1、高 端 制 造 装 备 协 同 创 新 产 业 园工 程 立 项 报 告华中科技大学制造装备数字化国家工程研究中心华工制造装备数字化国家工程中心有限公司二一二年四月八日- 1 -目 录1、总论1（一）制造业产业转型升级的需求迫切1（二）高端制造装备与技术为产业转型升级提供了发展良1（三）建立高端制造装备与技术协同创新产业园意义重大2二、承建单位基本情况3三、方案及建设规模4（一）高速曲轴磨床及其附件4（二）高速高精电磁无损检测装备及其附件4（三）圆锥滚子轴承全自动数字化装配线4（四）高精度制造计量、测量器具与仪器6（五）工业用装配、测量特种机械手和机器人10四、工程方案10（一）总图10（二）
2、辅助工程12五、环境保护与劳动安全12（一）建设地区的环境现状12- 2 -（二）项目主要污染源和污染物12（三）项目拟采用环境保护方案13（四）劳动保护与安全卫生 13六、投资估算与资金筹措14（一）投资估算14（二）资金筹措15七、财务、经济效益评价15（一）年均营业收入15（二）年均总成本费用16（三）年均净利润16（四）投资利润率16（五）项目静态投资回收期16（六）项目净现- 3 -值17八、风险因素识别及对策17（一）政策法规风险及对策17（二）市场风险及对策18（三）技术风险及对策18九、组织机构及人力资源19（一）组织机构图19（二）劳动定员20十、项目实施进度20十一、结论2
3、1附图研发生产中心平面示意图21- 2 -高 端 制 造 装 备 协 同 创 新 产 业 园 工 程 立 项 报 告一、总论数 字 化 装 备 协 同 创 新 产 业 园 以 制 造 业 高 端 数 字 化 装 备 的 生 产 、 研 发 、 联 合 为目 标 ， 面 向 协 同 生 产 、 研 发 ， 构 建 高 端 设 备 制 造 的 技 术 创 新 、 新 产 品 开 发 、 服 务变 革 的 新 模 式 ， 在 人 才 队 伍 建 立 、 技 术 成 果 转 化 、 行 业 地 区 服 务 等 方 面 形 成 特 色式 ， 取 得 标 志 性 的 系 列 成 果 。（ 一 ） 制 造
4、业 产 业 转 型 升 级 的 需 求 迫 切制 造 业 是 国 家 的 基 础 和 战 略 支 柱 产 业 ， 在 国 民 经 济 和 区 域 发 展 中 占 有 重 要 的地 位 。 2010 年 ， 我 国 GDP 达 到 5.88 万 亿 美 元 ， 经 济 总 量 已 跃 居 全 球 第 二 位 。 制 造业 总 产 值 1.599 万 亿 美 元 ， 占 全 球 总 量 的 19.8%， 居 全 球 首 位 ， 比 排 名 第 二 的 美 国高 出 19.4%， 成 为 名 副 其 实 的 全 球 制 造 大 国 ， 汽 车 、 工 程 机 械 、 家 电 等 制 造 全 球 排名
5、 第 一 。 广 东 省 作 为 我 国 制 造 业 第 一 大 省 ， 制 造 业 的 产 值 连 续 15 年 排 名 全 国 第 一 ，2010 年 广 东 全 部 工 业 增 加 值 达 2.16 万 亿 元 ， 比 2005 年 翻 了 一 番 ， 年 均 增 长 14.4%，远 超 过 台 湾 、 新 加 坡 和 香 港 同 期 增 量 。 按 单 独 经 济 体 排 位 ， 广 东 制 造 业 增 加 值 位列 世 界 第 7 位 。然 而 ， 在 我 国 无 论 是 国 家 层 面 还 是 区 域 层 面 ， 制 造 业 普 遍 面 临“大 而 不 强 ”的格 局 ， 迫 切
6、需 要 通 过 技 术 创 新 实 现 产 业 的 转 型 升 级 。 以 广 东 省 东 莞 市 为 例 ， 东 莞制 造 业 发 达 ， 拥 有 制 造 企 业 2.1 万 多 家 , 制 造 业 总 产 值 占 全 市 工 业 总 产 值 的 90%左 右 ，形 成 了 以 电 子 信 息 、 电 气 机 械 、 纺 织 服 装 、 家 具 、 造 纸 、 玩 具 、 食 品 饮 料 、 化 工制 品 等 产 业 为 支 柱 ， 涉 及 30 多 个 行 业 和 6 万 多 种 产 品 ， 门 类 齐 全 、 配 套 完 善 的 制造 业 体 系 。 同 时 东 莞 制 造 业 的 进
