稱重傳感器設(shè)計(jì)制造模式的發(fā)展與創(chuàng)新

稱重傳感器設(shè)計(jì)制造模式的發(fā)展與創(chuàng)新

中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院第702研究所 劉九卿

　　 【摘要】“工業(yè)4.0“的核心是制造業(yè)數(shù)字化、智能化；《中國制造2025》的精髓是工業(yè)化與信息化深度融合，以”創(chuàng)新驅(qū)動、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展”作為制造業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)方針。本文就稱重傳感器企業(yè)如何將信息技術(shù)與制造技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的設(shè)計(jì)與制造，探討了稱重傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式創(chuàng)新；制造工藝模式創(chuàng)新；關(guān)鍵制造工序推進(jìn)自動化、智能化改造；建立數(shù)字化稱重傳感器技術(shù)體系和基礎(chǔ)工藝支撐體系等問題，介紹了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的基本途徑，供稱重傳感器企業(yè)推進(jìn)數(shù)字化、智能化制造參考。
　　 【關(guān)鍵詞】稱重傳感器；設(shè)計(jì)制造模式；數(shù)字化；網(wǎng)絡(luò)化；智能化；三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造

　　 一、概述
　　 在 “工業(yè)4.0”新一輪工業(yè)革命來臨之時，我國不失時機(jī)的提出了“中國制造2025”戰(zhàn)略，將給我國制造業(yè)注入強(qiáng)大的發(fā)展動力，也給傳感器行業(yè)帶來無限發(fā)展商機(jī)。 “中國制造2025”的核心驅(qū)動力是抓智能制造，它是解決中國制造業(yè)由大國變強(qiáng)國的根本路徑?！爸袊圃?025”是升級版的中國制造，體現(xiàn)：四大轉(zhuǎn)變、一條主線和八大對策。
　　 四大轉(zhuǎn)變：由要素驅(qū)動向創(chuàng)新驅(qū)動轉(zhuǎn)變；由低成本競爭優(yōu)勢向質(zhì)量效益競爭優(yōu)勢轉(zhuǎn)變；由資源消耗大、污染物排放多的粗放制造向綠色制造轉(zhuǎn)變；由生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)變。
　　 一條主線：以體現(xiàn)信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化制造為主線。
　　 八大對策：推行數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化制造；提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力；完善制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系；強(qiáng)化制造基礎(chǔ)；提升產(chǎn)品質(zhì)量；推行綠色制造；培養(yǎng)具有全球競爭力的企業(yè)群體和優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)；發(fā)展現(xiàn)代制造服務(wù)業(yè)。
　　 稱重傳感器行業(yè)如何落實(shí)“中國制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略，如何將信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化設(shè)計(jì)與制造，是行業(yè)內(nèi)較大型企業(yè)必須面對的課題。近年來，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造能力已經(jīng)成為國內(nèi)外企業(yè)競爭的核心，是實(shí)現(xiàn)企業(yè)研制能力變革的支點(diǎn)和突破口，這一具有風(fēng)向標(biāo)性質(zhì)的變化應(yīng)引起稱重傳感器企業(yè)高度重視。盡管應(yīng)變式稱重傳感器的原理和制造工藝決定了它不能象機(jī)器零部件那樣自動化、智能化無縫連接生產(chǎn)線大批量生產(chǎn)，但也應(yīng)該用互聯(lián)網(wǎng)思維升級稱重傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝，使其盡量接近數(shù)字化、智能化或部分?jǐn)?shù)字化、智能化生產(chǎn)。互聯(lián)網(wǎng)是共性和基礎(chǔ)，稱重傳感器企業(yè)管理層必須用信息化的手段和互聯(lián)網(wǎng)思維審視企業(yè)、再造企業(yè)。剖析企業(yè)的主要元素，一個是人，一個是事，企業(yè)的轉(zhuǎn)型無外乎就是人的轉(zhuǎn)型和事的轉(zhuǎn)型。稱重傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝的數(shù)字化、智能化改造，就從人和事開始，即從人的設(shè)計(jì)理念和制造工藝流程開始，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝模式創(chuàng)新。
