瞄準國家重大需求突破智能與精密制造核心技術
——記上海交通大學機械與動力工程學院智能制造研究所所長朱利民

王 涵

在《中國制造2025》戰略中，高檔數控機床和機器人的研發是國家的重大戰略需求，也是國家大力推動的重點科研領域，更是新一輪科技革命和產業變革中必須直面的重大挑戰。

上海交通大學教授、機械與動力工程學院智能制造與信息工程研究所所長朱利民長期從事復雜曲面零件高效精密數控加工理論與技術研究，從數控編程、工藝力學、三維測量、運動控制到數控系統與機床，取得了系統性成果，在航天、航空和汽車發動機制造企業獲得重要應用。

同時，朱利民領導團隊瞄準機器人、人工智能等國際學術前沿熱點，結合大型構件現場加工與裝配作業需求，將數控和機器人技術相結合，開拓機器人化智能制造裝備研究，與兄弟單位合作研發了大型薄壁零件雙機器人鏡像銑削加工技術與裝備。

近期，朱利民在學校的重點支持下，面向國家對超精密制造的重大需求，發揮團隊前期在五軸聯動數控加工、超聲輔助加工、加工-檢測一體化、精密運動控制等方面的研究優勢，積極布局5+X軸高效超精密切削、多能場輔助超精密切削、近原子尺度拋光等研究，已初見成效。

在朱利民看來，做科研不僅需要持之以恒，耐得住寂寞；更要志向遠大，隨著國家重大需求和國際學科前沿的發展，不斷開拓進取。

潛心鉆研十五載，突破復雜曲面零件多軸聯動數控加工與數字化測量核心技術

葉輪、葉片類復雜曲面零件在運載、能源和國防等行業有著廣泛應用，直接關系國民經濟發展和國防安全，20世紀90年代我國在相關制造理論與技術方面與西方國家存在著巨大差距。葉片面型復雜、壁薄，整體葉輪相鄰葉片間重疊區域大、通道深而窄，刀具易與零件發生干涉，因此刀具與零件曲面幾何失配、加工振動和加工變形等問題非常突出。朱利民自1999年底跟隨熊有倫院士從事博士后研究開始，在復雜曲面多軸聯動數控加工與數字化測量方向潛心耕耘十余年，先后參與了熊有倫院士主持的國家自然科學基金重大項目和丁漢院士主持的兩期國家原“973”計劃項目，逐漸成長為學術帶頭人，在加工成形幾何學原理、動力學判穩方法、幾何誤差評定模型三個方面取得突破性學術進展。

他們提出了自由曲面非球頭刀寬行數控加工的幾何學原理和刀位規劃方法。五軸聯動數控加工的一大優勢在于通過調整刀具姿態，使得刀觸點軌跡線附近的刀具包絡曲面充分逼近設計曲面，從而顯著提高切削行寬。寬行加工包括局域高階密切和宏域曲率匹配兩種思路。對于自由曲面，已有理論僅支持二階密切加工，三階密切和宏域匹配的幾何學條件尚不清楚。單個刀位下能否計算刀具包絡面、刀軸軌跡調整如何影響刀具包絡面是困擾學界多年的難題，成為制約五軸聯動寬行加工潛力發揮的瓶頸。朱利民探明了接觸曲面間的相伴關系，由刀具包絡曲面與刀具曲面和設計曲面間的線接觸關系，建立了單個刀位下刀具包絡面局部三階估計的基本方程，發現了刀具包絡面與設計曲面在刀觸點的三階密切條件，進而提出了點接觸加工的三階密切法，與二階密切法相比，有效切削行寬提高一倍以上。進一步，他建立了一般回轉刀具掃掠體包絡面的解析表達式及其與設計曲面間的法向誤差關于刀具軌跡和刀具形狀調整的微分關系，將刀具面族包絡向設計曲面的整體逼近誤差控制轉化為對刀軸軌跡面和刀具曲面的形狀控制，由此提出了線接觸加工的整體逼近法，將側銑加工的范圍從圓柱刀擴展到一般回轉刀具，從單行加工擴展到多行切向連續加工，從直紋面擴展到一般自由曲面。CIRP Fellow、法國學者Bernard教授在綜述論文中將該成果列入“1979-2012年五軸側銑加工發展路線圖”，認為提出了誤差控制和刀位優化的新概念新方法，是“創新和令人振奮”的工作。

