無導軌坐標測量系統

    無導軌坐標測量系統也稱為柔性坐標測量機（Flexible Coordinate Measuring Machine），是上世紀八十年代出現并得到迅速發展的一門新興測量技術。無導軌坐標測量系統源于大地測量技術。新技術的發展與應用賦予了傳統的大地測量技術許多嶄新的內容和應用空間，測量功能的不斷完善和測量精度的不斷提高使其可以廣泛應用于工業測量領域，成為大尺寸測量技術中一個極為活躍的分支。無導軌坐標測量系統能夠在測量現場即時建立坐標系并進行精密測量，可用于大型工件的尺寸測量、重型機械的裝配控制、工作部件的大范圍動態跟蹤測量、大型零部件的面形（飛機翼面、汽車外形、大口徑光學透鏡表面等）測量等。無導軌坐標測量系統可分為三種類型：多站組合式數字經緯儀測量系統、激光跟蹤測量系統和大視場視覺測量系統。

（1）多站組合式數字經緯儀測量系統

    上世紀八十年代，數字經緯儀逐步替代了光學經緯儀，使經緯儀的測量精度及自動化程度大大提高，并出現了專門用于工業測量的多站組合式數字經緯儀測量系統。該系統的工作原理基于三角測量法，系統由2～8臺數字經緯儀及計算機組成，可以在測量現場即時安裝、定標和測量。典型產品如KERN公司的Space測量系統，可用一根校對尺在測量現場定標，確定系統常數和坐標原點，用半導體激光投射器進行目標點定位，采用CCD瞄準。這種系統可用于航空航天、船舶制造、重型機械等領域，角度精度達0.3″，在3米內的測量精度為50μm，測量速度可達500點/小時。

    采用兩束激光進行測量的激光三角測量法是多站式經緯儀測量法的一種延伸。該方法以靶鏡為目標，兩束激光始終對準靶鏡，根據兩束激光的夾角即可計算出被測距離，系統的重復性可達10μm。

（2）激光跟蹤測量系統

    激光跟蹤測量系統實際上是一臺激光干涉儀，在測量光路中設置了一套可同時繞水平軸和垂直軸旋轉的反射鏡（（或將激光頭整體置于兩個旋轉軸上），當測量靶鏡在空間自由運動時，反射鏡進行自動跟蹤，以保證測量光路的連續性。

    根據測量方法的不同，激光跟蹤測量系統又可分為多邊測量系統和球坐標測量系統。多邊測量法采用四套（或四套以上）激光跟蹤系統，當測量靶鏡移動時，四束測量激光進行實時跟蹤，根據四個距離值來確定測量靶鏡的瞬時位置。值得注意的是，一般來說，在一個坐標系中只需知道某點到三個固定點的距離，即可計算出該點的實際位置，而該方法可提供四個距離值，使測量信息更為豐富。將“冗余技術”引入測量中，不僅提高了測量的穩定度，而且可以迅速完成自標定，確定各套激光跟蹤系統的相對位置。據報道，這種測量方法的精度可達10μm。

    如果在激光跟蹤測量系統反射鏡的水平軸和垂直軸上安裝上碼盤，即可構成一套完整的球坐標測量系統，其測量靶鏡的位置由矢徑及方向角確定。球坐標測量系統的測量范圍可達30米以上，測量精度達10ppm。典型的定型產品有Leica公司的Smart系統、API公司的激光跟蹤干涉儀、FARO公司的絕對測量跟蹤儀等。

（3）大視場視覺測量系統

    大視場視覺測量系統采用攝像測量法，為了提高測量精度，往往與光學測頭同時使用。光學測頭是由多個大功率發光管排列組成的光靶，測量時，光學測頭與被測工件接觸，視覺測量系統實際瞄準的是光學測頭，然后根據測量結果計算出實際被測值。視覺測量系統的典型產品有METRONOR公司的SCS和DCS系統，最大測量范圍為14m。

    視覺測量系統可分為單目和雙目二種系統，前者用于尺寸測量，后者則利用了幾何光學中的體視角原理，根據不同視角方向的二維圖像，通過相關或匹配運算重建三維坐標數據，即可得到被測工件的三維形狀。

    采用結構光的視覺測量方法也已逐步應用于大尺寸測量中，如GOM公司的ATOS三維數字化測量儀的測量范圍可寬達10mm～10m。

    計算機、傳感器、激光、自動控制、圖像處理等高新技術的發展為無導軌坐標測量系統提供了廣闊的發展空間，近二十年來，無導軌坐標測量系統發展極快。一方面，許多新技術已轉化為定型產品，應用于實際測量；另一方面，在測量實踐中又出現了許多更新、更難的課題需要量儀設計者去研究解決，例如：如何合理設計激光跟蹤系統的測量靶，如何建立視覺測量法中的圖形拼接函數，如何提高圖像測量精度等等，這些都是當前國內外學者十分關注的問題。