〖學習與探討〗稱重傳感器設計制造模式的發展與創新

【摘要】“工業4.0“的核心是制造業數字化、智能化；《中國制造2025》的精髓是工業化與信息化深度融合，以”創新驅動、結構優化、質量為先、綠色發展”作為制造業發展的指導方針。本文就稱重傳感器企業如何將信息技術與制造技術融合，實現數字化、網絡化、智能化的設計與制造，探討了稱重傳感器結構設計模式創新；制造工藝模式創新；關鍵制造工序推進自動化、智能化改造；建立數字化稱重傳感器技術體系和基礎工藝支撐體系等問題，介紹了三維數字化設計制造的基本途徑，供稱重傳感器企業推進數字化、智能化制造參考。

【關鍵詞】稱重傳感器；設計制造模式；數字化；網絡化；智能化；三維數字化設計制造

一、概述

在 “工業4.0”新一輪工業革命來臨之時，我國不失時機的提出了“中國制造2025”戰略，將給我國制造業注入強大的發展動力，也給傳感器行業帶來無限發展商機。  “中國制造2025”的核心驅動力是抓智能制造，它是解決中國制造業由大國變強國的根本路徑。“中國制造2025”是升級版的中國制造，體現：四大轉變、一條主線和八大對策。

四大轉變：由要素驅動向創新驅動轉變；由低成本競爭優勢向質量效益競爭優勢轉變；由資源消耗大、污染物排放多的粗放制造向綠色制造轉變；由生產型制造向服務型制造轉變。

一條主線：以體現信息技術與制造技術深度融合的數字化、網絡化、智能化制造為主線。

八大對策：推行數字化、網絡化、智能化制造；提升產品設計能力；完善制造業技術創新體系；強化制造基礎；提升產品質量；推行綠色制造；培養具有全球競爭力的企業群體和優勢產業；發展現代制造服務業。

稱重傳感器行業如何落實“中國制造2025”發展戰略，如何將信息技術與制造技術深度融合實現數字化、網絡化、智能化設計與制造，是行業內較大型企業必須面對的課題。近年來，三維數字化設計制造能力已經成為國內外企業競爭的核心，是實現企業研制能力變革的支點和突破口，這一具有風向標性質的變化應引起稱重傳感器企業高度重視。盡管應變式稱重傳感器的原理和制造工藝決定了它不能象機器零部件那樣自動化、智能化無縫連接生產線大批量生產，但也應該用互聯網思維升級稱重傳感器的結構設計與制造工藝，使其盡量接近數字化、智能化或部分數字化、智能化生產。互聯網是共性和基礎，稱重傳感器企業管理層必須用信息化的手段和互聯網思維審視企業、再造企業。剖析企業的主要元素，一個是人，一個是事，企業的轉型無外乎就是人的轉型和事的轉型。稱重傳感器結構設計與制造工藝的數字化、智能化改造，就從人和事開始，即從人的設計理念和制造工藝流程開始，實現結構設計與制造工藝模式創新。

二、稱重傳感器結構設計模式創新

我國應變式稱重傳感器企業目前多采用兩種設計方法，其一是傳統設計法，就是古典計算方法+經驗，為半理論、半經驗設計，不能實現最佳設計，對彈性元件的邊界影響、支承剛度和應力集中等很難作出分析，為一些中、小型企業所采用。其二是現代設計法，它是傳統設計理論的延伸，多種設計技術、理論與方法的綜合，即建立數學模型，利用有限元法進行計算與分析。其特點是：設計手段精確化、計算機化，但仍需要實物模裝、實物試驗與測試，為大型企業普遍采用。

長期以來，國內外稱重傳感器企業都在探索一種科學合理、經濟高效的產品設計與制造方法，以支持產品設計、制造、檢測、應用等全生命周期各個階段的數據定義和傳遞。基于模型定義（MBD，Modcl  Based  Dtfinition）技術的出現為解決這一難題提供了一種有效的途徑。模型定義技術是將產品的所有相關設計定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產品三維模型的數字化定義方法之中，為三維數字化設計制造提供了理論基礎。