他們提出了點-曲面距離函數的微分理論，建立了散亂點云曲面逼近的統一方法體系。三維測量在復雜曲面數字化制造中的應用已從最初的誤差評定和逆向工程擴展到配對加工、自適應加工等多個方面。大規模測量點云必須經過幾何要素擬合才能得到所期望的決策信息，計算效率和穩定性問題非常突出。已有方法多是“一把鑰匙開一把鎖”，僅僅適合某種問題或某種曲面，缺乏規律性認識導致對某一類問題很有效的方法無法擴展應用到其他領域，不同應用領域的先進方法的優點難以集成于一體，特別是對于新的應用，需要經過長時期的摸索才能找到合適的方法。朱利民定義了點-曲面有向距離函數用以度量點到曲面的偏差，建立了距離函數的可微性條件及其一、二階導數的解析計算方法。將各類曲面擬合問題統一表示為對點-曲面距離有特定要求的最優化問題，由距離函數的微分性質設計出高效穩健的曲面識別、重建、尋位、誤差評定與分解、面形再設計等三維點云數據分析新算法。進一步，他拓展建立了點-曲線和曲面-曲面距離函數的微分理論，將輪廓跟蹤控制、夾持完全約束性判別和夾具定位誤差分析中的傳統“一階”方法提升為“二階”，在精度方面取得顯著突破。上述工作形成了完整的點-曲線-曲面間距離函數的微分理論，為“裝備-工具-零件”間動態幾何關系的表達、推理與計算提供了建模工具。米蘭理工大學Moroni教授評價他提出的幾何誤差評定算法“遠勝其他方法，最精致、計算速度最快、最有前景”。以上曲面加工與測量的幾何學新原理和新方法作為重要創新點之一獲得2012年國家自然科學獎二等獎。

朱利民及其團隊部分骨干成員

他們提出了數控銑削加工穩定性與動態誤差同步預報的高效通用方法——全離散法。銑削加工中的顫振是導致零件表面缺陷，甚至刀具和機床損壞的主要原因之一，加工穩定性判別與動態誤差預測是實現高質量、高效率加工的基礎。國際上加工動力學分析的主流方法是頻域法和時域半離散法，這兩種方法在計算效率和通用性方面均存在著一定的不足，特別是不能預報由加工振動引起的表面位置誤差。五軸高速加工的特點是高轉速、高進給、時變徑向切深，因此需要能夠預報加工穩定性和加工誤差的高效率、通用計算方法。朱利民和團隊突破半離散法基于微分方程的思路，建立了銑削動力學系統的積分方程模型，提出了積分格式動態響應計算的全離散法，可同時預報加工穩定性和表面位置誤差，適用于大／小徑向／軸向切深、多時滯效應、結構模態耦合、非線性切削力、薄壁件等多種工況，與半離散法相比，收斂階數提高一階，計算效率提高一個數量級。進一步，他們提出了積分方程模型靈敏度分析的半解析方法，獲得了參數不確定動力學模型的保守解，實現了工藝參數的穩健優化。半離散法創立者Insperger教授專門撰文評價全離散法“計算效率高、在應用上有優勢”，并在和匈牙利科學院工程部主席、匈牙利科學院和歐洲科學院兩院院士Stépán教授合著的專著Semi-discretization for timedelay systems中整節專門介紹了該方法。前N A S A研究員O m e n y i評價全離散法“能深刻揭示銑削加工的各種穩定性特征，實現了計算效率上的突破，是開創性方法”。全離散法現已成為切削動力學研究的基本工具，被國內外學者廣泛使用。該成果獲得2017年高等學?？茖W研究優秀成果獎自然科學獎一等獎。

