中国仪器仪表学术、产业大会(CIC)主题报告

　　2012年26日，北京，“中国仪器仪表学术、产业大会(China Instrumentation Congress, CIC)”在北京友谊宾馆召开。CIC是由中国仪器仪表学会主办的学术与产业相融合的重要大会，定位为学术与产业大会，旨在搭建仪表测控行业官、产、学、研、用相互交流与学习的平台。

　　会议期间，邀请政府部门、科研机构、院校、企业等知名专家、学者、产业界精英，围绕“测控科技引领智能装备制造业”这一主题，展开报告和讨论，内容包括制造业的数字化与智能化、超精密仪器、测量技术、磁悬浮技术等。

会议现场

中国工程院院长 周济

　　中国工程院周济院长做了《制造业的数字化与智能化》的报告。报告分为四个部分。

　　依靠技术创新，实现由“制造大国”到“制造强国”的历史性跨越

　　在原始性创新方面 ，我们还有很大的差距，但在今后20年相信我们在数字化智能化核心技术方面，中国制造业完全可以实现战略性的重点突破、重点跨越，实现与西方最发达并行甚至超越，这是一个重大的战略抉择。总之，我们将推动中国制造业发展走上创新驱动的轨道，在今后20年，实现我国从“制造大国”到“制造强国”的跨越式发展。

　　“制造业数字化智能化”是新的工业革命的核心技术

　　 先进制造业创新主要包括三个方面：一是产品创新——数控一代和智能一代的机械产品；二是制造技术创新——数字化和智能化集成制造技术；三是产业模式创新。数字化智能化不仅是实现机械产品创新的共性使能技术，并且它深刻地改革制造业的生产模式和产业形态，是新的工业革命的核心技术。

　　仪器仪表的数字化智能化

　　仪器仪表是制造业的基础部件，是制造业数字化智能化的基础和关键，也是制造业发展的难点，因而是制造业发展的重点。仪器仪表的水平决定了制造业数字化智能化的发展。数字技术在仪器仪表中的应用不但使其性能、精度得到了快速提升，而且为仪器仪表的更新换代、产品升级以及实现进一步的高精度、高性能，特别是多参数在线实时测控与自动测控，高稳定、高可靠、高适应性多功能、低消耗等提供了巨大动力和发展空间。

　　以工程化产业化为主线，推进中国制造业数字化智能化

　　工程化产业化将科技创新与产业发展紧紧地融合在一起，是科技创新的重要组成部分，是促进产业结构调整、全面提升产业核心竞争力的决定性因素，是推动制造业数字化智能化的核心和重点，是创新驱动发展的关键。进一步解放思想，进行有组织创新、集成创新和协同创新，最大限度解放和发展科学技术第一生产力，特别是推动科学技术成果的工程化产业化。

　　展望未来20年。到2020年，中国机械产品全面应用数控技术，总体升级为“数控一代”，中国制造业基本普及数字化技术，并在若干领域实现一定程度的智能化。

　　到2030年，中国机械产品总体升级为“智能一代”，中国制造业在主要领域全面推行智能化制造模式，整体上走到世界前列，为中国的现代化做出战略性、关健性、基础性的贡献。

天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室 邾继贵教授

　　天津大学邾继贵教授代表工程院叶声华院士做了《先进制造中的数字化测量》的报告。

　　面向批量制造中的数字化测量

　　1. 批量制造与精密测量

　　2. 测量技术及其设备

　　3. 面向产品数字化设计的测量

　　4. 制造过程控制中的测量

　　5. 与制造设备集成的在位测量

　　6. 产品质量控制及运行中的测量

　　其中批量制造与精密测量紧紧相关。例如，产品的设计阶段的逆向工程与3D建模，批量生产阶段的在线测量与过程监控，生产准备阶段的设备调试与工艺匹配，产品阶段的质量检验

　　数字化测量方法与技术

　　数字化测量方法与技术大多是光电测量，光电测量手段是最重要的一类测量类型，其中基于视觉原理的视觉非接触测量方法则是近年来获得高度重视和广泛应用的工业测量手段，特点是：非接触、信息量大、易于集成、支持条件日益成熟。光电测量包括：