7、一 步 发 展 也 面 临 劳 动 力 缺 乏 、 产 品 附 加 值 不 高 、竞 争 力 不 强 等 问 题 。 作 为 制 造 业 基 础 的 装 备 制 造 业 仍 然 薄 弱 ， 中 低 端 产 品 居 多 ，高 端 制 造 装 备 主 要 依 靠 进 口 ， 严 重 影 响 了 东 莞 制 造 业 的 结 构 调 整 和 升 级 。（ 二 ） 高 端 制 造 装 备 与 技 术 为 产 业 转 型 升 级 提 供 了 发 展 良 机- 2 -高 端 制 造 装 备 是 具 有 感 知 、 分 析 、 控 制 、 执 行 、 加 工 功 能 的 制 造 装 备 ， 它 是先 进 制
8、造 、 信 息 和 智 能 技 术 的 集 成 和 深 度 融 合 。 高 端 制 造 装 备 是 实 现 智 能 、 绿 色制 造 的 必 要 保 障 条 件 。 由 高 端 制 造 装 备 进 一 步 发 展 后 的 智 能 制 造 装 备 是 一 个 国 家工 业 化 水 平 的 重 要 标 志 ， 对 提 高 装 备 制 造 业 智 能 化 、 信 息 化 水 平 ， 实 现 制 造 模 式的 转 型 升 级 ， 保 障 产 业 安 全 、 改 善 民 生 、 推 进 战 略 性 新 兴 产 业 的 发 展 ， 提 升 我 国装 备 制 造 业 核 心 竞 争 力 具 有 重 要 的
9、意 义 。智 能 化 是 装 备 发 展 的 必 然 发 展 趋 势 ： 当 前 信 息 技 术 、 传 感 技 术 快 速 发 展 ， 逐步 融 入 制 造 装 备 和 过 程 ， 装 备 的 智 能 化 和 制 造 过 程 的 自 动 化 ， 已 成 为 必 然 发 展 趋势 。 是 抢 占 制 造 装 备 发 展 制 高 点 的 重 点 ， 它 将 引 领 装 备 制 造 业 发 展 的 新 潮 流 。装 备 的 信 息 化 和 智 能 化 是 实 现 两 化 融 合 的 重 要 着 力 点 ： 在 传 统 装 备 中 引 入 信息 技 术 ， 嵌 入 传 感 器 、 CPU、 软 件
10、及 其 它 信 息 元 器 件 ， 实 现 先 进 制 造 技 术 与 信 息 技术 的 深 度 融 合 ， 可 使 装 备 的 功 能 、 性 能 发 生 重 大 甚 至 是 革 命 性 的 变 化 ， 发 展 智 能制 造 装 备 ， 推 进 装 备 的 数 字 化 、 智 能 化 以 及 制 造 过 程 的 自 动 化 是 实 现 两 化 融 合 的最 重 要 着 力 点 。 发 展 智 能 制 造 装 备 是 适 合 国 情 的 集 成 创 新 模 式 的 具 体 体 现 ， 它 有可 能 在 一 些 点 甚 至 面 上 取 得 独 创 性 的 重 大 突 破 。高 端 制 造 装 备
11、 是 实 现 制 造 水 平 整 体 提 升 的 有 效 保 障 ： 发 展 能 制 造 装 备 ， 推 进其 在 制 造 业 中 的 应 用 ， 可 大 大 提 高 制 造 过 程 的 自 动 化 和 智 能 化 水 平 ， 大 幅 度 提 高生 产 效 率 ， 降 低 能 源 资 源 的 消 耗 ， 提 高 产 品 技 术 水 平 和 质 量 。（ 三 ） 建 立 高 端 制 造 装 备 与 技 术 协 同 创 新 产 业 园 意 义 重 大因 此 ， 加 快 建 立 支 持 区 域 发 展 的 高 端 制 造 装 备 与 技 术 协 同 创 新 产 业 园 意 义 十分 重 大 ： 破
12、解 多 学 科 交 叉 、 创 新 链 条 衔 接 、 产 学 研 用 合 作 的 综 合 性 难 题 ， 走 智 能制 造 装 备 自 主 创 新 之 路 ， 打 破 国 外 的 技 术 封 锁 和 限 制 ， 确 保 我 国 的 产 业 安 全 和 国防 安 全 ； 在 制 造 装 备 领 域 ， 培 养 和 造 就 大 量 有 创 新 意 识 、 团 队 精 神 和 实 践 能 力 的高 素 质 高 端 人 才 ， 为 实 现 2020 年 跻 身 创 新 型 国 家 、 人 才 资 源 强 国 目 标 作 出 贡 献 ； 突- 3 -破 我 国 制 造 装 备 产 业 的 技 术 瓶
