完整 智能 兼容 开放——访北京工业大学机电学院石照耀教授

本刊记者/Reporter 汪 艺/WANG Yi



检测技术及应用

完整 智能 兼容 开放
——访北京工业大学机电学院石照耀教授

Integral, intelligent, compatible, open
——Interview with Mr SHI Zhaoyao, the professor of School of Mechanical and Electronic Engineering, Beijing University of Technology

本刊记者/Reporter 汪 艺/WANG Yi

石照耀：工学博士，博士生导师，教育部长江学者特聘教授。因其在精密测量技术及仪器和齿轮工程领域做出的重要贡献入选科学中国人(2010)年度人物。

现为国际标准化组织ISO TC60(齿轮技术委员会)委员、先进成形技术与装备国家重点实验室特聘专家、机械传动国家重点实验室学术委员会委员、中国仪器仪表学会机械量测试技术及仪器分会副理事长、全国齿轮标准化技术委员会副主任，曾任机械工业部成都工具研究所副总工程师。

迄今，获国家科技进步二等奖1次，获授权发明专利26项，发表论文130多篇、专著1本。

随着测量工具从光栅尺、三坐标测量仪到在线测量机的不断发展，以及互联网、大数据等技术和平台的突飞猛进，现在机床行业的测量技术已今非昔比，为了对这个领域有更深刻的了解，本刊记者就本期主题采访了北京工业大学机电学院石照耀教授。

个人成就

在测试技术领域：解决了特大齿轮测量、微小齿轮测量、生产现场齿轮快速检测等难题，解决了长期制约齿轮整体误差测量技术应用的瓶颈问题，发明了齿轮波度样板。提出了“以小测大”的特大型零件激光跟踪测量方法，提出了“免形状(Form-free)测量”的概念。

在齿轮传动领域：发现了齿轮传动中的“逆序啮合”现象，提出了齿轮副整体误差的概念及其载荷作用下的分析方法，揭示了齿轮配对机理、提出了齿轮配对降噪新方法、开发出智能配对技术、为解决大批量成品齿轮的合理利用问题找到了途径。

在精密机械领域：研制了一系列大型精密测量机。发现了阿贝原则涉及的5要素、解密了其隐含的3个条件，提出了广义阿贝原则。提出了二维共平面导轨的新结构，在精密和超精密工程领域有较好的应用前景。

在标准方面，参与了机械基础性标准《齿轮精度ISO1328》的制定，是系列行业和国家标准的起草者。

特大型齿轮测量——激光跟踪在位测量

石教授以特大型齿轮精密测量为例，阐述了特大型齿轮激光跟踪在位测量原理及几项关键技术。特大型齿轮通常是指直径大于3 000 mm的齿轮，主要应用于发电、建材、舰船、矿山机械、海洋工程等领域，在国民经济及国防建设中起着重要作用。大齿轮测量主要有两种方式: 一是将被测齿轮置于仪器上进行“离位测量”，主要仪器是齿轮测量中心和三坐标测量机; 另一种是“在位测量”。在位测量又分为在机床上对齿轮进行测量的“在机测量”和将仪器置于齿轮上的“上置式测量”。

在位测量中如何确立测量仪器与被测齿轮的位置关系，可分解为两个基本问题: 其一是根据齿轮的位置如何确定测量仪器的姿态; 其二是齿轮轴线(或基准面)与测量仪器的真实空间距离的确定。围绕这2个关键问题，提出了特大型齿轮的激光跟踪在位测量方法。该方法利用激光跟踪仪在大尺寸测量和定位方面的优点，将激光跟踪仪用于确定被测齿轮和三维测量平台的位置关系，通过建立工件坐标系和测量坐标系的精确关系，实现齿轮特征线的测量。在位测量系统的实测结果表明：特大型齿轮激光跟踪在位测量系统原理正确可行，满足6级以下特大型齿轮的精密测量。

