與未來(lái)智能工廠齊頭并進(jìn)
——CMM廠商的應(yīng)變之道

與未來(lái)智能工廠齊頭并進(jìn)
——CMM廠商的應(yīng)變之道

編者按

亞拉文?戈文丹（Aravind Govindan）是弗若斯特沙利文咨詢公司測(cè)試與測(cè)量研究小組的高級(jí)研究分析師。全球制造業(yè)處于轉(zhuǎn)型的開(kāi)始期，智能工廠和自動(dòng)化成為了趨勢(shì)。這種趨勢(shì)也使得質(zhì)量控制流程中的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)生了明顯的改變。本文發(fā)表于2014年12月的《質(zhì)量雜志》，介紹了CMM技術(shù)如何緊跟智能工廠的發(fā)展步伐，進(jìn)行第三次技術(shù)革命。

全球制造業(yè)處于轉(zhuǎn)型的開(kāi)始期，對(duì)智能工廠和自動(dòng)化的重視已成為趨勢(shì)。這些趨勢(shì)旨在完善質(zhì)量控制流程。在制造工廠中，質(zhì)量控制流程是至關(guān)重要的，并且在過(guò)去二十年中經(jīng)歷了巨大變化。但是，大型制造商繼續(xù)投入超過(guò)5%的制造成本，用于打造有效的質(zhì)量控制流程。

在過(guò)去的十年中，發(fā)展中國(guó)家在全球制造業(yè)份額約為35%。美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、意大利和英國(guó)等所謂的傳統(tǒng)工業(yè)經(jīng)濟(jì)體的制造業(yè)份額不斷下滑，因?yàn)闁|方的勞動(dòng)力成本更低。印度、中國(guó)、巴西和其他南亞國(guó)家使得發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體復(fù)興制造業(yè)的整體復(fù)雜性進(jìn)一步增加，因?yàn)檫@些經(jīng)濟(jì)體的勞動(dòng)力成本更廉價(jià)，其中產(chǎn)階級(jí)不斷壯大，并出臺(tái)了支持外商直接投資的配套改革方案。

發(fā)達(dá)國(guó)家正嘗試通過(guò)推動(dòng)智能工廠的理念重振制造業(yè)，而東方國(guó)家也在增加投資，以提高生產(chǎn)效率。諸多因素對(duì)制造技術(shù)產(chǎn)生了顯著影響，如質(zhì)量控制流程中使用的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（coordinate measuring machine，CMM）。

市場(chǎng)速覽：成熟市場(chǎng)加劇了競(jìng)爭(zhēng)

弗若斯特沙利文咨詢公司的研究表明，2013年，獨(dú)立運(yùn)行的CMM帶來(lái)了超過(guò)17億美元的收入，其中60%是由橋式CMM貢獻(xiàn)的。在汽車(chē)和航空航天工業(yè)中，CMM用于起落架、驅(qū)動(dòng)總成、制動(dòng)系統(tǒng)反推力裝置及其他關(guān)鍵部件的檢測(cè)。這一市場(chǎng)的集中度很高，最知名有蔡司（Carl Zeiss）、海克斯康（Hexagon Metrology）、三豐（Mitutoyo）和溫澤（Wenzel）等領(lǐng)先企業(yè)。在航空航天市場(chǎng)，用于測(cè)量渦輪葉片的大型橋式CMM也存在利基市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

龍門(mén)式CMM和橫臂機(jī)廣泛應(yīng)用于車(chē)身、大型工具、組件和飛機(jī)外部機(jī)身的檢測(cè)。與橫臂機(jī)相比，關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)（簡(jiǎn)稱關(guān)節(jié)臂）的價(jià)格更低、精確度更高，受到越來(lái)越多企業(yè)的青睞。

法如科技（F A R O Technologies）的FaroArm關(guān)節(jié)臂和海克斯康的Romer關(guān)節(jié)臂機(jī)等產(chǎn)品本質(zhì)上是便攜式CMM，可以輕松圍繞廠房進(jìn)行精確的三維測(cè)量。關(guān)節(jié)臂市場(chǎng)是全球空間計(jì)量市場(chǎng)中增長(zhǎng)速度最快的領(lǐng)域之一，2013年增長(zhǎng)率超過(guò)6%。雖然關(guān)節(jié)臂不太可能在某些應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行CMM級(jí)別的測(cè)量，但自從20世紀(jì)80年代，關(guān)節(jié)臂在汽車(chē)和航空航天工業(yè)的滲透度已經(jīng)顯著增加了。

