计量性与未来制造业

航空工业北京长城计量测试技术研究所计量与校准技术重点实验室 梁志国 周自力 熊昌友

1 概述

关于未来，一直都是未来学有关的事情，而关于未来工业的发展，在当今世界上却变成了现实规划与行动。率先提出这一概念的是面向未来的德国工业4.0,它希望通过信息通讯手段，借助网络空间和实际的信息物理系统相结合的技术方式，将制造业向智能化方向转型。被誉为引领未来的第四次工业革命。

人们将其称为继第一次工业革命、第二次工业革命、第三次科技革命之后的第四次工业革命，由于它被认为是信息革命和工业革命的融合，也被称为最后一次工业革命。

此后，各国纷纷推出自己的面向未来的工业发展战略，比较著名的有“英国工业2050战略”、“日本科技工业联盟”、“美国先进制造业国家战略计划”,以及“中国制造2025”。

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计量性设计

4.1设计原则

文献已经给出了计量性设计的定义，可以认为，计量性设计的实质是量值保障方式的技术设计。实际上，任何产品中，可定量表征的量值特性均应该能够通过计量校准手段进行校准和溯源。计量性设计的原则包括以下几点。

1)表征产品质量特性的全部量值的计量校准在物理上和工程上均可实现；包括响应特性可激励和记录，固有特性可测量与评估。必要情况下，每一项参数量值均可单独或与其它参量联合计量校准。

2)计量性设计的理念是在量值能够保证的前提下,将计量校准的工作量降为最小；即同时体现计量校准的充分性和必要性。

这包括对实际产品使用性能无影响的量值参数可以免除校准；已经被其它技术手段确保的量值参数可以不进行额外的计量校准；在使用过程中基本没有变化或变化可以忽略的量值参数可以只进行首次校准,后续不必进行额外校准。所有判断均应有实验验证作为支撑。

最理想的情况是不用进行计量校准就能确保量值在要求范围之内。有人将其称为不需要计量校准，实际上是计量校准行为已经渗透到产品的生产和使用过程中成为产品本身的一部分，与产品无法分离与割裂。而不是不再需要计量校准工作。

3)计量性设计需要兼顾效率、成本、可行性、实用性。

4.2阶段目标

尽管每一个产品，在不同阶段、不同环节，使用不同的手段，都可以进行涉及其性能和质量的量值保证，但是，其量值保证难度、成本、效率可能具有巨大差异。

因而，产品的计量性设计，从内容上看，主要包括制造过程中的量值保证的最优化设计以及使用过程中量值溯源的最优化设计两部分工作。本意都是用最少的外部计量资源，进行最全面的量值保证。从时机上看，应当从产品概念形成阶段即予以考虑，在产品的技术设计论证阶段，同时要考虑其全寿命周期的计量性设计问题，包括方法与技术可行性、经济成本可行性、时间成本可行性、使用要求可行性、人员要求可行性、操作过程的简捷性等等。否则，一旦未考虑计量性设计的产品设计完毕，很多性能指标可能不再具有被计量的可能性，因而也就丧失了计量性，导致这部分性能指标在后续的产品寿命过程中无法进行计量保障。尽管能够从技术上执行计量保障，但时间成本、经济成本、人员素质要求等，都会导致不具有的可行性。

1)计量性设计在产品论证阶段的作用是提出产品的核心指标的计量性要求。该要求主要体现出产品使用维护阶段计量校准的充分性和必要性。

2)计量性设计在产品设计阶段的作用是提出后期使用过程中产品的核心指标的计量保证技术方案。该要求主要体现出产品使用维护阶段计量校准的充分性、必要性、经济性、可行性。

3)计量性设计在产品工程研制阶段的作用是产品计量保证设计方案在工程上的实施、优化和调整，以确保其有效性与可行性。

4)计量性设计在产品试验阶段的作用是确定后期使用维护过程中的计量保障参量具有充分性和必要性,并对计量保障方式进行迭代优化，寻找出最佳计量保证方式。

产品在试验阶段的计量性设计，即是以完全的使用条件模拟的方式，对各种可能的恶劣环境及使用条件下，产品的全部性能参量的最优计量溯源方式与方法的探索与寻优。最终，迭代提炼出最简单、经济、高效的方式方法，对涉及到产品计量特性的量值稳定性要求予以确保。经过该阶段的计量性试验后，将对于产品的全部性能参量进行分类，分别确定出：

