高端裝備雄踞制造業(yè)技術鏈和價值鏈的頂端，其最本質的特征是高質量，包括高性能、高穩(wěn)定性和高可靠性。中國裝備制造要實現(xiàn)突破，首先要解決制造質量問題，其關鍵是能否建立起堅實的技術基礎支撐能力，而核心關鍵是能否首先建立起超精密測量能力。沒有超精密測量，就不會有高質量的高端裝備制造。我國需要加速實施“測量三能力”建設，即補齊精密測量能力，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，必須實現(xiàn)制造測量一體化，形成有效的精度調控能力。只有構建起系統(tǒng)的精度調控能力，中國裝備才能順利從中低端向中高端邁進。
01
跨越百年，德國質量如何大翻身
德國制造已經是高質量的象征。但德國并不是天生就有高質量制造的基因，它也經歷了從低質量向高質量的轉化過程。在第一次工業(yè)革命期間，德國也經歷了追趕和大量仿造、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?！暗聡圃臁背蔀橐粋€恥辱性的標志。英國這個法案的出臺使德國朝野震動，舉國反思后得出的結論就是：“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。以它為統(tǒng)領，逐漸構建起了德國國家測量體系，即從國家計量基準/標準的建立、管理與量值傳遞，把準確的量值傳遞到車間里面，一直到貫穿到制造過程的每一道工序的工程測量。這種國家測量體系，確保了測量數(shù)據(jù)的準確可靠，進而保證零部件制造精度和產品集成后的精度與質量。由于有了以國家計量院為統(tǒng)領和以健全而強大的現(xiàn)代工業(yè)測量體系為根基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。
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。荷蘭ASML公司異軍突起，超越了日本的尼康和佳能，成為超精密光刻機制造的佼佼者。但是，荷蘭ASML公司并不生產核心零部件，它主要從事設計、研發(fā)、組裝、整機調試和售后服務等，而絕大部分的核心零部件如光學鏡頭等都生產于德國等高端制造業(yè)發(fā)達國家。換言之，荷蘭ASML公司的光刻機，是建立在德國等國家的超精密制造與測量能力上的。
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。
02
中國測量能力的發(fā)展歷程
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，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量。中國在個別產品、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。
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上，達到高端裝備制造的“完整精度”階段?！巴暾取钡膬群鞘怪圃炀扰c測量精度設計全面合理，指標體系更完備、更匹配和協(xié)同，對質量性能的反映更完整充分，對質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)網的實時數(shù)據(jù)傳遞，更加快了這個進程的發(fā)展。
圖1 測量能力發(fā)展的三個階段
03
測量如何制約中國高端裝備發(fā)展
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，其儀器產值僅占工業(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高質量工業(yè)生產，足見其基礎支撐作用是巨大的。
國內對于測量的認識，還是沒有受到廣泛的重視。我國支撐產品制造質量的測量能力，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。比如在圖紙上標注圓柱類零件形狀的時候，盡管開始標注圓柱度指標了，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。
第三部分是基本沒有測量能力，在圖紙上也不進行標注，靠機床保證精度。這實際上等于質量失控。
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，測量對質量提升具有不可替代的支撐作用，對這一至關重要的結論，我們的認識嚴重不足。
04
傳統(tǒng)計量體系量值傳遞能力逐級衰減
我國現(xiàn)有國家測量體系源于前蘇聯(lián)。核心使命之一是保證龐大的工業(yè)測量數(shù)據(jù)準確可靠。以工業(yè)為例，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。國家計量體系管控工業(yè)測量體系計量量值的準確一致，工業(yè)測量體系管控整個制造過程的制造質量。
在國家計量體系的層面上，我們存在兩大問題，一是量值傳遞體系不完整。以幾何量計量為例，德國建有123種國家計量標準（裝置），而我國只有80種?？紤]到德國是有選擇地發(fā)展裝備制造業(yè)，而我國是成體系、全門類地發(fā)展裝備制造業(yè)，從這個角度看，中國缺少的計量標準（裝置）就更多了；二是量值傳遞能力逐級衰減。國家的計量基準/標準都由國家計量院建立與管理，其計量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，地方不可能建立起與國家計量院計量標準（裝置）數(shù)量相對應的計量標準（裝置）。這就意味著量值傳遞能力逐級衰減。
圖2 量值傳遞能力逐級衰減
每一級計量機構在建立相應級別的計量標準（裝置）時，都會有所減少。就我國現(xiàn)有的80項幾何量計量標準（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所剩無幾了，而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。然而工廠，才是裝備制造決定性的主戰(zhàn)場?？上攵@樣一個計量體系，很難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，更無法保證龐大工業(yè)測量數(shù)據(jù)的準確可靠。
05
工業(yè)測量手段碎片化
除了國家計量體系存在問題外，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，基本上是學習前蘇聯(lián)的相關方式與體系，主要是面向零件級的幾何參數(shù)進行測量。即使是面向零件幾何參數(shù)測量，實際上在精密級上也測不全。如果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。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量是不可能的。
二是部件制造層。部件層面因產品千差萬別，導致集成調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。實際上，因認識不足和研發(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。以超精密光刻機上的一個工作臺激光反射鏡構件為例，它的主體零件之一有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，集成時需要一批滿足公差配合的專用測量儀器與工裝。要完成這樣一個復雜構件的超精密測量，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。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，導致部件集成質量無法控制。
