專注制造科學 助力制造行業
——數字制造裝備與技術國家重點實驗室

數字制造裝備與技術國家重點實驗室（以下簡稱“實驗室”）于2006年7月由國家科技部批準成立，其前身是智能制造技術教育部重點實驗室。實驗室依托華中科技大學，主管部門為國家教育部。2008年首次參加國家重點實驗室評估，成績良好；2009年通過科技部組織的專家組驗收；2013年和2018年參加國家重點實驗室評估，結果均為優秀。

實驗室是目前國內數字制造研究領域重要的應用基礎研究、高端裝備研發與應用、高層次專業技術人才培養、國際學術合作與交流的基地之一。實驗室面向運載、能源、信息等領域高端制造裝備的國家重大需求和國際學術前沿，以數字制造基礎理論、先進加工工藝與方法、數字制造裝備關鍵技術、數字制造系統等為主要研究方向，立足于數字制造的基礎理論和關鍵技術研究，在數字制造基礎研究方面產生了重要國際影響力，在高端制造裝備領域形成了行業優勢。

近年來，實驗室在復雜曲面高效高精加工理論與技術，高功率激光焊接機理、工藝與裝備，先進電子制造工藝機理與核心裝備，高端裝備動態設計與控制研究，微納與超精密制造及納米測量，數字化車間的基礎理論、使能技術與應用，以及新興交叉學術前沿領域等取得了一批標志性的成果，為我國數字制造技術提升和高端制造裝備研發作出了重要貢獻。2021年，實驗室再接再厲，在柔性智能蒙皮、機器人加工、熱超構材料拓撲優化設計等方面取得了可喜的進展，并在相關領域的國際頂級期刊發表論文。

實驗室激光加工團隊科研人員正在工作中

柔性智能蒙皮研究

飛行器流場特性感知在結構外形優化、氣動載荷和升阻力測量、飛行狀態預測和結構健康監測等方面有極其重要的作用，并廣泛應用于大型風洞測量、無人預警機、變體飛行器、航天飛行器等航空航天系統的感知與檢測中。能想象為飛行器穿上一層輕薄的“智能皮膚”嗎？既能為飛行器提供豐富的表面流場信息，又能監測自身結構的健康狀況。而問題的關鍵在于，要在飛行器復雜曲面上集成各種不同功能的大規模傳感器，開發多通道、多參量的數據采集和處理系統，為飛行器收集并提供豐富的信息，實現氣動載荷大數據分析、多物理場測量和自主意識生成。

2021年9月，實驗室研究團隊針對飛行器柔性智能蒙皮測量技術的關鍵難題進行攻關，取得突破性進展，首創了大面積柔性智能蒙皮傳感/測量系統、大規模多元數據采集系統、大數據分析與顯示系統，相關成果發表在

Nano Energy

上。

相關研究受鳥類感知功能的啟發，開發了一種多功能的飛行器電子皮膚（柔性智能蒙皮，iFlexSense），它集成了近百個傳感器，既能感知外部流場環境（表面風壓、氣流脈動、壁面剪應力和溫度等），同時又能監測內部結構的健康狀況（應變、撞擊等）；通過原位集成的ADC電路和開發的多物理量（電壓、電容和電阻）、多通道采集系統，能夠穩定且高速地將傳感信號傳輸到計算機，結合人工智能的算法實現結構撞擊的定位，流動現象的監測（氣流分離）和飛行狀態的預測（失速、顫振）。不同類型的傳感器從不同的方面反映了流場的變化，采用多傳感器數據融合的方法，各種傳感器之間互相驗證、互相補充，提高了氣動載荷判斷與預測的準確性和魯棒性。該柔性智能蒙皮能夠賦予物體氣動感知、自主意識和自診斷的能力，有望應用在飛行器、高鐵和水下潛航器等領域。

機器人加工研究

2021年12月8日，機器人領域頂級期刊

IEEE Trans. Robotics

在線刊登了實驗室團隊機器人加工方面的最新研究成果《基于測量點云的機器人加工軌跡生成與優化》（

Trajectory planning and optimization for robotic machining based on measured point cloud

