〖學(xué)習與探討〗稱(chēng)重傳感器設計制造模式的發(fā)展與創(chuàng )新

【摘要】“工業(yè)4.0“的核心是制造業(yè)數字化、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 )新驅動(dòng)、結構優(yōu)化、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展”作為制造業(yè)發(fā)展的指導方針。本文就稱(chēng)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)現數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化的設計與制造，探討了稱(chēng)重傳感器結構設計模式創(chuàng )新；制造工藝模式創(chuàng )新；關(guān)鍵制造工序推進(jìn)自動(dòng)化、智能化改造；建立數字化稱(chēng)重傳感器技術(shù)體系和基礎工藝支撐體系等問(wèn)題，介紹了三維數字化設計制造的基本途徑，供稱(chēng)重傳感器企業(yè)推進(jìn)數字化、智能化制造參考。

【關(guān)鍵詞】稱(chēng)重傳感器；設計制造模式；數字化；網(wǎng)絡(luò )化；智能化；三維數字化設計制造

一、概述

在 “工業(yè)4.0”新一輪工業(yè)革命來(lái)臨之時(shí)，我國不失時(shí)機的提出了“中國制造2025”戰略，將給我國制造業(yè)注入強大的發(fā)展動(dòng)力，也給傳感器行業(yè)帶來(lái)無(wú)限發(fā)展商機。  “中國制造2025”的核心驅動(dòng)力是抓智能制造，它是解決中國制造業(yè)由大國變強國的根本路徑?！爸袊圃?025”是升級版的中國制造，體現：四大轉變、一條主線(xiàn)和八大對策。

四大轉變：由要素驅動(dòng)向創(chuàng )新驅動(dòng)轉變；由低成本競爭優(yōu)勢向質(zhì)量效益競爭優(yōu)勢轉變；由資源消耗大、污染物排放多的粗放制造向綠色制造轉變；由生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉變。

一條主線(xiàn)：以體現信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合的數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化制造為主線(xiàn)。

八大對策：推行數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化制造；提升產(chǎn)品設計能力；完善制造業(yè)技術(shù)創(chuàng )新體系；強化制造基礎；提升產(chǎn)品質(zhì)量；推行綠色制造；培養具有全球競爭力的企業(yè)群體和優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)；發(fā)展現代制造服務(wù)業(yè)。

稱(chēng)重傳感器行業(yè)如何落實(shí)“中國制造2025”發(fā)展戰略，如何將信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合實(shí)現數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化設計與制造，是行業(yè)內較大型企業(yè)必須面對的課題。近年來(lái)，三維數字化設計制造能力已經(jīng)成為國內外企業(yè)競爭的核心，是實(shí)現企業(yè)研制能力變革的支點(diǎn)和突破口，這一具有風(fēng)向標性質(zhì)的變化應引起稱(chēng)重傳感器企業(yè)高度重視。盡管應變式稱(chēng)重傳感器的原理和制造工藝決定了它不能象機器零部件那樣自動(dòng)化、智能化無(wú)縫連接生產(chǎn)線(xiàn)大批量生產(chǎn)，但也應該用互聯(lián)網(wǎng)思維升級稱(chēng)重傳感器的結構設計與制造工藝，使其盡量接近數字化、智能化或部分數字化、智能化生產(chǎn)?；ヂ?lián)網(wǎng)是共性和基礎，稱(chēng)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(gè)是人，一個(gè)是事，企業(yè)的轉型無(wú)外乎就是人的轉型和事的轉型。稱(chēng)重傳感器結構設計與制造工藝的數字化、智能化改造，就從人和事開(kāi)始，即從人的設計理念和制造工藝流程開(kāi)始，實(shí)現結構設計與制造工藝模式創(chuàng )新。

二、稱(chēng)重傳感器結構設計模式創(chuàng )新

我國應變式稱(chēng)重傳感器企業(yè)目前多采用兩種設計方法，其一是傳統設計法，就是古典計算方法+經(jīng)驗，為半理論、半經(jīng)驗設計，不能實(shí)現最佳設計，對彈性元件的邊界影響、支承剛度和應力集中等很難作出分析，為一些中、小型企業(yè)所采用。其二是現代設計法，它是傳統設計理論的延伸，多種設計技術(shù)、理論與方法的綜合，即建立數學(xué)模型，利用有限元法進(jìn)行計算與分析。其特點(diǎn)是：設計手段精確化、計算機化，但仍需要實(shí)物模裝、實(shí)物試驗與測試，為大型企業(yè)普遍采用。

長(cháng)期以來(lái)，國內外稱(chēng)重傳感器企業(yè)都在探索一種科學(xué)合理、經(jīng)濟高效的產(chǎn)品設計與制造方法，以支持產(chǎn)品設計、制造、檢測、應用等全生命周期各個(gè)階段的數據定義和傳遞?；谀Ｐ投x（MBD，Modcl  Based  Dtfinition）技術(shù)的出現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)設計定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著(zhù)在產(chǎn)品三維模型的數字化定義方法之中，為三維數字化設計制造提供了理論基礎。

