与未来智能工厂齐头并进——CMM厂商的应变之道

与未来智能工厂齐头并进
——CMM厂商的应变之道

编者按

亚拉文☒戈文丹（Aravind Govindan）是弗若斯特沙利文咨询公司测试与测量研究小组的高级研究分析师。全球制造业处于转型的开始期，智能工厂和自动化成为了趋势。这种趋势也使得质量控制流程中的关键技术发生了明显的改变。本文发表于2014年12月的《质量杂志》，介绍了CMM技术如何紧跟智能工厂的发展步伐，进行第三次技术革命。

全球制造业处于转型的开始期，对智能工厂和自动化的重视已成为趋势。这些趋势旨在完善质量控制流程。在制造工厂中，质量控制流程是至关重要的，并且在过去二十年中经历了巨大变化。但是，大型制造商继续投入超过5%的制造成本，用于打造有效的质量控制流程。

在过去的十年中，发展中国家在全球制造业份额约为35%。美国、德国、法国、意大利和英国等所谓的传统工业经济体的制造业份额不断下滑，因为东方的劳动力成本更低。印度、中国、巴西和其他南亚国家使得发达经济体复兴制造业的整体复杂性进一步增加，因为这些经济体的劳动力成本更廉价，其中产阶级不断壮大，并出台了支持外商直接投资的配套改革方案。

发达国家正尝试通过推动智能工厂的理念重振制造业，而东方国家也在增加投资，以提高生产效率。诸多因素对制造技术产生了显著影响，如质量控制流程中使用的三坐标测量机（coordinate measuring machine，CMM）。

市场速览：成熟市场加剧了竞争

弗若斯特沙利文咨询公司的研究表明，2013年，独立运行的CMM带来了超过17亿美元的收入，其中60%是由桥式CMM贡献的。在汽车和航空航天工业中，CMM用于起落架、驱动总成、制动系统反推力装置及其他关键部件的检测。这一市场的集中度很高，最知名有蔡司（Carl Zeiss）、海克斯康（Hexagon Metrology）、三丰（Mitutoyo）和温泽（Wenzel）等领先企业。在航空航天市场，用于测量涡轮叶片的大型桥式CMM也存在利基市场机会。

龙门式CMM和横臂机广泛应用于车身、大型工具、组件和飞机外部机身的检测。与横臂机相比，关节臂测量机（简称关节臂）的价格更低、精确度更高，受到越来越多企业的青睐。

法如科技（F A R O Technologies）的FaroArm关节臂和海克斯康的Romer关节臂机等产品本质上是便携式CMM，可以轻松围绕厂房进行精确的三维测量。关节臂市场是全球空间计量市场中增长速度最快的领域之一，2013年增长率超过6%。虽然关节臂不太可能在某些应用领域进行CMM级别的测量，但自从20世纪80年代，关节臂在汽车和航空航天工业的渗透度已经显著增加了。

第一次革命：独立式CMM

到目前为止，CMM市场已经经历了三次渐进性革命，提高了质量流程的效率。第一代CMM是一个独立产品。在这一阶段，最终用户仍然需要把制造的部件运送到测量室，才能进行尺寸测量。

采取这种做法，主要因为CMM在热不稳定环境无法产生准确的结果。即使在今天，独立式CMM仍占到CMM市场总收入的70%以上。随着全球化的发展，在现有能力范围内开展生产和检验对于控制成本而言至关重要。为CMM单独装配测量室需要消耗大量的时间和精力，而且需要工人把组件搬到测量室才能进行检查。为了应对这一挑战，CMM制造商设计了一种新型的产品。

第二次革命：在线式CMM

在第二次革命中，出现了专门针对工厂环境设计的CMM，可以在恶劣的环境中继续提供准确的测量结果。这样的CMM被称为车间CMM或在线式CMM。蔡司和海克斯康继续在车间CMM市场占据主导地位，产品型号分别是Duramax和4.5.4 SF。例如，海克斯康的4.5.4 F CMM的测量范围为355毫米×514毫米×353毫米，在环境温度下最大容许探测误差值为3.1+（3L/ 1000）微米。与之类似，Duramax的测量范围为500毫米×500毫米×500毫米，具有高达+30℃的温度稳定性。Duramax还配有一个ZEISS VAST XXT扫描传感器，可以提高精度和测量速度。

