先进测试技术及发展趋势

先进测试技术及其发展趋势摘要:先进测试技术与仪器对于现代制造系统的发展具有重要支撑作用。在分析现代制造系统与先进测试技术同步发展特征的基础上，探讨现代制造系统与先进测试技术相互关系和协同发展的问题。针对先进测试技术的研究要紧紧围绕现代制造业的发展需要，分析论述了先进测试技术领域的一些值得关注、重点研究和应用的技术发展方向。关键词：现代制造系统先进测试技术发展趋势1绪论制造业进入21世纪以来，面临着如何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，提高企业对市场需求的应变能力和综合竞争能力的问题。用信息技术来提升、改造我国的传统制造业，实施制造业信息化工程，推动制造企业实施数字化设计与制造集成，是机械制造业面临的一项紧迫任务。制造业信息化工程实施对先进测试技术的需要更为迫切。因此，采用先进信息化数字测试技术和产品来迅速提升机械制造业水平，是当前一个重要的发展方向。作为现代制造系统运行质量保证体系中数据信息的获取、分析和评定环节，先进测试技术和精密量具量仪是现代加工技术与装备的眼睛，成为现代制造系统不可或缺的重要组成部分。目前，先进检测技术有机集成到机械学科和先进制造中，为现代制造系统提供高效率、高精度和高质量的保证。该文针对当前制造业信息化工程技术、高档数控加工等现代制造系统应用的实际情况，分析论述现代制造技术与先进测试技术的协同发展的问题。通过讨论先进测试技术现状、需求与特征，分析论述了现代制造系统中的精密测试、在线检测、数字化测试、计算机视觉测试、三坐标测试机等技术和应用发展概况，目的是围绕现代制造业的发展需要，提出了先进测试技术领域的一些值得关注和重点研究的问题。2现代制造与先进测试技术现代制造系统是在吸收和发展机械、电子、信息、材料、能源及现代管理技术成果的基础上，综合应用于产品设计、制造、检验、管理、服务等产品生命周期的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产模式，取得理想的技术和经济效果的综合化系统，也可以说现代制造系统就是一种信息系统。先进测试技术是对被测对象的参量进行测量，将测量信息进行采集、变换、存储、传输、显示和控制的技术，是能大量储存和快速处理信息的计算机技术和传输信息的通信技术的综合。现代制造技术在向精密化、极端化、集成化、智能化、网络化、数字化、虚拟化方向的发展过程中，促进了相应的先进测试技术的发展。同时，现代制造技术快速进步引发了许多新型测试问题，并将推进传感器、测试技术、测试仪器系统与现代制造系统的协同发展，相互支持，构建集成一体化的现代制造集成系统(CIMS)。3先进测试技术现状、需求与特征现代制造企业需要强化具有自主创新技术的产品开发能力和制造能力，为了适应这种发展的需要，促进了先进制造技术发展和应用，同时也引发了许多面向现代制造的新型测试技术问题，推动着传感器、测试计量仪器的研究与发展，促使测试技术中的新原理、新技术、新装置系统不断出现。国内外许多著名量仪量具制造厂商在近年来CIMT(ChinaInternationalMachineToolShow)展览会上展示了他们所取得的部分科研成果，所展现的现代测试技术发展趋势和面向市场与用户、服务于加工制造现场、测试与加工制造过程融合集成的新动向，值得高度重视和密切关注。在制造企业中，用于制造过程中测试计量的费用往往占生产设备和产品成本的很大比例。根据美国、日本等工业发达国家的统计资料，在汽车制造行业，用于测试仪器及测试计量的费用约占产品成本的10%，在微电子制造行业高达25%。随着制造业数控加工机床等先进装备快速发展和应用，测试计量仪器设备在生产设备中所占的比重越来越大，重要性更为突出。我国正在实施的科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”是根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》的要求设立，目标是围绕航空航天、船舶、发电设备、汽车、电子及通信设备等制造业的迫切需要，提升装备制造业的自主创新能力和核心竞争力。