　　 二、稱重傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式創(chuàng)新
　　 我國應(yīng)變式稱重傳感器企業(yè)目前多采用兩種設(shè)計(jì)方法，其一是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法，就是古典計(jì)算方法+經(jīng)驗(yàn)，為半理論、半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，不能實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)，對彈性元件的邊界影響、支承剛度和應(yīng)力集中等很難作出分析，為一些中、小型企業(yè)所采用。其二是現(xiàn)代設(shè)計(jì)法，它是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論的延伸，多種設(shè)計(jì)技術(shù)、理論與方法的綜合，即建立數(shù)學(xué)模型，利用有限元法進(jìn)行計(jì)算與分析。其特點(diǎn)是：設(shè)計(jì)手段精確化、計(jì)算機(jī)化，但仍需要實(shí)物模裝、實(shí)物試驗(yàn)與測試，為大型企業(yè)普遍采用。
　　 長期以來，國內(nèi)外稱重傳感器企業(yè)都在探索一種科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)高效的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造方法，以支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、檢測、應(yīng)用等全生命周期各個階段的數(shù)據(jù)定義和傳遞?；谀Ｐ投x（MBD，Modcl Based Dtfinition）技術(shù)的出現(xiàn)為解決這一難題提供了一種有效的途徑。模型定義技術(shù)是將產(chǎn)品的所有相關(guān)設(shè)計(jì)定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產(chǎn)品三維模型的數(shù)字化定義方法之中，為三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造提供了理論基礎(chǔ)。
　　 處于國際市場引導(dǎo)者地位的稱重傳感器制造企業(yè)，早在幾年前就開始了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式創(chuàng)新，基于模型定義技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造。其特點(diǎn)是：改變原有的稱重傳感器設(shè)計(jì)方式，從設(shè)計(jì)工具改造入手，建立具有自主知識產(chǎn)權(quán)的三維數(shù)字樣件快速設(shè)計(jì)平臺。包括：彈性元件總體結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)與計(jì)算；引入載荷和承受載荷的邊界條件影響分析；引入載荷的壓頭、承受載荷的底墊和安裝平臺組合分析與設(shè)計(jì)子系統(tǒng)。建立稱重傳感器總體結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字樣件，以數(shù)字模裝替代實(shí)物模裝，實(shí)現(xiàn)總體結(jié)構(gòu)與附件的”提前見面“，發(fā)現(xiàn)和解決不協(xié)調(diào)問題。從理論分析與計(jì)算、總體結(jié)構(gòu)與附件設(shè)計(jì)上，保證稱重傳感器性能波動最小。
　　 三、稱重傳感器制造工藝模式創(chuàng)新
　　 1. 生產(chǎn)模式創(chuàng)新
　　 打破傳統(tǒng)的稱重傳感器制造方式，實(shí)施制造工藝與彈性元件及其附件批量生產(chǎn)線創(chuàng)新。改變原有圖紙分發(fā)模式，基于電子分發(fā)流程，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到制造三維模型直接到生產(chǎn)線。與傳統(tǒng)二維圖紙分發(fā)相比，即提高了工作效率，又縮短了工藝準(zhǔn)備周期。由于全面采用了結(jié)構(gòu)化、三維可視化手段，有利于實(shí)現(xiàn)三維工藝設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)，保證了彈性元件具有較高的尺寸、形位精度和產(chǎn)品的均一性。
　　 2. 關(guān)鍵制造工序推進(jìn)自動化、智能化改造
