在精密机械加工领域,我们经常会遇到需要对“内孔”或“圆柱体孔径”进行严苛尺寸控制的情况。想象一下,一个高性能的液压缸,它的缸筒内壁就相当于这样一个精密内孔;或者航空发动机的涡轮叶片根部与转子配合的孔,以及注射器针筒内部的通道,这些都是典型的应用场景。这些内孔的结构看似简单,仅仅是一个圆柱形空间,但其内部的直径、形状和表面质量对整个机械系统的性能至关重要。
实现±0.001mm(即1微米)的尺寸控制,这意味着误差范围只有一根头发丝直径(约50-100微米)的五十分之一到百分之一。这种级别的精度,决定了部件之间配合的紧密性、运动的顺畅性、密封的可靠性以及最终产品的寿命和性能。例如,如果液压缸的内径稍微偏大或不圆,活塞在运动时就可能产生泄漏、摩擦增大,甚至卡死。因此,对内孔的尺寸控制,不仅仅是量得准,更是要达到并维持这种极高精度的稳定生产。
为了确保精密内孔的质量,行业内通常会关注多个几何参数,并有相应的评价方法。这些参数共同定义了内孔的“完美”程度:
内径尺寸: 这是最基本的参数,指内孔的标称直径。评价方法通常是测量多个截面、多个方向的直径,取其平均值,并与设计公差进行比较。
圆度: 描述内孔横截面接近理想圆的程度。如果内孔不够圆,在截面上可能会呈现椭圆、多边形等形状。评价时,通常通过在某个截面进行多点测量,然后拟合出最小外接圆或最大内切圆,并计算其与实际轮廓的最大偏差。
圆柱度: 描述内孔轴向截面接近理想圆柱的程度,它综合了圆度和直线度的特性。一个完美的圆柱体,其各个横截面都应该是完美的圆,且所有圆心都在一条直线上。评价方法通常是沿着内孔轴线方向,在不同位置和不同截面进行圆度测量,并分析这些圆之间的轴向偏差。
锥度: 指内孔直径沿轴向的变化趋势,例如从一端到另一端逐渐变大或变小。评价方法是测量内孔不同轴向位置的直径,并计算其变化率。
直线度: 描述内孔中心线偏离理想直线的程度。如果内孔弯曲,其中心线将不是一条直线。评价方法通常是测量内孔中心线在两个垂直平面上的投影,并计算其偏离直线的最大距离。
同心度: 当一个部件包含多个同轴的内孔或外圆时,同心度描述这些几何要素中心线重合的程度。例如,轴承座中的两个轴承孔需要严格同心。评价方法通常是测量两个相关几何要素的中心点或中心线之间的偏移量。
表面粗糙度: 描述内孔表面微观几何形状的平滑程度。粗糙度过高会增加摩擦、加速磨损,甚至影响流体流动特性。评价方法是通过触针法或光学法测量表面轮廓的微观起伏,并计算Ra、Rz等参数。
表面缺陷: 包括划痕、凹坑、毛刺、裂纹等。这些缺陷可能导致结构弱化、应力集中或功能失效。评价方法通常是通过视觉检查或高分辨率图像分析来识别和量化缺陷。
实现±0.001mm尺寸控制,需要依赖先进的实时监测和检测技术。市面上存在多种原理各异的解决方案,每种都有其独特的优势和适用场景。
(1)、市面上各种相关技术方案
1. 激光测量技术(非接触式)
激光测量技术在精密内径测量中非常普遍,尤其适用于需要高速度、高精度且不允许接触工件的场景。它主要分为两种实现方式:多点激光位移传感器阵列测量和旋转激光扫描测量。这两种方法的核心都是利用激光束与物体表面的相互作用来获取距离信息。
工作原理和物理基础:
多点激光位移传感器阵列: 想象一下,在一个圆环形的探头内部,均匀地安装着多个微型激光测距传感器,就像一圈小眼睛。每个“小眼睛”都向内孔壁发射一束激光,然后接收从壁面反射回来的光线。通过测量激光发射到接收的时间差(飞行时间法TOF)或激光相位差(相位差法),或者利用三角测量原理(位移法的常用原理),就能精确计算出每个传感器到内孔壁的距离。
