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谭久彬:没有超精细丈量 就没有高端配备制作

发布时间:2022-06-30 03:15:11 来源:米乐捕鱼王
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  摘要:没有超精细丈量,就不会有高质量的高端配备制作。我国需求加速施行“丈量三才干”建造,即补齐精细丈量才干,追平超精细丈量才干,打破和把握依据“完好精度”的丈量才干。在这个意义上,制作与丈量两种才干无法分居,有必要完结制作丈量一体化,构成有用的精度调控才干。只需构建起体系的精度调控才干,我国配备才干顺畅从中低端向中高端跨进。

  谭久彬我国工程院院士,精细丈量与仪器工程专家,哈尔滨工业大学仪器科学与技能学科教授、博导,精细仪器工程研究院院长,超精细仪器及智能化工信部要点试验室主任。兼任国家计量战略专家咨询委员会副主任,国际丈量与仪器委员会(ICMI)常务委员、我国仪器仪表学会副理事长等。

  高端配备雄踞制作业技能链和价值链的顶端,其最实质的特征是高质量,包含高功能、高稳定性和高牢靠性。我国配备制作要完结打破,首要要处理制作质量问题,其关键是能否树立起坚实的技能根底支撑才干,而中心关键是能否首要树立起超精细丈量才干。没有超精细丈量,就不会有高质量的高端配备制作。我国需求加速施行“丈量三才干”建造,即补齐精细丈量才干,追平超精细丈量才干,打破和把握依据“完好精度”的丈量才干。在这个意义上,制作与丈量两种才干无法分居,有必要完结制作丈量一体化,构成有用的精度调控才干。只需构建起体系的精度调控才干,我国配备才干顺畅从中低端向中高端跨进。

  德国制作现已是高质量的标志。但德国并不是天然生成就有高质量制作的基因,它也阅历了从低质量向高质量的转化进程。在榜首次工业革命期间,德国也阅历了追逐和许多仿制、质量缺失这样一个进程。1887年,由于德国低价产品的竞赛,导致英国商场紊乱,所以英国议会出台了一个《商标法》,要把质量低质的德国产品和高质量的英国产品区分隔。“德国制作”成为一个羞耻性的标志。英国这个法案的出台使德国朝野轰动,举国反思后得出的定论便是:“没有精细的丈量,就没有精细的产品”。知道共同之后,德国人立刻行动起来,由西门子出资在柏林树立德国计量院,这个计量院是现代意义上的国家计量院。以它为统领,逐步构建起了德国国家丈量体系,即从国家计量基准/规范的树立、办理与量值传递,把准确的量值传递到车间里边,一直到贯穿到制作进程的每一道工序的工程丈量。这种国家丈量体系,确保了丈量数据的准确牢靠,从而确保零部件制作精度和产品集成后的精度与质量。由于有了以国家计量院为统领和以健全而强壮的现代工业丈量体系为根基的国家丈量体系作为支撑,德国的产品质量敏捷进步。

  第2次工业革命期间,德国现已具有了全体精细工程才干,全面施行质量战略,使得德国制作业敏捷兴起。这期间德国出产出来以精细坐标丈量机为代表的一批精细丈量仪器与制作配备,树立起了完好的精细丈量体系,对高端配备制作构成强有力的支撑。

  第三次工业革命时期,德国首要进入了超精细工程阶段,并首要构成全体超精细工程才干。不断晋级和完善质量战略,使质量知道家喻户晓,国家丈量体系老练高效,使德国成为当之无愧的质量强国,构成了一大批自己的品牌。这期间它培养起了一批顶尖超精细制作与仪器企业,树立了完好的超精细丈量体系。虽然德国工业规划不算很大,但却具有国际品牌2300多个。

  这一时期,超精细制作和超精细丈量才干支撑了以光刻机为代表的高端超精细配备的快速开展。荷兰ASML公司异军突起,逾越了日本的尼康和佳能,成为超精细光刻机制作的佼佼者。可是,荷兰ASML公司并不出产中心零部件,它首要从事规划、研发、拼装、整机调试和售后服务等,而绝大部分的中心零部件如光学镜头号都出产于德国等高端制作业发达国家。换言之,荷兰ASML公司的光刻机,是树立在德国等国家的超精细制作与丈量才干上的。

  到了第四次工业革命期间,德国人首要提出了工业4.0的概念。从德国的开展进程能够知道,德国是从第2次工业革命今后步步为营,按部就班,扎扎实实地处理了产品的质量问题,然后再稳步进入智能制作阶段。

  我国制作在改革开放前,开端构成了配备制作才干,并且在某些点上迈向了精细工程,在部分构成了精细丈量才干,如九大配备中的万吨水压机,单个零件便是精细级的,并且这些精细级零件,有必要要经过精细丈量才干确保质量。我国在单个产品、单个部件上探究了精细级的制作和丈量才干。

