研究方向及成果

實驗室圍繞精密/超精密數(shù)控磨削的關鍵共性技術，在磨削機理及磨削工藝、磨削過程檢測與控制、磨削過程熱誤差測量與補償、精密數(shù)控機床設計等研究方向，開展相關關鍵技術的研究與應用工作。實驗室由上海理工大學2000m2的數(shù)控技術研究基地與上海機床廠有限公司1000m2的實驗研究基地組成，包括精密磨削工藝技術實驗室、精密機床熱誤差研究實驗室、德國雄克智能夾具聯(lián)合實驗室、機床力學性能測試與分析實驗室、機床遠程維保技術實驗室，形成數(shù)控機床優(yōu)化設計研究平臺、機床熱設計技術研究平臺、精密機床力學性能測量與分析研究平臺以及磨削工藝研究平臺。實驗室擁有世界一流的產(chǎn)品設計軟件以及國內外先進的試驗裝置和精密測量儀器百余套，并自主研發(fā)了20 余個試驗臺，包括直線電機性能試驗臺、高速滾珠絲桿性能試驗臺、機床床身加載試驗臺、伺服電機加載試驗臺、機床熱誤差研究試驗臺、機床力學性能研究試驗臺等。實驗室的目標是：建設一個具有國內領先水平的精密數(shù)控磨削技術研究實驗室，并使其成為高精度數(shù)控磨床的開發(fā)研究基地。

自創(chuàng)立以來，實驗室先后承擔了10 余項“數(shù)控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項課題的研究工作，先后研發(fā)了多臺具有國內領先水平的精密數(shù)控機床產(chǎn)品，包括世界上最大的頂磨型數(shù)控軋輥磨床，滿足了我國船舶制造對大型鋼板軋制的需要，解決了重大裝備的制造問題。針對磨削加工中廣泛需要的外圓、內圓與端面磨削，開發(fā)了精密、復合、數(shù)控磨床，應用于航空發(fā)動機轉子渦輪軸的精密加工，是航空發(fā)動機行業(yè)不可或缺的關鍵設備。所研發(fā)的超精密大尺寸光學玻璃平面磨床，填補了我國缺少超精密大尺寸光學玻璃平面磨床的技術空白，滿足“激光核聚變”等相關產(chǎn)業(yè)對大口徑平面光學玻璃超精密加工的需要。此外，經(jīng)過國家科技重大專項課題的研究與上海市科委重點研究項目的技術攻關，突破了精密數(shù)控機床設計、制造與加工工藝若干關鍵技術，形成了數(shù)控機床整機動態(tài)特性測試技術、數(shù)控機床熱設計、可視化精密加工工藝優(yōu)化技術、基于虛擬樣機的數(shù)控機床設計技術、精密機床關鍵功能部件設計與制造技術等具有國際先進水平的關鍵共性技術。研究成果先后獲得上海市科技進步一等獎與中國機械工業(yè)科技進步一等獎。

發(fā)展定位及思路

實驗室面向高端裝備制造產(chǎn)業(yè)，聚焦精密制造核心關鍵技術領域，開展精密制造研究基地建設、學科隊伍建設和精密制造核心關鍵技術研究，打造具有國際水平的精密制造應用技術研究創(chuàng)新平臺和精密制造人才高地，通過人才培養(yǎng)、科技服務引領和推動我國數(shù)控裝備行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

為了建設具有國際水平的精密數(shù)控裝備研究平臺，并使研發(fā)成果能夠推動我國數(shù)控裝備行業(yè)的技術進步，實驗室提出了兩個平臺的建設策略，一是與國外知名大學建設聯(lián)合研究基地平臺；二是與國內知名企業(yè)建設聯(lián)合實驗室，從而形成具有世界先進水平的數(shù)控裝備研究基地與技術應用示范基地。

在與國外大學合作方面，與德國斯圖加特大學機床研究所建立了近20年密切的合作關系，自2004年以來雙方教授每年互有往來，該研究所所長Uwe Heisel 被聘為上海理工大學榮譽教授。自2008年以來雙方在國內與德國共同舉辦了5 次中德先進制造技術論壇，并共同開展了數(shù)控機床熱誤差ISO 標準修訂的合作項目研究。自2012年以來與英國利物浦約翰摩爾大學先進制造技術研究實驗室建立了合作關系，上海理工大學先后選派多名教師與博士生赴英國共同開展微結構表面磨削、高速磨削技術等精密磨削技術的研究工作。2018年以來與英國考文垂大學在大數(shù)據(jù)技術方面建立了合作關系，雙方簽署了兩校間博士生雙學位培養(yǎng)的協(xié)議。2019年與西門子（中國）股份有限公司簽署了共建“USSTSIEMENS 智能制造數(shù)控裝備數(shù)字化技術應用示范中心”的合作協(xié)議，其目標是為機床行業(yè)提供數(shù)字化智能制造技術解決方案，為人才培養(yǎng)提供機床數(shù)字化工程技術支撐。

