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21世紀精密測試技術發(fā)展趨勢

上世紀90年代以來，如何以最短的時間開發(fā)出高質(zhì)量、高性能價格比、容易被用戶接受的新產(chǎn)品已成為市場競爭的焦點。有人預測，當前制造技術的發(fā)展目標是：強化具有自主創(chuàng)新技術的產(chǎn)品開發(fā)能力和制造能力，增強企業(yè)間的合作能力，縮短產(chǎn)品上市時間，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，進而提高企業(yè)對市場需求的應變能力和綜合競爭能力。因此先進制造技術的發(fā)展日新月異，繼計算機集成制造技術之后，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。如美國在90年代實現(xiàn)了“三個三”，即產(chǎn)品生命周期三年；試制周期三個月；設計周期三周。未來制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢是向精密化、柔性化、智能化、集成化、全球化、網(wǎng)絡化、虛擬化的方向發(fā)展。精密測試技術就要適應這種發(fā)展，它在機械學科中的作用是：為先進制造業(yè)服務，擔負起質(zhì)量技術保證的重任。首先要以提高產(chǎn)品質(zhì)量和要達到的最重要的目標為基本出發(fā)點，要將精密測試貫穿產(chǎn)品制造的整個過程。其次精密測試技術要有利于生產(chǎn)效率的提高，至少不能妨礙生產(chǎn)速度，因此檢測方法要能適應快速發(fā)展的生產(chǎn)要求，不能單純?yōu)榱藱z測而檢測，更不能因為檢測的要求而影響生產(chǎn)的效益。從更積極的角度出發(fā)，應該是由于精密測試技術的正確服務和保證促進了生產(chǎn)能力的提高。?
根據(jù)先進制造技術發(fā)展的要求，精密測試技術本著其自身的發(fā)展規(guī)律，不斷拓展著新的測量原理、測試方法和測試信息處理技術，就機械學科而言，預計將向以下幾個方面發(fā)展。

1.零廢品生產(chǎn)中的測量控制

在機械制造業(yè)中，質(zhì)量保證的理想目標是實行生產(chǎn)的零廢品制造，在實現(xiàn)這個目標的過程中，精密測試技術的作用和重要意義是不言而喻的。零部件的加工質(zhì)量、整機的裝配質(zhì)量都與加工設備、測試設備以及測試信息的分析處理有關，因此實現(xiàn)零廢品生產(chǎn)，從精密測試的角度出發(fā)，應考慮以下幾個方面的問題：?

(1)在加工工件前，事先檢測機床。如何快速準確地對加工設備進行校檢，獲得機床的精度狀況，這對大幅度減少返工，甚至排除返工是非常有益的。當然這里包括檢測設備的研究，國外已在這方面做了研究開發(fā)。

(2)生產(chǎn)過程中對工件進行在線測量或其它形式的100%檢測，這就需要研究適合于動態(tài)或準動態(tài)的測試設備，甚至能集成到加工設備中的特殊測試設備，做到進行實時測試。根據(jù)測試結(jié)果不斷修改工藝參數(shù)，對加工設備進行補充調(diào)整或反饋控制。從精度理論方面也相應要研究動態(tài)精度理論，包括動態(tài)精度的評述等。?


(3)應研究如何充分利用測量信息來實現(xiàn)零廢品生產(chǎn)。通過對100%在線測量數(shù)據(jù)的充分利用，從中分析加工和測量過程中誤差分布的動態(tài)特性，同時根據(jù)加工誤差的動態(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、遺傳算法等現(xiàn)代數(shù)學方法進行準確的加工質(zhì)量預測，做到質(zhì)量超前控制。