　　 應(yīng)變式稱重傳感器的生產(chǎn)過程是支持工藝、基礎(chǔ)工藝、核心工藝和特殊工藝的科學(xué)運(yùn)用和集成。其中核心制造工藝在稱重傳感器整個生產(chǎn)過程中起關(guān)鍵作用，突出的表現(xiàn)在電阻應(yīng)變計(jì)粘貼、固化與后固化；零點(diǎn)溫度與靈敏度溫度補(bǔ)償；性能測試與檢定工序。盡管應(yīng)變式稱重傳感器的原理和制造工藝決定了其生產(chǎn)線的工序之間很難無縫連接，但在互聯(lián)網(wǎng)思維逐步滲透到各個企業(yè)的今天，稱重傳感器的制造工藝也要革命性的創(chuàng)新，否則就有波淘汰出局的危險(xiǎn)。處于國際市場引導(dǎo)者地位的稱重傳感器制造企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)是：對關(guān)鍵制造工序推進(jìn)自動化、智能化改造，首先將對稱重傳感器質(zhì)量影響大的要害制造工序自動化、智能化。
　　 電阻應(yīng)變計(jì)粘貼工序――電阻應(yīng)變計(jì)在彈性元件上的粘貼質(zhì)量和定位誤差，對稱重傳感器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性至關(guān)重要，所以此項(xiàng)核心工藝多采用機(jī)器人定位、刷膠、粘貼電阻應(yīng)變計(jì)，并配有自動安裝加壓夾具的輔助系統(tǒng)，保證了電阻應(yīng)變計(jì)在彈性元件應(yīng)變區(qū)的粘貼質(zhì)量和定位尺寸的均一性。
　　 固化和后固化工序――是在規(guī)定溫度下、一定時間內(nèi)應(yīng)變膠粘劑本身交連，并與彈性元件表面產(chǎn)生附著作用而牢固結(jié)合的過程。固化工藝的三要素是固化溫度、升溫速率、保溫時間。粘結(jié)強(qiáng)度隨固化溫度的提高而增大，但要防止固化溫度過高或過低，以免出現(xiàn)過固化：使膠層變脆，粘結(jié)強(qiáng)度減小，疲勞壽命降低；欠固化：使膠層分子鍵聚合不牢固，出現(xiàn)蠕滑效應(yīng)，蠕變大。為此電阻應(yīng)變計(jì)固化和后固化多采用隧道式自動化、智能化加溫控溫烘道。隧道式加溫控溫烘道，控溫精度高、工作段溫度均勻性好，固化、后固化完成后應(yīng)變膠粘劑物理和機(jī)械性能的均一性好，為提高稱重傳感器的工作可靠性和長期穩(wěn)定性打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
零點(diǎn)溫度與靈敏度溫度補(bǔ)償工序――是保證稱重傳感器具有優(yōu)良溫度性能指標(biāo)的關(guān)鍵制造工序，多采用高效智能零點(diǎn)溫度和靈敏度溫度補(bǔ)償測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件由接口單元、大型高低溫試驗(yàn)箱及箱內(nèi)的接線單元、高穩(wěn)定度激勵電源、數(shù)據(jù)采集單元、微機(jī)系統(tǒng)、打印機(jī)構(gòu)成，并有強(qiáng)大的稱重傳感器零點(diǎn)和靈敏度溫度補(bǔ)償軟件。自動控溫的大型高低溫箱的控溫精確度高，溫度均勻性好。如是多種類型稱重傳感器可以設(shè)置不同的系統(tǒng)編號，以便歸檔和數(shù)據(jù)查詢。
　　 性能測試與檢定工序――較大量程稱重傳感器的性能測試與檢定，在無縫連接的自動化、智能化控制的多臺疊加式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上進(jìn)行，自動打印測試數(shù)據(jù)，自動判別是否合格，并剃出不合格產(chǎn)品。較小量程稱重傳感器的性能測試與檢定在群控靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行，一般在生產(chǎn)線上分別設(shè)置了50kg、500kg、2000kg群控靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)。它由多臺靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)、高低溫試驗(yàn)箱和控制系統(tǒng)組成，具有拉伸、壓縮雙向加載功能。該控制系統(tǒng)按程序?qū)来a和動橫梁通過光電傳感器進(jìn)行位置控制，由PLC可編程控制器和計(jì)算機(jī)通過軟件完成整個控制程序，實(shí)現(xiàn)對單臺靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)單獨(dú)控制和多臺靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)同時控制。由于此種群控靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)具有活動橫梁，在將砝碼全部掛上后，通過動橫梁可進(jìn)行一次性的快速加載或卸載，滿足快速三次預(yù)載試驗(yàn)和蠕變試驗(yàn)加載要求，提高了檢測效率。
　　 之后，將各個具有獨(dú)立操作和控制功能的自動化、智能化工序，通過網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相互連接起來，在網(wǎng)絡(luò)軟件管理下，實(shí)現(xiàn)信息的收集、存儲和處理。
　　 通過多媒體視頻等多種方式進(jìn)行工藝信息表達(dá)，例如實(shí)時顯示各工藝流程生產(chǎn)狀況、質(zhì)量狀況、制程現(xiàn)狀（如電阻應(yīng)變計(jì)固化、后固化控溫情況；零點(diǎn)溫度、靈敏度溫度補(bǔ)償成功率；性能測試與檢定合格率等），以便對產(chǎn)品質(zhì)量和制程運(yùn)行進(jìn)行控制和管理。
　　 四、形成數(shù)字化稱重傳感器技術(shù)體系和基礎(chǔ)工藝支撐體系
　　 應(yīng)變式稱重傳感器設(shè)計(jì)與制造形成數(shù)字化技術(shù)體系的標(biāo)準(zhǔn)是：