  改革开放后,尤其是参加WTO之后,我国制作业敏捷开展。尤其是在2010年成为国际榜首制作大国,2018年我国的制作总量现已超过了美国、日本、德国的总和。可是,咱们的制作业,特别是配备制作业还处于中低端。虽然如此,咱们仍是一只脚跨进了超精细工程,例如在航天工业范畴和国防工业范畴,部分构成了超精细制作和丈量才干。

  从全体上调查我国现在的全体丈量才干,会发现,我国的精细级丈量才干还没有建完,没有构成全体丈量才干,对中低端配备制作质量的全体支撑才干没有构成;而超精细级丈量才干还处于初级阶段,要构成全体丈量才干有必要支付极大的尽力,无法构成对高端配备制作质量的根本支撑才干。

  跟着智能制作的快速开展,“完好精度”的需求开端凸显。这个阶段是在完结全体超精细丈量才干的根底上,到达高端配备制作的“完好精度”阶段。“完好精度”的内涵是使制作精度与丈量精度规划全面合理,目标体系更齐备、更匹配和协同,对质量功能的反映更完好充沛,对质量功能的支撑手法更体系、更高效,本钱更低价。工业互联网的实时数据传递,愈加速了这个进程的开展。

  丈量体系对整个制作业能有多大的拉动效果呢?美国商务部评价陈述指出,其仪器产量仅占工业总产量的4%,可是关于国民出产总值的拉动效果却到达66%。也便是说,精细丈量仪器技能作为根底性高端技能,其本身具有价值扩大、有用赋能和立异引领的效果,它能够使制作质量进步,功率进步,本钱下降,可撬动和拉动十几倍以上的高质量工业出产,足见其根底支撑效果是巨大的。

  国内关于丈量的知道,仍是没有遭到广泛的重视。我国支撑产品制作质量的丈量才干,现在可分为三部分。

  一部分是有丈量才干,可是以部分代替全体。比方在图纸上标示圆柱类零件形状的时分,虽然开端标示圆柱度目标了,但在丈量时一般只丈量一个截面的圆度,再丈量一个素线的直线度。这首要受现有的丈量手法约束。这种以部分代替全体的丈量,绝大部分有用信息被漏掉了。但即便是这样的丈量,在许多中小企业也不具有丈量手法。

  第二部分是只具有部分丈量才干,首要指抽检。比方平板显示器出产线块平板显示器中抽出一块来丈量,并且是只在平板显示器上挑选几个点丈量。这是在抽检的根底上,进行部分代替全体的丈量办法,丈量数据远不能反映平板显示器的制作质量,所以良率很难操控。

  鉴于上述状况,我国要进步高端配备制作质量将会面对三个首要应战。榜首个是全体性问题,国家丈量体系不完好;第二个是丈量手法出现碎片化特征,有些仪器创造或许有些仪器的研发、出产,都是在一些点上进行的,不成体系,不能构成全体才干;第三个是精益化问题,丈量对质量进步具有不行代替的支撑效果,对这一至关重要的定论,咱们的知道严峻缺乏。

  我国现有国家丈量体系源于前苏联。中心任务之一是确保巨大的工业丈量数据准确牢靠。以工业为例,国家丈量体系可大致分为国家计量体系和工业丈量体系两部分。国家计量体系管控工业丈量体系计量量值的准确共同,工业丈量体系管控整个制作进程的制作质量。

  在国家计量体系的层面上,咱们存在两大问题,一是量值传递体系不完好。以几许量计量为例,德国建有123种国家计量规范(设备),而我国只需80种。考虑到德国是有挑选地开展配备制作业,而我国是成体系、全类别地开展配备制作业,从这个视点看,我国短少的计量规范(设备)就更多了;二是量值传递才干逐级衰减。国家的计量基准/规范都由国家计量院树立与办理,其计量量值须逐级向下传递。首要传递到大区一级,再传递到省一级,再传递到市一级及县一级,终究传递到工厂计量室。由于受才干约束,如技能才干、当地财力和人力资源约束等,当地不行能树立起与国家计量院计量规范(设备)数量相对应的计量规范(设备)。这就意味着量值传递才干逐级衰减。

  每一级计量安排在树立相应等级的计量规范(设备)时,都会有所削减。就我国现有的80项几许量计量规范(设备)而言,传递到市县一级时,能树立和办理的计量规范现已所剩无几了,而终究传递到工厂计量室时,只需很少的计量规范(设备)能真实起效果。可是工厂,才是配备制作决定性的主战场。可想而知,这样一个计量体系,很难支撑我国高端配备制作业所需求的巨大工业丈量体系的正常运转,更无法确保巨大工业丈量数据的准确牢靠。