校准数控装备理想设备——激光追踪仪

石教授以激光追踪仪(Laser Tracer)为例，说明了在数控装备校准领域的一个进步。目前，机床运动精度的检测方法主要有三种: 一是利用球杆仪(DBB)直接测量刀具的轨迹误差。该方法操作简便，测量效率和测量精度都比较高。但是由于其先天的设计缺陷导致机床在高速进给时测量精度不稳定，使得球杆仪的测量精度很难达到微米级。二是利用激光干涉仪直接测量机床的各项几何误差。该方法测量精度高，但是对不同误差进行测量时要搭建不同的测量光路，对整台机床各项误差进行测量的检测周期长，测量效率低。三是利用传统商业激光跟踪仪直接测量机床空间位置坐标值，从而实现对机床各项几何误差的分离。该方法避免不了传统商业激光跟踪仪在设计上存在较大系统误差的缺点，导致该方法测量精度低，使其适用性受到限制。因此，上述方法不能完全满足高精度、快速检测的要求。激光追踪仪(Laser Tracer)的出现，克服了上述方法缺陷，能实现数控机床和坐标机的快速高精度检测。Laser Tracer 不同于传统跟踪仪采用球坐标测量原理，而只测量目标点的距离，通过多台组合测量或单台的转站测量，实现机床和坐标机的高精度检测，其测距是通过内置的一台高分辨力、高精度的激光干涉仪实现的。实践表明，相比传统商业激光跟踪仪几十微米的测量精度，Laser Tracer的测量精度能够达到亚微米。在测量速度方面，Laser Tracer 能够实现2个小时内完成对5轴机床所有误差曲线的绘制。基于此，Laser Tracer无疑成为了校准数控装备的理想设备。

数据丰富高效精确——检测技术现状

石教授介绍说，机床行业检测技术进步很大，目前具体表现有四个主要特征：(1)检测手段越来越丰富；(2)从机床到工件以及加工制造各个环节都能检测，检测参数越来越多，效率越来越高，总体上是检测精度越来越高；(3)将检测得到的机床静态误差、动态误差和温度误差统一考虑并进行综合修正；(4)对大量检测数据集中分析、实时反馈并实现机床微调加工，形成完整的闭环检测，保证了目前精密机床的加工质量。

完整智能兼容开放——检测技术未来发展方向

关于检测技术未来发展方向，石教授谈到他们团队今年申请并获批的一个国家自然科学基金重点资助项目：下一代齿轮测量的基础理论与关键技术研究。这个项目以齿轮为例，目标是下一代测量的基础理论和关键技术研究。

基于对所做工作的不断思考和对测量技术演变的整体考察，石教授提出了一个基本观点，即检测技术与工业4.0在时间进程上虽有不同，但是在发展历程上同样经历了三代：(1)100多年前主要是机械式、量具式检测；(2)上世纪30-60年代出现了机电结合的检测技术；(3)上世纪70年代至今，计算机通过数据处理、控制和反馈融入到检测过程中。未来检测技术会是什么方向？石教授介绍说，由于检测手段的丰富以及互联网等技术和平台的发展，从设计、制造、终检到使用全生命周期中都能获取检测数据，如何将这些数据融合起来，上传到数据云端，并让供货商、用户等所有相关人士能充分共享和利用这些数据，将是下一代检测技术的发展方向。下一代检测将基于云平台实现数据共享、基于大数据实现知识挖掘和积累，工件检测数据将得到充分运用。下一代检测技术具有完整、智能、兼容、开放四个特点：信息数据涵盖全过程具有完整性；数据获取和评价自动完成具有智能性；不同CAD软件、不同机床、不同检测机的数据获取上传分析的接口具有兼容性；上传到云端的数据为业界共享并提供交流互助的平台具有开放性。

这个观点和项目也得到业界专家和企业家的重视，认为如果实现会有很好的市场前景。石教授说，这个设想目前已具备变成现实的客观条件，是因为很多技术已经成熟，比如在线检测等技术成熟、测量机功能强大等使得完整数据的获得具有可能性；云平台和物联网技术比较成熟使得数据可以共享，等等。现在需要统合已有的成熟技术，解决大数据处理、质量评价和接口等基础理论和关键技术，使得检测数据在这个体系中充分交流，将数据变成知识，为大家共享，共同促进检测技术的进步！