沒有超精密測量，就不會有高質量的高端裝備制造

我國裝備制造要由中低端向中高端邁進，首先要解決制造質量問題，其核心關鍵是解決超精密測量能力問題。沒有超精密測量，就不會有高質量的高端裝備制造。我國現(xiàn)階段須迫切完成的任務是，補齊精密測量能力，追平超精密測量能力，在完整精度階段勝出。只有從根本上解決整體測量能力問題，才能從根本上解決高端裝備制造質量問題。
高端裝備最本質的特征是高質量。高質量的內涵包括高性能、高可靠性和高穩(wěn)定性。它處于技術鏈的頂端和價值鏈的頂端。如果說裝備制造業(yè)是制造業(yè)的脊梁，那么高端裝備制造業(yè)就是這個脊梁中的精髓。高質量的高端裝備制造業(yè)可以牽動整個裝備制造業(yè)和整個制造業(yè)高質量發(fā)展，因此，高端裝備制造業(yè)是大國必爭的戰(zhàn)略制高點，而不斷提升高端裝備制造的質量水平則是實現(xiàn)這一戰(zhàn)略的重中之重。

沒有高質量，就沒有真正意義上的高端裝備。那么如何提升高端裝備制造質量呢？

對標先進國家測量體系

在討論提升我國高端裝備制造質量時，我們可以對標一下四次工業(yè)革命發(fā)展的歷程，特別是和在這一歷程中取得成功的德國進行對標。這是因為德國在第一次工業(yè)革命的時候，也經(jīng)歷過和我們類似的追趕和大量仿造、質量缺失這樣一個過程。1887年，由于德國低廉產品的競爭，導致英國市場混亂，所以英國議會出臺了一個《商標法》，要把質量低劣的德國產品和高質量的英國產品區(qū)分開。這個法律具有侮辱性，它的出臺使德國朝野非常震動，舉國反思。反思的結果很有價值，德國人得出的結論很具體，即沒有精密的測量，就沒有精密的產品。認識統(tǒng)一之后，德國人馬上行動起來，由西門子出資在柏林建立德國計量院，這個計量院是現(xiàn)代意義上的國家計量院。它逐漸構建起了這個國家的測量體系，即從標準建立一直到把準確的量值傳遞到車間里面每一道工序的工程測量，確保測量數(shù)據(jù)準確一致，進而保證零部件制造精度和產品的制造精度。由于有了以國家計量院為核心的國家測量體系作為支撐，德國的產品質量迅速提升。

第二次工業(yè)革命期間，德國已經(jīng)具備了整體精密工程能力，全面實施質量戰(zhàn)略，使得德國制造業(yè)迅速崛起。這期間德國生產出來以精密坐標測量機為代表的一批精密測量儀器與制造裝備，建立起了完整的精密測量體系，對高端裝備制造形成強有力的支撐。

第三次工業(yè)革命時期，德國率先進入了超精密工程階段，并率先形成整體超精密工程能力。不斷升級和完善質量戰(zhàn)略，使質量意識深入人心，國家測量體系成熟高效，使德國成為名副其實的質量強國，形成了一大批自己的品牌。這期間它培育起了一批頂尖超精密制造與儀器企業(yè)，建立了完整的超精密測量體系。盡管德國工業(yè)規(guī)模不算很大，但卻擁有世界品牌2300多個。

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

這一時期，超精密制造和超精密測量能力支撐了以光刻機為代表的高端超精密裝備的快速發(fā)展。德國并不生產光刻機，光刻機的生產目前主要是荷蘭的ASML公司。但是，荷蘭ASML公司并不生產核心零部件，只是從事設計、組裝、整機調試和售后服務，絕大部分的核心零部件都生產于德國。也就是說，德國想生產光刻機也是沒有問題的。

