精密测量体系与装备制造质量

精密測量对提升制造质量的基础作用，体现在计量、标准、合格评定三个方面。落实到企业的时候，除了这三大要素，再加上认证认可形成的质量保障体系，形成面向企业的一个测量体系。中国制造要由中低端向中高端迈进，首先要在精密测量领域对标国际，通过补齐、追齐和跨越的方式，成为超精密测量领域的引领者。

对标先进国家测量体系

在讨论提升我国高端装备制造质量时，我们可以对标一下四次工业革命发展的历程，特别是和这一历程中的德国进行对标。因为德国在第一次工业革命的时候，也经历过和我们类似的追赶和大量仿造、质量缺失这样一个过程。1887年，由于德国低廉产品的竞争，英国市场很混乱，所以英国议会就出了一个《商标法》，要把低劣的德国产品和高质量的英国产品区分开。这个法律具有侮辱性，它的出台使德国朝野非常震动，举国反思。反思的结果很有价值，德国人得出的结论很具体，即没有精密的测量就没有精密的产品。在这个认识统一以后，德国人马上行动起来，由西门子出资在柏林建立德国计量院，这个计量院是现代意义上的国家计量院。它是从标准建立一直到车间里面的测量都有涉及。由于有了这个计量院，德国的产品质量迅速提升。

第二次工业革命的时候，德国已经具备了精密工程能力，质量战略使得德国迅速崛起。这期间德国生产出来以精密坐标测量机为代表的一批精密装备与仪器，建立起了完整的精密测量体系，对高端装备制造形成强有力的支撑。

第三次工业革命时期，德国率先进入了超精密工程阶段，成为名副其实的质量强国，形成了自己的品牌。这期间它培育起了一批顶尖超精密制造与仪器企业，建立了完整的超精密测量体系。现代的德国虽然不大，但拥有世界品牌2300多个。

测量体系对整个制造业能有多大的拉动作用呢？美国商务部评估报告指出，仪器产值仅占工业总产值的4%，但是对于国民生产总值GNP的拉动作用达66%。

超精密制造和超精密测量能力支撑了以光刻机为代表的高端超精密装备。德国并不生产光刻机，光刻机的生产目前主要在荷兰。但是，荷兰不生产零件，只是组装、调试和售后服务，绝大部分的零件都生产于德国。也就是说，德国生产光刻机也是没有问题的。

到了第四次工业革命期间，德国人率先提出了工业4.0的概念。从德国的发展历程可以知道，德国是从第二次工业革命以后稳扎稳打，解决了产品的质量问题，然后再稳步进入后面的智能制造阶段。

现在我们和德国进行对标。第一次工业革命期间我们还处在农业社会。第二次工业革命时，我们赶上了最后10年，即1949—1959年。这个期间我们初步形成了装备制造能力，而且在某些点上迈向了精密工程，在局部形成了精密测量能力。这期间我们还制造出了万吨水压机这样的装备，这里面有些零件就是精密级的，而且这个精密级零件要通过测量才能保证质量。

第三次工业革命期间，我国成为世界第一制造大国，2018年我国的制造总量已经超过了美国、日本、德国的总和。但是，我们的很多制造设备还谈不上高端。尽管如此，我们还是一只脚跨进了超精密工程，特别是在国防领域，形成了超精密测量能力。

现在，第四次工业革命来了，我们发现工业2.0要补课，3.0要追齐，4.0要同步。我们的精密级测量还没有做完，要追平，要补齐。

我国提升高端装备制造质量面临的测量手段挑战

目前支撑产品质量的测量手段分为三个部分：一个部分是我们有测量能力，但是这个测量是一种由局部代替整体的测量。比如在图纸上标注圆柱体尺寸的时候，一般就测一个截面，再测一个竖线，这是一个复合类的测量方法。即便是这样的测量，我们在很多方面也不具备完备的测量手段。第二部分是我们还不能实现全部测量。比如平板显示生产线，我们可能是8块面板中抽出一块测量，或者6块里面抽出一块来测量，而且测量玻璃也是测几个点，所以良率很难控制。第三个部分是根本没有测量能力的。如果用这样的测量精度来支撑国家的高端装备发展，特别是支撑整个制造业的质量提升，是很困难的。

鉴于以上情况，提升高端装备制造质量面临的挑战，大概有三个。第一个是整体性问题，我们的测量体系不完整;第二个是测量手段呈现碎片化特征，有些仪器发明或者有些仪器的研发、生产，都是在很多点上进行的，不成体系;第三个是精密化问题，测量对质量支撑的作用，我们的认识严重不足。

关于整体性问题，以几何量为例，德国有123项国家标准装置，我们只有80项。德国是有选择地发展装备制造业，而我们是什么都制造，从这个意义上说我们国家缺少的基标准就更多了。国家的计量基标准都是在国家计量院。就我们的80项国家标准装置而言，在向下传达的时候，首先要传达到大区级，再到省部级，再到市一级，每一级都会损失一些参数。我考察过很多省市的计量院，他们没有几台基标准装置，国家有的这几台标准装置到了省一级已经损失了不少参数，等到工厂的时候，已经没有几个参数能传达了。这样一个测量体系是需要改善的。

