定了用户对新购置的激光跟踪器进行性能验收时所需遵循的试验方法、试验条件和合格判定准则；-再验证试验：规定了激光跟踪器在周期检定和日常使用过程中进行性能再验证的试验方法和判定准则；-试验报告：规定了试验结果记录和报告的内容与格式要求。3.2关键技术指标该标准定义的激光跟踪器核心性能指标主要包括以下几个方面：（1）长度测量误差（\(E_0\)）长度测量误差是衡量激光跟踪器整体精度性能的最重要指标，通过测量内置基准尺或外部基准装置上的两个目标点之间的长度与已知参考值的偏差来评定。标准规定在不同距离和不同空间取向条件下进行多组长度测量，以综合评定仪器在不同工作条件下的测量能力。（2）径向距离测量误差（\(E_r\)）径向距离测量误差反映的是激光跟踪器在单一方向上的测距精度，标准要求对仪器的最大测量范围内的多个目标点进行测距试验，评估距离测量偏差。（3）体积测量误差（\(E_v\)）体积测量误差是对激光跟踪器在三维空间内综合测量能力的评定指标，通过在仪器测量空间内不同位置布置目标点，考察仪器在体积范围内的空间测量一致性。（4）角度测量误差角度编码器的测量精度通过间接方法评定，即在已知长度的基准尺上进行不同取向的测量，通过长度误差的反算分离出角度误差的影响。3.3试验条件与程序标准对试验条件作出了明确规定。环境条件方面，要求在温度18℃至22℃范围内、温度变化不超过1℃/h的受控环境中进行验收试验，否则应根据制造商规定的环境适应范围对环境影响的修正方法进行说明。试验设备方面，规定了基准尺、目标反射镜（球棱镜或角隅棱镜）、三脚架、温度传感器等辅助设备的技术要求。测量程序方面，详细规定了目标点的布置方案、测量次数、测量顺序等操作细则，确保试验结果具有统计意义上的可靠性。3.4合格判定准则标准规定了最大允许误差（MPE，MaximumPermissibleError）的表示方法，要求制造商以MPE的形式声明仪器的性能指标（如\(E_0\)的MPE值为±15μm+5μm/m，即与测量长度相关的线性增长项和固定项之和）。验收试验中，如果所有测得误差均在制造商声明的MPE范围内，则仪器通过验收；反之，则视为不合格，需要制造商对仪器进行调整或修复后重新试验。4与ISOGPS标准体系的关系ISO10360-10:2021是ISOGPS（GeometricalProductSpecificationandVerification）通用标准体系的重要组成部分。ISOGPS体系是一套覆盖产品几何形状的规范、标注、验证全链条的国际标准框架，其基本结构遵循“GPS矩阵模型”，在横向上涵盖链条尺寸、距离、半径、角度、形状、方向、位置等几何特征，在纵向上涉及规范、标注、验证等不同层级。ISO10360系列标准在GPS矩阵中位于“验证”环节，其功能是为坐标测量设备的性能验证提供统一的方法和判据。ISO10360-10:2021与GPS体系中的其他基础标准（如ISO8015《GPS基本概念、原则和规则》、ISO14253-1《GPS—工件测量检验与测量设备校准中的符合性判定规则》等）之间存在接口关系：ISO10360-10规定了设备性能的验证方法，而ISO14253-1则规定了在测量结果不确定度框架下如何做出符合性判定。此外，ISO10360-10:2021中关于测量不确定度的评定要求与ISO/IECGuide98-3（《测量不确定度表示指南》，即GUM）保持一致，确保试验结果的不确定度评估具有国际统一的依据。从标准体系建设的角度看，ISO10360-10:2021与ISO10360系列其他部分形成互补。如果说ISO10360-2针对的是传统固定式桥式坐标测量机，那么ISO10360-10则是面向可移动的大尺寸测量系统。二者的技术路线和试验方法存在显著差异：固定式坐标测量机的性能验证主要在机器测量空间内通过标准器进行，而激光跟踪器的验证则需要考虑更大的测量范围、现场环境因素和多站点测量等特殊问题。5标准实施与行业影响5.1对制造业的影响ISO10360-10:2021的实施对航空航天、汽车制造、能源装备等关键行业的精密测量实践产生了深远影响。在航空制造领域，激光跟踪器是飞机总装过程中机身段对接、机翼安装、发动机吊装等关键工序的核心测量设备，统一的性能验证标准有助于飞机制造商建立更加可控的质量保证体系。