柔性测量方法及其发展趋势

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1、柔性测量方法及其发展趋势米杨树明，张国锋(西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，西安710054)【摘要】柔性测量可以结合多种测量方法的优点，形成优势互补以满足现代测量领域精确高效的测量需求，柔性测量系统具有高度灵活性和适应性的特点。阐述了目前三维测量技术的发展现状，基于多传感器集成测量方法的分析，提出了柔性测量的概念和关键技术，然后根据实际应用对目前典型的柔性测量系统进行归纳和分类，最后针对柔性测量系统中存在的问题对其发展趋势进行了预测。关键词：柔性测量；多传感器集成；数据融合DOI：10．16080／j．issnl671—833x．2016．08．016杨树明20D9年在英

2、国哈德斯菲尔德大学仪器科学与纳米技术专业获得博士学位。西安交通大学机械工程学院教授，博士生导师。研究方向为微纳制造及测量、光学测量技术及仪器等。发表学术论文80多篇．申请和授权发明专利20多项。现任中国计量测试学会理事、中国创新设计产业战略联盟专家工作委员会委员、陕西省机械工程学会理事、陕西省仪器仪表学会理事等；担任国际期刊JournalofManufacturingSystems

3、=J主编、西安交通大学学报责任编委以及10余个国际知名期刊的审稿专家。t基金项目：国家自然科学基金项目(51575440o16航空制造技术·2016年第8期柔性测量是指由于某种测量方法在实际测量过程中存在

4、约束和限制，所以需要结合其他一种或多种测量方法和技术，实现灵活智能的实时测量。随着先进制造技术的不断发展，测量参数和环境越来越复杂【ll，为了满足高精度、高效率以及高适应性的测量需求，从20世纪末开始，国内外出现了多传感器结合的复合式测量理论及试验研究，如1998年Motavalli等嘲提出了视觉传感器和坐标测量机(CMM)集成的测量系统，该系统中首先利用视觉传感器获取物体表面信息，然后指导CMM进行测量，在保证关键点测量精度的基础上极大地提高了测量效率。2010年Weckenmann等[31提出了一种用于微小物体表面信息检测的多传感器集成系统，该系统由多种不同用途的传感器组合而成，

5、可以测量三维标准几何特征的形状和位置、表面形貌以及膜厚等。几何尺寸与形位测量已经从一维、二维拓展到了三维，测量对象也从具有规则特征的物体拓展到了具有复杂曲面的物体，并且被测物体尺寸小到纳米甚至原子量级，大到几十米甚至几百米。总之，先进制造技术的快速发展正在促使测量技术中的新原理、新技术、新装置及新测量理念不断出现M1，旨在提高测量的完整性、准确性和高效性[71，柔性测量就是在这样的背景下出现的新技术。本文首先通过分析目前测量技术的发展现状，提出柔性测量技术的概念，然后根据实际应用对典型的柔性测量系统进行分类介绍，最后对柔性测量系统的发展趋势进行预测。柔性测量技术的发展现状及关键技术1

6、单一传感器三维测量技术存在的问题(1)接触式测量。接触式测量又称为机械测量，即利用探针连接杆或机械臂关节处的传感器直接接触被测物体的表面以获取其三维点坐标数据。接触式探针测量系统主要用于对点云密度要求不高的场合，如圆柱、棱柱等规则特征物体逆向建模以及已知模型的质量检测。CMM是典型的接触式测量设备，测量过程中首先将各种几何元素的测量转换为点集坐标位置的——型殴IQ豇立盟测量，然后再由软件按一定的评定准则算出这些元素的尺寸、形状和相对位置，一般测量精度可达微米级隅】。尽管CMM测量精度相对较高，但是也存在很多不足，如测量速度慢，测量前需要规划测量路径；不能测量软质材料及探头无法触及的表

7、面：探头易磨损，需经常矫正补偿，而且对环境要求高。(2)非接触式测量。相比于接触式的表面测量方法易于损伤被测工件表面以及测量效率低的缺点，非接触式测量方法，如光学测量法、工业计算机断层成像技术(CT)以及扫描探针显微镜等，在测量领域中应用越来越广泛，正朝着速度更快、分辨率更高、测量范围更大的方向发展⋯oJ。光学传感器在三维测量中的应用具有广阔的前景，根据所采用光源的类型不同可以分为点结构光传感器(1维测量)、线结构光传感器(2维测量)和面结构光传感器(3维测量)。实际上，面结构光测量法也只能测量物体表面上的点，无法实现真正意义上的3维测量，故称之为2．5维测量。一套光学三维测量系统能

8、否精确完成测量工作主要取决于该系统的测量原理以及被测物的表面材质和几何特征。光学测量技术主要有三角测量法、偏折法【111、共聚焦显微技术㈣、白光干涉方法”引、变焦显微测量法”41、图像测量法以及激光自动聚焦法、色差法及锥光测量法等。光学测量法能够快速获得被测物表面密集的点云数据，并且对于表面特征复杂以及材质柔软的物体具有独特优势。与接触式测量方法相比，具有精度不高、视角受限、无法测量光滑表面等缺点。因此，由光学传感器所测得的点云数据往往具有很多噪点，并且在