① 对使用性能和功能没有影响的质量型参量；

② 最稳定。只需要制造加工即能够保证要求，无需后续计量校准即可以确保的参量；

③ 条件稳定。只要在规定的环境条件下使用、便无需后续计量校准即可确保的参量；

④ 需要在后续使用中进行周期性计量校准才可以确保的量值。

并将试验阶段获得的结论和提炼出的方法，推广应用到后续产品的使用维护过程中。并且将使用过程中的计量性设计目标、方案和流程，主要针对最后一种类别的量值的计量校准中。

5)计量性设计在生产阶段的作用，是保证生产出合格产品。其主要是通过量值控制手段保障产品的质量特性，特别是包含使用性能的计量特性。

在产品出厂以前的生产制造阶段，最佳的计量性设计方案，是以最为简捷高效的方式方法，进行制造过程中的量值过程控制，并在线溯源。使得生产出来的产品无需再进行计量检验就能保证全部符合预计的设计要求，即始终在生产出合格的产品。

产品在生产阶段的计量性设计，即是以最简单、经济、高效的方式，对涉及到产品质量的量值控制要求予以确保。包括产品与工件的数字化模型描述与处理，各种加工条件量值和环境条件量值的在线监测与控制，机床加工的自动化控制及在线溯源等等。经过该阶段的计量性设计，理想情况下，可以将计量溯源和量值质量控制等完全融人生产制造过程，与生产制造融为一体，将使得生产出来的产品无需再进行检验和计量校准就能确保质量合格，从而为高效率、全自动化的智能生产创造基础。

6)计量性设计在使用阶段的作用是保障产品的实用性能参量在规定的范围内，以便能发挥出最佳效能。其主要是通过量值确定与判定，确保产品的主要技术指标和计量特性在规定的范围内。

在产品投入使用后的应用阶段，最佳的计量性设计方案是以最为简捷高效的方式方法进行特征量值的自动化校准，即保证产品的易变性能一直在规定范围内。

产品在使用阶段的计量性设计，即是在完全的使用条件下，以最简单、经济、高效的方式（最好是全自动化方式），对涉及到产品使用性能的重要计量特性的量值要求予以确保和溯源。从完备性方面讲，需要对涉及到产品使用性能指标的全部计量特性均能进行计量校准，但是，其主要关注目标是那些在使用过程中必须进行计量校准才能确保的量值。如上述试验阶段提到的第③类量值。最理想的产品设计方案是无需使用产品中的外在计量校准也能始终保持其使用功能和性能，显然，要达到该目标，并非不需要计量校准，而是需要使用嵌入式计量方式、量子化计量标准、远程计量校准等方式进行量值保证，只是不需要额外的人工计量校准而已。

4.3共性要求

通常，产品全寿命过程划分为：①产品论证阶段;②方案设计阶段；③工程研制阶段；④试验定型阶段;⑤生产阶段；⑥使用阶段；⑦报废阶段。共7 个阶段。

产品全寿命计量保障涉及的部门和单位，包括与产品全寿命计量工作负有相关责任的管理部门，以及:①产品论证部门；②承研承制单位；③试验单位；④使用单位；⑤采购部门；⑥计量保障单位；⑦维修保障单位等。共7 个部门和单位。

产品的计量性设计是分阶段的，在其全寿命周期的每一阶段均有其不同的目标要求，其共性要素要求主要包含以下几点。

1) 产品的计量描述；

2) 产品全量值的溯源链构建；

3) 产品全量值的计量完整性；

4 )产品计量的标准器具；

5 )产品与计量标准器的交互连接；

6) 产品不同量值的时序与同步；

7) 产品的溯源方式；

8) 产品量值的校准方式；

9) 产品的溯源形式；

10)产品的溯源时间；

11)产品计量的人员要求；

12)产品计量的校准环境；

13)产品计量的校准法规；

14)产品的计量保障性分析。

完整的考虑了上述要素的计量性设计，将使得生产制造的产品质量有最可靠的定量保证，并且在后续使用过程中，其量值性能的计量保障实施过程能够高效顺利完成。