  除了国家计量体系存在问题外,工业丈量体系存在的问题则是配备制作主战场上的大问题。现有的精细和超精细丈量仪器的品种很少,并且只在部分或一些点上具有丈量才干,不成体系,无法构成全体丈量才干。这能够从配备制作的不同层面上清楚地看到。

  一是零件制作层。我国面向配备制作业的丈量办法与丈量体系,根本上是学习前苏联的相关办法与体系,首要是面向零件级的几许参数进行丈量。即使是面向零件几许参数丈量,实际上在精细级上也测不全。假如把国内某工厂的图纸,和德国某工厂相同零件的图纸进行对照,发现国内图纸标示的参数许多缺失。缺失的首要原因是,我国对这些参数没有才干丈量,所以在一些图纸上爽性就不再标示了。依照这样的图纸和丈量手法,想要操控零件在制作进程中的质量是不行能的。

  二是部件制作层。部件层面因产品千差万别,导致集成调试所需详细丈量办法和丈量仪器原理也各不相同,需求专门定制专用丈量仪器与工装,而一般不能直接选用通用仪器。实际上,因知道缺乏和研发才干较差等原因,现在配备制作车间里,专用丈量仪器许多缺失。由于没有成体系的专用丈量仪器,车间只好用通用仪器来代替专用仪器进行丈量。这是十分不合理的,由于许多专用丈量需求是通用仪器完结不了的,这个问题遍及存在。以超精细光刻机上的一个工作台激光反射镜构件为例,它的主体零件之一有108项尺度公役和62项形状、方位、方向公役,还有内部应力等技能要求,集成时需求一批满意公役合作的专用丈量仪器与工装。要完结这样一个杂乱构件的超精细丈量,需求20多种专用超精细丈量仪器,这些咱们都没有提早布局研发,导致咱们至今制作不出来精度合格的产品。这样的比方具有遍及性。由此可见,部件制作层现有的专用丈量手法根本上都是碎片化的,不能构成全体丈量才干,导致部件集成质量无法操控。

  三是整机制作层。不只部件安装层需求专用丈量仪器,整机丈量层也需求大批专用丈量仪器,整机装调完结今后对整机功能的测验层面还要需求一批专用丈量仪器。整机制作层的状况与部件制作层状况相似,但更严峻。以中等精度的光刻机为例,它有3万多个光机零件,其间70%是精细和超精细级的,需求600多种专用精细和超精细丈量仪器,这些丈量仪器90%以上,咱们都没有进行布局研发。还有嵌入到整机中的200多个超精细丈量单元和传感器,这些咱们也都没有专门布局研发。从现在状况看,假如不能处理专用超精细丈量仪器问题,在较短的时刻内制作出质量合格的高端配备产品,是十分难的。

  只需经过准确丈量,才干准确找到产品质量不合格的当地。只需对丈量数据进行许多堆集和剖析,才干发现超精细制作不合格的本源。

  超精细丈量对进步高端配备制作质量具有不行代替的根底支撑效果,并在制作全进程的质量操控中发挥决定性效果。国际丈量联合会和国际规范化安排从前联合拟定了一个国家质量根底结构,它把规范、计量、合格鉴定三个要素定位为未来国际经济可持续开展的三大支柱。这个定位十分之高,并且定位很清晰,这是总结了发达国家的开展阅历后,进步到理论层面上的一个重要知道效果。落实到企业的时分,在规范、计量、合格鉴定三大要素根底上,还要加上认证认可,这样就构成了工厂层面可操作的质量确保体系。究其实质,质量确保体系便是一系列技能法规加丈量。在技能层面看,它便是一个规范化的丈量体系。

  各个国家为了进步精度,着重了不同的技能途径。美国高度重视建模和软件,即经过许多的丈量数据堆集,发掘影响产品质量的各种差错源,找出其对质量的影响规则与消除办法,构建数学模型,构成软件,并不断评价对质量的改进效果。比方安捷伦用于试验室的双频激光干涉仪,在从5528型晋级到5529型时,简直没有改动任何硬件,而是把新的软件嵌入进去,使仪器丈量分辨率进步了一个数量级。再如,在勘探引力波时,巨型激光干涉仪的勘探分辨率不行,可是科学家经过树立系列数学模型和软件核算进步了体系的分辨力,成功勘探到引力波。可见,美国人十分重视软件才干的建造,把软件才干变成中心竞赛力的根底。