到了第四次工業(yè)革命期間，德國人率先提出了工業(yè)4.0的概念。從德國的發(fā)展歷程可以知道，德國是從第二次工業(yè)革命以后穩(wěn)扎穩(wěn)打，循序漸進，扎扎實實地解決了產品的質量問題，然后再穩(wěn)步進入智能制造階段。

現(xiàn)在我們來和德國制造進行對標。第一次工業(yè)革命期間我們還基本上處在農業(yè)社會。第二次工業(yè)革命期間，我們趕上了最后10年，即1949至1959年。這期間我們初步形成了裝備制造能力，而且在某些點上邁向了精密工程，在局部形成了精密測量能力。我們還制造出了萬噸水壓機這樣的裝備，這里面有個別零件就是精密級的，而且這些精密級零件要通過精密測量才能保證質量。

第三次工業(yè)革命期間，我國制造業(yè)迅速發(fā)展，于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)，特別是裝備制造還處于中低端。盡管如此，我們還是一只腳跨進了超精密工程，例如在航天工業(yè)領域和國防工業(yè)領域，局部形成了超精密制造和測量能力。

現(xiàn)在，工業(yè)4.0時代來臨，我們在工業(yè)2.0階段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量的整體支撐能力尚未形成；我們在工業(yè)3.0階段的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量的基本支撐能力；但是工業(yè)4.0已經(jīng)開始了，這個階段是在完成整體超精密測量能力的基礎上，達到高端裝備制造的“完整精度”階段。“完整精度”的內涵是使制造精度與測量精度更完整、更優(yōu)化、效率更高、成本更低，更適于數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化制造。可見我們面臨的工作極其復雜、極其艱巨、極其緊迫，工業(yè)2.0要補課，3.0要追齊，4.0要同步和勝出。

我國提升高端裝備制造質量面臨的測量手段挑戰(zhàn)

目前支撐產品制造質量的測量手段可分為三個部分：一部分是我們有測量能力，但是這部分測量主要是一種由局部代替整體的測量。比如在圖紙上標注圓柱類零件形狀的時候，一般只標注一個截面的圓度，再標注一個豎線的直線度。這主要考慮到我們現(xiàn)有的測量手段限制。在實際測量時，絕大部分有用信息被漏掉了。即便是這樣的測量，我們在很多方面也不具備測量手段。第二部分是我們只具備部分測量能力。比如平板顯示器生產線，我們通常是從8塊平板顯示器中抽出一塊來測量，或者從6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測量，這是在抽檢的基礎上進行局部代替整體的測量方式，測量數(shù)據(jù)遠不能反映平板顯示器的制造質量，所以良率很難控制。第三部分是根本沒有測量能力，在圖紙上也不標注了。用這樣的測量能力無法支撐我國高端裝備制造，更無法支撐高端裝備制造質量的提升。

鑒于上述情況，我國要提升高端裝備制造質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，都是在一些點上進行的，不成體系，不能形成整體能力；第三個是精益化問題，測量對質量提升的不可替代的支撐作用，對此我們的認識嚴重不足。

國家測量體系的核心任務之一是保證龐大的工業(yè)測量數(shù)據(jù)準確可靠。國家測量體系可大致分為國家計量體系和工業(yè)測量體系兩部分。國家計量體系的任務是保證全國計量量值的準確一致，僅在這個層面上，我們就存在十分嚴重的量值傳遞體系不完整問題。以幾何量為例，德國建有123種國家計量標準（裝置），我們只有80種。從總體看，德國是有選擇地發(fā)展裝備制造業(yè)，而我國是成體系的地發(fā)展裝備制造業(yè)，從這個意義上說我們國家缺少的標準裝置就更多了。國家的計量基標準都由國家計量院建立與管理，標準量值須逐級向下傳遞。首先傳遞到大區(qū)一級，再傳遞到省一級，再傳遞到市一級及縣一級，最后傳遞到工廠計量室。由于受能力限制，如技術能力、地方財力和人力資源限制等，不可能健全與國家計量院計量標準數(shù)量對應的計量標準，所以每一級計量機構在建立相應級別的計量標準時，都會減少一些計量標準。就我國現(xiàn)有的80項國家標準裝置而言，傳遞到市縣一級時，能建立和管理的計量標準已經(jīng)所剩無幾了。最后傳遞到工廠計量室時，只有很少的計量標準裝置能真正起作用。這樣一個計量體系，無法支撐我國高端裝備制造業(yè)所需要的龐大工業(yè)測量體系的正常運行，無法保證工業(yè)測量數(shù)據(jù)的準確可靠。

