超精密測量對高端裝備制造的意義

高端裝備雄踞制造業(yè)技術(shù)鏈和價值鏈的頂端，其最本質(zhì)的特征是高質(zhì)量，包括高性能、高穩(wěn)定性和高可靠性。中國裝備制造要實(shí)現(xiàn)突破，首先要解決制造質(zhì)量問題，其關(guān)鍵是能否建立起堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)支撐能力，而核心關(guān)鍵是能否首先建立起超精密測量能力。沒有超精密測量，就不會有高質(zhì)量的高端裝備制造。我國需要加速實(shí)施“測量三能力”建設(shè)，即補(bǔ)齊精密測量能力，追平超精密測量能力，突破和掌握基于“完整精度”的測量能力。在這個意義上，制造與測量兩種能力無法分家，必須實(shí)現(xiàn)制造測量一體化，形成有效的精度調(diào)控能力。只有構(gòu)建起系統(tǒng)的精度調(diào)控能力，中國裝備才能順利從中低端向中高端邁進(jìn)。

中國制造在改革開放前，初步形成了裝備制造能力，而且在某些點(diǎn)上邁向了精密工程，在局部形成了精密測量能力，如九大裝備中的萬噸水壓機(jī)，個別零件就是精密級的，而且這些精密級零件，必須要通過精密測量才能保證質(zhì)量。中國在個別產(chǎn)品、個別部件上探索了精密級的制造和測量能力。

改革開放后，尤其是加入WTO之后，我國制造業(yè)迅速發(fā)展。尤其是在2010年成為世界第一制造大國，2018年我國的制造總量已經(jīng)超過了美國、日本、德國的總和。但是，我們的制造業(yè)，特別是裝備制造業(yè)還處于中低端。盡管如此，我們還是一只腳跨進(jìn)了超精密工程，例如在航天工業(yè)領(lǐng)域和國防工業(yè)領(lǐng)域，局部形成了超精密制造和測量能力。

從整體上考察我國目前的整體測量能力，會發(fā)現(xiàn)，中國的精密級測量能力還沒有建完，沒有形成整體測量能力，對中低端裝備制造質(zhì)量的整體支撐能力尚未形成；而超精密級測量能力還處于初級階段，要形成整體測量能力必須付出極大的努力，無法形成對高端裝備制造質(zhì)量的基本支撐能力。

隨著智能制造的快速發(fā)展，“完整精度”的需求開始凸顯。這個階段是在完成整體超精密測量能力的基礎(chǔ)上，達(dá)到高端裝備制造的“完整精度”階段?！巴暾取钡膬?nèi)涵是使制造精度與測量精度設(shè)計(jì)全面合理，指標(biāo)體系更完備、更匹配和協(xié)同，對質(zhì)量性能的反映更完整充分，對質(zhì)量性能的支撐手段更系統(tǒng)、更高效，成本更低廉。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時數(shù)據(jù)傳遞，更加快了這個進(jìn)程的發(fā)展。

  測量能力發(fā)展的三個階段

測量體系對整個制造業(yè)能有多大的拉動作用呢？美國商務(wù)部評估報告指出，其儀器產(chǎn)值僅占工業(yè)總產(chǎn)值的4%，但是對于國民生產(chǎn)總值的拉動作用卻達(dá)到66%。也就是說，精密測量儀器技術(shù)作為基礎(chǔ)性高端技術(shù)，其自身具有價值放大、有效賦能和創(chuàng)新引領(lǐng)的作用，它可以使制造質(zhì)量提升，效率提升，成本降低，可撬動和拉動十幾倍以上的高質(zhì)量工業(yè)生產(chǎn)，足見其基礎(chǔ)支撐作用是巨大的。

國內(nèi)對于測量的認(rèn)識，還是沒有受到廣泛的重視。我國支撐產(chǎn)品制造質(zhì)量的測量能力，目前可分為三部分。

一部分是有測量能力，但是以局部代替整體。比如在圖紙上標(biāo)注圓柱類零件形狀的時候，盡管開始標(biāo)注圓柱度指標(biāo)了，但在測量時一般只測量一個截面的圓度，再測量一個素線的直線度。這主要受現(xiàn)有的測量手段限制。這種以局部代替整體的測量，絕大部分有用信息被漏掉了。但即便是這樣的測量，在很多中小企業(yè)也不具備測量手段。

第二部分是只具備部分測量能力，主要指抽檢。比如平板顯示器生產(chǎn)線，通常是從6塊或者8塊平板顯示器中抽出一塊來測量，而且是只在平板顯示器上選擇幾個點(diǎn)測量。這是在抽檢的基礎(chǔ)上，進(jìn)行局部代替整體的測量方式，測量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)不能反映平板顯示器的制造質(zhì)量，所以良率很難控制。

