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21世紀(jì)精密測(cè)試技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

上世紀(jì)90年代以來(lái)，如何以最短的時(shí)間開(kāi)發(fā)出高質(zhì)量、高性能價(jià)格比、容易被用戶接受的新產(chǎn)品已成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。有人預(yù)測(cè)，當(dāng)前制造技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)是：強(qiáng)化具有自主創(chuàng)新技術(shù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力和制造能力，增強(qiáng)企業(yè)間的合作能力，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，進(jìn)而提高企業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求的應(yīng)變能力和綜合競(jìng)爭(zhēng)能力。因此先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展日新月異，繼計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)之后，又出現(xiàn)了并行工程、精益制造、智能制造、敏捷制造、快速原形制造等。如美國(guó)在90年代實(shí)現(xiàn)了“三個(gè)三”，即產(chǎn)品生命周期三年；試制周期三個(gè)月；設(shè)計(jì)周期三周。未來(lái)制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)是向精密化、柔性化、智能化、集成化、全球化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化的方向發(fā)展。精密測(cè)試技術(shù)就要適應(yīng)這種發(fā)展，它在機(jī)械學(xué)科中的作用是：為先進(jìn)制造業(yè)服務(wù)，擔(dān)負(fù)起質(zhì)量技術(shù)保證的重任。首先要以提高產(chǎn)品質(zhì)量和要達(dá)到的最重要的目標(biāo)為基本出發(fā)點(diǎn)，要將精密測(cè)試貫穿產(chǎn)品制造的整個(gè)過(guò)程。其次精密測(cè)試技術(shù)要有利于生產(chǎn)效率的提高，至少不能妨礙生產(chǎn)速度，因此檢測(cè)方法要能適應(yīng)快速發(fā)展的生產(chǎn)要求，不能單純?yōu)榱藱z測(cè)而檢測(cè)，更不能因?yàn)闄z測(cè)的要求而影響生產(chǎn)的效益。從更積極的角度出發(fā)，應(yīng)該是由于精密測(cè)試技術(shù)的正確服務(wù)和保證促進(jìn)了生產(chǎn)能力的提高。?
根據(jù)先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的要求，精密測(cè)試技術(shù)本著其自身的發(fā)展規(guī)律，不斷拓展著新的測(cè)量原理、測(cè)試方法和測(cè)試信息處理技術(shù)，就機(jī)械學(xué)科而言，預(yù)計(jì)將向以下幾個(gè)方面發(fā)展。

1.零廢品生產(chǎn)中的測(cè)量控制

在機(jī)械制造業(yè)中，質(zhì)量保證的理想目標(biāo)是實(shí)行生產(chǎn)的零廢品制造，在實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的過(guò)程中，精密測(cè)試技術(shù)的作用和重要意義是不言而喻的。零部件的加工質(zhì)量、整機(jī)的裝配質(zhì)量都與加工設(shè)備、測(cè)試設(shè)備以及測(cè)試信息的分析處理有關(guān)，因此實(shí)現(xiàn)零廢品生產(chǎn)，從精密測(cè)試的角度出發(fā)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：?

(1)在加工工件前，事先檢測(cè)機(jī)床。如何快速準(zhǔn)確地對(duì)加工設(shè)備進(jìn)行校檢，獲得機(jī)床的精度狀況，這對(duì)大幅度減少返工，甚至排除返工是非常有益的。當(dāng)然這里包括檢測(cè)設(shè)備的研究，國(guó)外已在這方面做了研究開(kāi)發(fā)。

(2)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)工件進(jìn)行在線測(cè)量或其它形式的100%檢測(cè)，這就需要研究適合于動(dòng)態(tài)或準(zhǔn)動(dòng)態(tài)的測(cè)試設(shè)備，甚至能集成到加工設(shè)備中的特殊測(cè)試設(shè)備，做到進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試。根據(jù)測(cè)試結(jié)果不斷修改工藝參數(shù)，對(duì)加工設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)整或反饋控制。從精度理論方面也相應(yīng)要研究動(dòng)態(tài)精度理論，包括動(dòng)態(tài)精度的評(píng)述等。?