工業(yè)測量手段碎片化，即現(xiàn)有的精密和超精密測量儀器的種類極少，只在一些點上有測量能力，不成體系，無法形成整體測量能力。這可從三個層面分析。

一是零件層，我國面向裝備制造業(yè)的測量方式與測量體系，基本上是學習前蘇聯(lián)的相關方式與體系，測量主要是面向零件級的幾何參數(shù)測量。即使是面向零件級測量，實際上在精密級上我們也測不全。我曾經(jīng)把國內某工廠的圖紙和德國某工廠相同零件的圖紙進行對照，發(fā)現(xiàn)國內圖紙標注的參數(shù)大量缺失，主要是我們對這些參數(shù)沒有能力測量，所以在一些圖紙上干脆就不標了。按照這樣的圖紙和測量手段控制零件在制造過程中的質量是不可能的。

二是部件層。部件層面因產品千差萬別，導致集成調試所需儀器原理和具體測量方法也各不相同，需要專門定制專用測量儀器，而不能直接采用通用儀器。實際上，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，有些車間只好用通用儀器來替代專用儀器進行測量，這是非常不合理的，因為很多專用測量需求是通用儀器實現(xiàn)不了的。這個問題普遍存在。由此可見，部件層現(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，導致部件集成質量無法控制。

三是整機層。不僅部件裝配層需要專用測量儀器，整機測量層也需要大批專用測量儀器，整機裝調完成以后對整機性能的測試層面還需要一批專用測量儀器。整機層的狀況與部件層狀況類似，但更嚴重。

為了容易理解，我們分析一個實例。以超精密光刻機上的一個工作臺激光反射鏡為例，它有108項尺寸公差和62項形狀、位置、方向公差，還有內部應力等技術要求。要完成這樣一個零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，導致我們至今制造不出來精度合格的產品。這樣的例子具有普遍性。中等精度的光刻機有3萬多個光機零件，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，這些儀器我們90%是沒有的。還有200多種超精密測量單元和超精密傳感器，這些我們都沒有規(guī)劃，所以我們做了10年光刻機仍不能用，這一點都不奇怪。從目前情況看，因沒有解決專用超精密測量儀器問題，我們在較短的時間內做出質量合格的光刻機產品是不可能的。

要充分認識到，只有通過精確測量，才能精確找到產品質量不合格的地方。只有對測量數(shù)據(jù)進行大量積累和分析，才能發(fā)現(xiàn)高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量的基礎作用

超精密測量對提升高端裝備制造質量具有基礎支撐作用，并在制造全過程中的質量控制發(fā)揮決定性作用。我們可從標準、計量、合格評定三個方面來探討。國際測量聯(lián)合會和國際標準化組織曾經(jīng)聯(lián)合制定了一個國家質量保障體系，它把標準、計量、合格評定三個方面定位為未來世界經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的三大支柱。這個定位非常之高，而且定位很明確，這是總結了發(fā)達國家的發(fā)展經(jīng)驗后提升到理論層面的一個重要認識。落實到企業(yè)的時候，在標準、計量、合格評定三大要素基礎上，還要加上認證認可，這樣就形成了工廠可操作的質量保障體系。究其本質，質量保障體系就是一系列技術法規(guī)加測量。在技術層面看，它就是一個規(guī)范化的測量體系。

