本刊記者/Reporter 汪 藝/WANG Yi

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檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

完整 智能 兼容 開(kāi)放
——訪北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院石照耀教授

Integral, intelligent, compatible, open
——Interview with Mr SHI Zhaoyao, the professor of School of Mechanical and Electronic Engineering, Beijing University of Technology

本刊記者/Reporter 汪 藝/WANG Yi

石照耀：工學(xué)博士，博士生導(dǎo)師，教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授。因其在精密測(cè)量技術(shù)及儀器和齒輪工程領(lǐng)域做出的重要貢獻(xiàn)入選科學(xué)中國(guó)人(2010)年度人物。

現(xiàn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO TC60(齒輪技術(shù)委員會(huì))委員、先進(jìn)成形技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特聘專家、機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員、中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)機(jī)械量測(cè)試技術(shù)及儀器分會(huì)副理事長(zhǎng)、全國(guó)齒輪標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)副主任，曾任機(jī)械工業(yè)部成都工具研究所副總工程師。

迄今，獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1次，獲授權(quán)發(fā)明專利26項(xiàng)，發(fā)表論文130多篇、專著1本。

隨著測(cè)量工具從光柵尺、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x到在線測(cè)量機(jī)的不斷發(fā)展，以及互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)和平臺(tái)的突飛猛進(jìn)，現(xiàn)在機(jī)床行業(yè)的測(cè)量技術(shù)已今非昔比，為了對(duì)這個(gè)領(lǐng)域有更深刻的了解，本刊記者就本期主題采訪了北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院石照耀教授。

個(gè)人成就

在測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域：解決了特大齒輪測(cè)量、微小齒輪測(cè)量、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)齒輪快速檢測(cè)等難題，解決了長(zhǎng)期制約齒輪整體誤差測(cè)量技術(shù)應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題，發(fā)明了齒輪波度樣板。提出了“以小測(cè)大”的特大型零件激光跟蹤測(cè)量方法，提出了“免形狀(Form-free)測(cè)量”的概念。

在齒輪傳動(dòng)領(lǐng)域：發(fā)現(xiàn)了齒輪傳動(dòng)中的“逆序嚙合”現(xiàn)象，提出了齒輪副整體誤差的概念及其載荷作用下的分析方法，揭示了齒輪配對(duì)機(jī)理、提出了齒輪配對(duì)降噪新方法、開(kāi)發(fā)出智能配對(duì)技術(shù)、為解決大批量成品齒輪的合理利用問(wèn)題找到了途徑。

在精密機(jī)械領(lǐng)域：研制了一系列大型精密測(cè)量機(jī)。發(fā)現(xiàn)了阿貝原則涉及的5要素、解密了其隱含的3個(gè)條件，提出了廣義阿貝原則。提出了二維共平面導(dǎo)軌的新結(jié)構(gòu)，在精密和超精密工程領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。

在標(biāo)準(zhǔn)方面，參與了機(jī)械基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)《齒輪精度ISO1328》的制定，是系列行業(yè)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的起草者。

特大型齒輪測(cè)量——激光跟蹤在位測(cè)量

石教授以特大型齒輪精密測(cè)量為例，闡述了特大型齒輪激光跟蹤在位測(cè)量原理及幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。特大型齒輪通常是指直徑大于3 000 mm的齒輪，主要應(yīng)用于發(fā)電、建材、艦船、礦山機(jī)械、海洋工程等領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)及國(guó)防建設(shè)中起著重要作用。大齒輪測(cè)量主要有兩種方式: 一是將被測(cè)齒輪置于儀器上進(jìn)行“離位測(cè)量”，主要儀器是齒輪測(cè)量中心和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī); 另一種是“在位測(cè)量”。在位測(cè)量又分為在機(jī)床上對(duì)齒輪進(jìn)行測(cè)量的“在機(jī)測(cè)量”和將儀器置于齒輪上的“上置式測(cè)量”。