2.視覺測試技術

非接觸測試技術有很多，特別值得一提的是視覺測試技術?，F(xiàn)代視覺理論和技術的發(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，所以視覺測試技術作為當今最新技術，在電子、光學和計算機等技術不斷成熟和完善的基礎上得到了突飛猛進的發(fā)展。視覺測試技術是建立在計算機視覺研究基礎上的一門新興測試技術，它和計算機視覺研究的視覺模式識別、視覺理解等內(nèi)容不同，視覺測試技術重點研究物體的幾何尺寸及物體的位置測量，如轎車白車身三維尺寸的測量，模具等三維型面的快速測量，大型工件同軸度測量，BGA芯片焊點共面性測量等。它可以廣泛用于在線測量、逆向工程等主動、實時測量過程等。視覺測試技術在國外發(fā)展很快，早在80年代美國國家標準局就預計，工程檢測任務的90%將由視覺測試系統(tǒng)來完成。從目前來看，美國已有100多家公司躋身于視覺測試系統(tǒng)的經(jīng)營市場，可見視覺測試系統(tǒng)確實很有前途。在1999年10月的北京國際機床博覽會上已見到國外利用視覺檢測技術研制的儀器，如流動式光學三坐標測量機、高速高精度數(shù)字化掃描系統(tǒng)和非接觸式光學三坐標測量機等先進儀器。?

3.測量方式上向多樣化發(fā)展

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

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

(3)便攜式測量儀器?
如便攜式光纖干涉測量儀，便攜式大量程三維測量系統(tǒng)等，往往都是用于解決現(xiàn)場大尺寸的測量問題。?

(4)虛擬儀器?
虛擬儀器是虛擬現(xiàn)實技術在精密測試領域的應用，國內(nèi)已有深入的研究：一種是將多種數(shù)字化的測試儀器虛擬成一臺以計算機為硬件支撐的數(shù)字式智能化測試儀器；另一種是研究虛擬制造中的虛擬測量，如虛擬量塊、虛擬坐標測量機等。?


(5)智能機構(gòu)?
智能機構(gòu)屬于結(jié)構(gòu)檢測與故障診斷，是融合智能技術、傳感技術、信息技術、仿生技術、材料科學等的一門交叉學科，使監(jiān)測的概念過渡到在線、動態(tài)、主動的實時監(jiān)測與控制。?

4.測量尺度上繼續(xù)向兩個極端發(fā)展

所謂兩個極端是指相對于現(xiàn)在測量尺寸的大尺寸和小尺寸。對通常尺寸的測量可采用多種測試方法。而近年來，由于國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和迫切需要，使得在很多方面的生產(chǎn)和工程中，測試的要求超過了我們所能測試的范圍。如飛機外形的測量、大型機械關鍵部件的測量、高層建筑電梯導軌的準直測量、油罐車的現(xiàn)場校準等，均要求能進行大尺寸測量；微電子技術、生物技術的快速發(fā)展，探索物質(zhì)微觀世界的需求，測量精度的不斷提高，又要求進行微米、納米測試。?

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

(2)納米測試技術?
從生產(chǎn)制造的趨勢來看，每十年要求容許誤差降低1/3，因此要求測量具有越來越高的精度，并可溯源到國際標準(ISO)。當然，納米測量也各種各樣，有光干涉測量儀、量子干涉儀、電容測微儀、X射線干涉儀、頻率跟蹤式法珀標準具、掃描電子顯微鏡(SEM)、分子測量機M3(Molecular Measuring Machine)、掃描隧道顯微鏡(STM)及原子力顯微鏡等。?

5.實現(xiàn)各種溯源的要求?

(1)自標定、自校準?
高精度的測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量精度的發(fā)展，在某些情況下則可利用測量儀器的自標定和虛擬測量方法解決溯源問題。?

(2)現(xiàn)場直接標定?
越來越多的測量儀器現(xiàn)在要求直接標定，而且很多還是三維的空間標定，因此發(fā)展現(xiàn)場標定技術和儀器是這些標定的關鍵。?

(3)納米溯源?
納米測試的溯源也是一重要問題。國外已經(jīng)報道美國NST、德國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，可以用來建立納米溯源基準。