  相比之下,德国人更重视硬技能,靠深度发掘机器功能来进步质量,而日本人则更着重工匠精力。虽然各国着重的侧要点不一样,但都是以许多精准丈量数据的堆集和数据处理为根底的。国内涵许多人的知道中,遍及存在着“质量确保”误区。如许多企业家和工程技能人员一般认为,质量是靠先进的制作配备来确保的。从发达国家高端配备制作开展进程中能够知道,只需先进的制作配备是不行的,特别是开展到超精细制作阶段,丈量不出来,就制作不出来。我国简直买遍了国外工业母机,但从全体上看,我国的高端配备制作质量并没有进步。只需经过准确丈量,才干准确找到产品质量不合格出现在哪里;只需对丈量数据进行许多堆集和深度剖析,才干发现不合格的本源和差错效果规则;只需经过体系的精度调控,全面精准地消除了发生差错的本源,才干终究进步高端配备制作质量。

  我国要在制作质量方面进行包围和追逐,有必要找到适于自己的、具有后发优势的特征途径。我国的特色之一便是制作范畴的工业大数据比较丰富。我国有国际上数量最多、品种最全的来自发达国家的工业母机和国内出产的工业母机。经过在国内多年运转,不断地堆集着许多与制作质量相关的名贵数据。在把握和深度剖析这些数据的根底上,能够更多的学习学习美国的软件技能、德国的机器硬技能和日本的工匠精力,加上充沛的全体丈量才干进步,使后续的巨大的丈量数据得到高质量连续和堆集,利用好这个巨大的制作质量数据库就会发生一个后发归纳优势。这个后发归纳优势有利于全面精准地发现各种差错发生的本源和差错效果规则。要构成这个后发归纳优势,有必要同步推动几个重要革新。

  榜首,不断进步全民质量知道与精度知道。需求学习当年德国工业界对质量的大反思和大行动,清查产品质量不高的本源,深入知道到“没有精细的丈量,就没有精细的产品”。闻名专家开尔文有一句名言,“只需丈量出来,才干制作出来”。高端配备是工业母机制作出来的。依据精度分配原则,为确保高端配备制作精度,工业母机的精度要比高端配备的精度高一个数量级,至少要高三倍;那么工业母机的精度靠谁来确保呢?靠超精细丈量仪器,超精细丈量仪器的精度要比工业母机高出一个数量级,至少要高三倍,这样才干确保工业母机的精度。从精度的视点看,超精细丈量仪器是高端中的高端;从根底支撑的视点看,超精细丈量仪器是根底中的根底。咱们要充沛知道到超精细丈量仪器的精度引领效果和根底支撑效果。没有丈量精度和全体丈量才干这个根底,一切制作精度和制作质量之谈都是废话。

  第二,赶快树立起新一代计量体系与工业丈量体系。2018年末国际计量大会做出了一个具有深远前史意义的抉择,即国际单位制中的7个根本单位均选用依据物理常数从头界说。这意味着,咱们遇到了一个千载一时的开展机会。咱们现在的规范计量量值传递进程,中心阅历了一个很长的中心传递环节,一级一级向下传递,等这个规范计量量值传到车间时,有价值的计量量值现已所剩无几了,再加上车间的丈量手法的碎片化,这样的丈量体系不行能支撑高质量产品的出产。

  而现在,7个根本单位都选用物理常数从头界说今后,从理论上讲,这个规范计量量值传递体系的中心环节都能够不需求了。只需满意界说条件,任何部分,在任何地址、在任何时刻,都能够把根本量复现出来,不必再依照本来逐级传递的体系去传递了。它带来的最有价值的东西便是量值传递体系扁平化。从这个意义上看,咱们和发达国家处于同一个起点,假如咱们能捉住这一可贵的前史机会,就能够首要树立起最简练高效的国家计量体系和国家工业丈量体系。

  第三,加速工厂工业互联网建造,加速丈量体系数字化进程。数字化是智能制作的根底,,又是“完好精度”的重要支撑。工业互联网的遍及,使得丈量的数据,能够愈加全面掩盖,并且构成实时反应,完结“无处意外,无时意外,处处精准,不时精准”,关于差错来历剖析和对差错效果规则的知道具有不行代替的效果。这能够使“完好精度”经过更广泛的维度来完结。

  面向高端配备制作的全体丈量才干存在三大应战,一是对“精细丈量是支撑制作质量的柱石”这一根底性和决定性效果的知道严峻缺乏。二是国家丈量体系不完好,特别是工业丈量体系极端单薄;三是工业丈量仪器体系呈碎片化,无法满意全体丈量才干建造的需求;

  要完结高端配备制作质量进步这一严重前史任务,就有必要赶快推动“丈量三才干”的建造。只需加速建成完好的“丈量三才干”,建成完好的制作丈量一体化体系,构成体系的精度调控才干,才干从根本上处理配备制作高质量开展的问题。

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