13、颈 ， 用 智 能 制 造 技 术 提 升 和 改 造 传统 制 造 装 备 ， 支 撑 我国 高 端 装 战 略 新 兴 产 业 的 发 展 ， 实 现 我 国 高 端 装 备 制 造 业 的 跃 升 发 展 ； 创新 发 展 节 能 、降 耗 、 减 排 的 智 能 制 造 共 性 技 术 ， 并 在 相 关 产 业 中 加 速 推 广, 才 能 保 证 我 国 相 关 战 略性 新 兴 产 业 发 展 及 传 统 产 业 的 提 升 ， 促 进 我 国 由 中 低 端 制 造 大 国 向 高 端 制 造 强 国转 变 。二、承建单位基本情况牵 头 高 校 华 中 科 技 大 学 在 智
14、能 制 造 装 备 方 向 上 “智 能 化 与 数 字 化 ”特 色 鲜 明 ，国 内 影 响 力 较 大 ， 并 善 于 与 企 业 合 作 。 早 在 1993 年 ， 就 建 有 “智 能 制 造 技 术 ”教 育部 重 点 实 验 室 ， 2006 年 升 格 为 国 家 重 点 实 验 室 。 早 在 1994 年 ， 就 主 持 国 家 自 然 科 学基 金 重 点 项 目 “智 能 制 造 技 术 基 础 ”， 2005 年 主 持 973 项 目 “数 字 化 制 造 基 础 研 究 ”，2010 年 获 滚 动 支 持 。所 依 托 的 主 体 学 科 机 械 工 程 学
15、科 是 华 中 科 技 大 学 创 始 学 科 之 一 。 2007 年 成为 首 批 机 械 工 程 一 级 国 家 重 点 学 科 ， 拥 有 机 械 制 造 及 其 自 动 化 、 机 械 电 子 工 程 、机 械设 计 及 理 论 3 个 二 级 国 家 重 点 学 科 ， 处 于 国 内 领 先 水 平 。建 有 数 字 制 造 装 备 与 技 术 国 家 重 点 实 验 室 、 国 家 数 控 系 统 工 程 技 术 研 究 中 心 、国 家 CAD 支 撑 软 件 工 程 技 术 研 究 中 心 、 制 造 装 备 数 字 化 国 家 工 程 研 究 中 心 等 4 个 国 家级
16、 科 研 平 台 ， 科 研 实 力 雄 厚 。已 经 聚 集 了 一 批 “院 士 、 千 人 学 者 、 长 江 学 者 、 国 家 杰 青 ”领 衔 的 优 秀 团 队 ，包 括 2 名 科 学 院 院 士 、 3 名 工 程 院 院 士 、 3 名 中 组 部 千 人 学 者 、 9 名 长 江 学 者 、 5 名 国家 杰 青 、 12 名 教 育 部 新 世 纪 优 秀 人 才 ； 拥 有 基 金 委 “高 性 能 数 字 制 造 装 备 的 基 础 研究 ”创 新 群 体 和 教 育 部 “数 字 化 设 计 与 制 造 ”创 新 团 队 ， 解 决 重 大 需 求 的 能 力
17、较 强 。先 后 研 制 出 激 光 切 焊 一 体 化 加 工 装 备 、 全 身 伽 马 刀 、 数 控 曲 轴 磨 床 、 重 型 七轴五 联 动 车 铣 复 合 加 工 机 床 、 高 性 能 RFID 标 签 封 装 装 备 、 系 列 化 检 测 装 备 等 。- 4 -三、方案及建设规模高 端 制 造 装 备 协 同 创 新 产 业 园 以 华 中 科 技 大 学 、 制 造 装 备 数 字 化 国 家 工 程 研究中 心 和 华 工 制 造 装 备 数 字 化 国 家 工 程 中 心 有 限 公 司 为 主 体 建 设 。 采 用 以 国 家 高新 项 目及 其 研 究 成 果
18、 为 核 心 驱 动 ， 集 中 高 、 中 、 低 层 人 才 和 技 术 骨 干 ， 形 成 成 以技 术 带 动 产业 、 产 业 驱 动 技 术 、 队 伍 实 施 目 标 、 项 目 促 进 协 同 的 产 、 学 、 研 多 位一 体 的 园 区 模式 。围 绕 高 端 装 备 的 三 大 关 键 技 术 和 装 备 ： 感 知 、 驱 动 、 控 制 ， 布 局 园 区 的 产 业和创 新 。 依 托 学 校 和 工 程 中 心 承 担 的 国 家 和 省 市 重 大 科 技 项 目 ， 如“973”、 “数 控 重 大专 项 （ 04） ”、 “IC 重 大 专 项 (02)”