(3)應(yīng)研究如何充分利用測(cè)量信息來(lái)實(shí)現(xiàn)零廢品生產(chǎn)。通過(guò)對(duì)100%在線測(cè)量數(shù)據(jù)的充分利用，從中分析加工和測(cè)量過(guò)程中誤差分布的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)根據(jù)加工誤差的動(dòng)態(tài)特性和傳感器的精度損失特性以及產(chǎn)品質(zhì)量要求和公差規(guī)定，給出零廢品制造的基本理論模型。充分利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法進(jìn)行準(zhǔn)確的加工質(zhì)量預(yù)測(cè)，做到質(zhì)量超前控制。

2.視覺(jué)測(cè)試技術(shù)

非接觸測(cè)試技術(shù)有很多，特別值得一提的是視覺(jué)測(cè)試技術(shù)?，F(xiàn)代視覺(jué)理論和技術(shù)的發(fā)展，不僅在于模擬人眼所完成的功能，更重要的是它能完成人眼所不能勝任的工作，所以視覺(jué)測(cè)試技術(shù)作為當(dāng)今最新技術(shù)，在電子、光學(xué)和計(jì)算機(jī)等技術(shù)不斷成熟和完善的基礎(chǔ)上得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。視覺(jué)測(cè)試技術(shù)是建立在計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究基礎(chǔ)上的一門新興測(cè)試技術(shù)，它和計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究的視覺(jué)模式識(shí)別、視覺(jué)理解等內(nèi)容不同，視覺(jué)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)研究物體的幾何尺寸及物體的位置測(cè)量，如轎車白車身三維尺寸的測(cè)量，模具等三維型面的快速測(cè)量，大型工件同軸度測(cè)量，BGA芯片焊點(diǎn)共面性測(cè)量等。它可以廣泛用于在線測(cè)量、逆向工程等主動(dòng)、實(shí)時(shí)測(cè)量過(guò)程等。視覺(jué)測(cè)試技術(shù)在國(guó)外發(fā)展很快，早在80年代美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局就預(yù)計(jì)，工程檢測(cè)任務(wù)的90%將由視覺(jué)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)完成。從目前來(lái)看，美國(guó)已有100多家公司躋身于視覺(jué)測(cè)試系統(tǒng)的經(jīng)營(yíng)市場(chǎng)，可見(jiàn)視覺(jué)測(cè)試系統(tǒng)確實(shí)很有前途。在1999年10月的北京國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)上已見(jiàn)到國(guó)外利用視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)研制的儀器，如流動(dòng)式光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、高速高精度數(shù)字化掃描系統(tǒng)和非接觸式光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等先進(jìn)儀器。?

3.測(cè)量方式上向多樣化發(fā)展

(1)多傳感融合技術(shù)在制造現(xiàn)場(chǎng)中的應(yīng)用?
多傳感器融合是解決測(cè)量過(guò)程中的測(cè)量信息獲取的方法，它可以提高測(cè)量信息的準(zhǔn)確性。由于多傳感器是以不同的方法或從不同的角度獲取信息，因此可以通過(guò)它們之間的信息融合去偽存真，提高測(cè)量精度。?

(2)積木式、組合式測(cè)量方法?
白車身三維尺寸測(cè)試系統(tǒng)就屬于這類測(cè)量方法，也可稱它是柔性很好的專用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，關(guān)鍵在于系統(tǒng)的建立。?

(3)便攜式測(cè)量?jī)x器?
如便攜式光纖干涉測(cè)量?jī)x，便攜式大量程三維測(cè)量系統(tǒng)等，往往都是用于解決現(xiàn)場(chǎng)大尺寸的測(cè)量問(wèn)題。?

