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朱利民:瞄准国家重大需求,突破智能与精密制造核心技术

2022-11-23 20:16:59 325

摘要:朱利民及其团队部分骨干成员在《中国制造2025》战略中,高档数控机床和机器人的研发是国家的重大战略需求,也是国家大力推动的重点科研领域,更是新一轮科技革命和产业变革中必须直面的重大挑战。上海交通大学教授、机械与动力工程学院智能制造与信息工程...

朱利民及其团队部分骨干成员

在《中国制造2025》战略中,高档数控机床和机器人的研发是国家的重大战略需求,也是国家大力推动的重点科研领域,更是新一轮科技革命和产业变革中必须直面的重大挑战。

上海交通大学教授、机械与动力工程学院智能制造与信息工程研究所所长朱利民长期从事复杂曲面零件高效精密数控加工理论与技术研究,从数控编程、工艺力学、三维测量、运动控制到数控系统与机床,取得了系统性成果,在航天、航空和汽车发动机制造企业获得重要应用。

同时,朱利民领导团队瞄准机器人、人工智能等国际学术前沿热点,结合大型构件现场加工与装配作业需求,将数控和机器人技术相结合,开拓机器人化智能制造装备研究,与兄弟单位合作研发了大型薄壁零件双机器人镜像铣削加工技术与装备。

近期,朱利民在学校的重点支持下,面向国家对超精密制造的重大需求,发挥团队前期在五轴联动数控加工、超声辅助加工、加工-检测一体化、精密运动控制等方面的研究优势,积极布局5+X轴高效超精密切削、多能场辅助超精密切削、近原子尺度抛光等研究,已初见成效。

在朱利民看来,做科研不仅需要持之以恒,耐得住寂寞;更要志向远大,随着国家重大需求和国际学科前沿的发展,不断开拓进取。

潜心钻研十五载,突破复杂曲面零件多轴联动数控加工与数字化测量核心技术

叶轮、叶片类复杂曲面零件在运载、能源和国防等行业有着广泛应用,直接关系国民经济发展和国防安全,20世纪90年代我国在相关制造理论与技术方面与西方国家存在着巨大差距。叶片面型复杂、壁薄,整体叶轮相邻叶片间重叠区域大、通道深而窄,刀具易与零件发生干涉,因此刀具与零件曲面几何失配、加工振动和加工变形等问题非常突出。朱利民自1999年底跟随熊有伦院士从事博士后研究开始,在复杂曲面多轴联动数控加工与数字化测量方向潜心耕耘十余年,先后参与了熊有伦院士主持的国家自然科学基金重大项目和丁汉院士主持的两期国家原“973”计划项目,逐渐成长为学术带头人,在加工成形几何学原理、动力学判稳方法、几何误差评定模型三个方面取得突破性学术进展。

他们提出了自由曲面非球头刀宽行数控加工的几何学原理和刀位规划方法。五轴联动数控加工的一大优势在于通过调整刀具姿态,使得刀触点轨迹线附近的刀具包络曲面充分逼近设计曲面,从而显著提高切削行宽。宽行加工包括局域高阶密切和宏域曲率匹配两种思路。对于自由曲面,已有理论仅支持二阶密切加工,三阶密切和宏域匹配的几何学条件尚不清楚。单个刀位下能否计算刀具包络面、刀轴轨迹调整如何影响刀具包络面是困扰学界多年的难题,成为制约五轴联动宽行加工潜力发挥的瓶颈。朱利民探明了接触曲面间的相伴关系,由刀具包络曲面与刀具曲面和设计曲面间的线接触关系,建立了单个刀位下刀具包络面局部三阶估计的基本方程,发现了刀具包络面与设计曲面在刀触点的三阶密切条件,进而提出了点接触加工的三阶密切法,与二阶密切法相比,有效切削行宽提高一倍以上。进一步,他建立了一般回转刀具扫掠体包络面的解析表达式及其与设计曲面间的法向误差关于刀具轨迹和刀具形状调整的微分关系,将刀具面族包络向设计曲面的整体逼近误差控制转化为对刀轴轨迹面和刀具曲面的形状控制,由此提出了线接触加工的整体逼近法,将侧铣加工的范围从圆柱刀扩展到一般回转刀具,从单行加工扩展到多行切向连续加工,从直纹面扩展到一般自由曲面。CIRP Fellow、法国学者Bernard教授在综述论文中将该成果列入“1979-2012年五轴侧铣加工发展路线图”,认为提出了误差控制和刀位优化的新概念新方法,是“创新和令人振奋”的工作。

