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没有超精密测量,就不会有高质量的高端装备制造

发布时间:2020-07-24
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我国装备制造要由中低端向中高端迈进,首先要解决制造质量问题,其核心关键是解决超精密测量能力问题。没有超精密测量,就不会有高质量的高端装备制造。我国现阶段须迫切完成的任务是,补齐精密测量能力,追平超精密测量能力,在完整精度阶段胜出。只有从根本上解决整体测量能力问题,才能从根本上解决高端装备制造质量问题。
高端装备最本质的特征是高质量。高质量的内涵包括高性能、高可靠性和高稳定性。
它处于技术链的顶端和价值链的顶端。如果说装备制造业是制造业的脊梁,那么高端装备制造业就是这个脊梁中的精髓。高质量的高端装备制造业可以牵动整个装备制造业和整个制造业高质量发展,因此,高端装备制造业是大国必争的战略制高点,而不断提升高端装备制造的质量水平则是实现这一战略的重中之重。

没有高质量,就没有真正意义上的高端装备。那么如何提升高端装备制造质量呢?


对标先进国家测量体系

在讨论提升我国高端装备制造质量时,我们可以对标一下四次工业革命发展的历程,特别是和在这一历程中取得成功的德国进行对标。这是因为德国在第一次工业革命的时候,也经历过和我们类似的追赶和大量仿造、质量缺失这样一个过程。1887年,由于德国低廉产品的竞争,导致英国市场混乱,所以英国议会出台了一个《商标法》,要把质量低劣的德国产品和高质量的英国产品区分开。这个法律具有侮辱性,它的出台使德国朝野非常震动,举国反思。反思的结果很有价值,德国人得出的结论很具体,即没有精密的测量,就没有精密的产品。认识统一之后,德国人马上行动起来,由西门子出资在柏林建立德国计量院,这个计量院是现代意义上的国家计量院。它逐渐构建起了这个国家的测量体系,即从标准建立一直到把准确的量值传递到车间里面每一道工序的工程测量,确保测量数据准确一致,进而保证零部件制造精度和产品的制造精度。由于有了以国家计量院为核心的国家测量体系作为支撑,德国的产品质量迅速提升。

第二次工业革命期间,德国已经具备了整体精密工程能力,全面实施质量战略,使得德国制造业迅速崛起。这期间德国生产出来以精密坐标测量机为代表的一批精密测量仪器与制造装备,建立起了完整的精密测量体系,对高端装备制造形成强有力的支撑。

第三次工业革命时期,德国率先进入了超精密工程阶段,并率先形成整体超精密工程能力。不断升级和完善质量战略,使质量意识深入人心,国家测量体系成熟高效,使德国成为名副其实的质量强国,形成了一大批自己的品牌。这期间它培育起了一批顶尖超精密制造与仪器企业,建立了完整的超精密测量体系。尽管德国工业规模不算很大,但却拥有世界品牌2300多个。

测量体系对整个制造业能有多大的拉动作用呢?美国商务部评估报告指出,仪器产值仅占工业总产值的4%,但是对于国民生产总值的拉动作用却达到66%。也就是说,精密测量仪器技术作为基础性高端技术,其自身具有价值放大、有效赋能和创新引领的作用,它可以使制造质量提升,效率提升,成本降低,可撬动和拉动十几倍以上的工业生产,足见其基础支撑作用是巨大的。

这一时期,超精密制造和超精密测量能力支撑了以光刻机为代表的高端超精密装备的快速发展。德国并不生产光刻机,光刻机的生产目前主要是荷兰的ASML公司。但是,荷兰ASML公司并不生产核心零部件,只是从事设计、组装、整机调试和售后服务,绝大部分的核心零部件都生产于德国。也就是说,德国想生产光刻机也是没有问题的。

到了第四次工业革命期间,德国人率先提出了工业4.0的概念。从德国的发展历程可以知道,德国是从第二次工业革命以后稳扎稳打,循序渐进,扎扎实实地解决了产品的质量问题,然后再稳步进入智能制造阶段。

现在我们来和德国制造进行对标。第一次工业革命期间我们还基本上处在农业社会。第二次工业革命期间,我们赶上了最后10年,即19491959年。这期间我们初步形成了装备制造能力,而且在某些点上迈向了精密工程,在局部形成了精密测量能力。我们还制造出了万吨水压机这样的装备,这里面有个别零件就是精密级的,而且这些精密级零件要通过精密测量才能保证质量。

