歷經(jīng)三代技術(shù)創(chuàng)新

工業(yè)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(fā)揮著重要的作用，為了突破傳統(tǒng)技術(shù)對機械制造“精”和“密”的依賴，通用技術(shù)集團國測時柵科技有限公司（以下簡稱：國測時柵）創(chuàng)新推出的時柵傳感器技術(shù)，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(guān)注。近期，本刊采訪到國測時柵董事長、總經(jīng)理王勇先生，請他詳細介紹了“以時間測量空間”這一原創(chuàng)技術(shù)的原理、目前時柵產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進程，以及在市場應用中的實際成效。

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

“要做成一件事，天時、地利、人和缺一不可，”王勇說，“中國制造業(yè)朝著智能化方向轉(zhuǎn)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(jīng)之路，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整到了一個關(guān)鍵期，但在這一過程中，仍然存在著創(chuàng)新能力不強、高端人才培養(yǎng)缺乏、關(guān)鍵零部件自主供應能力不夠等問題；而從產(chǎn)業(yè)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(yè)的發(fā)展帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，迫切要求能夠涌現(xiàn)更多的創(chuàng)新力，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)繼續(xù)向前推進。正是在這一歷史時機下，國測時柵憑借獨有的創(chuàng)新技術(shù)，以及核心技術(shù)團隊多年來的研發(fā)積累，致力于為中國制造業(yè)的升級貢獻自己的一份力量?！?/span> 

國測時柵這項創(chuàng)新技術(shù)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(shù)利用人類發(fā)展至今測量精度最高的時間量，通過構(gòu)建出一個非常穩(wěn)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(gòu)建出一套勻速的運動參考系，是時柵技術(shù)這些年來經(jīng)歷三代演進的技術(shù)核心。

王勇介紹道，第一代時柵技術(shù)主要是通過電機運動的方式來構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)、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(shù)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(xiàn)階段國測時柵主力的產(chǎn)品技術(shù)路線；未來還會將原子自旋技術(shù)引入到時柵里來，通過提高時間的測量基準，最終實現(xiàn)更高精度的測量目的。 

時柵技術(shù)的創(chuàng)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(jù)形成的一個勻速運動參考系的原理來實現(xiàn)，同時它也打破了國內(nèi)高端制造領(lǐng)域的發(fā)展“瓶頸”，為裝備行業(yè)的高精密化提供了一條切實可行的技術(shù)路線。

跋涉產(chǎn)業(yè)化道路

正是憑借著“以時間測量空間”這一創(chuàng)新技術(shù)，從公司成立之時起，國測時柵就迅速展開了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的道路。

目前，國測時柵推出的產(chǎn)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(chǎn)品系列，又根據(jù)尺寸分為不同的規(guī)格型號，例如：外徑從100-200cm的圓時柵，以及有效量程從150-850mm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(shù)據(jù)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(chǎn)品的測量精度均已經(jīng)可以和國際知名品牌的高端光柵產(chǎn)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(nèi)，國測時柵將基于交變電場技術(shù)，持續(xù)朝著更高測量精度的方向發(fā)展，以適應高端數(shù)控機床（主軸、轉(zhuǎn)臺）、量具\量儀（激光干涉儀、對照儀、分度臺）等領(lǐng)域?qū)Ω呔芗庸ず蜏y量精度的使用要求。

除此之外，在實際應用中，由于時柵產(chǎn)品基于交變電場的技術(shù)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(chǎn)品對環(huán)境的適應性較強，可靠性也更高。另據(jù)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(chǎn)品可以為用戶節(jié)省20%-30%的使用成本。 

實際上，國測時柵的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展也面臨著一個大好時機，在當前全球制造業(yè)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(xiàn)階段主推產(chǎn)品的關(guān)鍵芯片（如FPGA等）、原材料等都采用的是國產(chǎn)器件，并且產(chǎn)品全部都在國內(nèi)完成生產(chǎn)制造，因此可以保證1-2個月快速、穩(wěn)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(xù)向市場推出5-6款新產(chǎn)品，以滿足直驅(qū)電機、機床主軸、轉(zhuǎn)臺等不同行業(yè)市場的應用需求。我們的目標是要達到4-5萬套的年生產(chǎn)能力。”

布局行業(yè)應用市場

科技成果產(chǎn)業(yè)化的最重要目標是經(jīng)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(xiàn)階段，數(shù)控機床、直驅(qū)電機、量具\量儀等領(lǐng)域都是國測時柵重點開拓的細分市場，并且已經(jīng)在這些行業(yè)應用中取得了一定的成果。

王勇介紹道：“例如在機床領(lǐng)域，交貨期和價格往往是這類行業(yè)用戶所面對的主要‘痛點’，可選擇的產(chǎn)品技術(shù)并不多，而我們的時柵產(chǎn)品能夠在機床的轉(zhuǎn)臺和主軸上做匹配，為用戶提供一種新的技術(shù)解決方案，不但產(chǎn)品性能得到了用戶的肯定，并且?guī)椭麄兛朔私回浧诤彤a(chǎn)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(yè)廠商正在申請和我們配合做相應的測試工作，因此現(xiàn)在我們的一項很重要的工作任務(wù)就是快速生產(chǎn)出足夠量的測試件，加快對市場的開拓速度?！?/span>

據(jù)了解，某臺灣機床企業(yè)在了解到國測時柵這一創(chuàng)新型技術(shù)之后，對時柵產(chǎn)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(fā)的時柵傳感器產(chǎn)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(shù)集團內(nèi)部的企業(yè)展開合作，倚重集團在機床行業(yè)領(lǐng)域的特有優(yōu)勢，以及公司雄厚的技術(shù)研發(fā)實力，深耕高端數(shù)控機床市場。

在另一個大應用領(lǐng)域——直驅(qū)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(yè)而言，直驅(qū)電機領(lǐng)域的使用要求有其不同之處，主要表現(xiàn)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(chǎn)品性能要求的前提下，采用優(yōu)化的產(chǎn)品設(shè)計方案和國產(chǎn)化元器件，同時通過對供應鏈的嚴格管控，達成產(chǎn)品性能、價格之間的平衡，為直驅(qū)市場提供更高性價比的時柵產(chǎn)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(lǐng)域的用戶展開合作，為他們專門開發(fā)出了增量式產(chǎn)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(chǎn)品之外，國測時柵還能夠根據(jù)客戶具體的技術(shù)要求或是不同的應用場景，為他們做定制化的產(chǎn)品開發(fā)。例如，對于各種不同類型機床的主軸、轉(zhuǎn)臺，國測時柵可以針對測量精度、分辨率、數(shù)控系統(tǒng)的通信協(xié)議接口、環(huán)境應用特點等技術(shù)指標，提供更適合的定制化產(chǎn)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(shù)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(chuàng)新成就展，全面展示出中國高端裝備關(guān)鍵功能部件研發(fā)的創(chuàng)新能量。截至目前，國測時柵相關(guān)的研究成果已獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項、中國專利金獎1項、重慶市技術(shù)發(fā)明一等獎2項，同時獲得國內(nèi)外專利37項。中國經(jīng)濟正轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)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(fā)揚中國制造的原創(chuàng)精神，肩負時代賦予的使命，打造“科學裝置+國家工程中心+產(chǎn)業(yè)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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