他们提出了点-曲面距离函数的微分理论,建立了散乱点云曲面逼近的统一方法体系。三维测量在复杂曲面数字化制造中的应用已从最初的误差评定和逆向工程扩展到配对加工、自适应加工等多个方面。大规模测量点云必须经过几何要素拟合才能得到所期望的决策信息,计算效率和稳定性问题非常突出。已有方法多是“一把钥匙开一把锁”,仅仅适合某种问题或某种曲面,缺乏规律性认识导致对某一类问题很有效的方法无法扩展应用到其他领域,不同应用领域的先进方法的优点难以集成于一体,特别是对于新的应用,需要经过长时期的摸索才能找到合适的方法。朱利民定义了点-曲面有向距离函数用以度量点到曲面的偏差,建立了距离函数的可微性条件及其一、二阶导数的解析计算方法。将各类曲面拟合问题统一表示为对点-曲面距离有特定要求的最优化问题,由距离函数的微分性质设计出高效稳健的曲面识别、重建、寻位、误差评定与分解、面形再设计等三维点云数据分析新算法。进一步,他拓展建立了点-曲线和曲面-曲面距离函数的微分理论,将轮廓跟踪控制、夹持完全约束性判别和夹具定位误差分析中的传统“一阶”方法提升为“二阶”,在精度方面取得显著突破。上述工作形成了完整的点-曲线-曲面间距离函数的微分理论,为“装备-工具-零件”间动态几何关系的表达、推理与计算提供了建模工具。米兰理工大学Moroni教授评价他提出的几何误差评定算法“远胜其他方法,最精致、计算速度最快、最有前景”。以上曲面加工与测量的几何学新原理和新方法作为重要创新点之一获得2012年国家自然科学奖二等奖。

他们提出了数控铣削加工稳定性与动态误差同步预报的高效通用方法——全离散法。铣削加工中的颤振是导致零件表面缺陷,甚至刀具和机床损坏的主要原因之一,加工稳定性判别与动态误差预测是实现高质量、高效率加工的基础。国际上加工动力学分析的主流方法是频域法和时域半离散法,这两种方法在计算效率和通用性方面均存在着一定的不足,特别是不能预报由加工振动引起的表面位置误差。五轴高速加工的特点是高转速、高进给、时变径向切深,因此需要能够预报加工稳定性和加工误差的高效率、通用计算方法。朱利民和团队突破半离散法基于微分方程的思路,建立了铣削动力学系统的积分方程模型,提出了积分格式动态响应计算的全离散法,可同时预报加工稳定性和表面位置误差,适用于大/小径向/轴向切深、多时滞效应、结构模态耦合、非线性切削力、薄壁件等多种工况,与半离散法相比,收敛阶数提高一阶,计算效率提高一个数量级。进一步,他们提出了积分方程模型灵敏度分析的半解析方法,获得了参数不确定动力学模型的保守解,实现了工艺参数的稳健优化。半离散法创立者Insperger教授专门撰文评价全离散法“计算效率高、在应用上有优势”,并在和匈牙利科学院工程部主席、匈牙利科学院和欧洲科学院两院院士Stépán教授合著的专著Semi-discretization for time-delay systems中整节专门介绍了该方法。前NASA研究员Omenyi评价全离散法“能深刻揭示铣削加工的各种稳定性特征,实现了计算效率上的突破,是开创性方法”。全离散法现已成为切削动力学研究的基本工具,被国内外学者广泛使用。该成果获得2017年高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖。