机械产品的加工精度和制造质量直接受测试计量水平的制约，甚至所要求的精度要靠其来保证。对加工精度和质量要求的不断提高都转换为对高精度测试技术的要求。在超精密切削中，超精密机床和超精密测试技术都对加工精度和表面质量有重要影响。网络制造过程中，互换性要求很高。因此，现代制造对测试技术不断提出在尺度、精度、环境、方式等方面的新要求。总之，现代制造技术的快速进步引发了许多新型计测问题，推动着传感器、测试计量仪器的研究与发展，促使测试技术中的新原理、新技术、新装置系统不断出现。随着现代制造技术的应用发展，测试计量技术面临着新的挑战，呈现出一些新的特点。（1）精密测试与极端测试需求不断增加。20世纪50~90年代，一般机械加工精确度由0.1mm量级提高到0.001mm量级，相应的几何量测量精确度从1um提高到0.01一0.001um。大型发电设备、航空航天机械系统等产品的发展，导致从微观到宏观的尺寸测量范围不断扩大，目前从微观到宏观的尺寸测量范围已达达到40个数量级。极端测试还表现在测量对象复杂化、测试条件极端化。在现代制造系统中，部分测量问题出现测量对象复杂化、测试条件极端化的趋势。如需要测量整个机械系统或装置，参数多且定义复杂；或需要在高温、高压、高速、高危场合进行测量，使得测试条件极端化。（2）在线测试与机电系统的集成化。要求测试技术从传统的非现场、事后测试，进入制造现场，参与到制造过程，实现现场在线测试，促进现代制造系统的集成化与智能化，为制造业信息化工程的推进、实施现代集成制造系统奠定技术基础。（3）测试系统的网络化与智能化。当测试仪器系统进一步实现了网络化以后，仪器资源将得到很大的延伸，其性能价格比将获更大的提高，机械工程测试领域将出现一个更加蓬勃发展的新局面。（4）测试信息的集成与多信息融合。传统机械系统和制造中的测试问题，主要面对几何量的测试，涉及的测量信息种类比较单一。当前复杂机电系统功能扩大，精确度提高，系统性能涉及多种参数，测试问题已不局限于几何量，往往包含多种类型被测量、如力学性能参数、功能参数等。测量信息种类多、信息量大是现代制造系统的重要特征，信息的可靠、快速传输和高效管理以及如何消除各种被测量之间的相互干扰，从中挖掘多个信息融合后的目标信息将形成一个新的研究领域，即多信息的集成与融合。（5）虚拟测试与虚拟仪器。虚拟测试技术是面向虚拟制造的测试技术，虚拟测试系统使产品从虚拟设计开始就处于系统中，在相应的虚拟测试系统中，进行切削加工过程仿真、特种加工过程仿真、制造过程仿真和装配仿真，并虚拟测试有关的应力、变形、温度、形状、尺寸等，为零件虚拟加工提供足够充分的信息。4面向现代制造的先进测试技术及其进展在机械产品制造过程中，几何尺寸与形位测量已从简单的一维、二维坐标或形体发展到复杂的三维物体测量，从物体的整体性宏观发展到局部性微观。当前传感、测试计量和计测仪器在现代机械制造过程中的作用和重要性较之过去有明显提高，现代加工的设计理念、制造技术、测试方法已从传统的非现场、事后测试进入制造现场，涉及到整个制造过程，实现现场的在线测试与控制，同时还需要参与到企业的信息化系统中。为此，本节重点对部分有代表性的先进测试技术、仪器系统以及应用发展情况进行分析综述。4.1精密测试技术及其应用发展目前，普通机械加工的加工误差从过去的mm级向um级发展，精密加工则从10um级向um级发展，超精密加工正在向nm级发展。精密测试技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科，它与精密加工技术相辅相成，要求测量误差比加工误差高一个数量级，精密测试技术需要与精密加工技术的发展保持同步。目前研究与开发工作主要体现在如下方面:（1）在实施“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项中，需要针对高速数控机床、精密数控机床或重型数控机床的需要，开展综合误差补偿技术研究，形成机床运行误差的在线检测、预测及软硬件补偿的技术，在高速、重型、精密类数控机床中应用并显著提高其工作精度。