精密測量體系與裝備制造質(zhì)量

精密測量對提升制造質(zhì)量的基礎(chǔ)作用，體現(xiàn)在計量、標準、合格評定三個方面。落實到企業(yè)的時候，除了這三大要素，再加上認證認可形成的質(zhì)量保障體系，形成面向企業(yè)的一個測量體系。中國制造要由中低端向中高端邁進，首先要在精密測量領(lǐng)域?qū)藝H，通過補齊、追齊和跨越的方式，成為超精密測量領(lǐng)域的引領(lǐng)者。

對標先進國家測量體系

在討論提升我國高端裝備制造質(zhì)量時，我們可以對標一下四次工業(yè)革命發(fā)展的歷程，特別是和這一歷程中的德國進行對標。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(zhì)量缺失這樣一個過程。1887年，由于德國低廉產(chǎn)品的競爭，英國市場很混亂，所以英國議會就出了一個《商標法》，要把低劣的德國產(chǎn)品和高質(zhì)量的英國產(chǎn)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(jié)果很有價值，德國人得出的結(jié)論很具體，即沒有精密的測量就沒有精密的產(chǎn)品。在這個認識統(tǒng)一以后，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。它是從標準建立一直到車間里面的測量都有涉及。由于有了這個計量院，德國的產(chǎn)品質(zhì)量迅速提升。

第二次工業(yè)革命的時候，德國已經(jīng)具備了精密工程能力，質(zhì)量戰(zhàn)略使得德國迅速崛起。這期間德國生產(chǎn)出來以精密坐標測量機為代表的一批精密裝備與儀器，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，成為名副其實的質(zhì)量強國，形成了自己的品牌。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?，F(xiàn)代的德國雖然不大，但擁有世界品牌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(wù)部評估報告指出，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GNP的拉動作用達66%。

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。德國并不生產(chǎn)光刻機，光刻機的生產(chǎn)目前主要在荷蘭。但是，荷蘭不生產(chǎn)零件，只是組裝、調(diào)試和售后服務(wù)，絕大部分的零件都生產(chǎn)于德國。也就是說，德國生產(chǎn)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，解決了產(chǎn)品的質(zhì)量問題，然后再穩(wěn)步進入后面的智能制造階段。

現(xiàn)在我們和德國進行對標。第一次工業(yè)革命期間我們還處在農(nóng)業(yè)社會。第二次工業(yè)革命時，我們趕上了最后10年，即1949—1959年。這個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。這期間我們還制造出了萬噸水壓機這樣的裝備，這里面有些零件就是精密級的，而且這個精密級零件要通過測量才能保證質(zhì)量。

第三次工業(yè)革命期間，我國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，我們的很多制造設(shè)備還談不上高端。盡管如此，我們還是一只腳跨進了超精密工程，特別是在國防領(lǐng)域，形成了超精密測量能力。

現(xiàn)在，第四次工業(yè)革命來了，我們發(fā)現(xiàn)工業(yè)2.0要補課，3.0要追齊，4.0要同步。我們的精密級測量還沒有做完，要追平，要補齊。

我國提升高端裝備制造質(zhì)量面臨的測量手段挑戰(zhàn)

目前支撐產(chǎn)品質(zhì)量的測量手段分為三個部分：一個部分是我們有測量能力，但是這個測量是一種由局部代替整體的測量。比如在圖紙上標注圓柱體尺寸的時候，一般就測一個截面，再測一個豎線，這是一個復(fù)合類的測量方法。即便是這樣的測量，我們在很多方面也不具備完備的測量手段。第二部分是我們還不能實現(xiàn)全部測量。比如平板顯示生產(chǎn)線，我們可能是8塊面板中抽出一塊測量，或者6塊里面抽出一塊來測量，而且測量玻璃也是測幾個點，所以良率很難控制。第三個部分是根本沒有測量能力的。如果用這樣的測量精度來支撐國家的高端裝備發(fā)展，特別是支撐整個制造業(yè)的質(zhì)量提升，是很困難的。

鑒于以上情況，提升高端裝備制造質(zhì)量面臨的挑戰(zhàn)，大概有三個。第一個是整體性問題，我們的測量體系不完整;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)，都是在很多點上進行的，不成體系;第三個是精密化問題，測量對質(zhì)量支撐的作用，我們的認識嚴重不足。

關(guān)于整體性問題，以幾何量為例，德國有123項國家標準裝置，我們只有80項。德國是有選擇地發(fā)展裝備制造業(yè)，而我們是什么都制造，從這個意義上說我們國家缺少的基標準就更多了。國家的計量基標準都是在國家計量院。就我們的80項國家標準裝置而言，在向下傳達的時候，首先要傳達到大區(qū)級，再到省部級，再到市一級，每一級都會損失一些參數(shù)。我考察過很多省市的計量院，他們沒有幾臺基標準裝置，國家有的這幾臺標準裝置到了省一級已經(jīng)損失了不少參數(shù)，等到工廠的時候，已經(jīng)沒有幾個參數(shù)能傳達了。這樣一個測量體系是需要改善的。

關(guān)于碎片化，是指我們的制造特別是我們的測量，在定義的層面基本上是學習前蘇聯(lián)的，主要是面向零件級別的。即使是零件級，實際上我們也測不全。我把我們的圖紙和德國的圖紙進行對照，發(fā)現(xiàn)標注的參數(shù)中我們有大量缺失，有些標出來的參數(shù)我們也測不了，所以干脆就沒標。這樣我們的零件在制造的時候，質(zhì)量就很難控制。另外，不僅裝備層需要裝備，整機測量層也需要裝備，整機完成以后對性能的測試層面我們的儀器也大量缺失，用通用儀器來完成專用工藝的測量是很難的，有些是實現(xiàn)不了的。所以，我們現(xiàn)有的測量手段都是碎片化的。