三角测量原理: 激光器发射一束激光,照射到被测物体表面形成一个光斑。光斑的反射光通过接收透镜投射到光电位置探测器(如PSD或CMOS传感器)上。当被测物体表面距离发生变化时,光斑在探测器上的位置也会随之移动。通过测量光斑在探测器上的位移,并结合系统几何参数,可以计算出物体距离的变化量。其基本几何关系可以简化为: d = L * tan(theta) 其中 d 是光斑在探测器上的位移,L 是镜头焦距(或基线长度),theta 是入射角的变化。通过标定,将光斑位移与实际距离建立精确对应关系。
在内径测量中,当多个传感器固定在探头中心周围,测量探头到内壁的距离,就能通过几何计算得到内径。例如,如果有三个传感器等距分布,它们测得的距离分别为R1, R2, R3。如果探头中心精确对准了内孔中心,那么内径D就等于 2 * (探头中心到传感器的距离 + 传感器测得的距离)。如果探头未对中,则需要复杂的圆拟合算法从多点数据中提取内径、圆度等参数。
旋转激光扫描: 这种方式就像一个带着激光测距仪的“旋转探照灯”。探头内部的激光传感器会围绕中心轴高速旋转,同时向内孔壁发射激光束。每旋转一周,传感器就能采集到内孔壁上一圈密集的点云数据,每个点都包含其距离信息和对应的角度位置。通过高速旋转和高频率采样,可以迅速获得内孔表面的三维轮廓数据。
其测距原理可以同样基于三角测量、飞行时间或相位差。例如,如果采用三角测量,旋转时传感器将采集一系列(r, theta)坐标点,其中r是到内壁的径向距离,theta是旋转角度。通过这些点,系统能构建出内孔的完整二维截面轮廓。沿轴线移动探头,可以获得三维数据。
核心性能参数的典型范围:
精度: 激光测量精度通常在微米级,高端系统可达±2微米至±5微米。
分辨率: 亚微米级,例如0.1微米。
响应时间/扫描速度: 极快,对于多点阵列,可达毫秒级;对于旋转扫描,每秒可采集数万到数十万个点。
测量范围: 从几毫米到数米,灵活性高。
技术方案的优缺点:
优点:
非接触式测量: 避免了对工件表面的损伤,特别适用于软质、易划伤或精密加工后的工件,也避免了探头磨损问题。
测量速度快: 尤其适合在线检测和批量生产,能大幅提高检测效率。
信息丰富: 除了内径尺寸,还能同时测量圆度、圆柱度、锥度、直线度等几何形位公差,甚至表面缺陷的三维轮廓。
适用性广: 能够测量各种材料(金属、陶瓷、塑料等)和表面处理状态的内孔,对深孔、小孔和异形孔有独特优势。
自动化程度高: 易于集成到自动化生产线中,实现无人值守检测。
局限性:
对表面特性敏感: 被测物体的表面粗糙度、反射率、颜色等会影响激光的反射和接收,可能导致测量误差或不稳定。对于镜面或吸光性强的表面,可能需要特殊的光学设计或表面处理。
环境要求: 灰尘、油雾、水汽等可能会遮挡或散射激光束,影响测量精度。通常需要在较洁净的环境中使用。
成本较高: 相较于传统的接触式测量工具,激光测量系统的初期投入通常更高。
探头体积限制: 对于极小内径的测量,微型激光探头的集成仍是一项挑战。
成本考量: 初期投入较高,但由于其非接触、高速和多功能性,在长期运行和批量生产中,能有效降低人工成本和不良品率,从而带来较高的综合效益。
2. 气动测量技术(非接触式)
气动测量利用气体流动和压力的变化来精确测量尺寸。这就像我们通过气球漏气孔的大小来判断气球瘪下去的速度。
工作原理和物理基础: 测量头会向被测内孔内精确供气。测量头与内孔壁之间会形成一个微小的间隙,气体通过这个间隙流出。内孔尺寸的微小变化,都会导致这个间隙的大小改变,进而影响气体的流出速度和测量头内部的背压。高精度的压力传感器会捕捉这些微小的压力变化,并将其转化为精确的尺寸读数。