要想趕上發(fā)達國家的高端裝備制造質量，我們應該怎么做？我們首先看看發(fā)達國家的做法。例如美國，他們高度重視建模和軟件，即通過大量的測量數(shù)據(jù)積累，挖掘影響產品質量的各種誤差源，找出其影響規(guī)律與消除方法，構建數(shù)學模型并形成軟件，并不斷評估對質量的改善效果。比如實驗室里的激光干涉儀，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去，使儀器測量分辨率提高了一個數(shù)量級，價格提升了一倍。再如，引力波在剛被探測出來的時候，它的探測分辨率不夠，但是科學家通過建立模型和軟件計算提升了系統(tǒng)的分辨力，成功測量到引力波?？梢?，美國人在軟件方面是有巨大優(yōu)勢的。相比之下，德國人更注重硬技術，靠深度挖掘機器性能來提升質量，而日本人則更強調工匠精神。盡管他們強調的側重點不一樣，但都是以大量精準測量數(shù)據(jù)的積累和數(shù)據(jù)處理為基礎的。我們國內的很多企業(yè)家和工程技術人員通常有一個錯誤認識，就是質量是靠先進的制造裝備來保障的。從發(fā)達國家高端裝備制造發(fā)展歷程可以知道，只有先進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。這會讓我們進一步認識到，只有通過精確測量，才能精確找到產品質量不合格出現(xiàn)在哪里；只有對測量數(shù)據(jù)進行大量積累和深度分析，才能發(fā)現(xiàn)不合格的根源；只有全面精準地消除了產生誤差的根源，才能最終提升高端裝備制造質量。

我們的發(fā)展機遇和發(fā)展方向

我們的優(yōu)勢會出現(xiàn)在哪里呢？我們的優(yōu)勢可能是工業(yè)大數(shù)據(jù)。我們買遍了差不多世界上各個發(fā)達國家的工業(yè)母機，它們都在中國運行著，不斷地積累著大量與制造質量有關的數(shù)據(jù)。在掌握和深度分析這些數(shù)據(jù)的基礎上，如果我們虛心地學習美國的軟件技術、德國的機器硬技術和日本的工匠精神，加上充分的測量能力提升，使后續(xù)的測量數(shù)據(jù)得到高質量延續(xù)和積累，這會產生一個后發(fā)的綜合優(yōu)勢。這個綜合優(yōu)勢有利于全面精準地發(fā)現(xiàn)各種誤差產生的根源、消除各種誤差源，扎扎實實地達到提升制造質量的目的。我們必須在如下幾個方面形成后發(fā)優(yōu)勢：

第一，不斷提升全民族的質量意識。我們必須學習德國人，深刻反思我們產品質量不高的根源，關鍵是要深刻認識到“沒有精密的測量，就沒有精密的產品”。在此基礎上，充分發(fā)揮我國具有龐大的測量和儀器技術隊伍這一人力資源優(yōu)勢，結合新技術革命與產業(yè)變革機遇，形成后發(fā)優(yōu)勢。著名超精密制造專家開爾文有一句名言，“只有測量出來，才能制造出來”。高端裝備是工業(yè)母機制作出來的。為保證高端裝備制造精度，工業(yè)母機的精度要比高端裝備的精度高一個數(shù)量級，至少要高三倍；那么工業(yè)母機的精度靠什么來保證呢？靠超精密測量儀器。超精密測量儀器的精度要比工作母機高出一個數(shù)量級，又至少要高三倍，這樣才能保證工業(yè)母機的精度。從精度的角度看，超精密測量儀器是高端中的高端；從基礎支撐的角度看，超精密測量儀器是基礎中的基礎。我們要充分認識到超精密測量儀器的精度引領作用和基礎支撐作用。沒有測量精度和整體測量能力這個基礎，所有制造精度和制造質量之談都是空話。

第二，盡快建立起新一代計量體系與工業(yè)測量體系。2018年世界計量大會做出了一個具有深遠歷史意義的決議，即國際單位制中的7個基本單位均采用基于物理常數(shù)的新定義。這意味這我們遇到了一個千載難逢的發(fā)展機遇。