19、、 “重 大 科 学 仪 器 专 项 ”、 “数 控 一 代 专 项 ”等 ，形 成 基 础 突 破 、 应 用 领 先 、 服 务 优 越 的 创 新 模 式 。产 品 方 案(一 )高 速 曲 轴 磨 床 及 其 附 件该 产 品 技 术 是 华 中 科 技 大 学 与 孝 感 市 长 期 合 作 的 项 目 ， 获 得 包 括 国 家 科 技 进步二 等 奖 在 内 的 多 项 奖 励 ， 2011 年 产 值 已 达 8000 万 元 。 进 入 园 区 后 ， 进 一 步 开 发 凸 轮轴 磨 床 、 曲 轴 铣 磨 床 、 曲 轴 凸 轮 轴 表 面 淬 火 机 床 、 曲 轴 凸
20、 轮 轴 探 伤 机 床 、 高精 膛 床 等 ，形 成 以 汽 车 曲 轴 为 主 线 的 产 业 链 ， 处 于 行 业 领 先 水 平 ， 提 升 产 能 和 服务 能 力 。（ 二 ） 高 速 高 精 电 磁 无 损 检 测 装 备 及 其 附 件该 产 品 技 术 是 华 中 科 技 大 学 长 期 研 究 的 项 目 ， 获 得 包 括 国 家 发 明 奖 在 内 的 多项奖 励 ， 2011 年 产 值 已 达 6000 万 元 ， 生 产 车 间 5000m2。 进 入 园 区 后 ， 结 合 电 磁 探 伤 的领 先 技 术 ， 开 拓 汽 车 行 业 的 自 动 化 探 伤
21、 产 品 的 开 发 和 生 产 ， 研 发 取 代 曲 轴 凸轮 轴 磁 粉探 伤 的 数 字 化 探 伤 机 床 、 取 代 轴 承 钢 珠 、 滚 子 、 轴 承 座 等 磁 粉 探 伤 的 数字 化 探 伤 机 床 、汽 车 生 产 过 程 的 测 量 和 检 测 设 备 等 ， 保 持 在 石 油 、 煤 矿 行 业 领 先水 平 ， 拓 展 汽 车 制造 业 的 探 伤 设 备 与 服 务 能 力 。 提 升 产 能 和 产 品 规 模 。 大 量 出 口国 外 设 备 。（ 三 ） 圆 锥 滚 子 轴 承 全 自 动 数 字 化 装 配 线- 5 -随 着 我 国 机 械 工 业
22、 和 汽 车 工 业 的 发 展 ， 特 别 是 中 国 成 为 世 界的 加 工 中 心 ， 国 外供 应 商 在 中 国 不 断 地 加 大 采 购 力 度 ， 对 圆 锥 滚 子 轴 承 的 产 量 和 质 量 都 提 出 了 更高 的 要求 。 进 入 二 十 一 世 纪 后 ， 我 国 轴 承 制 造 商 对 轴 承 的 自 动 生 产 线 要 求 日 益 迫切 ， 现 在 劳动 力 紧 缺 和 劳 动 力 成 本 的 大 幅 提 高 进 一 步 加 剧 了 轴 承 行 业 自 动 生 产 线扩 展 的 趋 势 。全 自 动 圆 锥 滚 子 轴 承 数 字 化 装 配 线 ， 在 襄
23、 阳 汽 车 轴 承 股 份 有 限 公 司 的 开 发 成功 ，成 为 国 内 第 一 条 全 自 动 、 数 字 化 的 圆 锥 滚 子 轴 承 装 配 线 。 该 装 配 线 为 高 科 技产 品 ， 采用 电 子 技 术 、 计 算 机 技 术 、 光 学 技 术 与 机 械 技 术 相 结 合 ， 改 变 了 国 内 传统 的 手 工 装 配模 式 。 该 装 配 线 采 用 计 算 机 数 字 化 检 测 技 术 ， 首 次 同 时 检 测 了 圆 锥滚 子 轴 承 七 项 参数 ： 漏 滚 子 、 摩 擦 力 矩 、 装 配 高 、 内 圈 径 向 跳 动 、 内 圈 轴 向 跳
24、 动 、外 圈 径 向 跳 动 、外 圈 轴 向 跳 动 。 该 装 配 线 为 绿 色 环 保 产 品 ， 环 保 设 计 ， 无 污 染 。为 了 扩 大 全 自 动 圆 锥 滚 子 轴 承 数 字 化 装 配 线 的 销 售 ， 全 自 动 圆 锥 滚 子 轴 承 数字化 装 配 技 术 可 以 转 化 为 多 种 形 式 的 产 品 ， 满 足 不 同 厂 家 的 需 要 ， 降 低 产 品 价 格 ，占 领更 多 的 市 场 。 该 项 目 公 司 经 营 目 标 为 ： （ 1） 全 自 动 圆 锥 滚 子 轴 承 数 字 化 装 配 线 ， 每年 销 售 1 2 条 ， 稳 定