在理论方法突破的基础上,朱利民领导团队研究解决了刀具全局可达方向锥高效计算、考虑刀具跳动和底刃切削影响的五轴铣削力预报、基于测量反馈的薄壁件加工变形误差无模型迭代消减、薄壁件侧/端铣加工变形预测与刀路修正补偿、变参数(变进给/变转速/变齿距)加工、五轴线性刀具路径的实时G2连续转接光顺、刀尖点平动和刀轴转动同步速度规划、多轴交叉耦合控制、FPGA高速插补、旋转轴几何误差辨识与补偿等一批关键技术;与企业合作研发了五轴数控系统和五轴机床摆头传动部件,形成了五轴数控机床的自主研制能力;研发了叶轮类零件五轴数控加工CAM软件和成套工艺技术,在航天、航空和汽车发动机制造企业获得重要应用,使大型液体火箭发动机诱导轮批量生产效率提高4倍以上。他还主持研制了四轴叶片测量专机,其控制器支持多种类型的电机和测头进行多轴联动扫描测量,独有的专利技术“叶片截面接触式扫描探针半径三维补偿方法”将叶片测量精度提升30%,叶片分析软件符合中航工业标准,该测量设备已在航空发动机企业获得应用。

瞄准智能制造热点,积极开拓大型复杂构件机器人加工技术与装备研究

2010年以来,机器人加工作为智能制造研究的一个重要突破口已引起世界工业强国的高度关注。欧盟连续资助了COMET(2010.9-2013.6,772万欧元)、HEPHESTOS(2012.9-2015.10,335万欧元)和MEGAROB(2012.11-2015.10,434万欧元)3项关节型工业机器人加工方面的重大项目,分别针对高精度(小于50um)、硬质材料(钢、铬镍铁合金)、超大零件(10m以上)等应用场景开展研究。在这些计划提出的初期,朱利民即敏锐地察觉出机器人化智能制造装备的广阔发展前景。他认为,相比于数控机床,机器人具有运动灵活度高、工作空间大、并行协调作业能力强等优势,同时机器人常用的感知功能,如机器视觉和力觉以及相应的视觉伺服和力/位混合控制技术日臻成熟。以机器人作为装备的执行体,并且配以强大的感知功能,基于工艺知识模型与多传感器反馈信息对运行参数进行滚动优化,将突破传统制造装备仅关注各运动轴位置和速度控制的局限,形成装备对工艺过程的主动控制能力,同时可根据用户需要配备AGV或长行程导轨构建形式多样的移动机器人平台,创建多机器人协同作业的“能工巧匠”型机器人装备,在超大零件的分段自寻位并行加工中具有显著优势。

2013年起朱利民迈入机器人加工研究领域,并参与了国家自然科学基金委员会“共融机器人基础理论与关键技术研究”重大研究计划的论证工作,经过数年预研,2016年由他牵头申请的国家自然科学基金重点项目“蒙皮镜像加工机器人系统的主动顺应与协调控制研究”获得立项。该项目针对航空航天领域长厚比>1000的“极端”弱刚性大型蒙皮构件的壁厚加工精度保障难题,旨在将混联机器人装备技术和数字化加工技术相结合,创建双机器人“切削加工与误差补偿+随动支撑与壁厚测量”协同作业的镜像加工新原理和新装备。由上海交通大学、天津大学和上海拓璞数控科技有限公司组成的科研团队密切合作,经过3年多的研究取得了丰硕的成果:发明了新型位置型1T2R并联机构,提出了尺度综合和支链模块化、整机轻量化设计方法,研制出五轴混联加工机器人;发明了集成薄壁件法向测量与壁厚测量、“中心刚性支撑+四周柔性气动支撑”形式的刚柔混合支撑头,获得了柔性气动支撑中气缸气压对抑振效果的影响规律;制定了双机器人等壁厚镜像铣削协同运动控制方案,设计出“支撑端壁厚测量+加工端切深补偿”形式的加工壁厚实时控制系统,加工实验中大型弱刚性壁板零件的壁厚稳定控制在2±0.1mm以内。

同时,朱利民领导团队还开展了面向机器人加工的大尺度空间精确自主寻位与加工质量原位检测技术研究。他们提出了集iGPS、激光跟踪仪、近景摄影测量、多模态三维光学测量于一体的全域跨尺度立体传感定位与测量方案,旨在通过激光跟踪仪建立全局时空信息传感网络,利用iGPS与近景摄影测量粗精分级测量策略,实现机器人在超大空间中的亚毫米级自主寻位与微米级精准作业;在加工表面形貌测量方面,他们以非朗伯复杂曲面光反射模型为基础,提出了集成光度摄影成像、条纹投影成像和条纹偏折成像的多模态三维光学测量方法,基于光度摄影成像分析表面散射与反射耦合机制,通过物理模型驱动的计算成像,对条纹投影、偏折参数进行像素级调制及数据融合,实现了对精加工金属构件从局部纹理到全局形状的跨尺度测量。相关技术正尝试应用于风电叶片、航天器舱体等典型大型复杂构件的机器人加工系统中。

