21世纪精密测试技术发展趋势

上世纪90年代以来，如何以最短的时间开发出高质量、高性能价格比、容易被用户接受的新产品已成为市场竞争的焦点。有人预测，当前制造技术的发展目标是：强化具有自主创新技术的产品开发能力和制造能力，增强企业间的合作能力，缩短产品上市时间，提高产品质量和生产效率，进而提高企业对市场需求的应变能力和综合竞争能力。因此先进制造技术的发展日新月异，继计算机集成制造技术之后，又出现了并行工程、精益制造、智能制造、敏捷制造、快速原形制造等。如美国在90年代实现了“三个三”，即产品生命周期三年；试制周期三个月；设计周期三周。未来制造业发展的主要趋势是向精密化、柔性化、智能化、集成化、全球化、网络化、虚拟化的方向发展。精密测试技术就要适应这种发展，它在机械学科中的作用是：为先进制造业服务，担负起质量技术保证的重任。首先要以提高产品质量和要达到的最重要的目标为基本出发点，要将精密测试贯穿产品制造的整个过程。其次精密测试技术要有利于生产效率的提高，至少不能妨碍生产速度，因此检测方法要能适应快速发展的生产要求，不能单纯为了检测而检测，更不能因为检测的要求而影响生产的效益。从更积极的角度出发，应该是由于精密测试技术的正确服务和保证促进了生产能力的提高。?
根据先进制造技术发展的要求，精密测试技术本着其自身的发展规律，不断拓展着新的测量原理、测试方法和测试信息处理技术，就机械学科而言，预计将向以下几个方面发展。

1.零废品生产中的测量控制

在机械制造业中，质量保证的理想目标是实行生产的零废品制造，在实现这个目标的过程中，精密测试技术的作用和重要意义是不言而喻的。零部件的加工质量、整机的装配质量都与加工设备、测试设备以及测试信息的分析处理有关，因此实现零废品生产，从精密测试的角度出发，应考虑以下几个方面的问题：?

(1)在加工工件前，事先检测机床。如何快速准确地对加工设备进行校检，获得机床的精度状况，这对大幅度减少返工，甚至排除返工是非常有益的。当然这里包括检测设备的研究，国外已在这方面做了研究开发。

(2)生产过程中对工件进行在线测量或其它形式的100%检测，这就需要研究适合于动态或准动态的测试设备，甚至能集成到加工设备中的特殊测试设备，做到进行实时测试。根据测试结果不断修改工艺参数，对加工设备进行补充调整或反馈控制。从精度理论方面也相应要研究动态精度理论，包括动态精度的评述等。?


(3)应研究如何充分利用测量信息来实现零废品生产。通过对100%在线测量数据的充分利用，从中分析加工和测量过程中误差分布的动态特性，同时根据加工误差的动态特性和传感器的精度损失特性以及产品质量要求和公差规定，给出零废品制造的基本理论模型。充分利用人工神经网络、遗传算法等现代数学方法进行准确的加工质量预测，做到质量超前控制。

2.视觉测试技术

非接触测试技术有很多，特别值得一提的是视觉测试技术。现代视觉理论和技术的发展，不仅在于模拟人眼所完成的功能，更重要的是它能完成人眼所不能胜任的工作，所以视觉测试技术作为当今最新技术，在电子、光学和计算机等技术不断成熟和完善的基础上得到了突飞猛进的发展。视觉测试技术是建立在计算机视觉研究基础上的一门新兴测试技术，它和计算机视觉研究的视觉模式识别、视觉理解等内容不同，视觉测试技术重点研究物体的几何尺寸及物体的位置测量，如轿车白车身三维尺寸的测量，模具等三维型面的快速测量，大型工件同轴度测量，BGA芯片焊点共面性测量等。它可以广泛用于在线测量、逆向工程等主动、实时测量过程等。视觉测试技术在国外发展很快，早在80年代美国国家标准局就预计，工程检测任务的90%将由视觉测试系统来完成。从目前来看，美国已有100多家公司跻身于视觉测试系统的经营市场，可见视觉测试系统确实很有前途。在1999年10月的北京国际机床博览会上已见到国外利用视觉检测技术研制的仪器，如流动式光学三坐标测量机、高速高精度数字化扫描系统和非接触式光学三坐标测量机等先进仪器。?

3.测量方式上向多样化发展

(1)多传感融合技术在制造现场中的应用?
多传感器融合是解决测量过程中的测量信息获取的方法，它可以提高测量信息的准确性。由于多传感器是以不同的方法或从不同的角度获取信息，因此可以通过它们之间的信息融合去伪存真，提高测量精度。?

(2)积木式、组合式测量方法?
白车身三维尺寸测试系统就属于这类测量方法，也可称它是柔性很好的专用坐标测量机，关键在于系统的建立。?

(3)便携式测量仪器?
如便携式光纤干涉测量仪，便携式大量程三维测量系统等，往往都是用于解决现场大尺寸的测量问题。?

(4)虚拟仪器?
虚拟仪器是虚拟现实技术在精密测试领域的应用，国内已有深入的研究：一种是将多种数字化的测试仪器虚拟成一台以计算机为硬件支撑的数字式智能化测试仪器；另一种是研究虚拟制造中的虚拟测量，如虚拟量块、虚拟坐标测量机等。?


(5)智能机构?
智能机构属于结构检测与故障诊断，是融合智能技术、传感技术、信息技术、仿生技术、材料科学等的一门交叉学科，使监测的概念过渡到在线、动态、主动的实时监测与控制。?

4.测量尺度上继续向两个极端发展

所谓两个极端是指相对于现在测量尺寸的大尺寸和小尺寸。对通常尺寸的测量可采用多种测试方法。而近年来，由于国民经济的快速发展和迫切需要，使得在很多方面的生产和工程中，测试的要求超过了我们所能测试的范围。如飞机外形的测量、大型机械关键部件的测量、高层建筑电梯导轨的准直测量、油罐车的现场校准等，均要求能进行大尺寸测量；微电子技术、生物技术的快速发展，探索物质微观世界的需求，测量精度的不断提高，又要求进行微米、纳米测试。?

(1)大尺寸的测量方法?
如工程大地测量方法是一种新的测量方法，它是指将大地测量的某些原理和方法移植和改进到机械工程的测量中。另外，还有其它一些测量大尺寸的方法，如激光跟踪干涉三维尺寸测量系统。?

(2)纳米测试技术?
从生产制造的趋势来看，每十年要求容许误差降低1/3，因此要求测量具有越来越高的精度，并可溯源到国际标准(ISO)。当然，纳米测量也各种各样，有光干涉测量仪、量子干涉仪、电容测微仪、X射线干涉仪、频率跟踪式法珀标准具、扫描电子显微镜(SEM)、分子测量机M3(Molecular Measuring Machine)、扫描隧道显微镜(STM)及原子力显微镜等。?

5.实现各种溯源的要求?

(1)自标定、自校准?
高精度的测量要求高精度的溯源，很多情况下难以找到满足精度要求的仪器，其重要的原因是溯源制约着测量精度的发展，在某些情况下则可利用测量仪器的自标定和虚拟测量方法解决溯源问题。?

(2)现场直接标定?
越来越多的测量仪器现在要求直接标定，而且很多还是三维的空间标定，因此发展现场标定技术和仪器是这些标定的关键。?

(3)纳米溯源?
纳米测试的溯源也是一重要问题。国外已经报道美国NST、德国PTB、日本NRLM研究发现硅(2 2 0)晶体的晶面间距尺寸在恒温下具有很好的稳定性，可以用来建立纳米溯源基准。