其物理基础是气体动力学中的伯努利原理和流量-压力关系。当气流通过一个限制性间隙时,流量Q与间隙面积A、压力P成正比,与气流阻力R成反比。通过对气路系统的精确设计和校准,可以建立间隙尺寸与背压之间的严格对应关系。
核心性能参数的典型范围:
精度: 亚微米级,通常可达0.1微米至1微米。
分辨率: 极高,可达0.01微米。
测量速度: 毫秒级响应,非常快。
测量范围: 通常根据应用定制,适用于微米级的精密孔径。
技术方案的优缺点:
优点: 非接触、精度和重复性极高、速度快、对表面粗糙度和工件材料变化不敏感、维护成本相对较低。特别适用于精密孔径的在线批量检测和公差控制。
局限性: 测量范围相对较小,每个孔径尺寸都需要定制测量喷嘴,需要洁净且稳定的气源,不适合测量表面有孔洞或凹槽的工件。
成本考量: 测量头通常需要定制,初期投入适中,但运行维护成本低。
3. 机器视觉技术(非接触式)
机器视觉测量就像给工件拍一张超高分辨率的照片,然后用智能软件来“量尺寸”。
工作原理和物理基础: 通过高分辨率工业相机捕捉被测工件(如镜头镜筒)的二维图像。然后,利用内置的图像处理软件和先进算法(如边缘检测、圆拟合、几何测量工具等),对图像中的内径轮廓进行精确识别和测量。系统能够通过亚像素级的处理,实现对内径尺寸、圆度等关键参数的非接触式高精度检测。
其物理基础是光学成像和数字图像处理。光线经过镜头聚焦在图像传感器上,将光信号转化为电信号,形成数字图像。通过边缘检测算法(如Sobel、Canny算子)识别物体边界,再通过几何拟合算法(如最小二乘法圆拟合)计算出圆的中心和直径。亚像素级精度通过插值算法实现,例如对边缘像素的灰度梯度进行分析,从而估计出更精确的边缘位置。
核心性能参数的典型范围:
图像分辨率: 从百万像素到千万像素不等,直接影响测量精度。
测量精度: 亚像素级,具体精度取决于视野和标定,通常可达数微米。
检测速度: 取决于图像处理复杂度和硬件配置,适合在线检测。
技术方案的优缺点:
优点: 非接触、能够同时检测多种尺寸和表面缺陷、灵活性强、适应复杂几何形状、易于定制和集成。
局限性: 测量精度受限于光学畸变、照明均匀性和像素分辨率、对光照和工件放置位置敏感、不适合测量深孔内部、软件算法复杂。
成本考量: 系统构成复杂,初期投入较高,但维护成本适中。
4. 接触式测量技术(电感/机械式)
接触式测量是最传统的测量方式,就像用卡尺量东西一样,直接触摸工件来获取尺寸。
工作原理和物理基础: 这种系统通过高精度的测量触头与被测内孔壁直接接触。触头的位移变化(例如,当内径大小改变时,触头会向内或向外移动)被高灵敏度的传感器(如电感式传感器、机械杠杆式传感器或LVDT)捕获,并转化为电信号。这些信号经过测量仪的放大、处理和数字化显示,从而精确指示内径尺寸。系统通常与校准环规配合使用,确保测量溯源性。
LVDT (线性可变差动变压器) 原理: LVDT由一个初级线圈和两个次级线圈组成,初级线圈通入交流电,次级线圈感应出电动势。一个磁性铁芯连接着测量触头,其位置变化会改变两个次级线圈的耦合程度,从而改变它们输出电压的差值。这个差分电压与铁芯位移呈线性关系,通过测量电压差即可精确计算触头位移。
核心性能参数的典型范围:
测量范围: 从几毫米到数百毫米,取决于测头配置。
分辨率: 高,可达0.1微米至1微米。
测量精度: 通常可达±1微米至±2微米。
测量速度: 相对较慢,通常用于离线或抽样检测。
技术方案的优缺点:
优点: 测量精度高、重复性好、结构坚固耐用、操作简单直观、测量结果直观可靠、价格相对较低。
局限性: 接触式测量可能对工件表面造成微小损伤、探头存在磨损问题(需要定期校准和更换)、测量速度相对较慢、无法同时测量复杂的几何形位公差和表面缺陷、不适合在线高速检测。