25、到 每 年 2 条 以 上 的 水 平 ； （ 2） 简 易 自 动 圆 锥 滚 子 轴 承 装 配 线 ，前 三 年 每 年 销 售 2 5 条 ， 以 后 稳 定 到 每 年 5 条 以 上 的 水 平 。目 前 每 台 全 自 动 圆 锥 滚 子 轴 承 数 字 化 装 配 线 市 场 价 在 360 万 元 人 民 币 以 上 ， 利润 为 54 万 元 人 民 币 ， 利 润 为 15%。预 计 每 台 简 易 自 动 圆 锥 滚 子 轴 承 装 配 线 市 场 价 在 120 万 元 人 民 币 以 上 ， 利 润 为20 万 元 人 民 币 ， 利 润 为 16.7%。1.技 术
26、 成 熟 圆 锥 滚 子 轴 承 全 自 动 数 字 化 装 配 技 术 已 在 襄 阳 汽 车 轴 承 股 份 有 限公 司 应 用 ， 一 条 是 中 型 圆 锥 滚 子 轴 承 全 自 动 装 配 线 （ 见 附 件 1“自 动 装 配 线 ”合 同 ） ；另 一 条 是 小 型 圆 锥 滚 子 轴 承 全 自 动 装 配 线 （ 见 附 件 2“小 自 动 装 配 线 ”合 同 ） 。 为 襄阳 汽 车 轴 承 股 份 有 限 公 司 打 开 圆 锥 滚 子 轴 承 国 外 市 场 ， 两 条 装 配 线 贡 献 巨 大 。 因此 该技 术 真 实 、 有 效 ， 到 达 了 批 量
27、生 产 地 程 度 ， 是 一 项 十 分 成 熟 的 技 术 ， 也 不 存在 开 发 和试 制 的 过 程 ， 因 此 该 技 术 没 有 研 制 和 开 发 成 本 。2.市 场 前 景 好 目 前 我 国 滚 动 轴 承 年 产 量 为 80 亿 套 ， 其 中 ， 圆 锥 滚 子 轴 承 占 的比 重 大 约 10%， 年 产 量 为 8 亿 套 左 右 。 以 每 条 自 动 装 配 线 年 装 配 50 万 套 计 算 ， 约 需要 1600 条 装 配 线 。 由 于 我 国 劳 动 力 成 本 低 ， 目 前 95%为 手 工 装 配 ， 随 着 国 外 供 应 商在 中 国
28、 不 断 地 加 大 采 购 力 度 ， 对 圆 锥 滚 子 轴 承 的 产 量 和 质 量 都 提 出 了 更 高 的 要 求 ，以- 6 -及 劳 动 力 紧 缺 和 劳 动 力 成 本 的 大 幅 提 高 ， 加 剧 了 轴 承 行 业 自 动 装 配 线 扩 展 的 趋 势 。我国 圆 锥 滚 子 轴 承 磨 加 工 自 动 生 产 线 占 产 量 的 20%以 上 ， 对 圆 锥 滚 子 轴 承 自 动 装 配 线 的需 求 热 来 热 迫 切 ， 预 计 5 年 内 将 占 产 量 的 5%以 上 ， 需 自 动 装 配 线 80 条 左 右 ， 预 计 10年 内 将 占 产 量
29、 的 15%以 上 ， 需 自 动 装 配 线 240 条 左 右 。 所 以 ， 圆 锥 滚 子 轴 承 自 动 装 配线 处 于 发 展 的 起 步 阶 段 ， 市 场 前 景 良 好 ， 谁 先 抓 住 机 遇 ， 谁 就 会 占 领 这 一市 场 。3.主 要 竞 争 对 手 强 在 该 技 术 之 前 ， 国 内 全 自 动 圆 锥 滚 子 轴 承 装 配 线 完 全 依 靠进 口 ， 2007 年 国 内 有 一 家 半 自 动 手 工 圆 锥 滚 子 轴 承 装 配 线 。 主 要 情 况 见 表 1。表 1序 号 生 产 厂 家 使 用 单 位 特 点价 格 （ 万 元 ）占
30、有 率1 日 本 、 苏 联 洛 阳 轴 承 股 份 有 限 公 司全 自 动 、 单参 数 检 测 12004 条2宁 波 江 北 菲 斯 特机 械 有 限 公 司重 庆 长 江 轴 承 工 业 公 司半 自 动 手 工装 配 752 条3 华 中 科 技 大 学 襄 阳 汽 车 轴 承 股 份 有 限 公 司全 自 动 、 全参 数 检 测239（ 税 前 ） 2 条4.利 润 高 该 技 术 带 来 的 超 额 利 润 见 表 2。表 2序 号 名 称 简 称价 格（ 万 ）成 本（ 万 ）利 润（ 万 ）技 术利 润（ 万 ）每 年销 售（ 条 ）合 作 10年 销 售（ 条 ）总 技