我們現(xiàn)在的標準計量量值傳遞體系，中間經(jīng)歷了一個很長的中間傳遞環(huán)節(jié)，一級一級向下傳遞，等這個標準計量量值傳到車間時，有價值的計量量值已經(jīng)所剩無幾了，再加上車間的測量手段的碎片化，這樣的測量體系不可能支撐高質量產品的生產。7個基本物理量都采用物理常數(shù)重新定義以后，從理論上講，這個標準計量量值傳遞體系的中間環(huán)節(jié)都可以不需要了。只要滿足定義條件，任何部門，在任何地點、任何時間，都可以把基本量復現(xiàn)出來，不用再按照原來逐級溯源的體系去溯源了。它帶來的最有價值的東西就是量值傳遞體系扁平化。從這個意義上看，我們和發(fā)達國家處于同一個起點，如果我們能抓住這一難得的歷史機遇，就可以率先建立起最簡潔高效的國家計量體系和國家工業(yè)測量體系。

第三，加快測量體系數(shù)字化進程。數(shù)字化是工業(yè)4.0的基礎，是網(wǎng)絡化制造和智能化制造的前提。一個成功案例是西門子。西門子通過大力發(fā)展軟件來加快數(shù)字化進程，大量拋售硬件公司，比如汽車、家電、照明等領域的公司，然后收購其他軟件公司。2014年，西門子建立了數(shù)字化工廠集團，向數(shù)字化工業(yè)邁進，然后又大力推廣數(shù)字孿生技術。這兩件事做完以后，它的產品制造周期由原來的18個月降低到8個月，制造成本降低到原來的三分之一，產品質量全面提升。

第四，加快工廠工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設。根據(jù)我國網(wǎng)絡技術的發(fā)展狀況，企業(yè)面向智能制造的網(wǎng)絡化建設可以有兩種方式，一種是把外網(wǎng)和工廠的內網(wǎng)結合起來，該方式可以保證內網(wǎng)安全，同時又可利用外網(wǎng)的一些資源，這是一種比較好的構建方式。另一種構建方式，是直接以5G為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，我國5G技術已經(jīng)解決了工廠環(huán)境下的抗干擾等問題。特別是處于改造升級階段的企業(yè)，沒有必要重新布光纖網(wǎng)，可以直接用5G建工廠的物聯(lián)網(wǎng)平臺。

第五，對數(shù)字化和網(wǎng)絡化已經(jīng)有一定基礎的工廠應及時發(fā)展智能化。德國企業(yè)的發(fā)展方式是循序漸進，即先發(fā)展數(shù)字化，再發(fā)展網(wǎng)絡化，最后發(fā)展智能化。對我國發(fā)展狀況而言，若按部就班、亦步亦趨地追趕，可能永遠也追趕不上。應該發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，三個階段的工作并行推進，即全力發(fā)展數(shù)字化，對必要且成熟的工廠或車間，同步發(fā)展網(wǎng)絡化，同時，依據(jù)人工智能技術發(fā)展的成熟度，逐步且及時地開展制造過程的智能化。

結論

要盡快提升我國高端裝備制造質量，遇到的最大的瓶頸是基礎不扎實，即“四基問題”沒有解決，沒有形成基礎支撐能力，而最大的、最根本的基礎短板是沒有形成整體測量能力。

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

我國要完成高端裝備制造質量提升這一偉大歷史使命，必須盡快補齊精密測量能力，追平超精密測量能力，同時，充分發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，確保在完整精度階段最后勝出。、

作者：譚久彬 中國工程院院士 哈爾濱工業(yè)大學精密儀器工程研究院院長

本文發(fā)表于《中國工業(yè)和信息化》雜志2020年6月刊總第24期

該文章內容轉載自中國工業(yè)和信息化。