空客公司（Airbus）和波音公司（Boeing）在其供应商管理体系中，已逐步将ISO10360-10作为激光跟踪器能力认定的基础依据。在高端装备制造领域，大型数控机床的几何精度检测、工业机器人的绝对定位精度标定等应用场景日益依赖激光跟踪器提供高精度的空间坐标基准。ISO10360-10的贯彻执行，意味着用户可以通过标准化的验收试验方法，客观判断激光跟踪器的性能是否满足特定测量任务的要求，减少了因设备性能争议导致的商务纠纷。5.2对计量与校准服务的影响对于国家计量院、第三方校准实验室和仪器用户而言，ISO10360-10:2021提供了一套完整的、经国际验证的再验证试验方法。计量技术机构可以依据该标准建立激光跟踪器的校准服务能力，并参与国际比对（如EURAMET、APMP框架下的大尺寸计量比对）以确保校准结果在国际范围内的等效性。标准的实施也有力促进了大尺寸测量量值溯源体系的完善，使激光跟踪器的现场测量结果可以追溯到米定义——光在真空中在1/299792458秒内所行进的距离——这一SI基本单位。5.3国际标准应用情况ISO10360-10:2021发布后，已逐渐被全球主要工业国家的标准化机构和产业界采纳。欧盟国家通过CEN（欧洲标准化委员会）的采用程序将其转化为欧洲标准（ENISO10360-10），各国标准化机构相应地将其采纳为国家标准（如德国的DINENISO10360-10、英国的BSENISO10360-10等）。日本通过JIS标准体系积极跟进。中国方面，全国产品几何量技术规范标准化技术委员会（SAC/TC240）正在推进ISO10360-10的等同采用工作，计划将其转化为国家标准GB/T16857.10，以完善我国在大尺寸测量领域的标准体系。6主要参与单位介绍ISO10360-10:2021的制定汇集了国际标准化组织ISO/TC213专家、各国国家计量研究院的学者以及全球知名激光跟踪器制造企业的技术骨干。其中，德国联邦物理技术研究院（Physikalisch-TechnischeBundesanstalt,PTB）在标准制定过程中发挥了不可替代的主导作用。德国联邦物理技术研究院（PTB）PTB是德国国家计量科学研究院，也是世界上最高水准的计量科学研究机构之一，隶属于德国联邦经济事务和气候行动部。PTB总部位于下萨克森州布伦瑞克（Braunschweig），并在柏林设有分部。作为米制公约框架下德国计量体系的核心机构，PTB在力学、光学、电学、温度、时间频率等多个计量领域拥有国际领先的研究能力和最高等级的计量基准。在ISO10360-10:2021的编制过程中，PTB承担了关键的技术攻关任务。PTB的“大尺寸计量”科研团队长期从事激光跟踪测量技术和大尺寸坐标计量溯源研究，拥有世界顶级的激光干涉测距基准装置和百米量程的大尺寸测量校准设施（GPSRGeodesyandLarge-ScaleMetrologyLab）。PTB专家主导了标准中激光跟踪器性能评价指标体系的框架设计，提出了基于“多方向长度测量偏差”综合评价激光跟踪器空间测量性能的技术路线。该路线将复杂的空间测量误差问题转化为可操作的多组一维长度测量试验，既保证了评价的全面性，又兼顾了试验的可操作性，成为标准技术内容的核心创新点。此外，PTB在标准制定过程中组织了多项国际比对试验，利用其先进的大尺寸测量校准装置为多家制造商和计量机构的激光跟踪器提供高精度参考测量，为标准中规定的MPE表达方式和试验方法的验证提供了翔实的实验数据支撑。PTB的科学家还深度参与了标准附录中关于测量不确定度评定示例的编制工作，为标准使用者的实际应用提供了具体的技术指导。7结论与展望ISO10360-10:2021的发布是国际大尺寸计量标准化进程中的重要里程碑。该标准在充分吸收各国先进经验和工业实践的基础上，建立了激光跟踪器性能验收和再验证的统一技术规范，填补了ISO10360系列标准在便携式大尺寸坐标测量系统领域的关键空白。标准的实施将产生多方面的积极效益：对仪器制造商而言，标准的实施有助于营造公平竞争的市场环境；对测量用户而言，统一的验收规范和再验证程序有力地保障了测量质量的可靠性；对计量技术机构而言，标准的发布为建立和完善大尺寸量值溯源体系提供