31、 术利 润（ 万 ）1圆 锥 滚 子 轴 承全 自 动 全 参 数检 测 装 配 线完 整 版 360 306 54 18 1 10 1802圆 锥 滚 子 轴 承全 自 动 装 配 线简 装 版 120 90 30 6 3 30 1803圆 锥 滚 子 轴 承检 测 版 1303 90260 19.556.52 20 240- 7 -全 自 动 多 参 数检 测 装 配 线50 2.5 17.5总 超 额 技 术 利 润 （ 万 ） 600（ 四 ） 高 精 度 制 造 计 量 、 测 量 器 具 与 仪 器该 项 目 已 获 得 2011 年 国 家 重 大 科 学 仪 器 专 项 。 也
32、 是 工 程 中 心 仪 器 系 的 主 攻 方向 ，已 有 成 熟 的 仪 器 和 技 术 。1.目 的 意 义随 着 科 学 研 究 和 先 进 制 造 技 术 发 展 ， 产 品 表 面 形 貌 与 结 构 越 来 越 多 样 化 ， 由传统 工 程 表 面 ， 发 展 到 越 来 越 多 科 学 表 面 ， 如 生 物 表 面 、IC 表 面 、 MEMS 表 面 、 能 源 器件 表 面 、 信 息 存 储 表 面 、 结 构 光 学 表 面 、 功 能 表 面 等 ， 由 平 滑 表 面 发 展 到 结 构性 表面 ， 由 简 单 几 何 表 面 发 展 到 自 由 曲 面 ， 由
33、 毫 米 微 米 尺 度 形 貌 发 展 到 纳 米 尺 度形 貌 ，精 度 要 求 也 越 来 越 高 。我 国 多 项 重 大 工 程 、 国 家 重 大 专 项 项 目 的 研 究 中 ， 离 不 开 高 端 表 面 形 貌 与 结构测 量 仪 器 。 如 星 空 探 测 、 点 火 工 程 、 同 步 辐 射 工 程 中 ， 诸 多 超 精 密 平 面 和 曲 面镜 面的 制 备 ， 需 要 既 有 纳 米 分 辨 率 、 又 有 大 范 围 的 表 面 测 量 分 析 手 段 来 进 行 质 量监 测 和控 制 ； 在 我 国 重 大 专 项 高 档 数 控 机 床 与 基 础 制
34、造 装 备 专 项 中 ， 迫 切 需 要 大范 围 、 高精 度 自 由 曲 面 综 合 测 量 、 分 析 系 统 ， 以 用 于 精 密 加 工 工 艺 分 析 ； 在 极 大规 模 集 成 电路 制 造 装 备 及 成 套 工 艺 专 项 中 ， 要 求 能 对 微 结 构 和 微 纳 形 貌 进 行 测 量分 析 的 的 仪 器系 统 。 另 外 有 如 MEMS、 光 伏 器 件 、 通 讯 器 件 、 生 物 医 学 领 域 的 研 究 中 ， 也 面 临 多 样的 表 面 形 貌 测 量 分 析 需 要 。本 项 目 针 对 我 国 重 大 工 程 和 重 大 专 项 研 究
35、及 先 进 制 造 科 研 领 域 多 样 化 表 面 形貌测 量 、 分 析 和 评 定 不 断 提 高 的 现 实 需 要 ， 及 我 国 表 面 轮 廓 测 量 仪 器 产 品 处 于 低水 平 ，表 面 形 貌 三 维 测 量 仪 器 产 品 尚 处 于 空 白 的 现 状 ， 提 出 研 究 开 发 系 列 高 端 表面 形 貌 测量 仪 器 。系 列 高 端 表 面 形 貌 测 量 仪 器 的 开 发 ， 对 于 满 足 诸 多 领 域 表面 形 貌 和 结 构 的 测 量 、分 析 需 要 ， 具 有 重 要 意 义 。2.仪 器 开 发 方 案 及 技 术 路 线本 项 目 拟
36、 开 发 高 端 表 面 形 貌 测 量 系 列 仪 器 ， 包 括 大 范 围 触 针 扫 描 表 面 形 貌 综- 8 -合 测 量 仪 ； 白 光 干 涉 垂 直 扫 描 表 面 形 貌 综 合 测 量 仪 ； 可 溯 源 原 子 力 探 针 扫 描 显微 镜 。技 术 路 线 如 下 ：首 先 研 究 表 面 形 貌 测 量 系 列 仪 器 的 共 性 技 术 支 撑 ， 包 括 基 于 双 正 交 衍 射 光 栅干涉 的 共 基 面 二 维 位 移 同 步 计 量 扫 描 工 作 台 ， 粗 精 两 级 驱 动 大 范 围 垂 直 扫 描 及 控制 技 术 ，多 样 性 表 面 形
