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以時間測量空間,開啟產業化發展

時間:2022-05-11

來源:中國傳動網 劉恒

導語:工業自動化用戶對測量精度的追求是永無止境的。位移傳感器在直線距離或角度檢測中發揮著重要的作用,為了突破傳統技術對機械制造“精”和“密”的依賴,通用技術集團國測時柵科技有限公司(以下簡稱:國測時柵)創新推出的時柵傳感器技術,以納米級高分辨率和高精度、高可靠性,贏得了眾多市場人士的關注。近期,本刊采訪到國測時柵董事長、總經理王勇先生,請他詳細介紹了“以時間測量空間”這一原創技術的原理、目前時柵產品的產業化進程,以及在市場應用中的實際成效。

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    通用技術集團國測時柵科技有限公司董事長、總經理 王勇

  歷經三代技術創新

       

          2021年是國測時柵的開局之年。這家由通用技術集團與重慶理工大學共同合資成立的企業,乘著中國制造業轉型升級之風,正式進軍高端裝備制造業。

  “要做成一件事,天時、地利、人和缺一不可,”王勇說,“中國制造業朝著智能化方向轉型是大勢所趨,也是中國從‘制造大國’向‘制造強國’ 邁進的必經之路,國內產業結構調整到了一個關鍵期,但在這一過程中,仍然存在著創新能力不強、高端人才培養缺乏、關鍵零部件自主供應能力不夠等問題;而從產業宏觀層面來講,當前復雜的國際形勢,特別是中美大國之間的博弈,為中國制造業的發展帶來了嚴峻的挑戰,迫切要求能夠涌現更多的創新力,引領產業繼續向前推進。正是在這一歷史時機下,國測時柵憑借獨有的創新技術,以及核心技術團隊多年來的研發積累,致力于為中國制造業的升級貢獻自己的一份力量?!?/p>

  國測時柵這項創新技術的核心理念就是——“以時間測量空間”。早在1996年,由彭東林教授首次提出了“以時間測量空間”的概念,與通常使用的直接用空間去測量空間的方式(如光柵尺)不同,時柵技術利用人類發展至今測量精度最高的時間量,通過構建出一個非常穩定的勻速速度場,用測量出的

  兩點之間運動的高精密時間量,乘以勻速運動的平均速度,即可得到兩點之間的空間距離。因此,如何能夠構建出一套勻速的運動參考系,是時柵技術這些年來經歷三代演進的技術核心。

  王勇介紹道,第一代時柵技術主要是通過電機運動的方式來構建運動參考系,保證速度足夠勻速、均勻,測量精度可達到毫米級,更重要的是,它從原理上驗證了“以時間測量空間”的可行性;從2000年開始,第二代時柵技術采用基于磁場的方式,測量精度可達微米級(μm);為了進一步簡化結構、提高測量分辨率,2010年起,通過直接采用交變電場形成的勻速運動參考系,第三代時柵技術問世,它大幅縮短了整個信號的傳遞鏈,使得測量精度進一步提升,分辨率一躍上升至納米級,這也是現階段國測時柵主力的產品技術路線; 未來還會將原子自旋技術引入到時柵里來,通過提高時間的測量基準,最終實現更高精度的測量目的。

  時柵技術的創新之處在于,它突破了人們以往對于空間測量固有的思維“藩籬”,使得測量精度不再依賴于刻線或者是加工精度,而是根據形成的一個勻速運動參考系的原理來實現,同時它也打破了國內高端制造領域的發展“瓶頸”,為裝備行業的高精密化提供了一條切實可行的技術路線。

  

時柵技術發展歷程及獲得的專利、獎項.png

時柵技術發展歷程及獲得的專利、獎項1.png

  時柵技術發展歷程及獲得的專利、獎項

  跋涉產業化道路

  正是憑借著“以時間測量空間”這一創新技術,從公司成立之時起,國測時柵就迅速展開了產業化發展的道路。

  目前,國測時柵推出的產品主要分為兩大類:一類是測量直線位移的(封閉式\敞開式)直線時柵傳感器;另一類是(分體式\一體式)圓時柵位移傳感器,主要用于測量角度?;谶@兩大標準產品系列,又根據尺寸分為不同的規格型號,例如:外徑從100-200cm的圓時柵,以及有效量程從150 -850 mm的直線時柵等,以符合各種不同類型應用場景的需求。

  從測試數據來看,目前國測時柵推出的直線時柵,其測量精度可達到±3μm,圓時柵的測量精度則可達到±1″。絕對式直線時柵和圓時柵產品的測量精度均已經可以和國際知名品牌的高端光柵產品相媲美。對測量精度的追求是永遠沒有止境的,未來一段時間內,國測時柵將基于交變電場技術,持續朝著更高測量精度的方向發展,以適應高端數控機床(主軸、轉臺)、量具\量儀(激光干涉儀、對照儀、分度臺)等領域對高精密加工和測量精度的使用要求。

