以时间测量空间,开启产业化发展

文:2022年第二期


历经代技术创新

工业自动化用户对测量精度的追求是永无止境的。位移传感器在直线距离或角度检测中发挥着重要的作用,为了突破传统技术对机械制造“精”和“密”的依赖,通用技术集团国测时栅科技有限公司(以下简称:国测时栅)创新推出的时栅传感器技术,以纳米级高分辨率和高精度高可靠性,赢得了众多市场人士的关注。近期,本刊采访到国测时栅董事长、总经理王勇先生,请他详细介绍了“以时间测量空间”这一原创技术的原理、目前时栅产品的产业化进程,以及在市场应用中的实际成效。

2021年是国测时栅的开局之年。这家由通用技术集团与重庆理工大学共同合资成立的企业,乘着中国制造业转型升级之风,正式进军高端装备制造业。

“要做成一件事,天时、地利、人和缺一不可,”王勇说,“中国制造业朝着智能化方向转型是大势所趋,也是中国从‘制造大国’向‘制造强国’迈进的必经之路,国内产业结构调整到了一个关键期,但在这一过程中,仍然存在着创新能力不强、高端人才培养缺乏、关键零部件自主供应能力不够等问题;而从产业宏观层面来讲,当前复杂的国际形势,特别是中美大国之间的博弈,为中国制造业的发展带来了严峻的挑战,迫切要求能够涌现更多的创新力,引领产业继续向前推进。正是在这一历史时机下,国测时栅凭借独有的创新技术,以及核心技术团队多年来的研发积累,致力于为中国制造业的升级贡献自己的一份力量。” 

国测时栅这项创新技术的核心理念就是——“以时间测量空间”。早在1996年,由彭东林教授首次提出了“以时间测量空间”的概念,与通常使用的直接用空间去测量空间的方式(如光栅尺)不同,时栅技术利用人类发展至今测量精度最高的时间量,通过构建出一个非常稳定的匀速速度场,用测量出的两点之间运动的高精密时间量,乘以匀速运动的平均速度,即可得到两点之间的空间距离。因此,如何能够构建出一套匀速的运动参考系,是时栅技术这些年来经历代演进的技术核心。

王勇介绍道,第一代时栅技术主要是通过电机运动的方式来构建运动参考系,保证速度足够匀速、均匀,测量精度可达到毫米级,更重要的是,它从原理上验证了“以时间测量空间”的可行性;从2000年开始,第二代时栅技术采用基于磁场的方式,测量精度可达微级(μm);为了进一步简化结构、提高测量分辨率,2010年起,通过直接采用交变电场形成的匀速运动参考系,第三代时栅技术问世,它大幅缩短了整个信号的传递链,使得测量精度进一步提升,分辨率一跃上升至纳米级,这也是现阶段国测时栅主力的产品技术路线;未来还会将原子自旋技术引入到时栅里来,通过提高时间的测量基准,最终实现更高精度的测量目的。 

时栅技术的创新之处在于,它突破了人们以往对于空间测量固有的思维“藩篱”,使得测量精度不再依赖于刻线或者是加工精度,而是根据形成的一个匀速运动参考系的原理来实现,同时它也打破了国内高端制造领域的发展“瓶颈”,为装备行业的高精密化提供了一条切实可行的技术路线。

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跋涉产业化道路

正是凭借着“以时间测量空间”这一创新技术,从公司成立之时起,国测时栅就迅速展开了产业化发展的道路。

目前,国测时栅推出的产品主要分为两大类:一类是测量直线位移的(封闭式\敞开式)直线时栅传感器;另一类是(分体式\一体式)圆时栅位移传感器,主要用于测量角度。基于这两大标准产品系列,又根据尺寸分为不同的规格型号,例如:外径从100-200cm的圆时栅,以及有效量程从150-850mm的直线时栅等,以符合各种不同类型应用场景的需求。 

从测试数据来看,目前国测时栅推出的直线时栅,其测量精度可达到±3μm,圆时栅的测量精度则可达到±1。绝对式直线时栅和圆时栅产品的测量精度均已经可以和国际知名品牌的高端光栅产品相媲美。对测量精度的追求是永远没有止境的,未来一段时间内,国时栅将基于交变电场技术,持续朝着更高测量精度的方向发展,以适应高端数控机床(主轴、转台)、量具\量仪(激光干涉仪、对照仪、分度台)等领域对高精密加工和测量精度的使用要求。