第一次革命：獨(dú)立式CMM

到目前為止，CMM市場(chǎng)已經(jīng)經(jīng)歷了三次漸進(jìn)性革命，提高了質(zhì)量流程的效率。第一代CMM是一個(gè)獨(dú)立產(chǎn)品。在這一階段，最終用戶仍然需要把制造的部件運(yùn)送到測(cè)量室，才能進(jìn)行尺寸測(cè)量。

采取這種做法，主要因?yàn)镃MM在熱不穩(wěn)定環(huán)境無(wú)法產(chǎn)生準(zhǔn)確的結(jié)果。即使在今天，獨(dú)立式CMM仍占到CMM市場(chǎng)總收入的70%以上。隨著全球化的發(fā)展，在現(xiàn)有能力范圍內(nèi)開(kāi)展生產(chǎn)和檢驗(yàn)對(duì)于控制成本而言至關(guān)重要。為CMM單獨(dú)裝配測(cè)量室需要消耗大量的時(shí)間和精力，而且需要工人把組件搬到測(cè)量室才能進(jìn)行檢查。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，CMM制造商設(shè)計(jì)了一種新型的產(chǎn)品。

第二次革命：在線式CMM

在第二次革命中，出現(xiàn)了專門(mén)針對(duì)工廠環(huán)境設(shè)計(jì)的CMM，可以在惡劣的環(huán)境中繼續(xù)提供準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。這樣的CMM被稱為車(chē)間CMM或在線式CMM。蔡司和海克斯康繼續(xù)在車(chē)間CMM市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位，產(chǎn)品型號(hào)分別是Duramax和4.5.4 SF。例如，海克斯康的4.5.4 F CMM的測(cè)量范圍為355毫米×514毫米×353毫米，在環(huán)境溫度下最大容許探測(cè)誤差值為3.1+（3L/ 1000）微米。與之類似，Duramax的測(cè)量范圍為500毫米×500毫米×500毫米，具有高達(dá)+30℃的溫度穩(wěn)定性。Duramax還配有一個(gè)ZEISS VAST XXT掃描傳感器，可以提高精度和測(cè)量速度。

每一個(gè)革命的周期都不斷縮短，這個(gè)現(xiàn)象非常有趣，但更重要的是，CMM制造商必須認(rèn)清一個(gè)事實(shí)，即每一個(gè)新的革命的預(yù)計(jì)持續(xù)時(shí)間都比之前一次革命短得多。大部分車(chē)間CMM制造商已經(jīng)見(jiàn)證了這一事實(shí)。自從車(chē)間CMM獲得了最終用戶的歡迎后，對(duì)于CMM制造商來(lái)說(shuō)，下一個(gè)合乎邏輯的機(jī)會(huì)就應(yīng)該是系統(tǒng)自動(dòng)化。數(shù)控銑床實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化之后，最終用戶都在尋找解決方案，試圖將自己的CMM也進(jìn)行自動(dòng)化，用于部件的測(cè)量。海克斯康、蔡司、三豐、溫澤、Coord3、Aberlink和Helmel等企業(yè)推出了車(chē)間CMM，以適應(yīng)客戶的需求。這些機(jī)器也有自動(dòng)化的能力。將數(shù)控銑床和自動(dòng)化反饋回路結(jié)合，以便根據(jù)CMM和銑床之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對(duì)公差進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