三是整機制造層。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要需要一批專用測量儀器。整機制造層的狀況與部件制造層狀況類似，但更嚴重。以中等精度的光刻機為例，它有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，這些測量儀器90%以上，我們都沒有進行布局研制。還有嵌入到整機中的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，在較短的時間內制造出質量合格的高端裝備產品，是非常難的。
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)超精密制造不合格的根源。
06
沒有超精密測量，就沒有高端裝備制造
超精密測量對提升高端裝備制造質量具有不可替代的基礎支撐作用，并在制造全過程的質量控制中發(fā)揮決定性作用。國際測量聯(lián)合會和國際標準化組織曾經聯(lián)合制定了一個國家質量基礎框架，它把標準、計量、合格評定三個要素定位為未來世界經濟可持續(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)展經驗后，提升到理論層面上的一個重要認識成果。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，這樣就形成了工廠層面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。
各個國家為了提高精度，強調了不同的技術途徑。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，挖掘影響產品質量的各種誤差源，找出其對質量的影響規(guī)律與消除方法，構建數(shù)學模型，形成軟件，并不斷評估對質量的改善效果。比如安捷倫用于實驗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，但是科學家通過建立系列數(shù)學模型和軟件計算提升了系統(tǒng)的分辨力，成功探測到引力波?？梢?，美國人非常重視軟件能力的建設，把軟件能力變成核心競爭力的基礎。
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。盡管各國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。國內在很多人的認識中，普遍存在著“質量保障”誤區(qū)。如很多企業(yè)家和工程技術人員通常以為，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)展歷程中可以知道，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。我國幾乎買遍了國外工業(yè)母機，但從整體上看，我國的高端裝備制造質量并沒有提升。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)不合格的根源和誤差作用規(guī)律；只有經過系統(tǒng)的精度調控，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。
制造與測量，是無法分離的硬幣兩面。
07
中國要走出自己的后發(fā)優(yōu)勢之路
中國要在制造質量方面進行突圍和追趕，必須找到適于自己的、具有后發(fā)優(yōu)勢的特色路徑。中國的特點之一就是制造領域的工業(yè)大數(shù)據(jù)比較豐富。中國有世界上數(shù)量最多、種類最全的來自發(fā)達國家的工業(yè)母機和國內生產的工業(yè)母機。經過在國內多年運行，不斷地積累著大量與制造質量相關的寶貴數(shù)據(jù)。在掌握和深度分析這些數(shù)據(jù)的基礎上，可以更多的學習借鑒美國的軟件技術、德國的機器硬技術和日本的工匠精神，加上充分的整體測量能力提升，使后續(xù)的巨大的測量數(shù)據(jù)得到高質量延續(xù)和積累，利用好這個巨大的制造質量數(shù)據(jù)庫就會產生一個后發(fā)綜合優(yōu)勢。這個后發(fā)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和誤差作用規(guī)律。要形成這個后發(fā)綜合優(yōu)勢，必須同步推動幾個重要變革。
第一，不斷提升全民質量意識與精度意識。需要學習當年德國工業(yè)界對質量的大反思和大行動，追查產品質量不高的根源，深刻認識到“沒有精密的測量，就沒有精密的產品”。著名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)母機制造出來的。根據(jù)精度分配原則，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)母機的精度靠誰來保證呢？靠超精密測量儀器，超精密測量儀器的精度要比工業(yè)母機高出一個數(shù)量級，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年底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)重新定義。這意味著，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過程，中間經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。
而現(xiàn)在，7個基本單位都采用物理常數(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、在任何時間，都可以把基本量復現(xiàn)出來，不用再按照原來逐級傳遞的體系去傳遞了。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，加快工廠工業(yè)互聯(lián)網建設，加快測量體系數(shù)字化進程。數(shù)字化是智能制造的基礎，，又是“完整精度”的重要支撐。工業(yè)互聯(lián)網的普及，使得測量的數(shù)據(jù)，可以更加全面覆蓋，而且形成實時反饋，實現(xiàn)“無處不測，無時不測，處處精準，時時精準”，對于誤差來源分析和對誤差作用規(guī)律的認識具有不可替代的作用。這可以使“完整精度”通過更廣泛的維度來實現(xiàn)。
08
結論
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量的基石”這一基礎性和決定性作用的認識嚴重不足。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的需求；
要完成高端裝備制造質量提升這一重大歷史使命，就必須盡快推進“測量三能力”的建設。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)的精度調控能力，才能從根本上解決裝備制造高質量發(fā)展的問題。
轉載自“知識自動化”，作者為中國工程院院士，哈爾濱工業(yè)大學精密儀器工程研究院院長
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