（2）高性能激光测试系统，重点是双频激光干涉仪，此种仪器测量准确度高，测量范围大，常用于超精密机床作位置测量和位置控制测量反馈元件设备。目前，需要开发测量线值、直线度、平面度、角值等性能指标参数的高性能激光测量系统，重点研究双纵模稳频、光强漂移及测量光束损耗的补偿等技术，研制以激光干涉为基础的数控转台测量仪、以激光差动干涉原理的数控机床插补误差测量仪。（3）近年来在超精密测试中比较常用的测试技术与仪器有扫描显微测量、nm测量的扫描X射线干涉等技术。扫描显微测量方法主要用于测量表面的微观形貌和尺寸，用极小的探针对被测表面进行扫描测出表面的三维微观立体形貌。X射线干涉显微测量技术是近年来新发展的nm测量技术，是一种测量范围大，较易实现的nm级测量方法。（4）精密测试仪器进入生产现场已成为先进制造系统的一个重要标志，精密与超精密测试技术及误差补偿技术、加工测试一体化成为研究重点和热点问题，精密与超精密测试仪正向高分辨力、高准确度和高可靠性的方向发展。4.2制造现场在线检测与数字化测试技术数字化测试技术是数字化制造技术的一个重要的、不可或缺的组成部分。将测试技术和仪器集成于高档数控机床或先进的制造生产线中，可使复杂精密数控切削加工机床的在线测试实现对复杂、高精度型面轮廓工件加工质量的实时检测与监控。目前技术研究和集成应用体现在以下方面:（1）数控机床在线检测技术。数控加工是现代制造技术的基础。每当一批零件开始加工时，有大量的检测需要完成。在线检测技术的发展为数控加工过程的质量检测提供了一套行之有效的方法，逐渐取代了传统的手工测试和离线测试，促进加工测试一体化的发展。（2）测试仪器与制造系统的集成。将现代测试技术及仪器融合、集成于现代制造系统，从而构建成完备的闭环制造系统，为“零废品”制造奠定了基础。例如，格里森公司及克林格贝尔公司开发圆柱齿轮/锥齿轮闭环制造系统中，采用先进的齿轮测量中心及相应的齿轮测量软件，与CNC齿轮加工机床相连，实现了圆柱齿轮、弧锥齿轮的CAD/CAM/CAI的闭环制造。（3）三维形貌测试技术。这是一类重要的几何量测试技术方法，在模具、逆向工程、质量控制等方面有着广泛应用。形貌测量已经过多年发展，形成了很多应用技术和系统。当前，形貌测量的研究方向是:现场测试并且要使用简便;精度高、速度快;量程扩大，向微纳和超大尺寸两端延伸。（4）机器人测试技术。机器人是一类具备全部自由度、运动形式灵活、高度柔性的自动化设备。近些年来，机器人技术发展迅速，控制性能、重复定位精度和可靠性都有很大程度提高。目前，工业机器人能够实现0.04mm的重复定位精度，为机器人用于测量提供了精度保证。以机器人为运动平台，结合精密测量原理的在线精密测量设备，具有高度柔性和灵活的应用形式，展现出良好的应用前景。4.3计算机视觉测试技术基于计算机视觉的测试技术是一种将计算机视觉、图像处理和测试技术相结合的光学测试方法，原理上具有非接触、可实时在线、精度高、信息量丰富等优点。与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、模具等三维面形的快速测量、大型工件同轴度测量、共面性测量等。视觉检测技术在目前被认为是实现在线精密测试的一种最有效手段，可以理想地解决多尺寸在线测试问题，通过对生产线中每个加工环节的加工状态、加工产品的每个零部件进行实时检测，提供制造过程生产线状态和产品质量的完整信息。视觉测试技术在国外发展很快，早在20世纪80年代，美国国家标准局就预计检测任务的90%将由视觉测试系统来完成。目前，国内外利用视觉检测技术研制的仪器与系统已较为普遍，如高速高精度数字化扫描系统、非接触式光学三坐标测量机等先进仪器。基于计算机视觉测试系统结构。在需要的环境光照条件下，成像设备(CCD、摄像机、图像采集卡等)把被测对象三维场景的图像采集到计算机内部，应用图像处理技术对采集到的原始图像进行预处理，通过边缘提取和亚像素技术得到所测对象的亚像素级边缘，从图像中提