　　1. 激光干涉测量

　　2. 激光三角测量

　　3. 激光衍射测量

　　4. 通用坐标测量

　　5. 视觉测量

　　重点介绍基于视觉测量的测量方法。包括立体视觉测量，单摄像机视觉，移动视觉，视觉测量系统。涉及以下几个原理：

　　立体视觉测量原理——双摄像机立体视觉原理。由两个摄像机提供的4个角度观测值，空间交汇得到空间点的三维坐标。

　　单摄像机测量原理——构造光学成像光路，讲一个图像传感器分解为两个区域，虚拟双摄像机成像。通过控制摄像机的成像姿态，增加约束条件，实现三维坐标测量。

　　激光平面结构光原理——单摄像机提供2个角度观测值（空间直线），和另一个预先定义的光平面交汇得到空间点的三维（2.5维）坐标。

　　移动视觉测量（近景数字摄像测量）——通过单个相机的移动，在不同的站位上测量被测物体的方位角度，多重强约束空间交汇三维坐标测量（自标定）。

　　完整工业视觉测量系统的构建

　　在构建过程中需要解决测量尺度空间问题、测量特征可达性问题、测量时间以效率问题等问题。基于此介绍了以下四个系统：

　　1. 固定式多传感器测量系统

　　2. 机器人柔性视觉测量系统

　　3. 大空间移动视觉测量系统

　　4. 视觉通用坐标系统

　　视觉通用坐标系统采用高精度数字相机，辅以控制光源技术，实现高精度的空间角度测量，再运用交汇条件，解算空间三维坐标。基于视觉通用坐标测量对于大尺度工业现场、在线测量问题解决提供了一个平台技术和手段。有别于其他视觉测量方法，通过坐标测量在参数、精度、范围、效率等方面有更高要求。

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哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所所长 谭久彬教授

　　哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所所长谭久彬教授做了《超精密仪器与高端装备制造》的报告。

　　超精密仪器与高端装备制造的关系

　　高端装备体现在三个方面。一是技术上高端。表现为知识、技术密集，体现多学科和多领域高、精、尖技术的交叉与集成。二是价值链高端。具有高附加值特征。三是产业链的核心部件。其发展水平决定产业链的整体竞争力。

　　高端制造业既包括传统制造业的高端部分，也包括新兴产业的高端部分。我们主要讨论高端装备中的精密/超精密装备。

　　超精密仪器技术是源于超精密加工与装备技术，为完成超精密测量/计量/测试使命而形成的高端仪器技术，其精度水平比超精密装备制造精度高1/3~1个数量级。

　　引导超精密加工精度提升的手段“只有测量出来，才能加工出来”。高端装备制造对超精密仪器技术的依赖程度更高。

　　超精密仪器技术的地位

　　1. 决定高端装备的制造能力与水平

　　精度是高端装备的生命，装备精度的高低取决于仪器的精度水平。

　　2. 高端装备制造的基础

　　没有一流的仪器，就没有一流的装备，仪器技术的落后必然导致装备技术的落后。

　　3. 引领装备技术发展的火车头

　　仪器与装备有相同或相近的核心单元技术。

　　4. 超精密仪器业本身以形成高端装备产业

　　例如，德国蔡司、莱司、马尔，英国泰勒，美国安捷伦。

　　5. 大国必争的战略高技术

　　建立了系统的研发、生产与质量保障体系。包括，大学：新原理探索、核心技术基础研究；企业研发部门：样机研发；企业生产部门：产品生产与优化；仪器质量监管部门：德国PTB、美国NIST、英国NPL。

　　我国超精密仪器技术的现状

　　工业发达国家，在先进装备制造领域，仪器的投入占1/3；在高端装备制造领域，仪器的投入占1/2；在尖端和高可靠性装备领域，仪器的投入大于1/2。

　　而我国超精密仪器技术的现状很不乐观。国外一流仪器对我国技术封锁；国外二流仪器基本占领我国科技领域和产业界；大型精密仪器95%以上依赖进口；中国超精密装备制造能力与水平受制于国外仪器；中国科学家是一支没有自己装备的学术队伍；“用中国仪器装备中国”成为亟待解决的重大问题。

　　我国超精密仪器产业化发展存在的问题

　　1. 理念问题。比如，海克斯康公司，集全球技术优势，集成生产高端三坐标测量机，年产达4000余台，年产值约80亿元；而中国某仪器公司，所有部件全部自己生产，却集成低端的三坐标测量机，年产只有几十台，面临停产。

　　2. 企业自主创新能力较低。

　　3. 企业承接新技术成果能力较低。

　　4. 产学研体系的构建非常困难。

　　5.超精密仪器产业链尚未捡建起来。

　　适于国情的超精密仪器产业化模式的探索

　　1. 充分发挥工科大学研究所自主创新能力强的优势

　　超精密仪器核心单元技术研究；超精密仪器集成技术研究；仪器原理样机研发；仪器工程样机研发。

　　2. 超精密仪器核心单元技术研究进展

　　超精密回转基准技术；超精密直线运动基准技术；超高分辨率激光共焦显微/测量技术；超精密快速激光干涉测量技术；超精密激光自准直技术；超精密传感技术；纳米分辨力微驱动技术；超低频气浮弹簧基础技术。

　　3. 充分发挥目前国家对高端仪器产业化的政策支持

　　高起点建立超精密仪器企业；将原创新团队中的工程技术人员剥离出来，作为企业研发和生产团队的核心，充分利用两个团队结合的优势；企业的二次开发平台与大学研究所的一次研发平台形成系统；产学研人才一体化、平台一体化、技术一体化。