成本考量: 初期投入较低,但长期使用可能涉及探头耗材更换和校准成本。
(2)、市场主流品牌/产品对比
接下来,我们来看看市面上几个主流品牌在精密内径测量方面的产品和特点,重点比较它们的技术方案和性能:
日本基恩士
采用技术: 激光扫描式测微仪。
特点: 日本基恩士以其激光扫描式测微仪闻名,系统通过高速旋转的多边形镜将激光束聚焦并扫描被测物体。当激光束扫描到内径边缘时,会形成阴影,系统通过测量阴影的宽度来精确计算内径尺寸。这种方式以极高的测量速度和重复精度著称。
核心参数: 测量范围通常在0.5至60毫米,重复精度可以达到惊人的±0.06微米 (2σ),采样速度高达 16 kHz。
优势: 极高的测量速度和重复精度,非接触式测量避免工件损伤,特别适用于在线高速批量检测,测量结果不受工件放置位置或颤动影响,易于集成到自动化生产线。
英国真尚有
采用技术: 激光测量技术(包括多传感器阵列和旋转激光扫描)。
特点: 英国真尚有的ZID100系列内径测量仪是一款高度定制化的非接触式系统,可根据具体需求定制,更符合项目或产线要求。该系统提供两种工作原理:集成多个激光位移传感器进行多点测量,或采用旋转激光传感器进行内表面扫描。适用于长管、圆柱管、锥形管、涡轮钻等的内径和内轮廓测量,能够精准、快速、无损伤地检测管道内部几何数据。
核心参数: 最小可测内径4毫米,精度可定制至最高±2微米,空间分辨率可达6400点/周转,3秒内可测量多达32,000个表面点数据。
优势: 高度定制化能力,可适应各类异形管、深管的测量;非接触式,确保工件无损;高精度、高分辨率,能生成内表面3D模型并检测多种参数如圆度、锥度、表面缺陷;可选配平移机构,实现自动化和远程测量,还可选配保持测量模块对齐管道轴线的固定支架、管道直线度测量模块、视频检视模块以及无线连接(Wi-Fi)模块。
意大利马波斯
采用技术: 气动测量。
特点: 马波斯的气动测量头通过向工件内精确供气,并测量空气从测量头与内壁形成的间隙中流出时产生的背压变化。这种方法以其极致的测量精度和稳定性而闻名,特别适合对超精密小孔的在线批量检测。
核心参数: 测量精度可达亚微米级(通常0.1至1微米),响应速度为毫秒级。
优势: 非接触、精度和重复性极高,对表面粗糙度和工件材料不敏感,速度快,维护成本相对较低。
瑞士泰科达
采用技术: 接触式三点内径测量。
特点: 泰科达的内径量表采用三个测量触头与内径壁均匀接触,通过内部机械或电子机构将触头位置变化转换为内径尺寸读数。这种直观的接触式测量方式在车间环境下应用广泛。
核心参数: 测量范围6至100毫米,分度值/分辨率0.001毫米,精度可达±0.002毫米。
优势: 测量精度高,操作简单直观,结构坚固耐用,适用于高精度离线或抽样检测。
德国马尔
采用技术: 接触式电感测量。
特点: 马尔的内径量表通过高精度电感式测头直接接触内径壁。测头的微小位移被灵敏的电感传感器捕获并转化为电信号,最终显示出精确的尺寸。这种方式提供高分辨率的测量结果,是传统精密测量的典范。
核心参数: 测量范围0.8至400毫米,分辨率0.1微米,精度通常可达1-2微米。
优势: 测量精度高、重复性好,坚固耐用,适用于车间环境下对高精度内径的检测,产品线丰富,测量解决方案全面。
(3)选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议
在为精密机械加工选择内径测量系统时,实现±0.001mm的尺寸控制,我们需要像挑选手术刀一样精细,每一个技术指标都可能决定测量的成败。