處于國際市場引導者地位的稱重傳感器制造企業，早在幾年前就開始了結構設計模式創新，基于模型定義技術實現了三維數字化設計制造。其特點是：改變原有的稱重傳感器設計方式，從設計工具改造入手，建立具有自主知識產權的三維數字樣件快速設計平臺。包括：彈性元件總體結構快速設計與計算；引入載荷和承受載荷的邊界條件影響分析；引入載荷的壓頭、承受載荷的底墊和安裝平臺組合分析與設計子系統。建立稱重傳感器總體結構的三維數字樣件，以數字模裝替代實物模裝，實現總體結構與附件的”提前見面“，發現和解決不協調問題。從理論分析與計算、總體結構與附件設計上，保證稱重傳感器性能波動最小。

三、稱重傳感器制造工藝模式創新

1. 生產模式創新

打破傳統的稱重傳感器制造方式，實施制造工藝與彈性元件及其附件批量生產線創新。改變原有圖紙分發模式，基于電子分發流程，實現從設計到制造三維模型直接到生產線。與傳統二維圖紙分發相比，即提高了工作效率，又縮短了工藝準備周期。由于全面采用了結構化、三維可視化手段，有利于實現三維工藝設計與檢驗，保證了彈性元件具有較高的尺寸、形位精度和產品的均一性。

2. 關鍵制造工序推進自動化、智能化改造

應變式稱重傳感器的生產過程是支持工藝、基礎工藝、核心工藝和特殊工藝的科學運用和集成。其中核心制造工藝在稱重傳感器整個生產過程中起關鍵作用，突出的表現在電阻應變計粘貼、固化與后固化；零點溫度與靈敏度溫度補償；性能測試與檢定工序。盡管應變式稱重傳感器的原理和制造工藝決定了其生產線的工序之間很難無縫連接，但在互聯網思維逐步滲透到各個企業的今天，稱重傳感器的制造工藝也要革命性的創新，否則就有波淘汰出局的危險。處于國際市場引導者地位的稱重傳感器制造企業的經驗是：對關鍵制造工序推進自動化、智能化改造，首先將對稱重傳感器質量影響大的要害制造工序自動化、智能化。

電阻應變計粘貼工序——電阻應變計在彈性元件上的粘貼質量和定位誤差，對稱重傳感器的準確度和穩定性至關重要，所以此項核心工藝多采用機器人定位、刷膠、粘貼電阻應變計，并配有自動安裝加壓夾具的輔助系統，保證了電阻應變計在彈性元件應變區的粘貼質量和定位尺寸的均一性。

固化和后固化工序——是在規定溫度下、一定時間內應變膠粘劑本身交連，并與彈性元件表面產生附著作用而牢固結合的過程。固化工藝的三要素是固化溫度、升溫速率、保溫時間。粘結強度隨固化溫度的提高而增大，但要防止固化溫度過高或過低，以免出現過固化：使膠層變脆，粘結強度減小，疲勞壽命降低；欠固化：使膠層分子鍵聚合不牢固，出現蠕滑效應，蠕變大。為此電阻應變計固化和后固化多采用隧道式自動化、智能化加溫控溫烘道。隧道式加溫控溫烘道，控溫精度高、工作段溫度均勻性好，固化、后固化完成后應變膠粘劑物理和機械性能的均一性好，為提高稱重傳感器的工作可靠性和長期穩定性打下堅實基礎。

零點溫度與靈敏度溫度補償工序——是保證稱重傳感器具有優良溫度性能指標的關鍵制造工序，多采用高效智能零點溫度和靈敏度溫度補償測試系統。該系統硬件由接口單元、大型高低溫試驗箱及箱內的接線單元、高穩定度激勵電源、數據采集單元、微機系統、打印機構成，并有強大的稱重傳感器零點和靈敏度溫度補償軟件。自動控溫的大型高低溫箱的控溫精確度高，溫度均勻性好。如是多種類型稱重傳感器可以設置不同的系統編號，以便歸檔和數據查詢。