在位測(cè)量中如何確立測(cè)量?jī)x器與被測(cè)齒輪的位置關(guān)系，可分解為兩個(gè)基本問(wèn)題: 其一是根據(jù)齒輪的位置如何確定測(cè)量?jī)x器的姿態(tài); 其二是齒輪軸線(或基準(zhǔn)面)與測(cè)量?jī)x器的真實(shí)空間距離的確定。圍繞這2個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，提出了特大型齒輪的激光跟蹤在位測(cè)量方法。該方法利用激光跟蹤儀在大尺寸測(cè)量和定位方面的優(yōu)點(diǎn)，將激光跟蹤儀用于確定被測(cè)齒輪和三維測(cè)量平臺(tái)的位置關(guān)系，通過(guò)建立工件坐標(biāo)系和測(cè)量坐標(biāo)系的精確關(guān)系，實(shí)現(xiàn)齒輪特征線的測(cè)量。在位測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)測(cè)結(jié)果表明：特大型齒輪激光跟蹤在位測(cè)量系統(tǒng)原理正確可行，滿足6級(jí)以下特大型齒輪的精密測(cè)量。

校準(zhǔn)數(shù)控裝備理想設(shè)備——激光追蹤儀

石教授以激光追蹤儀(Laser Tracer)為例，說(shuō)明了在數(shù)控裝備校準(zhǔn)領(lǐng)域的一個(gè)進(jìn)步。目前，機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度的檢測(cè)方法主要有三種: 一是利用球桿儀(DBB)直接測(cè)量刀具的軌跡誤差。該方法操作簡(jiǎn)便，測(cè)量效率和測(cè)量精度都比較高。但是由于其先天的設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致機(jī)床在高速進(jìn)給時(shí)測(cè)量精度不穩(wěn)定，使得球桿儀的測(cè)量精度很難達(dá)到微米級(jí)。二是利用激光干涉儀直接測(cè)量機(jī)床的各項(xiàng)幾何誤差。該方法測(cè)量精度高，但是對(duì)不同誤差進(jìn)行測(cè)量時(shí)要搭建不同的測(cè)量光路，對(duì)整臺(tái)機(jī)床各項(xiàng)誤差進(jìn)行測(cè)量的檢測(cè)周期長(zhǎng)，測(cè)量效率低。三是利用傳統(tǒng)商業(yè)激光跟蹤儀直接測(cè)量機(jī)床空間位置坐標(biāo)值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床各項(xiàng)幾何誤差的分離。該方法避免不了傳統(tǒng)商業(yè)激光跟蹤儀在設(shè)計(jì)上存在較大系統(tǒng)誤差的缺點(diǎn)，導(dǎo)致該方法測(cè)量精度低，使其適用性受到限制。因此，上述方法不能完全滿足高精度、快速檢測(cè)的要求。激光追蹤儀(Laser Tracer)的出現(xiàn)，克服了上述方法缺陷，能實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床和坐標(biāo)機(jī)的快速高精度檢測(cè)。Laser Tracer 不同于傳統(tǒng)跟蹤儀采用球坐標(biāo)測(cè)量原理，而只測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的距離，通過(guò)多臺(tái)組合測(cè)量或單臺(tái)的轉(zhuǎn)站測(cè)量，實(shí)現(xiàn)機(jī)床和坐標(biāo)機(jī)的高精度檢測(cè)，其測(cè)距是通過(guò)內(nèi)置的一臺(tái)高分辨力、高精度的激光干涉儀實(shí)現(xiàn)的。實(shí)踐表明，相比傳統(tǒng)商業(yè)激光跟蹤儀幾十微米的測(cè)量精度，Laser Tracer的測(cè)量精度能夠達(dá)到亞微米。在測(cè)量速度方面，Laser Tracer 能夠?qū)崿F(xiàn)2個(gè)小時(shí)內(nèi)完成對(duì)5軸機(jī)床所有誤差曲線的繪制。基于此，Laser Tracer無(wú)疑成為了校準(zhǔn)數(shù)控裝備的理想設(shè)備。