在理論方法突破的基礎上，朱利民領導團隊研究解決了刀具全局可達方向錐高效計算、考慮刀具跳動和底刃切削影響的五軸銑削力預報、基于測量反饋的薄壁件加工變形誤差無模型迭代消減、薄壁件側/端銑加工變形預測與刀路修正補償、變參數（變進給/變轉速/變齒距）加工、五軸線性刀具路徑的實時G2連續轉接光順、刀尖點平動和刀軸轉動同步速度規劃、多軸交叉耦合控制、FPGA高速插補、旋轉軸幾何誤差辨識與補償等一批關鍵技術；與企業合作研發了五軸數控系統和五軸機床擺頭傳動部件，形成了五軸數控機床的自主研制能力；研發了葉輪類零件五軸數控加工C A M軟件和成套工藝技術，在航天、航空和汽車發動機制造企業獲得重要應用，使大型液體火箭發動機誘導輪批量生產效率提高4倍以上。他還主持研制了四軸葉片測量專機，其控制器支持多種類型的電機和測頭進行多軸聯動掃描測量，獨有的專利技術“葉片截面接觸式掃描探針半徑三維補償方法”將葉片測量精度提升30%，葉片分析軟件符合中航工業標準，該測量設備已在航空發動機企業獲得應用。

瞄準智能制造熱點，積極開拓大型復雜構件機器人加工技術與裝備研究

2010年以來，機器人加工作為智能制造研究的一個重要突破口已引起世界工業強國的高度關注。歐盟連續資助了C O M E T（2010.9-2013.6，772萬歐元）、HEPHESTOS（2012.9-2015.10，335萬歐元）和M E G A R O B（2012.11-2015.10，434萬歐元）3項關節型工業機器人加工方面的重大項目，分別針對高精度（小于50u m）、硬質材料（鋼、鉻鎳鐵合金）、超大零件（10m以上）等應用場景開展研究。在這些計劃提出的初期，朱利民即敏銳地察覺出機器人化智能制造裝備的廣闊發展前景。他認為，相比于數控機床，機器人具有運動靈活度高、工作空間大、并行協調作業能力強等優勢，同時機器人常用的感知功能，如機器視覺和力覺以及相應的視覺伺服和力/位混合控制技術日臻成熟。以機器人作為裝備的執行體，并且配以強大的感知功能，基于工藝知識模型與多傳感器反饋信息對運行參數進行滾動優化，將突破傳統制造裝備僅關注各運動軸位置和速度控制的局限，形成裝備對工藝過程的主動控制能力，同時可根據用戶需要配備AGV或長行程導軌構建形式多樣的移動機器人平臺，創建多機器人協同作業的“能工巧匠”型機器人裝備，在超大零件的分段自尋位并行加工中具有顯著優勢。

2013年起朱利民邁入機器人加工研究領域，并參與了國家自然科學基金委員會“共融機器人基礎理論與關鍵技術研究”重大研究計劃的論證工作，經過數年預研，2016年由他牽頭申請的國家自然科學基金重點項目“蒙皮鏡像加工機器人系統的主動順應與協調控制研究”獲得立項。該項目針對航空航天領域長厚比>1000的“極端”弱剛性大型蒙皮構件的壁厚加工精度保障難題，旨在將混聯機器人裝備技術和數字化加工技術相結合，創建雙機器人“切削加工與誤差補償+隨動支撐與壁厚測量”協同作業的鏡像加工新原理和新裝備。由上海交通大學、天津大學和上海拓璞數控科技有限公司組成的科研團隊密切合作，經過3年多的研究取得了豐碩的成果：發明了新型位置型1T2R并聯機構，提出了尺度綜合和支鏈模塊化、整機輕量化設計方法，研制出五軸混聯加工機器人；發明了集成薄壁件法向測量與壁厚測量、“中心剛性支撐+四周柔性氣動支撐”形式的剛柔混合支撐頭，獲得了柔性氣動支撐中氣缸氣壓對抑振效果的影響規律；制定了雙機器人等壁厚鏡像銑削協同運動控制方案，設計出“支撐端壁厚測量+加工端切深補償”形式的加工壁厚實時控制系統，加工實驗中大型弱剛性壁板零件的壁厚穩定控制在2±0.1mm以內。