第三部分是基本沒有測量能力，在圖紙上也不進(jìn)行標(biāo)注，靠機(jī)床保證精度。這實(shí)際上等于質(zhì)量失控。

這樣的測量能力無法支撐我國高端裝備制造，更談不上支撐質(zhì)量的提升。

鑒于上述情況，我國要提升高端裝備制造質(zhì)量將會面臨三個主要挑戰(zhàn)。第一個是整體性問題，國家測量體系不完整；第二個是測量手段呈現(xiàn)碎片化特征，有些儀器發(fā)明或者有些儀器的研發(fā)、生產(chǎn)，都是在一些點(diǎn)上進(jìn)行的，不成體系，不能形成整體能力；第三個是精益化問題，測量對質(zhì)量提升具有不可替代的支撐作用，對這一至關(guān)重要的結(jié)論，我們的認(rèn)識嚴(yán)重不足。

除了國家計(jì)量體系存在問題外，工業(yè)測量體系存在的問題則是裝備制造主戰(zhàn)場上的大問題?，F(xiàn)有的精密和超精密測量儀器的種類極少，而且只在局部或一些點(diǎn)上具有測量能力，不成體系，無法形成整體測量能力。這可以從裝備制造的不同層面上清楚地看到。

一是零件制造層。我國面向裝備制造業(yè)的測量方式與測量體系，基本上是學(xué)習(xí)前蘇聯(lián)的相關(guān)方式與體系，主要是面向零件級的幾何參數(shù)進(jìn)行測量。即使是面向零件幾何參數(shù)測量，實(shí)際上在精密級上也測不全。如果把國內(nèi)某工廠的圖紙，和德國某工廠相同零件的圖紙進(jìn)行對照，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)圖紙標(biāo)注的參數(shù)大量缺失。缺失的主要原因是，我國對這些參數(shù)沒有能力測量，所以在一些圖紙上干脆就不再標(biāo)注了。按照這樣的圖紙和測量手段，想要控制零件在制造過程中的質(zhì)量是不可能的。

二是部件制造層。部件層面因產(chǎn)品千差萬別，導(dǎo)致集成調(diào)試所需具體測量方法和測量儀器原理也各不相同，需要專門定制專用測量儀器與工裝，而通常不能直接采用通用儀器。實(shí)際上，因認(rèn)識不足和研發(fā)能力較差等原因，目前裝備制造車間里，專用測量儀器大量缺失。由于沒有成體系的專用測量儀器，車間只好用通用儀器來替代專用儀器進(jìn)行測量。這是非常不合理的，因?yàn)楹芏鄬Ｓ脺y量需求是通用儀器實(shí)現(xiàn)不了的，這個問題普遍存在。以超精密光刻機(jī)上的一個工作臺激光反射鏡構(gòu)件為例，它的主體零件之一有108項(xiàng)尺寸公差和62項(xiàng)形狀、位置、方向公差，還有內(nèi)部應(yīng)力等技術(shù)要求，集成時需要一批滿足公差配合的專用測量儀器與工裝。要完成這樣一個復(fù)雜構(gòu)件的超精密測量，需要20多種專用超精密測量儀器，這些我們都沒有提前布局研制，導(dǎo)致我們至今制造不出來精度合格的產(chǎn)品。這樣的例子具有普遍性。由此可見，部件制造層現(xiàn)有的專用測量手段基本上都是碎片化的，不能形成整體測量能力，導(dǎo)致部件集成質(zhì)量無法控制。

三是整機(jī)制造層。不僅部件裝配層需要專用測量儀器，整機(jī)測量層也需要大批專用測量儀器，整機(jī)裝調(diào)完成以后對整機(jī)性能的測試層面還要需要一批專用測量儀器。整機(jī)制造層的狀況與部件制造層狀況類似，但更嚴(yán)重。以中等精度的光刻機(jī)為例，它有3萬多個光機(jī)零件，其中70%是精密和超精密級的，需要600多種專用精密和超精密測量儀器，這些測量儀器90%以上，我們都沒有進(jìn)行布局研制。還有嵌入到整機(jī)中的200多個超精密測量單元和傳感器，這些我們也都沒有專門布局研制。從目前情況看，如果不能解決專用超精密測量儀器問題，在較短的時間內(nèi)制造出質(zhì)量合格的高端裝備產(chǎn)品，是非常難的。

只有通過精確測量，才能精確找到產(chǎn)品質(zhì)量不合格的地方。只有對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行大量積累和分析，才能發(fā)現(xiàn)超精密制造不合格的根源。