　　1. 統(tǒng)一的產(chǎn)品研制流程
　　 在應(yīng)變式稱重傳感器結(jié)構(gòu)與工藝流程設(shè)計(jì)中，既要吸收國內(nèi)外最佳實(shí)踐流程設(shè)計(jì)，又必須具有本公司的特點(diǎn)。
　　2. 統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
　　 建立公司稱重傳感器數(shù)字化研制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，覆蓋設(shè)計(jì)、制造、工藝、檢測平臺建設(shè)等方面。
　　3. 統(tǒng)一的基礎(chǔ)工藝
　　 稱重傳感器彈性元件利用的應(yīng)力不同、結(jié)構(gòu)不同，其基礎(chǔ)制造工藝是基本相同的。必須制定共性的、科學(xué)合理的、可重復(fù)的生產(chǎn)工藝流程。
　　4. 統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫
　　 建立電阻應(yīng)變計(jì)庫、標(biāo)準(zhǔn)件庫、原材料庫、元器件庫、通用產(chǎn)品庫等基礎(chǔ)共性數(shù)據(jù)庫，錄用實(shí)際數(shù)據(jù)。
　　5. 統(tǒng)一版本的軟件工具
　　 三維設(shè)計(jì)全部采用公司統(tǒng)一的設(shè)計(jì)工具，以提升設(shè)計(jì)效率。但需要解決：
　　 （1）產(chǎn)品三維標(biāo)注方法；
　　 （2）二維圖樣信息向三維模型信息轉(zhuǎn)換技術(shù)；
　　 （3）建立有效地建模及標(biāo)注方法，使三維數(shù)字樣件成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造的依據(jù)。
　　 五、質(zhì)量管理模式創(chuàng)新
　　 改變原有稱重傳感器設(shè)計(jì)制造的組織模式和質(zhì)量管理方式，建立符合數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的規(guī)章制度，以三維數(shù)字樣件及產(chǎn)品為核心，將設(shè)計(jì)、工藝、檢驗(yàn)融為一體，通過實(shí)踐盡快形成一系列數(shù)字化設(shè)計(jì)制造模式下的質(zhì)量管理思路和方法。通過數(shù)字化研制大綱，明確稱重傳感器整體研制要求；通過數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，明確具體數(shù)字化工作要求；通過數(shù)字化設(shè)計(jì)的樣件驗(yàn)收條件，將對樣件的要求等同為正式產(chǎn)品的要求納入質(zhì)量管理體系；通過三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與工藝平臺和自動化、智能化生產(chǎn)工序的網(wǎng)絡(luò)化管理，控制批量生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量。
　　 六、結(jié)束語
　　 稱重傳感器三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造模式的建立過程，是企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員統(tǒng)一思想、轉(zhuǎn)變觀念的過程，是變革與創(chuàng)新、打破舊的工作習(xí)慣，建立新的工作秩序的過程。對于我國較大型稱重傳感器企業(yè)來講，這個過程起主導(dǎo)作用的關(guān)鍵因素是領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)帶頭人。這期間必然經(jīng)歷觀念的碰撞，習(xí)慣的磨合，從不了解到了解，從不認(rèn)同到認(rèn)同，從有些生熟到熟練應(yīng)用。希望我國較大型稱重傳感器企業(yè)，以“能用眾力，則無敵于天下；能用眾智，則無畏于圣人”的理念，集合團(tuán)隊(duì)的智慧和力量將生產(chǎn)線的主要工序由自動化升級為智能化，盡快實(shí)現(xiàn)稱重傳感器的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造。

參考文獻(xiàn)
【1】劉檢華．三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)推動產(chǎn)品研制模式重大變革．2012年P(guān)LM征文。
【2】范玉青．基于模型定義技術(shù)及其實(shí)施．航空制造技術(shù)．2012.．6。

作者簡介：劉九卿（1937―），男，漢族，遼寧省海城市人。中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院第七O二研究所研究員，享受國務(wù)院政府特殊津貼專家?，F(xiàn)為中國衡器協(xié)會技術(shù)顧問，衡器技術(shù)專家委員會顧問，《衡器》雜志編委。編著《電阻應(yīng)變式稱重傳感器》、《國家職業(yè)資格培訓(xùn)教程―稱重傳感器裝配調(diào)試工》,在有關(guān)雜志上共發(fā)表學(xué)術(shù)論文110多篇。

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