37、貌 与 结 构 的 特 征 提 取 、 分 析 技 术 。 其 次 ， 采 用 相 位 光 栅 干涉 技 术 ， 研 发触 针 扫 描 位 移 传 感 器 ， 并 基 于 音 圈 电 机 测 力 控 制 设 计 ， 建 立 微 恒 力触 针 扫 描 表 面 形貌 测 量 传 感 器 ； 研 究 迈 克 尔 逊 白 光 干 涉 技 术 ； 研 究 白 光 干 涉 垂 直定 位 计 量 技 术 。 在 此基 础 上 ， 开 发 大 范 围 触 针 扫 描 表 面 形 貌 综 合 测 量 仪 ， 白 光 干涉 垂 直 扫 描 表 面 形 貌 综合 测 量 仪 及 可 溯 源 原 子 力 探 针 扫
38、描 显 微 镜 。具 体 各 部 分 技 术 方 案 如 下 ：a.共 性 支 撑 技 术 研 究 基 于 双 正 交 衍 射 光 栅 干 涉 的 二 维 位 移 同 步 计 量当 一 束 准 直 激 光 束 垂 直 入 射 到 栅 线 和 工 作 面 都 互 相 平 行 的 两 透 射 正 交 衍 射 光栅 ，它 被 它 们 多 次 衍 射 ， 在 栅 线 方 向 产 生 衍 射 干 涉 特 征 。 且 干 涉 特 征 周 期 变 化 对应 光 栅 相对 移 动 。 通 过 两 个 光 电 探 测 器 同 时 对 两 正 交 方 向 干 涉 条 纹 分 析 计 数 ， 便可 同 时 得 到
39、光栅 相 对 位 移 ， 从 而 实 现 二 维 位 移 同 步 测 量 。 粗 精 两 级 驱 动 大 范 围 垂 直 扫 描 及 控 制 技 术即 通 过 压 电 陶 瓷 精 驱 动 ， 电 机 粗 驱 动 ， 辅 助 计 量 系 统 和 粗 精 耦 合 控 制 ， 实 现粗精 两 级 扫 描 驱 动 ， 完 成 大 范 围 、 高 精 度 位 移 扫 描 。 迈 克 尔 逊 白 光 干 涉 显 微 镜白 光 干 涉 显 微 镜 ， 是 实 现 白 光 干 涉 垂 直 扫 描 表 面 形 貌 综 合 测 量 和 基 于 白 光 干涉的 可 溯 源 原 子 力 扫 描 探 针 显 微 镜 的
40、 基 础 。 项 目 方 案 中 ， 采 用 长 工 作 距 离 显 微 物 镜 ，LED 同 轴 光 源 作 为 光 源 ， 构 成 迈 克 尔 逊 白 光 干 涉 显 微 镜 。 多 样 性 表 面 形 貌 与 结 构 特 征 提 取 、 分 析 、 评 定 技 术多 样 性 表 面 形 貌 与 结 构 特 征 提 取 、 分 析 、 评 定 ， 即 建 立 涵 盖 多 种 分 析 工 具 的特征 分 析 工 具 箱 、 标 准 评 定 算 法 和 个 性 化 评 定 算 法 的 评 定 工 具 箱 ， 共 同 组 成 特 征提 取 、分 析 、 评 定 软 件 系 统 。b. 大 范 围
41、 触 针 扫 描 三 维 表 面 形 貌 综 合 测 量 仪 相 位 光 栅 干 涉 触 针 扫 描 位 移 传 感 器相 位 光 栅 干 涉 触 针 扫 描 位 移 传 感 器 是 杠 杆 触 针 扫 描 传 感 器 ， 采 用 相 位 光 栅 作为- 9 -传 感 元 件 。 测 针 随 表 面 起 伏 上 下 移 动 ， 引 起 杠 杆 绕 支 点 转 动 ， 带 动 相 位 光 栅 转动 ， 光电 探 测 器 探 测 入 射 到 相 位 光 栅 的 激 光 发 生 的 衍 射 干 涉 条 纹 移 动 ，得 到 相 位 光 栅 位 移 ，进 而 得 到 测 针 起 伏 ， 从 而 得 到
42、 表 面 高 度 分 布 。 基 于 电 磁 作 用 的 测 力 控 制建 立 触 针 扫 描 传 感 器 测 量 过 程 中 的 动 力 学 模 型 ， 设 计 音 圈 电 机 测 力 控 制 机 构作用 于 测 杆 后 端 ， 基 于 动 力 学 模 型 及 传 感 器 角 度 位 置 和 速 度 监 测 ， 采 取 PID 算 法 ， 控 制测 针 测 力 。 大 范 围 触 针 扫 描 传 感 器 垂 直 和 水 平 定 位 的 非 线 性 误 差 机 理 和 动 态 补 偿 模 型建 立 相 位 光 栅 计 量 结 果 与 测 针 横 向 和 水 平 位 移 非 线 性 关 系 模