第三次工业革命期间,我国制造业迅速发展,于2010年成为世界第一制造大国,2018年我国的制造总量已经超过了美国、日本、德国的总和。但是,我们的制造业,特别是装备制造还处于中低端。尽管如此,我们还是一只脚跨进了超精密工程,例如在航天工业领域和国防工业领域,局部形成了超精密制造和测量能力。

现在,工业4.0时代来临,我们在工业2.0阶段的精密级测量能力还没有建完,没有形成整体测量能力,对中低端装备制造质量的整体支撑能力尚未形成;我们在工业3.0阶段的超精密级测量能力还处于初级阶段,要形成整体测量能力必须付出极大的努力,无法形成对高端装备制造质量的基本支撑能力;但是工业4.0已经开始了,这个阶段是在完成整体超精密测量能力的基础上,达到高端装备制造的“完整精度”阶段。“完整精度”的内涵是使制造精度与测量精度更完整、更优化、效率更高、成本更低,更适于数字化、网络化和智能化制造。可见我们面临的工作极其复杂、极其艰巨、极其紧迫,工业2.0要补课,3.0要追齐,4.0要同步和胜出。


我国提升高端装备制造质量面临的测量手段挑战

目前支撑产品制造质量的测量手段可分为三个部分:一部分是我们有测量能力,但是这部分测量主要是一种由局部代替整体的测量。比如在图纸上标注圆柱类零件形状的时候,一般只标注一个截面的圆度,再标注一个竖线的直线度。这主要考虑到我们现有的测量手段限制。在实际测量时,绝大部分有用信息被漏掉了。即便是这样的测量,我们在很多方面也不具备测量手段。第二部分是我们只具备部分测量能力。比如平板显示器生产线,我们通常是从8块平板显示器中抽出一块来测量,或者从6块平板显示器中抽出一块来测量,而且是只在平板显示器上选择几个点测量,这是在抽检的基础上进行局部代替整体的测量方式,测量数据远不能反映平板显示器的制造质量,所以良率很难控制。第三部分是根本没有测量能力,在图纸上也不标注了。用这样的测量能力无法支撑我国高端装备制造,更无法支撑高端装备制造质量的提升。

鉴于上述情况,我国要提升高端装备制造质量将会面临三个主要挑战。第一个是整体性问题,国家测量体系不完整;第二个是测量手段呈现碎片化特征,有些仪器发明或者有些仪器的研发、生产,都是在一些点上进行的,不成体系,不能形成整体能力;第三个是精益化问题,测量对质量提升的不可替代的支撑作用,对此我们的认识严重不足。

国家测量体系的核心任务之一是保证庞大的工业测量数据准确可靠。国家测量体系可大致分为国家计量体系和工业测量体系两部分。国家计量体系的任务是保证全国计量量值的准确一致,仅在这个层面上,我们就存在十分严重的量值传递体系不完整问题。以几何量为例,德国建有123种国家计量标准(装置),我们只有80种。从总体看,德国是有选择地发展装备制造业,而我国是成体系的地发展装备制造业,从这个意义上说我们国家缺少的标准装置就更多了。国家的计量基标准都由国家计量院建立与管理,标准量值须逐级向下传递。首先传递到大区一级,再传递到省一级,再传递到市一级及县一级,最后传递到工厂计量室。由于受能力限制,如技术能力、地方财力和人力资源限制等,不可能健全与国家计量院计量标准数量对应的计量标准,所以每一级计量机构在建立相应级别的计量标准时,都会减少一些计量标准。就我国现有的80项国家标准装置而言,传递到市县一级时,能建立和管理的计量标准已经所剩无几了。最后传递到工厂计量室时,只有很少的计量标准装置能真正起作用。这样一个计量体系,无法支撑我国高端装备制造业所需要的庞大工业测量体系的正常运行,无法保证工业测量数据的准确可靠。

工业测量手段碎片化,即现有的精密和超精密测量仪器的种类极少,只在一些点上有测量能力,不成体系,无法形成整体测量能力。这可从三个层面分析。

一是零件层,我国面向装备制造业的测量方式与测量体系,基本上是学习前苏联的相关方式与体系,测量主要是面向零件级的几何参数测量。即使是面向零件级测量,实际上在精密级上我们也测不全。我曾经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,发现国内图纸标注的参数大量缺失,主要是我们对这些参数没有能力测量,所以在一些图纸上干脆就不标了。按照这样的图纸和测量手段控制零件在制造过程中的质量是不可能的。