數(shù)據(jù)豐富高效精確——檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

石教授介紹說(shuō)，機(jī)床行業(yè)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)步很大，目前具體表現(xiàn)有四個(gè)主要特征：(1)檢測(cè)手段越來(lái)越豐富；(2)從機(jī)床到工件以及加工制造各個(gè)環(huán)節(jié)都能檢測(cè)，檢測(cè)參數(shù)越來(lái)越多，效率越來(lái)越高，總體上是檢測(cè)精度越來(lái)越高；(3)將檢測(cè)得到的機(jī)床靜態(tài)誤差、動(dòng)態(tài)誤差和溫度誤差統(tǒng)一考慮并進(jìn)行綜合修正；(4)對(duì)大量檢測(cè)數(shù)據(jù)集中分析、實(shí)時(shí)反饋并實(shí)現(xiàn)機(jī)床微調(diào)加工，形成完整的閉環(huán)檢測(cè)，保證了目前精密機(jī)床的加工質(zhì)量。

完整智能兼容開(kāi)放——檢測(cè)技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向

關(guān)于檢測(cè)技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向，石教授談到他們團(tuán)隊(duì)今年申請(qǐng)并獲批的一個(gè)國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目：下一代齒輪測(cè)量的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究。這個(gè)項(xiàng)目以齒輪為例，目標(biāo)是下一代測(cè)量的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究。

基于對(duì)所做工作的不斷思考和對(duì)測(cè)量技術(shù)演變的整體考察，石教授提出了一個(gè)基本觀點(diǎn)，即檢測(cè)技術(shù)與工業(yè)4.0在時(shí)間進(jìn)程上雖有不同，但是在發(fā)展歷程上同樣經(jīng)歷了三代：(1)100多年前主要是機(jī)械式、量具式檢測(cè)；(2)上世紀(jì)30-60年代出現(xiàn)了機(jī)電結(jié)合的檢測(cè)技術(shù)；(3)上世紀(jì)70年代至今，計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)處理、控制和反饋融入到檢測(cè)過(guò)程中。未來(lái)檢測(cè)技術(shù)會(huì)是什么方向？石教授介紹說(shuō)，由于檢測(cè)手段的豐富以及互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)和平臺(tái)的發(fā)展，從設(shè)計(jì)、制造、終檢到使用全生命周期中都能獲取檢測(cè)數(shù)據(jù)，如何將這些數(shù)據(jù)融合起來(lái)，上傳到數(shù)據(jù)云端，并讓供貨商、用戶等所有相關(guān)人士能充分共享和利用這些數(shù)據(jù)，將是下一代檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向。下一代檢測(cè)將基于云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、基于大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)知識(shí)挖掘和積累，工件檢測(cè)數(shù)據(jù)將得到充分運(yùn)用。下一代檢測(cè)技術(shù)具有完整、智能、兼容、開(kāi)放四個(gè)特點(diǎn)：信息數(shù)據(jù)涵蓋全過(guò)程具有完整性；數(shù)據(jù)獲取和評(píng)價(jià)自動(dòng)完成具有智能性；不同CAD軟件、不同機(jī)床、不同檢測(cè)機(jī)的數(shù)據(jù)獲取上傳分析的接口具有兼容性；上傳到云端的數(shù)據(jù)為業(yè)界共享并提供交流互助的平臺(tái)具有開(kāi)放性。

這個(gè)觀點(diǎn)和項(xiàng)目也得到業(yè)界專家和企業(yè)家的重視，認(rèn)為如果實(shí)現(xiàn)會(huì)有很好的市場(chǎng)前景。石教授說(shuō)，這個(gè)設(shè)想目前已具備變成現(xiàn)實(shí)的客觀條件，是因?yàn)楹芏嗉夹g(shù)已經(jīng)成熟，比如在線檢測(cè)等技術(shù)成熟、測(cè)量機(jī)功能強(qiáng)大等使得完整數(shù)據(jù)的獲得具有可能性；云平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)比較成熟使得數(shù)據(jù)可以共享，等等?，F(xiàn)在需要統(tǒng)合已有的成熟技術(shù)，解決大數(shù)據(jù)處理、質(zhì)量評(píng)價(jià)和接口等基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，使得檢測(cè)數(shù)據(jù)在這個(gè)體系中充分交流，將數(shù)據(jù)變成知識(shí)，為大家共享，共同促進(jìn)檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步！