同時，朱利民領導團隊還開展了面向機器人加工的大尺度空間精確自主尋位與加工質量原位檢測技術研究。他們提出了集i G P S、激光跟蹤儀、近景攝影測量、多模態三維光學測量于一體的全域跨尺度立體傳感定位與測量方案，旨在通過激光跟蹤儀建立全局時空信息傳感網絡，利用iGPS與近景攝影測量粗精分級測量策略，實現機器人在超大空間中的亞毫米級自主尋位與微米級精準作業；在加工表面形貌測量方面，他們以非朗伯復雜曲面光反射模型為基礎，提出了集成光度攝影成像、條紋投影成像和條紋偏折成像的多模態三維光學測量方法，基于光度攝影成像分析表面散射與反射耦合機制，通過物理模型驅動的計算成像，對條紋投影、偏折參數進行像素級調制及數據融合，實現了對精加工金屬構件從局部紋理到全局形狀的跨尺度測量。相關技術正嘗試應用于風電葉片、航天器艙體等典型大型復雜構件的機器人加工系統中。

面向極端制造學術前沿，前瞻布局原子及近原子尺度制造研究

高效與精密是加工制造技術永恒的追求。超精密制造可以獲得亞微米級形位精度、納米/亞納米級表面粗糙度及近無表層缺陷的高性能表面與功能結構，代表了迄今精密制造技術的最高發展階段。朱利民領導團隊從2010年起，針對超精密機床的快速伺服刀架、原子力顯微鏡的掃描器等納米定位平臺向超快方向發展的需求，從機構設計、動力學建模、軌跡規劃、運動控制等方面開展了系統研究，建立了反映制動器遲滯與機構振動耦合行為的納米定位平臺非線性動力學模型，提出同時提升平臺諧振模態阻尼和剛度的振動模態控制方法，輔以外環高增益魯棒跟蹤控制器，獲得了接近甚至超越平臺機構固有諧振頻率的控制帶寬，成果被國際同行評價為“主流方法”“通用模型”。

近年來，軍事和民用高端裝備的重大需求，使得超高精度、高性能表面與功能結構零件的制造技術成為各制造強國優先發展的重要戰略性技術，并進一步朝著原子及近原子尺度制造的方向發展。瞄準此項極端制造學術前沿，朱利民從2018年起在學校、學院和國家重點實驗室的大力支持下，主持建設超精密制造方向，一方面，發揮團隊前期在五軸聯動數控加工、超聲輔助加工、高帶寬納米定位等方面的研究優勢，重點開展面向復雜結構的5+X軸高效超精密切削和面向難加工材料的多能場輔助超精密切削技術研究；同時，與英國皇家工程院院士蔣向前教授領銜的英國國家未來計量聯盟進行深度合作，研發下一代加工-檢測一體化智能超精密機床。另一方面，前瞻探索基于大氣等離子體的原子尺度拋光，基于探針的原子級加工、測量和操縱等（近）原子尺度制造技術。依托上海交通大學科技園及大零號灣計劃，團隊已建成約3000平方米的超精密制造研究中心，包括超精密加工及檢測實驗室、光學成型及鍍膜潔凈室、光學設計及方案展示中心等，擁有多臺套全球領先的五軸聯動超精密機床和超精密檢測儀器。目前，團隊已通過技術創新，為華為、晶方科技、舜宇光學、成都光明等領軍企業加工出大尺寸微納菲涅爾結構模具、鎢合金微球陣列模具、晶圓級光學微結構模具等高附加值產品，實現了進口替代。朱利民展望說道：“我們預期經過5年建設，將在下一代光學和半導體超精密制造方面形成一批自主的特色技術、工藝和裝備，建成國際一流的超精密加工、檢測及中試平臺，服務國防、能源、航空航天等國家重大工程以及集成電路、消費電子、光通信、汽車等產業?！?/p>