　北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院院长 房建成教授

　　北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院院长房建成教授做了《高速高能量密度磁悬浮电机技术及其在新一代节能环保装备中的应用》的报告。

　　航天器姿态控制磁悬浮惯性执行机构技术

　　高分辨率对地观测系统重大专项需求。例如90时年代美国高分辨卫星，分辨率就达<0.1米，卫星平台姿态稳定精度10-5 O/s，寿命>10年，而目前我国高分辨卫星的分辨率只有1米，卫星平台姿态稳定精度10-3~10-4 O/s，寿命仅有3~5年。缺乏高精度、长寿命飞轮和小型控制力矩陀螺成为卫星平台“卡脖子”问题。

　　载人航天工程重大专项。姿态控制惯性执行机构是我国载人航天三期工程12项关键技术之一。中国神舟飞船已实现载人和太空行走，到2015年将实现空间实验室（10~20吨）在轨，预计寿命>10年，2020年实现我国第一个空间站（60吨）在轨，预计寿命20年，这需要中型控制力矩陀螺和大型控制力矩陀螺的支撑。长寿命、高精度的中型、大型控制力矩陀螺，成为载人航天工程的一个技术瓶颈。

　　磁悬浮支承技术的优势。我国惯性执行机构的瓶颈。机械轴承支承寿命受限于轴承的接触磨损，力矩精度10-3 Nmr量级，最高转速3000-5000 r/min，会产生不平衡振动；磁悬浮支承可实现长寿命，力矩精度10-5 Nmr量级，最高转速30000-50000 r/m，只有微小振动，而且可控。解决机械轴承带来的我国惯性机构寿命短、精度低的瓶颈问题，近十几年来主要对新型磁悬浮飞轮技术、单框架磁悬浮控制力矩陀螺技术、双框架磁悬浮控制力矩陀螺技术等方面展开研究。

　　高速磁悬浮永磁电机技术及应用国外研究现状

　　1. 我国压缩机、增压泵用低速感应电机与国外压缩机、增压泵磁悬浮高速电机对比

　　国内现有压缩机、增压泵采用感应电机，功率100kW，重量达1200kg，电机转速低，<3000转/分钟；国外高速压缩机、增压泵采用磁悬浮高速永磁电机，功率100kW，重量只有100kg，电机转速高达60,000转/分钟，节能38.5%。

　　2. 国外采用磁悬浮高速电机的增压泵、压缩机系统，可大幅节能

　　大功率磁悬浮高速永磁电机，采用磁悬浮高速永磁电机替代现有常规电机且省去了增速箱环节。效率大大提高，可节省30%~40%；系统体积可减少80%~90%；无摩擦功耗，寿命长、噪音小、无污染；小电流启动，对电网冲击小。国外已形成产品，国内尚属空白。例如，瑞典ABB公司的磁悬浮高速永磁电机（2005年产品），额定功率：100kW；重量：70kg；最高转速：70000 r/min；磁轴承类型：纯电磁轴承；节能：40.5%。

　　磁悬浮压缩机产品。例如，丹麦Danfoss公司的磁悬浮压缩机产品（2006年）。额定功率：55kW；重量：传统压缩机的1/5；最高转速：48000 r/min；磁轴承类型：混合磁悬浮轴承；节能：35%。

　　以及磁悬浮水轮发电机、磁悬浮储能飞轮等。

　　北航高速高能量磁悬浮永磁电机技术研究进展

　　节能环保及高端装备制造被列为国家七大战略新兴产业之一，迫切需要“绿色高速动力机械”。提高电动机能效水平对我国当前的节能减排工作有重要意义。全国总用电量中，工业用电量占75%；工业用电量中，电动机的用电量占70%。采用磁悬浮高速永磁电机，会有明显的节能效果。

　　依托北航2007年度国家技术发明一等奖“卫星新型姿控储能两用飞轮技术”成果，向民用领域转化。2010年在财政部“重大科技成果转化项目”支持下，总经费5000万，开展了大功率磁悬浮高速永磁电机研制。2011年2月研制成功2.2kW磁悬浮永磁电机，2011年6月研制成功磁4kW悬浮永磁电机，2012年3月研制成功100kW磁悬浮永磁电机。突破多项关键技术。

　　北航高速磁悬浮永磁电机在节能环保装备中的应用研究

　　研制成功重大科学仪器设备（超高真空磁悬浮复合分子泵），并进行成果转化，依托优势企业推进产业化；与西安交通大学合作研制315kW磁悬浮高速鼓风机（无增速齿轮箱）、30kW、100kW磁悬浮压缩机（无增速齿轮箱）；与沈阳发动机设计研究所合作研制大推重比航空多电磁悬浮发动机。