二是部件层。部件层面因产品千差万别,导致集成调试所需仪器原理和具体测量方法也各不相同,需要专门定制专用测量仪器,而不能直接采用通用仪器。实际上,目前装备制造车间里,专用测量仪器大量缺失。由于没有成体系的专用测量仪器,有些车间只好用通用仪器来替代专用仪器进行测量,这是非常不合理的,因为很多专用测量需求是通用仪器实现不了的。这个问题普遍存在。由此可见,部件层现有的专用测量手段基本上都是碎片化的,不能形成整体测量能力,导致部件集成质量无法控制。

三是整机层。不仅部件装配层需要专用测量仪器,整机测量层也需要大批专用测量仪器,整机装调完成以后对整机性能的测试层面还需要一批专用测量仪器。整机层的状况与部件层状况类似,但更严重。

为了容易理解,我们分析一个实例。以超精密光刻机上的一个工作台激光反射镜为例,它有108项尺寸公差和62项形状、位置、方向公差,还有内部应力等技术要求。要完成这样一个零件的超精密测量需要20多种专用超精密测量仪器,这些我们都没有提前布局研制,导致我们至今制造不出来精度合格的产品。这样的例子具有普遍性。中等精度的光刻机有3万多个光机零件,其中70%是精密和超精密级的,需要600多种专用精密和超精密测量仪器,这些仪器我们90%是没有的。还有200多种超精密测量单元和超精密传感器,这些我们都没有规划,所以我们做了10年光刻机仍不能用,这一点都不奇怪。从目前情况看,因没有解决专用超精密测量仪器问题,我们在较短的时间内做出质量合格的光刻机产品是不可能的。

要充分认识到,只有通过精确测量,才能精确找到产品质量不合格的地方。只有对测量数据进行大量积累和分析,才能发现高精密制造不合格的根源。


超精密测量对提升高端装备制造质量的基础作用

超精密测量对提升高端装备制造质量具有基础支撑作用,并在制造全过程中的质量控制发挥决定性作用。我们可从标准、计量、合格评定三个方面来探讨。国际测量联合会和国际标准化组织曾经联合制定了一个国家质量保障体系,它把标准、计量、合格评定三个方面定位为未来世界经济可持续发展的三大支柱。这个定位非常之高,而且定位很明确,这是总结了发达国家的发展经验后提升到理论层面的一个重要认识。落实到企业的时候,在标准、计量、合格评定三大要素基础上,还要加上认证认可,这样就形成了工厂可操作的质量保障体系。究其本质,质量保障体系就是一系列技术法规加测量。在技术层面看,它就是一个规范化的测量体系。

要想赶上发达国家的高端装备制造质量,我们应该怎么做?我们首先看看发达国家的做法。例如美国,他们高度重视建模和软件,即通过大量的测量数据积累,挖掘影响产品质量的各种误差源,找出其影响规律与消除方法,构建数学模型并形成软件,并不断评估对质量的改善效果。比如实验室里的激光干涉仪,在从5528型升级到5529型时,几乎没有改动任何硬件,而是把新的软件嵌入进去,使仪器测量分辨率提高了一个数量级,价格提升了一倍。再如,引力波在刚被探测出来的时候,它的探测分辨率不够,但是科学家通过建立模型和软件计算提升了系统的分辨力,成功测量到引力波。可见,美国人在软件方面是有巨大优势的。相比之下,德国人更注重硬技术,靠深度挖掘机器性能来提升质量,而日本人则更强调工匠精神。尽管他们强调的侧重点不一样,但都是以大量精准测量数据的积累和数据处理为基础的。我们国内的很多企业家和工程技术人员通常有一个错误认识,就是质量是靠先进的制造装备来保障的。从发达国家高端装备制造发展历程可以知道,只有先进的制造装备是不行的,特别是发展到超精密制造阶段,测量不出来,就制造不出来。这会让我们进一步认识到,只有通过精确测量,才能精确找到产品质量不合格出现在哪里;只有对测量数据进行大量积累和深度分析,才能发现不合格的根源;只有全面精准地消除了产生误差的根源,才能最终提升高端装备制造质量。


我们的发展机遇和发展方向

我们的优势会出现在哪里呢?我们的优势可能是工业大数据。我们买遍了差不多世界上各个发达国家的工业母机,它们都在中国运行着,不断地积累着大量与制造质量有关的数据。在掌握和深度分析这些数据的基础上,如果我们虚心地学习美国的软件技术、德国的机器硬技术和日本的工匠精神,加上充分的测量能力提升,使后续的测量数据得到高质量延续和积累,这会产生一个后发的综合优势。这个综合优势有利于全面精准地发现各种误差产生的根源、消除各种误差源,扎扎实实地达到提升制造质量的目的。我们必须在如下几个方面形成后发优势:

第一,不断提升全民族的质量意识。我们必须学习德国人,深刻反思我们产品质量不高的根源,关键是要深刻认识到“没有精密的测量,就没有精密的产品”。在此基础上,充分发挥我国具有庞大的测量和仪器技术队伍这一人力资源优势,结合新技术革命与产业变革机遇,形成后发优势。著名超精密制造专家开尔文有一句名言,“只有测量出来,才能制造出来”。高端装备是工业母机制作出来的。为保证高端装备制造精度,工业母机的精度要比高端装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什么来保证呢?靠超精密测量仪器。超精密测量仪器的精度要比工作母机高出一个数量级,又至少要高三倍,这样才能保证工业母机的精度。从精度的角度看,超精密测量仪器是高端中的高端;从基础支撑的角度看,超精密测量仪器是基础中的基础。我们要充分认识到超精密测量仪器的精度引领作用和基础支撑作用。没有测量精度和整体测量能力这个基础,所有制造精度和制造质量之谈都是空话。

第二,尽快建立起新一代计量体系与工业测量体系。2018年世界计量大会做出了一个具有深远历史意义的决议,即国际单位制中的7个基本单位均采用基于物理常数的新定义。这意味这我们遇到了一个千载难逢的发展机遇。

我们现在的标准计量量值传递体系,中间经历了一个很长的中间传递环节,一级一级向下传递,等这个标准计量量值传到车间时,有价值的计量量值已经所剩无几了,再加上车间的测量手段的碎片化,这样的测量体系不可能支撑高质量产品的生产。7个基本物理量都采用物理常数重新定义以后,从理论上讲,这个标准计量量值传递体系的中间环节都可以不需要了。只要满足定义条件,任何部门,在任何地点、任何时间,都可以把基本量复现出来,不用再按照原来逐级溯源的体系去溯源了。它带来的最有价值的东西就是量值传递体系扁平化。从这个意义上看,我们和发达国家处于同一个起点,如果我们能抓住这一难得的历史机遇,就可以率先建立起最简洁高效的国家计量体系和国家工业测量体系。

第三,加快测量体系数字化进程。数字化是工业4.0的基础,是网络化制造和智能化制造的前提。一个成功案例是西门子。西门子通过大力发展软件来加快数字化进程,大量抛售硬件公司,比如汽车、家电、照明等领域的公司,然后收购其他软件公司。2014年,西门子建立了数字化工厂集团,向数字化工业迈进,然后又大力推广数字孪生技术。这两件事做完以后,它的产品制造周期由原来的18个月降低到8个月,制造成本降低到原来的三分之一,产品质量全面提升。

第四,加快工厂工业物联网建设。根据我国网络技术的发展状况,企业面向智能制造的网络化建设可以有两种方式,一种是把外网和工厂的内网结合起来,该方式可以保证内网安全,同时又可利用外网的一些资源,这是一种比较好的构建方式。另一种构建方式,是直接以5G为工业物联网平台,我国5G技术已经解决了工厂环境下的抗干扰等问题。特别是处于改造升级阶段的企业,没有必要重新布光纤网,可以直接用5G建工厂的物联网平台。

第五,对数字化和网络化已经有一定基础的工厂应及时发展智能化。德国企业的发展方式是循序渐进,即先发展数字化,再发展网络化,最后发展智能化。对我国发展状况而言,若按部就班、亦步亦趋地追赶,可能永远也追赶不上。应该发挥后发优势,三个阶段的工作并行推进,即全力发展数字化,对必要且成熟的工厂或车间,同步发展网络化,同时,依据人工智能技术发展的成熟度,逐步且及时地开展制造过程的智能化。


结论

要尽快提升我国高端装备制造质量,遇到的最大的瓶颈是基础不扎实,即“四基问题”没有解决,没有形成基础支撑能力,而最大的、最根本的基础短板是没有形成整体测量能力。

面向高端装备制造的整体测量能力存在三大挑战,一是国家测量体系不完整,特别是工业测量体系极其薄弱;二是测量仪器体系呈碎片化,无法满足整体测量能力建设的需求;三是对“精密测量是支撑制造质量的基石”这一基础性和决定性作用的认识严重不足。

我国要完成高端装备制造质量提升这一伟大历史使命,必须尽快补齐精密测量能力,追平超精密测量能力,同时,充分发挥后发优势,确保在完整精度阶段最后胜出。、



作者:谭久彬 中国工程院院士 哈尔滨工业大学精密仪器工程研究院院长

本文发表于《中国工业和信息化》杂志20206月刊总第24

该文章内容转载自中国工业和信息化


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