第三次革命：內(nèi)嵌式CMM

在當(dāng)前這次革命中，（內(nèi)嵌式）自動(dòng)化解決方案帶來(lái)了高效的生產(chǎn)環(huán)境。智能工廠是造成這一趨勢(shì)的關(guān)鍵因素，而調(diào)整戰(zhàn)略定位、適應(yīng)最終用戶需求改變的CMM制造商屈指可數(shù)。內(nèi)嵌式CMM是一個(gè)高度自動(dòng)化的系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)初衷是可以集成到自動(dòng)生產(chǎn)線當(dāng)中。這些系統(tǒng)必須為所制造的零件提供高速檢測(cè)。這些解決方案包括Itaca Metrology的Flexgauge、三豐公司的Mach V 和Kogame、Helmel的Cellmaster、蔡司的掃描CMM（如CenterMax、GageMax、O-inspect和VoluMax等），它們是內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)測(cè)量機(jī)（帶有CT傳感器的CMM）的代表。

伴隨著全球產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模融合，智能工廠革命中可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)的界限正在迅速消失。在未來(lái)，CMM制造商需要重新進(jìn)行思考，并在研發(fā)能力方面進(jìn)行大量投資，才能在這個(gè)迅速發(fā)展的市場(chǎng)存活下去。否則，傳統(tǒng)CMM制造商將很難保持領(lǐng)先地位。令人驚訝的是，工業(yè)自動(dòng)化公司和系統(tǒng)集成商逐漸獲得了智能工廠的關(guān)注，脫穎而出，將成為新的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者。然而，借助戰(zhàn)略聯(lián)盟，傳統(tǒng)的CMM制造商可以生存下來(lái)，可能提供終生的解決方案。

對(duì)于一些CMM制造商來(lái)說(shuō)，提供產(chǎn)品和解決方案，并成為一個(gè)更大的生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，這是他們?yōu)跬邪钍降脑O(shè)想。例如，一個(gè)CMM制造商可以與一家自動(dòng)化公司建立一個(gè)戰(zhàn)略聯(lián)盟，以便銷(xiāo)售更多的內(nèi)嵌式CMM。另外，CMM制造商可以與其他計(jì)量公司建立伙伴關(guān)系，提供綜合的內(nèi)嵌式測(cè)量解決方案，除了CMM以外，還提供內(nèi)嵌式計(jì)量技術(shù)、掃描儀和影像測(cè)量機(jī)等。

海克斯康最近推出的測(cè)量解決方案叫做360°SIMS。該解決方案的設(shè)計(jì)初衷是專門(mén)幫助汽車(chē)制造商打造100%的自動(dòng)化三維檢查過(guò)程。360°SIMS解決方案提供了龍門(mén)式CMM、水平臂、白光掃描儀、內(nèi)嵌式計(jì)量和激光掃描儀等技術(shù)。解決方案的主要特點(diǎn)是在產(chǎn)品周期內(nèi)進(jìn)行完整的表面檢查，和100%的車(chē)身、部件和分部裝配的檢驗(yàn)。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，在沖壓、車(chē)身車(chē)間和總裝分廠內(nèi)，設(shè)計(jì)了內(nèi)嵌式、在線式和離線式自動(dòng)化單元。

結(jié)論

通過(guò)分析CMM市場(chǎng)的三次革命（獨(dú)立式、在線式和內(nèi)嵌式），可以明顯看出。在研發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和營(yíng)銷(xiāo)策略的框架內(nèi)，CMM制造商已經(jīng)接受了一個(gè)概念，也就是智能工廠是在不斷發(fā)展的。歷史趨勢(shì)和CMM市場(chǎng)最終用戶的行為表明，獨(dú)立式CMM帶來(lái)的收入可能是最大的。盡管如此，不能忽視最終用戶生產(chǎn)設(shè)施發(fā)生的迅速轉(zhuǎn)變。智能工廠可能會(huì)對(duì)三維測(cè)量產(chǎn)品和解決方案產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。最終用戶很可能會(huì)采取更加整體的方法，以打造質(zhì)量檢驗(yàn)流程。

在未來(lái)，最終用戶會(huì)要求使用特定應(yīng)用技術(shù)，在生產(chǎn)周期內(nèi)完成質(zhì)量檢驗(yàn)。一些傳統(tǒng)的CMM公司已經(jīng)預(yù)見(jiàn)這樣的最終用戶趨勢(shì)，并提供與其他技術(shù)結(jié)合的CMM，如掃描儀和視覺(jué)測(cè)量機(jī)，以確保或維持市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位。

（趙燦 編譯）