精度 (Accuracy): 这是最重要的指标,直接关系到测量结果与真实值之间的接近程度。对于±0.001mm的尺寸控制目标,你的测量系统精度至少要达到这个级别,甚至更高,比如±0.0005mm。如果系统本身就不够准,那么后续的控制就无从谈起。
选型建议: 优先选择精度指标优于目标控制精度1/3到1/5的设备,例如目标是±1微米,那么理想的测量精度应在±0.2到±0.3微米。对于极高精度的要求,激光扫描和气动测量通常能提供更好的精度。
重复性 (Repeatability): 指在相同条件下,对同一被测物重复测量多次,结果之间的一致性。如果精度好但重复性差,就意味着每次测量结果不稳定,像“碰运气”,无法提供可靠的反馈。
选型建议: 优秀的测量系统,其重复性指标通常应小于精度的1/2。在线测量尤为重要,确保每一次合格品都被准确识别。非接触式测量(如激光、气动)通常具有出色的重复性。
分辨率 (Resolution): 指测量系统能够识别的最小尺寸变化量,也就是它能“看到”多小的细节。比如,一个分辨率为0.1微米的系统,就能区分0.1微米的变化。
选型建议: 分辨率应至少与精度指标在同一数量级,或更小,以确保能够精确显示和捕捉微小的尺寸波动。高分辨率有助于工程师在公差带内进行更精细的调整和控制。
测量速度 (Measurement Speed/Response Time): 指系统完成一次测量并输出结果所需的时间。在自动化生产线上,速度就是效率。
选型建议: 对于在线全检或节拍很短的生产线,激光扫描、机器视觉和气动测量等高速非接触式系统是首选,它们能在毫秒到数秒内完成测量。而离线或抽样检测,接触式系统也能满足需求。
测量范围 (Measurement Range): 指系统能测量的最小到最大尺寸范围。
选型建议: 确保所选设备的测量范围能够完全覆盖你的工件内径尺寸。如果内径变化大,考虑带有自动调整或多探头切换功能的系统。
非接触式 vs. 接触式:
非接触式 (如激光、气动、视觉): 优点是无磨损、无损伤、速度快、可测量软质材料,通常能获取更全面的形貌数据。缺点是对表面特性(反射率、粗糙度)、环境(灰尘、油雾)敏感,初期成本较高。
选型建议: 适用于精密加工件,如油缸、轴承孔,不允许任何划伤,且需要高速在线检测的场景。
接触式 (如三点量表、LVDT探头): 优点是精度高、原理直观、对环境不敏感、价格相对较低。缺点是可能磨损工件或探头、测量速度慢、通常只测量单个或有限几个参数。
选型建议: 适用于离线抽检、对表面硬度较高不易损伤的工件,或预算有限但对精度要求高的场景。
环境适应性: 设备在实际生产环境(温度、湿度、震动、粉尘)中的稳定性。
选型建议: 如果车间环境恶劣,需选择防护等级高、抗震性强的设备。激光和视觉系统可能需要额外的防尘防油雾措施。
数据处理和分析功能: 是否提供强大的软件,能进行数据统计分析、报告生成、趋势监控等。
选型建议: 优秀的软件平台能帮助你更好地理解测量数据,进行质量控制和工艺优化,这对于实现长期稳定的±0.001mm控制至关重要。
(4)实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议
在实际应用中,即使选择了最好的测量系统,也可能遇到各种挑战,影响到±0.001mm的尺寸控制。
环境因素的影响:
问题: 温度波动会导致工件和测量设备热胀冷缩,微小的温差就能引起微米级的尺寸变化。灰尘、油雾、冷却液等污染物可能会附着在非接触式传感器的光学元件上,或干扰激光束,导致测量误差。震动也可能引起工件或探头的相对位移,影响测量稳定性。