  除此之外,在實際應用中,由于時柵產品基于交變電場的技術原理,主要是通過感應的方式來獲取信號,即使柵面上有粉塵、油污,或是受到振動、沖擊時,只要通電以后能夠感應到電信號,時柵就可以正常工作,因此產品對環境的適應性較強,可靠性也更高。另據介紹,與國外同等性能水平的光柵相比,目前國測時柵推出的產品可以為用戶節省20%-30%的使用成本。

  實際上,國測時柵的產業化發展也面臨著一個大好時機, 在當前全球制造業供應鏈趨緊、機器制造商對于上游零部件供應提出更高訴求的趨勢下,國測時柵現階段主推產品的關鍵芯片(如FPGA等)、原材料等都采用的是國產器件,并且產品全部都在國內完成生產制造,因此可以保證1-2個月快速、穩定的交貨期,為客戶解決了后顧之憂。

  王勇表示道:“接下來,我們今年會陸續向市場推出5-6 款新產品,以滿足直驅電機、機床主軸、轉臺等不同行業市場的應用需求,短期內我們的目標是要達到4-5萬套的年生產能力?!?/p>

  布局行業應用市場

  科技成果產業化的最重要目標是經得起市場的驗證,通過對客戶應用的深度挖掘,能夠真正滿足各項細微需求?,F階段,數控機床、直驅電機、量具\量儀等領域都是國測時柵重點開拓的細分市場,并且已經在這些行業應用中取得了一定的成果。

  王勇介紹道:“例如在機床領域,交貨期和價格往往是這類行業用戶所面對的主要‘痛點’,可選擇的產品技術并不多,而我們的時柵產品能夠在機床的轉臺和主軸上做匹配,為用戶提供一種新的技術解決方案,不但產品性能得到了用戶的肯定,并且幫助他們克服了交貨期和產品價格等難題,獲得了很好的應用效果,目前已有十余家機床行業廠商正在申請和我們配合做相應的測試工作,因此現在我們的一項很重要的工作任務就是快速生產出足夠量的測試件,加快對市場的開拓速度?!?/p>

  據了解,某臺灣機床企業在了解到國測時柵這一創新型技術之后,對時柵產品非常感興趣,于是主動找到國測時柵尋求合作,通過采用國測時柵開發的時柵傳感器產品,目前該客戶機床的加工精度可達到±1.5μm,基本符合客戶的應用要求, 未來國測時柵還計劃將精度提高至±1μm。與此同時,國測時柵也積極與通用技術集團內部的企業展開合作,倚重集團在機床行業領域的特有優勢,以及公司雄厚的技術研發實力,深耕高端數控機床市場。

  

國測時柵開發的產品系列1.png

國測時柵開發的產品系列2.png

  國測時柵開發的產品系列

  在另一個大應用領域——直驅電機市場上,對于直線電機或DDR馬達的應用,國測時柵同樣也在緊鑼密鼓地布局之中。相對于機床行業而言,直驅電機領域的使用要求有其不同之處,主要表現為用戶更注重于時柵傳感器的成本和可靠性,而對于測量精度的指標要求則并不會太高。為此,國測時柵在滿足用戶對產品性能要求的前提下,采用優化的產品設計方案和國產化元器件,同時通過對供應鏈的嚴格管控,達成產品性能、價格之間的平衡,為直驅市場提供更高性價比的時柵產品。

  另外,國測時柵也正在和一些量具、量儀(分度臺、激光干涉儀等)領域的用戶展開合作,為他們專門開發出了增量式產品,滿足這類用戶的實際應用需求。

  值得一提的是,除了提供標準的時柵產品之外,國測時柵還能夠根據客戶具體的技術要求或是不同的應用場景,為他們做定制化的產品開發。例如,對于各種不同類型機床的主軸、轉臺,國測時柵可以針對測量精度、分辨率、數控系統的通信協議接口、環境應用特點等技術指標,提供更適合的定制化產品解決方案,大幅提升用戶的滿意度。

  2021年10月,國測時柵團隊的科研成果——“大量程納米時柵位移測量技術及器件”作為35項具有代表性的重點項目之一,亮相國家“十三五”科技創新成就展,全面展示出中國高端裝備關鍵功能部件研發的創新能量。截至目前,國測時柵相關的研究成果已獲得國家技術發明二等獎1項、中國專利金獎1項、重慶市技術發明一等獎2項,同時獲得國內外專利37 項。中國經濟正轉向高質量發展階段,智能制造已勢不可擋, 秉承著致敬中國制造的情懷與初心,國測時柵將發揚中國制造的原創精神,肩負時代賦予的使命,打造“科學裝置+國家工程中心+產業化基地”三合一平臺,助力高端制造邁上一個新的臺階。


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