43、型 ， 基 于 该 模 型 ，建 立 对 于 采 样 数 据 的 动 态 补 偿 模 型 和 算 法 。c. 偏 振 相 移 白 光 干 涉 表 面 形 貌 综 合 测 量 仪偏 振 相 移 白 光 干 涉 显 微 镜 基 于 迈 克 尔 逊 白 光 干 涉 技 术 。 该 干 涉 显 微 镜 采 用 白光源 实 现 白 光 垂 直 扫 描 测 量 ， 加 入 滤 光 片 获 取 单 色 光 ， 采 用 偏 振 相 移 ， 实 现 相 移干 涉 测量 ， 得 到 对 超 精 密 表 面 垂 直 方 向 nm 分 辨 率 测 量 。d.可 溯 源 原 子 力 探 针 扫 描 显 微 镜可 溯 源
44、 原 子 力 探 针 扫 描 显 微 镜 利 用 白 光 干 涉 特 征 定 位 原 理 。探 针 随 着 表 面 的 起 伏 上 下 移 动 ， 引 起 悬 臂 梁 的 变 形 ， 导 致 白 光 干 涉 显 微 镜 下探针 悬 臂 上 初 始 零 级 条 纹 中 心 线 移 动 ， 通 过 条 纹 移 动 量 测 量 ， 可 知 表 面 的 高 度 变 化 。对 于 大 范 围 测 量 ， 需 要 驱 动 粗 精 两 级 驱 动 垂 直 扫 描 及 计 量 系 统 ， 使 零 级 条 纹始终 处 于 测 针 悬 臂 上 ， 出 现 在 CCD 视 场 范 围 内 。 垂 直 扫 描 机 构
45、 所 处 位 置 始 终 叠 加 到 探 针零 级 条 纹 对 应 高 度 值 ， 作 为 采 样 点 高 度 。3.应 用 开 发 方 案应 用 开 发 分 4 个 应 用 任 务 执 行 ， 分 别 对 开 发 的 系 列 仪 器 进 行 示 范 应 用 和 应 用开发 ：a.表 面 微 结 构 测 量 与 工 艺 分 析采 用 项 目 研 发 的 表 面 形 貌 综 合 测 量 仪 ， 对 武 汉 光 电 国 家 实 验 室(筹 )开 展 的MEMS、 半 导 体 照 明 、 光 通 讯 、 光 伏 发 电 、 IC 等 领 域 器 件 研 究 或 制 备 中 的 微 结 构 和 微形
46、貌 特 征 进 行 测 量 ， 以 进 行 相 关 样 件 特 征 分 析 和 功 能 、 工 艺 分 析 ， 同 时 通 过 应 用 ，为开 发 仪 器 的 改 进 完 善 提 供 建 议 和 方 案 。b.光 刻 加 工 晶 元 表 面 形 貌 和 结 构 测 量 与 工 艺 分 析采 用 项 目 研 发 的 可 溯 源 原 子 力 探 针 扫 描 显 微 镜 ， 对 上 海 微 电 子 装 备 有 限 公 司光- 10 -刻 工 艺 硅 片 进 行 高 分 辨 率 检 测 和 分 析 ， 提 出 影 响 光 刻 关 键 尺 寸 的工 艺 参 数 。 同 时 ， 通过 该 显 微 镜 的
47、试 用 ， 不 断 发 现 其 功 能 和 性 能 不 足 ， 以 便 于 改 进 、 完 善 。c.五 轴 数 控 铣 床 自 由 曲 面 精 密 加 工 工 艺 分 析应 用 项 目 研 发 的 大 范 围 触 针 表 面 形 貌 综 合 测 量 仪 ， 在 华 中 科 技 大 学 数 控 工 程中心 数 控 专 项 项 目 中 ， 对 五 轴 联 动 数 控 自 由 曲 面 加 工 表 面 进 行 测 量 与 分 析 ， 解 决其 工 艺分 析 和 优 化 问 题 ， 提 出 多 自 由 度 数 控 铣 削 加 工 的 表 面 质 量 表 征 参 数 系 列 和工 艺 参 数 系列 。 同 时 通 过 试 验 应 用 ， 对 仪 器 功 能 和 性 能 进 行 测 试 ， 提 出 改 进 、 完善 措 施 。d.钢 板 毛 化 表 面 纹 理 形 貌 的 测 量 与 加 工 工 艺 分 析应 用 大 范 围 触 针 扫 描 三 维 表 面 形 貌 综 合 测 量 仪 ， 测 量 不 同 加 工 工 艺 得 到 的 钢板毛 化 表 面 形 貌 三 维 数 据 ， 依 据 表 面 区 域 分 析 ， 找 出 表 征 钢 板 表 面 质 量 的 参 数