面向极端制造学术前沿,前瞻布局原子及近原子尺度制造研究

高效与精密是加工制造技术永恒的追求。超精密制造可以获得亚微米级形位精度、纳米/亚纳米级表面粗糙度及近无表层缺陷的高性能表面与功能结构,代表了迄今精密制造技术的最高发展阶段。朱利民领导团队从2010年起,针对超精密机床的快速伺服刀架、原子力显微镜的扫描器等纳米定位平台向超快方向发展的需求,从机构设计、动力学建模、轨迹规划、运动控制等方面开展了系统研究,建立了反映制动器迟滞与机构振动耦合行为的纳米定位平台非线性动力学模型,提出同时提升平台谐振模态阻尼和刚度的振动模态控制方法,辅以外环高增益鲁棒跟踪控制器,获得了接近甚至超越平台机构固有谐振频率的控制带宽,成果被国际同行评价为“主流方法”“通用模型”。

近年来,军事和民用高端装备的重大需求,使得超高精度、高性能表面与功能结构零件的制造技术成为各制造强国优先发展的重要战略性技术,并进一步朝着原子及近原子尺度制造的方向发展。瞄准此项极端制造学术前沿,朱利民从2018年起在学校、学院和国家重点实验室的大力支持下,主持建设超精密制造方向,一方面,发挥团队前期在五轴联动数控加工、超声辅助加工、高带宽纳米定位等方面的研究优势,重点开展面向复杂结构的5+X轴高效超精密切削和面向难加工材料的多能场辅助超精密切削技术研究;同时,与英国皇家工程院院士蒋向前教授领衔的英国国家未来计量联盟进行深度合作,研发下一代加工-检测一体化智能超精密机床。另一方面,前瞻探索基于大气等离子体的原子尺度抛光,基于探针的原子级加工、测量和操纵等(近)原子尺度制造技术。依托上海交通大学科技园及大零号湾计划,团队已建成约3000平方米的超精密制造研究中心,包括超精密加工及检测实验室、光学成型及镀膜洁净室、光学设计及方案展示中心等,拥有多台套全球领先的五轴联动超精密机床和超精密检测仪器。目前,团队已通过技术创新,为华为、晶方科技、舜宇光学、成都光明等领军企业加工出大尺寸微纳菲涅尔结构模具、钨合金微球阵列模具、晶圆级光学微结构模具等高附加值产品,实现了进口替代。朱利民展望说道:“我们预期经过5年建设,将在下一代光学和半导体超精密制造方面形成一批自主的特色技术、工艺和装备,建成国际一流的超精密加工、检测及中试平台,服务国防、能源、航空航天等国家重大工程以及集成电路、消费电子、光通信、汽车等产业。”

专家简介

朱利民,上海交通大学机械与动力工程学院智能制造与信息工程研究所所长、教育部“长江学者”特聘教授。主要从事数控加工技术与装备、机器人化智能制造装备、超精密制造与检测方向的研究。他是国家杰出青年科学基金获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才。

朱利民担任国际著名学术期刊IEEE/ASME Trans. On Mechatronics副编辑、英国机械工程师学会会刊Proceedings of the IMechE, Part B: Journal of Engineering Manufacture和中国机械工程学报英文版Chinese Journal of Mechanical Engineering编委,国家自然科学基金委员会机械设计与制造学科“十四五”发展战略报告“高性能、智能化制造”方向撰写组组长,上海市学位委员会第五届学科评议组成员。

朱利民主持国家自然科学基金重点项目3项、国家科技重大专项课题等科研项目30余项,由科学出版基金资助出版专著1部,发表SCI论文190余篇,包括ASME和IEEE会刊论文50余篇、机械制造领域影响因子最高的期刊Int J Mach Tool Manu论文19篇,授权发明专利20余项。以第一完成人获高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖1项,作为主要完成人获国家自然科学奖二等奖和国家科技进步奖二等奖各1项。

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