處于國際市場(chǎng)引導者地位的稱(chēng)重傳感器制造企業(yè)，早在幾年前就開(kāi)始了結構設計模式創(chuàng )新，基于模型定義技術(shù)實(shí)現了三維數字化設計制造。其特點(diǎn)是：改變原有的稱(chēng)重傳感器設計方式，從設計工具改造入手，建立具有自主知識產(chǎn)權的三維數字樣件快速設計平臺。包括：彈性元件總體結構快速設計與計算；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計子系統。建立稱(chēng)重傳感器總體結構的三維數字樣件，以數字模裝替代實(shí)物模裝，實(shí)現總體結構與附件的”提前見(jiàn)面“，發(fā)現和解決不協(xié)調問(wèn)題。從理論分析與計算、總體結構與附件設計上，保證稱(chēng)重傳感器性能波動(dòng)最小。

三、稱(chēng)重傳感器制造工藝模式創(chuàng )新

1. 生產(chǎn)模式創(chuàng )新

打破傳統的稱(chēng)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(xiàn)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)現從設計到制造三維模型直接到生產(chǎn)線(xiàn)。與傳統二維圖紙分發(fā)相比，即提高了工作效率，又縮短了工藝準備周期。由于全面采用了結構化、三維可視化手段，有利于實(shí)現三維工藝設計與檢驗，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(dòng)化、智能化改造

應變式稱(chēng)重傳感器的生產(chǎn)過(guò)程是支持工藝、基礎工藝、核心工藝和特殊工藝的科學(xué)運用和集成。其中核心制造工藝在稱(chēng)重傳感器整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中起關(guān)鍵作用，突出的表現在電阻應變計粘貼、固化與后固化；零點(diǎn)溫度與靈敏度溫度補償；性能測試與檢定工序。盡管應變式稱(chēng)重傳感器的原理和制造工藝決定了其生產(chǎn)線(xiàn)的工序之間很難無(wú)縫連接，但在互聯(lián)網(wǎng)思維逐步滲透到各個(gè)企業(yè)的今天，稱(chēng)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。處于國際市場(chǎng)引導者地位的稱(chēng)重傳感器制造企業(yè)的經(jīng)驗是：對關(guān)鍵制造工序推進(jìn)自動(dòng)化、智能化改造，首先將對稱(chēng)重傳感器質(zhì)量影響大的要害制造工序自動(dòng)化、智能化。

電阻應變計粘貼工序——電阻應變計在彈性元件上的粘貼質(zhì)量和定位誤差，對稱(chēng)重傳感器的準確度和穩定性至關(guān)重要，所以此項核心工藝多采用機器人定位、刷膠、粘貼電阻應變計，并配有自動(dòng)安裝加壓夾具的輔助系統，保證了電阻應變計在彈性元件應變區的粘貼質(zhì)量和定位尺寸的均一性。

固化和后固化工序——是在規定溫度下、一定時(shí)間內應變膠粘劑本身交連，并與彈性元件表面產(chǎn)生附著(zhù)作用而牢固結合的過(guò)程。固化工藝的三要素是固化溫度、升溫速率、保溫時(shí)間。粘結強度隨固化溫度的提高而增大，但要防止固化溫度過(guò)高或過(guò)低，以免出現過(guò)固化：使膠層變脆，粘結強度減小，疲勞壽命降低；欠固化：使膠層分子鍵聚合不牢固，出現蠕滑效應，蠕變大。為此電阻應變計固化和后固化多采用隧道式自動(dòng)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、后固化完成后應變膠粘劑物理和機械性能的均一性好，為提高稱(chēng)重傳感器的工作可靠性和長(cháng)期穩定性打下堅實(shí)基礎。

零點(diǎn)溫度與靈敏度溫度補償工序——是保證稱(chēng)重傳感器具有優(yōu)良溫度性能指標的關(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償測試系統。該系統硬件由接口單元、大型高低溫試驗箱及箱內的接線(xiàn)單元、高穩定度激勵電源、數據采集單元、微機系統、打印機構成，并有強大的稱(chēng)重傳感器零點(diǎn)和靈敏度溫度補償軟件。自動(dòng)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(lèi)型稱(chēng)重傳感器可以設置不同的系統編號，以便歸檔和數據查詢(xún)。

性能測試與檢定工序——較大量程稱(chēng)重傳感器的性能測試與檢定，在無(wú)縫連接的自動(dòng)化、智能化控制的多臺疊加式力標準機上進(jìn)行，自動(dòng)打印測試數據，自動(dòng)判別是否合格，并剃出不合格產(chǎn)品。較小量程稱(chēng)重傳感器的性能測試與檢定在群控靜重式力標準機系統進(jìn)行，一般在生產(chǎn)線(xiàn)上分別設置了50kg、500kg、2000kg群控靜重式力標準機系統。它由多臺靜重式力標準機、高低溫試驗箱和控制系統組成，具有拉伸、壓縮雙向加載功能。該控制系統按程序對砝碼和動(dòng)橫梁通過(guò)光電傳感器進(jìn)行位置控制，由PLC可編程控制器和計算機通過(guò)軟件完成整個(gè)控制程序，實(shí)現對單臺靜重式力標準機單獨控制和多臺靜重式力標準機同時(shí)控制。由于此種群控靜重式力標準機具有活動(dòng)橫梁，在將砝碼全部掛上后，通過(guò)動(dòng)橫梁可進(jìn)行一次性的快速加載或卸載，滿(mǎn)足快速三次預載試驗和蠕變試驗加載要求，提高了檢測效率。