原因及影响: 0.001mm的尺寸变化对温度非常敏感。例如,钢材每升高1°C,每米长度大约会膨胀11-13微米。对于一个100mm的内径,1°C的温差可能带来约1微米的尺寸变化。污染物会造成光路遮挡或散射,降低信噪比,使激光或视觉系统读数不准。
解决建议:
温度控制: 尽量在恒温环境中进行精密测量。对于在线测量,可采用温度补偿算法,对工件和设备的温度进行实时监测和修正。
环境洁净: 为非接触式测量设备提供洁净的测量环境,如加装防尘罩、气幕或在洁净室中使用。定期清洁传感器的光学窗口。
减震: 将测量系统安装在防震平台上,或采用减震地脚,避免外部震动干扰。
工件表面特性的影响:
问题: 工件的表面粗糙度、反射率(如镜面或吸光面)、颜色不均匀等特性会影响激光和机器视觉系统的测量效果。
原因及影响: 粗糙表面会散射激光,减少反射光强度;镜面可能导致激光反射方向不稳定,甚至产生误反射;吸光表面反射光弱,都会使传感器接收到的信号质量下降,导致测量不稳定或误差增大。
解决建议:
选择合适技术: 对于粗糙表面,气动测量或某些特定波长的激光传感器可能更适用。
优化光源: 对于激光或视觉系统,可尝试调整激光功率、波长、入射角度,或使用环形光、背光等不同照明方式,以优化图像或信号质量。
表面处理: 在不影响工件功能的前提下,对测量区域进行局部表面处理,如喷涂一层薄薄的哑光涂层,以改善反射特性。
探头磨损与校准问题(针对接触式测量):
问题: 接触式测头的测量点在使用过程中会逐渐磨损,导致测量不准。
原因及影响: 频繁接触硬质工件会使测头材料损耗,改变测头形状,直接影响测量基准。微米级的磨损就足以让测量结果超出±0.001mm的公差范围。
解决建议:
定期校准: 建立严格的校准周期,使用高精度环规对探头进行定期校准和调整。
探头更换: 根据使用频率和磨损程度,及时更换磨损的测量探头。选用高耐磨材料(如碳化钨)的测头。
减少不必要接触: 优化测量路径,减少探头与工件的滑动摩擦,只在测量点进行有效接触。
系统标定与对齐误差:
问题: 无论是非接触还是接触式系统,如果其安装、标定不精确,或者探头与被测内孔的轴线没有良好对齐,都会引入系统性误差。
原因及影响: 标定误差会导致测量值与实际值之间存在固定偏差。探头对齐不良会使测量结果偏离真实径向值,尤其在测量圆度、圆柱度等形位公差时,影响更为显著。
解决建议:
高精度标定: 使用符合国家计量标准的高精度校准环规进行严格的系统标定,并定期复检。
精确对齐机构: 选用带有自动对中或高精度手动对中机构的测量设备,确保探头能够精确地与被测内孔的轴线对齐。
精密内径测量技术在多个行业中扮演着关键角色,确保着部件的性能和可靠性。例如,英国真尚有的内径测量仪在液压元件制造中,能够对油缸的内径尺寸和圆柱度进行精确测量,保障液压系统的密封性和稳定性。
汽车制造: 在发动机气缸、曲轴轴承孔、燃油喷射器孔的加工和检测中,内径测量用于确保这些关键部件的尺寸精度和形位公差,直接影响发动机的效率和寿命。
航空航天: 飞机液压系统的阀体孔、涡轮发动机的燃烧室孔和叶片根部安装孔,都需要极高精度的内径控制,以保障飞行安全和发动机性能。
液压与气动元件: 油缸、泵体、阀芯等液压气动元件的内孔精度,直接关系到密封性、运动平稳性和工作效率,精密测量确保其无泄漏、无卡滞。
医疗器械: 注射器针筒、微创手术器械导管等,其内径尺寸的精确控制对于药物输送剂量、手术精度和患者安全至关重要。
精密轴承: 轴承内外圈的滚道内径精度,直接决定了轴承的旋转精度、噪音和使用寿命,高精度测量确保轴承达到严苛的性能要求。
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