除此之外,在实际应用中,由于时栅产品基于交变电场的技术原理,主要是通过感应的方式来获取信号,即使栅面上有粉尘、油污,或是受到振动、冲击时,只要通电以后能够感应到电信号,时栅就可以正常工作,因此产品对环境的适应性较强,可靠性也更高。另据介绍,与国外同等性能水平的光栅相比,目前国测时栅推出的产品可以为用户节省20%-30%的使用成本。 

实际上,国测时栅的产业化发展也面临着一个大好时机,在当前全球制造业供应链趋紧、机器制造商对于上游零部件供应提出更高诉求的趋势下,国测时栅现阶段主推产品的关键芯片(如FPGA等)、原材料等都采用的是国产器件,并且产品全部都在国内完成生产制造,因此可以保证1-2个月快速、稳定的交货期,为客户解决了后顾之忧。

王勇表示道:“接下来,我们今年会陆续向市场推出5-6款新产品,以满足直驱电机、机床主轴、转台等不同行业市场的应用需求。我们的目标是要达到4-5万套的年生产能力。”

 

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布局行业应用市场

科技成果产业化的最重要目标是经得起市场的验证,通过对客户应用的深度挖掘,能够真正满足各项细微需求。现阶段,数控机床、直驱电机、量具\量仪等领域都是国测时栅重点开拓的细分市场,并且已经在这些行业应用中取得了一定的成果。

王勇介绍道:“例如在机床领域,交货期和价格往往是这类行业用户所面对的主要‘痛点’,可选择的产品技术并不多,而我们的时栅产品能够在机床的转台和主轴上做匹配,为用户提供一种新的技术解决方案,不但产品性能得到了用户的肯定,并且帮助他们克服了交货期和产品价格等难题,获得了很好的应用效果,目前已有十余家机床行业厂商正在申请和我们配合做相应的测试工作,因此现在我们的一项很重要的工作任务就是快速生产出足够量的测试件,加快对市场的开拓速度。”

据了解,某台湾机床企业在了解到国测时栅这一创新型技术之后,对时栅产品非常感兴趣,于是主动找到国测时栅寻求合作,通过采用国测时栅开发的时栅传感器产品,目前该客户机床的加工精度可达到±1.5μm,基本符合客户的应用要求,未来国测时栅还计划将精度提高至±1μm。与此同时,国测时栅也积极与通用技术集团内部的企业展开合作,倚重集团在机床行业领域的特有优势,以及公司雄厚的技术研发实力,深耕高端数控机床市场。

在另一个大应用领域——直驱电机市场上,对于直线电机或DDR马达的应用,国测时栅同样也在紧锣密鼓地布局之中。相对于机床行业而言,直驱电机领域的使用要求有其不同之处,主要表现为用户更注重于时栅传感器的成本和可靠性,而对于测量精度的指标要求则并不会太高。为此,国测时栅在满足用户对产品性能要求的前提下,采用优化的产品设计方案和国产化元器件,同时通过对供应链的严格管控,达成产品性能、价格之间的平衡,为直驱市场提供更高性价比的时栅产品。

另外,国测时栅也正在和一些量具、量仪(分度台、激光干涉仪等)领域的用户展开合作,为他们专门开发出了增量式产品,满足这类用户的实际应用需求。

值得一提的是,除了提供标准的时栅产品之外,国测时栅还能够根据客户具体的技术要求或是不同的应用场景,为他们做定制化的产品开发。例如,对于各种不同类型机床的主轴、转台,国测时栅可以针对测量精度、分辨率、数控系统的通信协议接口、环境应用特点等技术指标,提供更适合的定制化产品解决方案,大幅提升用户的满意度。

202110月,国测时栅团队的科研成果——“大量程纳米时栅位移测量技术及器件”作为35项具有代表性的重点项目之一,亮相国家“十三五”科技创新成就展,全面展示出中国高端装备关键功能部件研发的创新能量。截至目前,国测时栅相关的研究成果已获得国家技术发明二等奖1项、中国专利金奖1项、重庆市技术发明一等奖2项,同时获得国内外专利37项。中国经济正转向高质量发展阶段,智能制造已势不可挡,秉承着致敬中国制造的情怀与初心,国测时栅将发扬中国制造的原创精神,肩负时代赋予的使命,打造“科学装置+国家工程中心+产业化基地”三合一平台,助力高端制造迈上一个新的台阶。

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