性能測試與檢定工序——較大量程稱重傳感器的性能測試與檢定，在無縫連接的自動化、智能化控制的多臺疊加式力標準機上進行，自動打印測試數據，自動判別是否合格，并剃出不合格產品。較小量程稱重傳感器的性能測試與檢定在群控靜重式力標準機系統進行，一般在生產線上分別設置了50kg、500kg、2000kg群控靜重式力標準機系統。它由多臺靜重式力標準機、高低溫試驗箱和控制系統組成，具有拉伸、壓縮雙向加載功能。該控制系統按程序對砝碼和動橫梁通過光電傳感器進行位置控制，由PLC可編程控制器和計算機通過軟件完成整個控制程序，實現對單臺靜重式力標準機單獨控制和多臺靜重式力標準機同時控制。由于此種群控靜重式力標準機具有活動橫梁，在將砝碼全部掛上后，通過動橫梁可進行一次性的快速加載或卸載，滿足快速三次預載試驗和蠕變試驗加載要求，提高了檢測效率。

之后，將各個具有獨立操作和控制功能的自動化、智能化工序，通過網絡和計算機系統相互連接起來，在網絡軟件管理下，實現信息的收集、存儲和處理。

通過多媒體視頻等多種方式進行工藝信息表達，例如實時顯示各工藝流程生產狀況、質量狀況、制程現狀（如電阻應變計固化、后固化控溫情況；零點溫度、靈敏度溫度補償成功率；性能測試與檢定合格率等），以便對產品質量和制程運行進行控制和管理。

四、形成數字化稱重傳感器技術體系和基礎工藝支撐體系

應變式稱重傳感器設計與制造形成數字化技術體系的標準是：

1. 統一的產品研制流程

在應變式稱重傳感器結構與工藝流程設計中，既要吸收國內外最佳實踐流程設計，又必須具有本公司的特點。

2. 統一的標準規范

建立公司稱重傳感器數字化研制標準規范，覆蓋設計、制造、工藝、檢測平臺建設等方面。

3. 統一的基礎工藝

稱重傳感器彈性元件利用的應力不同、結構不同，其基礎制造工藝是基本相同的。必須制定共性的、科學合理的、可重復的生產工藝流程。

4. 統一的基礎數據庫

建立電阻應變計庫、標準件庫、原材料庫、元器件庫、通用產品庫等基礎共性數據庫，錄用實際數據。

5. 統一版本的軟件工具

三維設計全部采用公司統一的設計工具，以提升設計效率。但需要解決：

（1）產品三維標注方法；

（2）二維圖樣信息向三維模型信息轉換技術；

（3）建立有效地建模及標注方法，使三維數字樣件成為產品設計、制造的依據。

五、質量管理模式創新

改變原有稱重傳感器設計制造的組織模式和質量管理方式，建立符合數字化設計制造的規章制度，以三維數字樣件及產品為核心，將設計、工藝、檢驗融為一體，通過實踐盡快形成一系列數字化設計制造模式下的質量管理思路和方法。通過數字化研制大綱，明確稱重傳感器整體研制要求；通過數字化標準規范體系，明確具體數字化工作要求；通過數字化設計的樣件驗收條件，將對樣件的要求等同為正式產品的要求納入質量管理體系；通過三維數字化設計與工藝平臺和自動化、智能化生產工序的網絡化管理，控制批量生產的產品質量。

六、結束語

稱重傳感器三維數字化設計制造模式的建立過程，是企業領導和技術人員統一思想、轉變觀念的過程，是變革與創新、打破舊的工作習慣，建立新的工作秩序的過程。對于我國較大型稱重傳感器企業來講，這個過程起主導作用的關鍵因素是領導和技術帶頭人。這期間必然經歷觀念的碰撞，習慣的磨合，從不了解到了解，從不認同到認同，從有些生熟到熟練應用。希望我國較大型稱重傳感器企業，以“能用眾力，則無敵于天下；能用眾智，則無畏于圣人”的理念，集合團隊的智慧和力量將生產線的主要工序由自動化升級為智能化，盡快實現稱重傳感器的三維數字化設計制造。

參考文獻

【1】劉檢華．三維數字化設計制造技術推動產品研制模式重大變革．2012年PLM征文。

【2】范玉青．基于模型定義技術及其實施．航空制造技術．2012.．6。

作者簡介：劉九卿（1937—），男，漢族，遼寧省海城市人。中國運載火箭技術研究院第七O二研究所研究員，享受國務院政府特殊津貼專家。現為中國衡器協會技術顧問，衡器技術專家委員會顧問，《衡器》雜志編委。編著《電阻應變式稱重傳感器》、《國家職業資格培訓教程—稱重傳感器裝配調試工》,在有關雜志上共發表學術論文110多篇。

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