球坐标（精密测量技术）

工业测量是在工业生产和科研各环节中，为产品的设计、模拟、测量、放样、仿制、仿真、产品质量控制、产品运动状态，提供测量技术支撑的一门学科。测量内容以产品的几何量为主，也涉及色彩、温度、速度与加速度及其他物理量。

「 1.精密测量的内涵」

精密测量技术是工业测量技术的一个组成部分，特指以毫米级或更高精度进行的工业测量。现代工业的发展，对产品的尺寸精度提出了更高的要求，特别是对于精密加工行业而言，如精密丝杠、精密齿轮、精密蜗轮、精密导轨和精密轴承等零件的加工，采用如游标卡尺、千分尺等传统的测量工具已经无法满足其测量精度要求。同时，随着消费者对个性化产品的需求增加，制造企业面临着产品测量种类增加、测量批量减小、测量速度要快、测量结果要能够存储以便于后期质量数据分析及追溯等要求，精密测量技术已然成为企业适应市场竞争的一项不可或缺的技术。再者，随着人工智能、机器学习、智能传感器、5G等技术发展，在线、自动化、高速、智能成为当前精密测量系统和技术的主旋律。因而精密测量设备需要具有一定的智能化水平，如一次测量完成后，能够自适应地对下一批相同产品自动连续测量，以及在机器视觉等技术的辅助下，自动判断产品质量合格与否。更进一步，测量不仅仅是产品合格与否的判定，它还需要与质量分析、加工制造、设计仿真进行更为广泛的融合，从而达到品质推动生产力的目的。测量数据与质量分析软件的相互作用，可以帮助企业实现更稳定可靠的生产制造过程，确保批量生产的稳定性，提前预测加工质量的趋势，并及时对加工设备、加工路径乃至刀具进行调整[ ]。精密测量作为智能制造的眼睛，不仅对产品质量控制起到决定作用，也对制造水平起到了决定作用。在当前，推进智能制造与数字化转型成为企业发展趋势，精密测量的重要性不言而喻。

相比于传统测量装备，智能测量测量装备更加复杂，包括了机、电、软多学科知识，涵盖无线射频识别技术（RFID）、机器视觉、协作机器人、在线检测和管理软件系统等多领域技术，由传统的以人工测试为主向全自动化检测进阶。智能测量装备的应用为企业智能制造的提供了有力支撑。本节主要介绍几何量测量的智能测量装备，涉及到几何尺寸、形状和位置等相关参数的测量。

智能测量装备测量几何尺寸的方式可分为接触式测量和非接触式测量（图1）。接触测量法是测量器具的传感器与被测零件表面直接接触的测量方法。比如以触针沿工件表面运动并持续获取测量点数据，这个过程也称之为扫描，通过扫描将采集到的形状数据转换为离散的几何点坐标数值，从而完成物体表面形状的建模。其特点是测量的可靠性高、测量精度高、重复性好。接触式测量的缺点是测量的接触力可能会对测量器具和零件表面（如软性表面）造成变形，从而影响到测量的不确定度，因此通常不适用于软性表面的测量。

图1 智能测量装备测量几何尺寸的方式

非接触式测量则是测量器具的传感器与被测零件的表面不直接接触的测量方法，通过光电、电磁、超声波等技术为基础，在仪器的感受元件不与被测物体表面接触的情况下，即可获取被测物体的各种外表或内在的数据特征。非接触测量的优点是测量传感器不与被测物体表面接触，对被测零件表面不会构成任何损伤，比较适合于复杂曲面以及软性表面零件的测量。非接触式测量采用相机探头传感器、激光传感器或CT技术的形式。

「 2.精密测量装备」

1）三坐标测量机（CMM）

三坐标测量机（coordinate measuring machining，CMM）（图2）是指一种可在立体坐标系内作三个方向移动测量的光学测量仪器，可以测量几何形状、长度及圆周分度等。三坐标测量机测量头分为接触式和非接触式两种，常用的测头为接触式测头，其应用范围广、种类多样，测量方便灵活。三坐标测量机的缺点是对测量环境要求高、不便携，测量范围小。

应用场景：各种工业计量领域，包括汽车零部件测量、模具测量、齿轮测量、五金测量、电子测量、叶片测量、机械制造等。

2）关节臂测量机

关节臂测量机（图3）是一种便携式接触测量仪器，关节臂拥有6或7个自由度，可灵活旋转，对空间不同位置待测点的接触模拟人手臂的运动方式。测头功能同三坐标测量机。有些厂家在其测头上附加小型结构光扫描仪，可实现对工件的快速扫描，集接触式与非接触式系统的优点于一体。

应用场景：可完成尺寸检测、点云扫描等。

3）激光跟踪仪（laser tracker）

激光跟踪仪（图4）是一台以激光为测距手段配以反射标靶的仪器，它同时配有绕两个轴转动的测角机构，形成一个完整球坐标测量系统。可以用它来测量静止目标，跟踪和测量移动目标或他们的组合。

应用场景：能够方便、准确地完成大尺寸、超大尺寸的工装测量与零部件匹配等任务。

4）拍照测量设备(digital photogrammetry)

拍照测量设备（图5）是用工业相机对物体进行连续拍照，然后运用图像处理软件及技术对拍摄的照片进行分析，来计算被测物尺寸的一种方式。拍照式测量系统提供高速、3D拍照式测量解决方案。

应用场景：快速数据采集及条件复杂的车间现场环境。

5）光学三维测量设备

三维光学测量系统是采用光束进行测量的系统，具有非接触式的优点。这种系统也称三维蓝光扫描仪，根据传感方法不同，分为三维蓝光扫描仪，激光三维扫描仪，CT断层扫描仪等（图6）。

应用场景：适用于待测物体几何形状的全尺寸三维数字化检测，三维扫描仪具有工业级高精度和高稳定性，在严苛的环境下仍可提供高精度测量数据。

6）复合式影像测量机

复合式影像测量仪（图7），就是在同一台设备上完成工件所有类型特征的测量，避免在不同设备上二次装夹，节省上下料的时间和多台设备的投资。应用复合式传感器测量技术，实现快捷的光学测量与接触式扫描测量提升检测效率。

应用场景：小、薄、软、复杂形状零部件的测量。

图7 复合式影像测量仪

7）在机测量设备

在机测量就是以机床硬件为载体，附以相应的测量工具（硬件有：机床测头、机床对刀仪等；软件有宏程式、专用3D测量软件等），在工件加工过程中，实时在机床上进行几何特征的测量，根据检测结果指导后续工艺的改进（图8）。

应用场景：铣床、加工中心和车床等加工设备。

图8 在机测量设备

8）间隙轮廓表面测量设备

可进行轮廓测量和三维表面检测，为手持式非接触测量。可满足从产品开发、制造，到维修维护的一系列制造质量需求（图9）。

应用场景：应用于汽车、铁路、钢铁和航空航天等行业，如车身和车门之间的间隙和面差测量，车轮轮廓检查、制动盘测量、车轮间距测量、车轮磨损检查和轨道磨损检查等。

图9 间隙轮廓表面测量设备

9）机床高精度校准补偿设备

主要用于提供校准补偿，可进行精确完整的几何分析，持续监测并实现机床和坐标测量机精度的提升，可用于机床设计与校准、计量仪器校准、电子/汽车/航空航天等行业以及研究领域（图10）。

应用场景：为机床进行校准，提供高精度保证。

图10 机床高精度校准补偿设备