完整 智能 兼容 開放——訪北京工業大學機電學院石照耀教授

本刊記者/Reporter 汪 藝/WANG Yi

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檢測技術及應用

完整 智能 兼容 開放
——訪北京工業大學機電學院石照耀教授

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：工學博士，博士生導師，教育部長江學者特聘教授。因其在精密測量技術及儀器和齒輪工程領域做出的重要貢獻入選科學中國人(2010)年度人物。

現為國際標準化組織ISO TC60(齒輪技術委員會)委員、先進成形技術與裝備國家重點實驗室特聘專家、機械傳動國家重點實驗室學術委員會委員、中國儀器儀表學會機械量測試技術及儀器分會副理事長、全國齒輪標準化技術委員會副主任，曾任機械工業部成都工具研究所副總工程師。

迄今，獲國家科技進步二等獎1次，獲授權發明專利26項，發表論文130多篇、專著1本。

隨著測量工具從光柵尺、三坐標測量儀到在線測量機的不斷發展，以及互聯網、大數據等技術和平臺的突飛猛進，現在機床行業的測量技術已今非昔比，為了對這個領域有更深刻的了解，本刊記者就本期主題采訪了北京工業大學機電學院石照耀教授。

個人成就

在測試技術領域：解決了特大齒輪測量、微小齒輪測量、生產現場齒輪快速檢測等難題，解決了長期制約齒輪整體誤差測量技術應用的瓶頸問題，發明了齒輪波度樣板。提出了“以小測大”的特大型零件激光跟蹤測量方法，提出了“免形狀(Form-free)測量”的概念。

在齒輪傳動領域：發現了齒輪傳動中的“逆序嚙合”現象，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，揭示了齒輪配對機理、提出了齒輪配對降噪新方法、開發出智能配對技術、為解決大批量成品齒輪的合理利用問題找到了途徑。

在精密機械領域：研制了一系列大型精密測量機。發現了阿貝原則涉及的5要素、解密了其隱含的3個條件，提出了廣義阿貝原則。提出了二維共平面導軌的新結構，在精密和超精密工程領域有較好的應用前景。

在標準方面，參與了機械基礎性標準《齒輪精度ISO1328》的制定，是系列行業和國家標準的起草者。

特大型齒輪測量——激光跟蹤在位測量

石教授以特大型齒輪精密測量為例，闡述了特大型齒輪激光跟蹤在位測量原理及幾項關鍵技術。特大型齒輪通常是指直徑大于3 000 mm的齒輪，主要應用于發電、建材、艦船、礦山機械、海洋工程等領域，在國民經濟及國防建設中起著重要作用。大齒輪測量主要有兩種方式: 一是將被測齒輪置于儀器上進行“離位測量”，主要儀器是齒輪測量中心和三坐標測量機; 另一種是“在位測量”。在位測量又分為在機床上對齒輪進行測量的“在機測量”和將儀器置于齒輪上的“上置式測量”。

在位測量中如何確立測量儀器與被測齒輪的位置關系，可分解為兩個基本問題: 其一是根據齒輪的位置如何確定測量儀器的姿態; 其二是齒輪軸線(或基準面)與測量儀器的真實空間距離的確定。圍繞這2個關鍵問題，提出了特大型齒輪的激光跟蹤在位測量方法。該方法利用激光跟蹤儀在大尺寸測量和定位方面的優點，將激光跟蹤儀用于確定被測齒輪和三維測量平臺的位置關系，通過建立工件坐標系和測量坐標系的精確關系，實現齒輪特征線的測量。在位測量系統的實測結果表明：特大型齒輪激光跟蹤在位測量系統原理正確可行，滿足6級以下特大型齒輪的精密測量。