每一个革命的周期都不断缩短，这个现象非常有趣，但更重要的是，CMM制造商必须认清一个事实，即每一个新的革命的预计持续时间都比之前一次革命短得多。大部分车间CMM制造商已经见证了这一事实。自从车间CMM获得了最终用户的欢迎后，对于CMM制造商来说，下一个合乎逻辑的机会就应该是系统自动化。数控铣床实现了自动化之后，最终用户都在寻找解决方案，试图将自己的CMM也进行自动化，用于部件的测量。海克斯康、蔡司、三丰、温泽、Coord3、Aberlink和Helmel等企业推出了车间CMM，以适应客户的需求。这些机器也有自动化的能力。将数控铣床和自动化反馈回路结合，以便根据CMM和铣床之间传输的数据，对公差进行实时调节。

第三次革命：内嵌式CMM

在当前这次革命中，（内嵌式）自动化解决方案带来了高效的生产环境。智能工厂是造成这一趋势的关键因素，而调整战略定位、适应最终用户需求改变的CMM制造商屈指可数。内嵌式CMM是一个高度自动化的系统，其设计初衷是可以集成到自动生产线当中。这些系统必须为所制造的零件提供高速检测。这些解决方案包括Itaca Metrology的Flexgauge、三丰公司的Mach V 和Kogame、Helmel的Cellmaster、蔡司的扫描CMM（如CenterMax、GageMax、O-inspect和VoluMax等），它们是内嵌式结构测量机（带有CT传感器的CMM）的代表。

伴随着全球产业的大规模融合，智能工厂革命中可能出现的转型，传统的界限正在迅速消失。在未来，CMM制造商需要重新进行思考，并在研发能力方面进行大量投资，才能在这个迅速发展的市场存活下去。否则，传统CMM制造商将很难保持领先地位。令人惊讶的是，工业自动化公司和系统集成商逐渐获得了智能工厂的关注，脱颖而出，将成为新的市场领导者。然而，借助战略联盟，传统的CMM制造商可以生存下来，可能提供终生的解决方案。

对于一些CMM制造商来说，提供产品和解决方案，并成为一个更大的生态系统的组成部分，这是他们乌托邦式的设想。例如，一个CMM制造商可以与一家自动化公司建立一个战略联盟，以便销售更多的内嵌式CMM。另外，CMM制造商可以与其他计量公司建立伙伴关系，提供综合的内嵌式测量解决方案，除了CMM以外，还提供内嵌式计量技术、扫描仪和影像测量机等。

海克斯康最近推出的测量解决方案叫做360°SIMS。该解决方案的设计初衷是专门帮助汽车制造商打造100%的自动化三维检查过程。360°SIMS解决方案提供了龙门式CMM、水平臂、白光扫描仪、内嵌式计量和激光扫描仪等技术。解决方案的主要特点是在产品周期内进行完整的表面检查，和100%的车身、部件和分部装配的检验。根据应用领域的不同，在冲压、车身车间和总装分厂内，设计了内嵌式、在线式和离线式自动化单元。

结论

通过分析CMM市场的三次革命（独立式、在线式和内嵌式），可以明显看出。在研发、产品设计和营销策略的框架内，CMM制造商已经接受了一个概念，也就是智能工厂是在不断发展的。历史趋势和CMM市场最终用户的行为表明，独立式CMM带来的收入可能是最大的。尽管如此，不能忽视最终用户生产设施发生的迅速转变。智能工厂可能会对三维测量产品和解决方案产生深远的影响。最终用户很可能会采取更加整体的方法，以打造质量检验流程。

在未来，最终用户会要求使用特定应用技术，在生产周期内完成质量检验。一些传统的CMM公司已经预见这样的最终用户趋势，并提供与其他技术结合的CMM，如扫描仪和视觉测量机，以确保或维持市场领导地位。

（赵灿 编译）