超精密測量對提升高端裝備制造質(zhì)量具有不可替代的基礎(chǔ)支撐作用，并在制造全過程的質(zhì)量控制中發(fā)揮決定性作用。國際測量聯(lián)合會和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織曾經(jīng)聯(lián)合制定了一個國家質(zhì)量基礎(chǔ)框架，它把標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量、合格評定三個要素定位為未來世界經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的三大支柱。這個定位非常之高，而且定位很明確，這是總結(jié)了發(fā)達(dá)國家的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)后，提升到理論層面上的一個重要認(rèn)識成果。落實(shí)到企業(yè)的時候，在標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量、合格評定三大要素基礎(chǔ)上，還要加上認(rèn)證認(rèn)可，這樣就形成了工廠層面可操作的質(zhì)量保障體系。究其本質(zhì)，質(zhì)量保障體系就是一系列技術(shù)法規(guī)加測量。在技術(shù)層面看，它就是一個規(guī)范化的測量體系。

各個國家為了提高精度，強(qiáng)調(diào)了不同的技術(shù)途徑。美國高度重視建模和軟件，即通過大量的測量數(shù)據(jù)積累，挖掘影響產(chǎn)品質(zhì)量的各種誤差源，找出其對質(zhì)量的影響規(guī)律與消除方法，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，形成軟件，并不斷評估對質(zhì)量的改善效果。比如安捷倫用于實(shí)驗(yàn)室的雙頻激光干涉儀，在從5528型升級到5529型時，幾乎沒有改動任何硬件，而是把新的軟件嵌入進(jìn)去，使儀器測量分辨率提高了一個數(shù)量級。再如，在探測引力波時，巨型激光干涉儀的探測分辨率不夠，但是科學(xué)家通過建立系列數(shù)學(xué)模型和軟件計(jì)算提升了系統(tǒng)的分辨力，成功探測到引力波?？梢姡绹朔浅Ｖ匾曑浖芰Φ慕ㄔO(shè)，把軟件能力變成核心競爭力的基礎(chǔ)。

相比之下，德國人更注重硬技術(shù)，靠深度挖掘機(jī)器性能來提升質(zhì)量，而日本人則更強(qiáng)調(diào)工匠精神。盡管各國強(qiáng)調(diào)的側(cè)重點(diǎn)不一樣，但都是以大量精準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)的積累和數(shù)據(jù)處理為基礎(chǔ)的。國內(nèi)在很多人的認(rèn)識中，普遍存在著“質(zhì)量保障”誤區(qū)。如很多企業(yè)家和工程技術(shù)人員通常以為，質(zhì)量是靠先進(jìn)的制造裝備來保障的。從發(fā)達(dá)國家高端裝備制造發(fā)展歷程中可以知道，只有先進(jìn)的制造裝備是不行的，特別是發(fā)展到超精密制造階段，測量不出來，就制造不出來。我國幾乎買遍了國外工業(yè)母機(jī)，但從整體上看，我國的高端裝備制造質(zhì)量并沒有提升。只有通過精確測量，才能精確找到產(chǎn)品質(zhì)量不合格出現(xiàn)在哪里；只有對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行大量積累和深度分析，才能發(fā)現(xiàn)不合格的根源和誤差作用規(guī)律；只有經(jīng)過系統(tǒng)的精度調(diào)控，全面精準(zhǔn)地消除了產(chǎn)生誤差的根源，才能最終提升高端裝備制造質(zhì)量。

制造與測量，是無法分離的硬幣兩面。

面向高端裝備制造的整體測量能力存在三大挑戰(zhàn)，一是對“精密測量是支撐制造質(zhì)量的基石”這一基礎(chǔ)性和決定性作用的認(rèn)識嚴(yán)重不足。二是國家測量體系不完整，特別是工業(yè)測量體系極其薄弱；三是工業(yè)測量儀器體系呈碎片化，無法滿足整體測量能力建設(shè)的需求；

要完成高端裝備制造質(zhì)量提升這一重大歷史使命，就必須盡快推進(jìn)“測量三能力”的建設(shè)。只有加快建成完整的“測量三能力”，建成完整的制造測量一體化體系，形成系統(tǒng)的精度調(diào)控能力，才能從根本上解決裝備制造高質(zhì)量發(fā)展的問題。

API激光跟蹤儀在核反應(yīng)堆建造與裝配領(lǐng)域的應(yīng)用

API MTH機(jī)床精度提升解決方案 · 為高效生產(chǎn)保駕護(hù)航！

API為您提供專業(yè)精密測量服務(wù)解決方案