校準數控裝備理想設備——激光追蹤儀

石教授以激光追蹤儀(Laser Tracer)為例，說明了在數控裝備校準領域的一個進步。目前，機床運動精度的檢測方法主要有三種: 一是利用球桿儀(DBB)直接測量刀具的軌跡誤差。該方法操作簡便，測量效率和測量精度都比較高。但是由于其先天的設計缺陷導致機床在高速進給時測量精度不穩定，使得球桿儀的測量精度很難達到微米級。二是利用激光干涉儀直接測量機床的各項幾何誤差。該方法測量精度高，但是對不同誤差進行測量時要搭建不同的測量光路，對整臺機床各項誤差進行測量的檢測周期長，測量效率低。三是利用傳統商業激光跟蹤儀直接測量機床空間位置坐標值，從而實現對機床各項幾何誤差的分離。該方法避免不了傳統商業激光跟蹤儀在設計上存在較大系統誤差的缺點，導致該方法測量精度低，使其適用性受到限制。因此，上述方法不能完全滿足高精度、快速檢測的要求。激光追蹤儀(Laser Tracer)的出現，克服了上述方法缺陷，能實現數控機床和坐標機的快速高精度檢測。Laser Tracer 不同于傳統跟蹤儀采用球坐標測量原理，而只測量目標點的距離，通過多臺組合測量或單臺的轉站測量，實現機床和坐標機的高精度檢測，其測距是通過內置的一臺高分辨力、高精度的激光干涉儀實現的。實踐表明，相比傳統商業激光跟蹤儀幾十微米的測量精度，Laser Tracer的測量精度能夠達到亞微米。在測量速度方面，Laser Tracer 能夠實現2個小時內完成對5軸機床所有誤差曲線的繪制?；诖?，Laser Tracer無疑成為了校準數控裝備的理想設備。

數據豐富高效精確——檢測技術現狀

石教授介紹說，機床行業檢測技術進步很大，目前具體表現有四個主要特征：(1)檢測手段越來越豐富；(2)從機床到工件以及加工制造各個環節都能檢測，檢測參數越來越多，效率越來越高，總體上是檢測精度越來越高；(3)將檢測得到的機床靜態誤差、動態誤差和溫度誤差統一考慮并進行綜合修正；(4)對大量檢測數據集中分析、實時反饋并實現機床微調加工，形成完整的閉環檢測，保證了目前精密機床的加工質量。

完整智能兼容開放——檢測技術未來發展方向

關于檢測技術未來發展方向，石教授談到他們團隊今年申請并獲批的一個國家自然科學基金重點資助項目：下一代齒輪測量的基礎理論與關鍵技術研究。這個項目以齒輪為例，目標是下一代測量的基礎理論和關鍵技術研究。

基于對所做工作的不斷思考和對測量技術演變的整體考察，石教授提出了一個基本觀點，即檢測技術與工業4.0在時間進程上雖有不同，但是在發展歷程上同樣經歷了三代：(1)100多年前主要是機械式、量具式檢測；(2)上世紀30-60年代出現了機電結合的檢測技術；(3)上世紀70年代至今，計算機通過數據處理、控制和反饋融入到檢測過程中。未來檢測技術會是什么方向？石教授介紹說，由于檢測手段的豐富以及互聯網等技術和平臺的發展，從設計、制造、終檢到使用全生命周期中都能獲取檢測數據，如何將這些數據融合起來，上傳到數據云端，并讓供貨商、用戶等所有相關人士能充分共享和利用這些數據，將是下一代檢測技術的發展方向。下一代檢測將基于云平臺實現數據共享、基于大數據實現知識挖掘和積累，工件檢測數據將得到充分運用。下一代檢測技術具有完整、智能、兼容、開放四個特點：信息數據涵蓋全過程具有完整性；數據獲取和評價自動完成具有智能性；不同CAD軟件、不同機床、不同檢測機的數據獲取上傳分析的接口具有兼容性；上傳到云端的數據為業界共享并提供交流互助的平臺具有開放性。

這個觀點和項目也得到業界專家和企業家的重視，認為如果實現會有很好的市場前景。石教授說，這個設想目前已具備變成現實的客觀條件，是因為很多技術已經成熟，比如在線檢測等技術成熟、測量機功能強大等使得完整數據的獲得具有可能性；云平臺和物聯網技術比較成熟使得數據可以共享，等等?，F在需要統合已有的成熟技術，解決大數據處理、質量評價和接口等基礎理論和關鍵技術，使得檢測數據在這個體系中充分交流，將數據變成知識，為大家共享，共同促進檢測技術的進步！