(4)虛擬儀器?
虛擬儀器是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在精密測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)已有深入的研究：一種是將多種數(shù)字化的測(cè)試儀器虛擬成一臺(tái)以計(jì)算機(jī)為硬件支撐的數(shù)字式智能化測(cè)試儀器；另一種是研究虛擬制造中的虛擬測(cè)量，如虛擬量塊、虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等。?


(5)智能機(jī)構(gòu)?
智能機(jī)構(gòu)屬于結(jié)構(gòu)檢測(cè)與故障診斷，是融合智能技術(shù)、傳感技術(shù)、信息技術(shù)、仿生技術(shù)、材料科學(xué)等的一門交叉學(xué)科，使監(jiān)測(cè)的概念過(guò)渡到在線、動(dòng)態(tài)、主動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。?

4.測(cè)量尺度上繼續(xù)向兩個(gè)極端發(fā)展

所謂兩個(gè)極端是指相對(duì)于現(xiàn)在測(cè)量尺寸的大尺寸和小尺寸。對(duì)通常尺寸的測(cè)量可采用多種測(cè)試方法。而近年來(lái)，由于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和迫切需要，使得在很多方面的生產(chǎn)和工程中，測(cè)試的要求超過(guò)了我們所能測(cè)試的范圍。如飛機(jī)外形的測(cè)量、大型機(jī)械關(guān)鍵部件的測(cè)量、高層建筑電梯導(dǎo)軌的準(zhǔn)直測(cè)量、油罐車的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)等，均要求能進(jìn)行大尺寸測(cè)量；微電子技術(shù)、生物技術(shù)的快速發(fā)展，探索物質(zhì)微觀世界的需求，測(cè)量精度的不斷提高，又要求進(jìn)行微米、納米測(cè)試。?

(1)大尺寸的測(cè)量方法?
如工程大地測(cè)量方法是一種新的測(cè)量方法，它是指將大地測(cè)量的某些原理和方法移植和改進(jìn)到機(jī)械工程的測(cè)量中。另外，還有其它一些測(cè)量大尺寸的方法，如激光跟蹤干涉三維尺寸測(cè)量系統(tǒng)。?

(2)納米測(cè)試技術(shù)?
從生產(chǎn)制造的趨勢(shì)來(lái)看，每十年要求容許誤差降低1/3，因此要求測(cè)量具有越來(lái)越高的精度，并可溯源到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO)。當(dāng)然，納米測(cè)量也各種各樣，有光干涉測(cè)量?jī)x、量子干涉儀、電容測(cè)微儀、X射線干涉儀、頻率跟蹤式法珀標(biāo)準(zhǔn)具、掃描電子顯微鏡(SEM)、分子測(cè)量機(jī)M3(Molecular Measuring Machine)、掃描隧道顯微鏡(STM)及原子力顯微鏡等。?

5.實(shí)現(xiàn)各種溯源的要求?

(1)自標(biāo)定、自校準(zhǔn)?
高精度的測(cè)量要求高精度的溯源，很多情況下難以找到滿足精度要求的儀器，其重要的原因是溯源制約著測(cè)量精度的發(fā)展，在某些情況下則可利用測(cè)量?jī)x器的自標(biāo)定和虛擬測(cè)量方法解決溯源問(wèn)題。?

(2)現(xiàn)場(chǎng)直接標(biāo)定?
越來(lái)越多的測(cè)量?jī)x器現(xiàn)在要求直接標(biāo)定，而且很多還是三維的空間標(biāo)定，因此發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定技術(shù)和儀器是這些標(biāo)定的關(guān)鍵。?

(3)納米溯源?
納米測(cè)試的溯源也是一重要問(wèn)題。國(guó)外已經(jīng)報(bào)道美國(guó)NST、德國(guó)PTB、日本NRLM研究發(fā)現(xiàn)硅(2 2 0)晶體的晶面間距尺寸在恒溫下具有很好的穩(wěn)定性，可以用來(lái)建立納米溯源基準(zhǔn)。