）。這是實驗室相關研究團隊繼2020年后第二次在期刊

IEEE Trans. Robotics

發表機器人加工方面的研究成果。

以蒙皮為代表的航空薄壁件具有外形復雜（自由曲面）、結構尺寸大（機身蒙皮達10m）、薄壁弱剛性（厚度僅2 mm）等特點，目前制造企業普遍采用肉眼定位/手工切邊方式去除蒙皮毛坯邊緣加工余量，存在人因誤差大、邊緣輪廓加工精度低、裝配后對縫間隙難控等問題。三維視覺引導的機器人加工具有視覺定位精準、大范圍操作靈活、可多機協同作業等技術優勢，為解決大型復雜構件大范圍小余量高效加工提供了新思路。然而蒙皮薄壁弱剛性特點決定其裝配時易發生彎曲變形，導致無法基于設計模型進行加工規劃。為此，該文以現場實際測量的工件曲面點云為輸入，研究基于雙NURBS曲線最小二乘擬合的初始刀具軌跡生成方法，建立刀具軌跡光順優化-偏差控制同步操作目標函數，突破了離散測點生成刀具路徑點與刀軸矢量存在的抖動問題；建立機器人剛度/靈巧度同步優化目標函數，并采用智能算法求解所有路徑點的最優機器人姿態，最終生成了滿足光順性、剛度與靈巧度要求的機器人加工路徑。上述工作拓展了三維視覺測量與機器人加工基礎理論，為研制“能工巧匠”的機器人智能加工裝備，實現制造母機與制造模式的根本性變革提供了重要支撐。

熱超構材料拓撲優化設計研究

2021年12月10日，《自然·通訊》在線刊發了實驗室研究團隊與新加坡國立大學、華中科技大學能源學院相關研究人員關于熱超構材料拓撲優化設計的最新研究成果《穩健可打印的自由形狀熱超構材料》（

Robustly printable freeform thermal metamaterials

）。實驗室為論文第一完成單位。

超構材料因具有常規自然材料不具備的屬性被學術界和工業界廣泛關注，如力、熱、聲、電磁超構材料等，其中熱超構材料因可操控熱流獲得一系列超常熱學功能備受關注。隨著變換光學和散射抵消方法應用于熱學領域，一系列具有不同功能的熱超構材料紛紛被設計和制備。但是，目前熱超構材料設計仍面臨三大挑戰：（1）利用變換熱學法設計的熱超構材料須采用非均勻、各向異性的材料參數，而常規材料往往不具備，使得實驗制備熱超構材料難度很大。（2）熱超構材料結構形狀受限，目前以圓形、橢圓形等規則形狀的熱超構材料制備居多，影響了熱超構材料的工程適用性。（3）采用數值優化方法設計熱超構材料依賴背景溫度場和目標超常熱學屬性影響了設計的靈活性和熱超構材料的全方位功能性。因此，如何設計并制備具有自由形狀且全方位功能性的熱超構器件是熱超材料領域亟須解決的難題。

針對以上難題，研究團隊提出了一種穩健可打印的自由形狀熱超構材料拓撲優化設計方法，采用拓撲優化設計具有指定導熱系數的拓撲功能單胞，組裝生成熱超構材料，開展了自由形狀熱超構材料拓撲優化設計-熱超構器件增材制造-熱學仿真與實驗性能測試。研究團隊按照上述思路，設計了具有自由形狀的熱集中、熱旋轉和熱隱身3類熱超構材料構型，并開展了數值仿真和熱學實驗性能測試，結果表明無論熱流從何種方向通過3種熱超構材料，其內部各自呈現出良好的熱集中、熱旋轉和熱隱身效果。

研究團隊采用拓撲優化方法設計了具有自由形狀、全方位功能性的熱集中、熱旋轉和熱隱身超構材料，達到了當前利用混合材料結構實現熱超構材料設計的最好水平，將有力推動熱超構材料在航空航天、電子等領域的工程應用。