比如說光刻機上的一個微晶承載臺，它有108項尺寸公差和62項形狀、位置、方向公差，還有內(nèi)部應(yīng)力等技術(shù)要求，這一個零件就需要20多個儀器，我們對這些都有規(guī)劃嗎？還有光刻機，有3萬多個光機零件，其中70%是超精密級的，需要600多種超精密測量儀器。這些儀器我們90%是沒有的。還有200多種超精密測量單元、上千種超精密傳感器，這些我們都沒有規(guī)劃。所以，我們做自己的光刻機面臨很多挑戰(zhàn)。

我們要充分認識到，只有通過精確測量，才能準確找到產(chǎn)品質(zhì)量不合格的地方。同時，我們只有對測量數(shù)據(jù)進行大量積累和分析，才能發(fā)現(xiàn)不合格的根源。

精密測量對提升制造質(zhì)量的基礎(chǔ)作用

精密測量對提升制造質(zhì)量的基礎(chǔ)作用，我們需要從計量、標準、合格評定三個方面來探討。我們需要構(gòu)建完整的國家測量體系。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(zhì)量保障體系，它把計量、標準、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。他們定位定得高，而且定位很明確，這是總結(jié)了發(fā)達國家的發(fā)展經(jīng)驗。落實到企業(yè)的時候，計量、標準、合格評定三大要素，再加上認證認可形成的質(zhì)量保障體系，形成面向企業(yè)的一個測量體系。

要趕上甚至超過國外的測量質(zhì)量、制造質(zhì)量，我們應(yīng)該怎么做？我們看看發(fā)達國家的做法。例如美國，他們通過大量的數(shù)據(jù)積累和軟件，從不同的途徑提升測量水平。比如實驗室里的激光干涉儀，在從528升級到529的時候，他們沒有改動任何硬件，而是把新的軟件嵌入進去，使得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，它的測試分辨率很差，但是美國人通過建立模型和軟件計算，成功測試、證實了引力波。因此，美國在軟件上是有巨大優(yōu)勢的。德國人靠硬技術(shù)、靠機器。日本強調(diào)工匠精神，但是他們都是以大量測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。我們國內(nèi)的一些企業(yè)家和工程技術(shù)人員經(jīng)常有一個錯覺，就是質(zhì)量是靠先進的制造裝備來保障的，而從和發(fā)達國家的對比可以知道，只有先進的制造裝備是非常不夠的。

我們的發(fā)展機遇和發(fā)展方向

我們的優(yōu)勢在哪里呢？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國家的工作母機，它們都在中國運行著，會積累大量的數(shù)據(jù)。如果我們學習美國的軟件、德國的硬技術(shù)和日本的工匠精神，加上以充實的測量手段，使后續(xù)的數(shù)據(jù)得到延續(xù)和積累，這會給我們創(chuàng)造趕超優(yōu)勢。

高端裝備是工作母機制作出來的，工作母機的精度要比高端裝備的精度高三到五倍，那么工作母機的精度誰來保證呢？是超精密測量儀器。超精密測量儀器的精度要比工作母機高出一個數(shù)量級，這樣才能保證工作母機的精度。從精密的角度來說，超精密儀器是高端中的高端，我們要充分認識到它的作用。

凱爾文有一句名言，只有測量出來，才能制造出來。2018年世界計量大會決定，7個基本量都采用物理常數(shù)重新定義。這意味著我們遇到了一個發(fā)展機遇。我們現(xiàn)在的量值傳遞體系，中間經(jīng)歷了一個漫長的中間環(huán)節(jié)，從上級傳導到下一級，等這個量值傳到車間時，有價值的參數(shù)已經(jīng)所剩無幾了，再加上車間的測量手段也是碎片化的，這樣的測量體系不可能支撐高質(zhì)量產(chǎn)品的生產(chǎn)。7個基本量都采用物理常數(shù)重新定義以后，這個量值傳遞體系的中間環(huán)節(jié)都不需要了。它采用一種許可制，使用物理常數(shù)來復(fù)現(xiàn)基本量。用戶只要有足夠的經(jīng)費，就可以把很多基本量自己復(fù)現(xiàn)出來，不用再去溯源了。用戶覺得哪個國家的哪個基本量更好，用戶就直接向他溯源，不一定都在我們國家計量院溯源，這就是傳遞體系扁平化，可以建立起最簡潔的國家計量體系。

我們還有一個機遇是數(shù)字化。比如，西門子通過軟件來提升數(shù)字化程度，大量拋售硬件公司，比如汽車、家電、照明等領(lǐng)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)字孿生雙胞胎。這兩件事做完以后，它的產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量全面提升。

智能制造的網(wǎng)絡(luò)化可以把工廠的外網(wǎng)和工廠的內(nèi)網(wǎng)結(jié)合起來，可以避免一些技術(shù)機密流失，同時又利用了外網(wǎng)的一些資源，這是一種構(gòu)建方式。還有一種構(gòu)建方式，是以5G為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)字化工廠，5G已經(jīng)解決了抗干擾的問題。數(shù)字化升級后，就沒有必要布光纖網(wǎng)，直接用5G就可以了。

從德國的企業(yè)發(fā)展看，德國是先發(fā)展數(shù)字化，再網(wǎng)絡(luò)化，最后是智能化。對我們國家而言，應(yīng)該發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，三個階段共同發(fā)展。

本文根據(jù)譚久彬院士在國家制造強國建設(shè)專家論壇（寧波）上的主題演講速記稿整理而成。