之后，將各個(gè)具有獨立操作和控制功能的自動(dòng)化、智能化工序，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )和計算機系統相互連接起來(lái)，在網(wǎng)絡(luò )軟件管理下，實(shí)現信息的收集、存儲和處理。

通過(guò)多媒體視頻等多種方式進(jìn)行工藝信息表達，例如實(shí)時(shí)顯示各工藝流程生產(chǎn)狀況、質(zhì)量狀況、制程現狀（如電阻應變計固化、后固化控溫情況；零點(diǎn)溫度、靈敏度溫度補償成功率；性能測試與檢定合格率等），以便對產(chǎn)品質(zhì)量和制程運行進(jìn)行控制和管理。

四、形成數字化稱(chēng)重傳感器技術(shù)體系和基礎工藝支撐體系

應變式稱(chēng)重傳感器設計與制造形成數字化技術(shù)體系的標準是：

1. 統一的產(chǎn)品研制流程

在應變式稱(chēng)重傳感器結構與工藝流程設計中，既要吸收國內外最佳實(shí)踐流程設計，又必須具有本公司的特點(diǎn)。

2. 統一的標準規范

建立公司稱(chēng)重傳感器數字化研制標準規范，覆蓋設計、制造、工藝、檢測平臺建設等方面。

3. 統一的基礎工藝

稱(chēng)重傳感器彈性元件利用的應力不同、結構不同，其基礎制造工藝是基本相同的。必須制定共性的、科學(xué)合理的、可重復的生產(chǎn)工藝流程。

4. 統一的基礎數據庫

建立電阻應變計庫、標準件庫、原材料庫、元器件庫、通用產(chǎn)品庫等基礎共性數據庫，錄用實(shí)際數據。

5. 統一版本的軟件工具

三維設計全部采用公司統一的設計工具，以提升設計效率。但需要解決：

（1）產(chǎn)品三維標注方法；

（2）二維圖樣信息向三維模型信息轉換技術(shù)；

（3）建立有效地建模及標注方法，使三維數字樣件成為產(chǎn)品設計、制造的依據。

五、質(zhì)量管理模式創(chuàng )新

改變原有稱(chēng)重傳感器設計制造的組織模式和質(zhì)量管理方式，建立符合數字化設計制造的規章制度，以三維數字樣件及產(chǎn)品為核心，將設計、工藝、檢驗融為一體，通過(guò)實(shí)踐盡快形成一系列數字化設計制造模式下的質(zhì)量管理思路和方法。通過(guò)數字化研制大綱，明確稱(chēng)重傳感器整體研制要求；通過(guò)數字化標準規范體系，明確具體數字化工作要求；通過(guò)數字化設計的樣件驗收條件，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(guò)三維數字化設計與工藝平臺和自動(dòng)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、結束語(yǔ)

稱(chēng)重傳感器三維數字化設計制造模式的建立過(guò)程，是企業(yè)領(lǐng)導和技術(shù)人員統一思想、轉變觀(guān)念的過(guò)程，是變革與創(chuàng )新、打破舊的工作習慣，建立新的工作秩序的過(guò)程。對于我國較大型稱(chēng)重傳感器企業(yè)來(lái)講，這個(gè)過(guò)程起主導作用的關(guān)鍵因素是領(lǐng)導和技術(shù)帶頭人。這期間必然經(jīng)歷觀(guān)念的碰撞，習慣的磨合，從不了解到了解，從不認同到認同，從有些生熟到熟練應用。希望我國較大型稱(chēng)重傳感器企業(yè)，以“能用眾力，則無(wú)敵于天下；能用眾智，則無(wú)畏于圣人”的理念，集合團隊的智慧和力量將生產(chǎn)線(xiàn)的主要工序由自動(dòng)化升級為智能化，盡快實(shí)現稱(chēng)重傳感器的三維數字化設計制造。

參考文獻

【1】劉檢華．三維數字化設計制造技術(shù)推動(dòng)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(jiǎn)介：劉九卿（1937—），男，漢族，遼寧省海城市人。中國運載火箭技術(shù)研究院第七O二研究所研究員，享受?chē)鴦?wù)院政府特殊津貼專(zhuān)家?，F為中國衡器協(xié)會(huì )技術(shù)顧問(wèn)，衡器技術(shù)專(zhuān)家委員會(huì )顧問(wèn)，《衡器》雜志編委。編著(zhù)《電阻應變式稱(chēng)重傳感器》、《國家職業(yè)資格培訓教程—稱(chēng)重傳感器裝配調試工》,在有關(guān)雜志上共發(fā)表學(xué)術(shù)論文110多篇。

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