关于碎片化，是指我们的制造特别是我们的测量，在定义的层面基本上是学习前苏联的，主要是面向零件级别的。即使是零件级，实际上我们也测不全。我把我们的图纸和德国的图纸进行对照，发现标注的参数中我们有大量缺失，有些标出来的参数我们也测不了，所以干脆就没标。这样我们的零件在制造的时候，质量就很难控制。另外，不仅装备层需要装备，整机测量层也需要装备，整机完成以后对性能的测试层面我们的仪器也大量缺失，用通用仪器来完成专用工艺的测量是很难的，有些是实现不了的。所以，我们现有的测量手段都是碎片化的。

比如说光刻机上的一个微晶承载台，它有108项尺寸公差和62项形状、位置、方向公差，还有内部应力等技术要求，这一个零件就需要20多个仪器，我们对这些都有规划吗？还有光刻机，有3万多个光机零件，其中70%是超精密级的，需要600多种超精密测量仪器。这些仪器我们90%是没有的。还有200多种超精密测量单元、上千种超精密传感器，这些我们都没有规划。所以，我们做自己的光刻机面临很多挑战。

我们要充分认识到，只有通过精确测量，才能准确找到产品质量不合格的地方。同时，我们只有对测量数据进行大量积累和分析，才能发现不合格的根源。

精密测量对提升制造质量的基础作用

精密测量对提升制造质量的基础作用，我们需要从计量、标准、合格评定三个方面来探讨。我们需要构建完整的国家测量体系。国际测量联合会和国际标准化组织曾经联合制定了一个国家质量保障体系，它把计量、标准、合格评定三个方面定位为未来世界经济可持续发展的三大支柱。他们定位定得高，而且定位很明确，这是总结了发达国家的发展经验。落实到企业的时候，计量、标准、合格评定三大要素，再加上认证认可形成的质量保障体系，形成面向企业的一个测量体系。

要赶上甚至超过国外的测量质量、制造质量，我们应该怎么做？我们看看发达国家的做法。例如美国，他们通过大量的数据积累和软件，从不同的途径提升测量水平。比如实验室里的激光干涉仪，在从528升级到529的时候，他们没有改动任何硬件，而是把新的软件嵌入进去，使得分辨率提高了一个数量级，价格提升了一倍。再如，引力波在刚被探测出来的时候，它的测试分辨率很差，但是美国人通过建立模型和软件计算，成功测试、证实了引力波。因此，美国在软件上是有巨大优势的。德国人靠硬技术、靠机器。日本强调工匠精神，但是他们都是以大量测量数据为基础的。我们国内的一些企业家和工程技术人员经常有一个错觉，就是质量是靠先进的制造装备来保障的，而从和发达国家的对比可以知道，只有先进的制造装备是非常不够的。

我们的发展机遇和发展方向

我们的优势在哪里呢？我们的优势可能是工业大数据。我们买遍了差不多世界上各个国家的工作母机，它们都在中国运行着，会积累大量的数据。如果我们学习美国的软件、德国的硬技术和日本的工匠精神，加上以充实的测量手段，使后续的数据得到延续和积累，这会给我们创造赶超优势。

高端装备是工作母机制作出来的，工作母机的精度要比高端装备的精度高三到五倍，那么工作母机的精度谁来保证呢？是超精密测量仪器。超精密测量仪器的精度要比工作母机高出一个数量级，这样才能保证工作母机的精度。从精密的角度来说，超精密仪器是高端中的高端，我们要充分认识到它的作用。

凯尔文有一句名言，只有测量出来，才能制造出来。2018年世界计量大会决定，7个基本量都采用物理常数重新定义。这意味着我们遇到了一个发展机遇。我们现在的量值传递体系，中间经历了一个漫长的中间环节，从上级传导到下一级，等这个量值传到车间时，有价值的参数已经所剩无几了，再加上车间的测量手段也是碎片化的，這样的测量体系不可能支撑高质量产品的生产。7个基本量都采用物理常数重新定义以后，这个量值传递体系的中间环节都不需要了。它采用一种许可制，使用物理常数来复现基本量。用户只要有足够的经费，就可以把很多基本量自己复现出来，不用再去溯源了。用户觉得哪个国家的哪个基本量更好，用户就直接向他溯源，不一定都在我们国家计量院溯源，这就是传递体系扁平化，可以建立起最简洁的国家计量体系。

我们还有一个机遇是数字化。比如，西门子通过软件来提升数字化程度，大量抛售硬件公司，比如汽车、家电、照明等领域的公司，然后收购其他软件公司。2014年，西门子建立了数字化工厂集团，向数字化工业迈进，然后又大力推广数字孪生双胞胎。这两件事做完以后，它的产品制造周期由原来的18个月降低到8个月，制造成本降低到原来的三分之一，产品质量全面提升。

智能制造的网络化可以把工厂的外网和工厂的内网结合起来，可以避免一些技术机密流失，同时又利用了外网的一些资源，这是一种构建方式。还有一种构建方式，是以5G为工业物联网平台的数字化工厂，5G已经解决了抗干扰的问题。数字化升级后，就没有必要布光纤网，直接用5G就可以了。

从德国的企业发展看，德国是先发展数字化，再网络化，最后是智能化。对我们国家而言，应该发挥后发优势，三个阶段共同发展。

本文根据谭久彬院士在国家制造强国建设专家论坛（宁波）上的主题演讲速记稿整理而成。