在與國內知名企業(yè)合作方面，除了與上海機床廠有限公司共建該實驗室外，還與我國數(shù)控裝備龍頭企業(yè)沈陽機床集團合作建設了沈陽機床-上海理工大學聯(lián)合研究院以及i5智能機床聯(lián)合實驗室。通過這些校企合作平臺，雙方在基于動態(tài)特性的數(shù)控機床設計、精密加工工藝技術、數(shù)控機床狀態(tài)檢測等方面開展了卓有成效的研究工作，完成了我國第一臺完全基于動態(tài)特性設計理論與結構優(yōu)化設計理論計算的數(shù)控機床設計與制造。建立了數(shù)控機床力學性能數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)了基于數(shù)字化虛擬樣機的數(shù)控機床結構優(yōu)化設計技術，并采用該技術開發(fā)了立式加工中心?；谶@些理論研究成果，2020年與秦川機床集團有限公司合作共同研發(fā)了我國首臺具有2g加速度的五軸高速數(shù)控機床。

核心技術

針對影響我國機床行業(yè)技術發(fā)展的共性關鍵核心技術，實驗室在多項國家與上海市重大重點項目支持下，形成了精密數(shù)控機床產(chǎn)品研發(fā)與應用的若干關鍵技術。

（1）數(shù)控機床整機動態(tài)特性測試與分析技術。

動態(tài)特性決定了機床切削的能力、機床切削的精度，是影響機床性能最為重要的特性。在加工狀態(tài)下獲得機床整機動力學測試結果，是建立機床數(shù)字化虛擬樣機、評價機床各主要部件動態(tài)性能、發(fā)現(xiàn)設計缺陷、結構設計優(yōu)化和機床性能監(jiān)測的前提。然而傳統(tǒng)試驗方法對機床這樣的復雜系統(tǒng)難以實現(xiàn)整機加工狀態(tài)的動力學特性測試和分析。實驗室提出了貝葉斯理論和運行模態(tài)分析相結合的模態(tài)參數(shù)識別技術，開發(fā)了數(shù)控機床動態(tài)特性測試與分析軟件。該技術的優(yōu)勢在于無需人工激勵，在工作狀態(tài)下實現(xiàn)機床整機動態(tài)特性的測量和識別，并通過引入信噪比指標對試驗結果的可靠性進行評價。所發(fā)明的數(shù)控機床整機動態(tài)特性測試與分析技術，已應用于30 余臺機床整機的性能檢測，為沈陽機床集團i5 系列立式加工中心的結構優(yōu)化設計、上海機床廠有限公司精密磨床的優(yōu)化設計以及秦川機床集團有限公司的精密齒輪磨齒機等機床的設計提供了技術支持，成為高性能機床設計必不可少的技術手段。

（2）基于動態(tài)特性分析的數(shù)控機床設計方法。

剛度不足所引起的主要部件變形與切削振動是嚴重影響數(shù)控機床加工精度的主要因素之一。保證加工精度，從機床結構設計來看，就是要在保證機床最大切削能力所產(chǎn)生的切削力條件下，使機床各主要部件的剛度滿足切削要求，同時使其振動固有頻率避開不同切削參數(shù)激勵的頻率。目前我國機床行業(yè)普遍采用的靜態(tài)與經(jīng)驗設計方法無法解決這些問題，導致機床振動成為國產(chǎn)機床普遍存在的一個問題。數(shù)控機床的加工性能主要取決于其動態(tài)特性，實驗室提出的基于動態(tài)特性分析的數(shù)控機床設計方法有效解決了數(shù)控機床剛性不足以及切削振動的問題，對于提高加工效率和加工精度具有重要的作用。

數(shù)控機床整機的動態(tài)特性主要取決于各部件的動態(tài)特性、重心分布以及結合面接觸剛度參數(shù)的綜合作用。針對基于動態(tài)特性的數(shù)控機床設計問題，實驗室分別解決了各部件結合面接觸剛度參數(shù)測量技術、機床各部件重心的分布優(yōu)化問題以及基于機床結合面接觸剛度測量數(shù)據(jù)庫的虛擬樣機建模技術三個核心技術，形成了基于虛擬樣機平臺的數(shù)控機床設計技術，解決了機床主要部件動態(tài)特性設計指標確定、數(shù)控機床主要部件重心優(yōu)化分布等技術難題，并保證了精密數(shù)控機床切削過程的穩(wěn)定性。

（3）可視化精密磨削工藝參數(shù)優(yōu)化技術。

影響磨削過程的參數(shù)眾多，而且參數(shù)之間呈現(xiàn)很強的非線性和動態(tài)不穩(wěn)定性，磨削加工結果與磨削工藝參數(shù)（砂輪轉速、工件進給速度、磨削深度與磨削進給量等）之間同樣存在著非線性關系。實驗室通過對磨削機理的研究,揭示各種磨削過程、磨削現(xiàn)象的本質，綜合運用聲發(fā)射傳感器、功率傳感器、振動傳感器、位移傳感器等對機床、砂輪等狀態(tài)檢測，形成了可視化精密磨削工藝參數(shù)優(yōu)化技術，該技術可有效解決磨削精度與效率、磨削顫振、磨削燒傷、砂輪鈍化、磨削加工表面質量等磨削工藝難題，積累了近200臺數(shù)控機床的工藝測試分析經(jīng)驗，為40 余家企業(yè)的高精度加工提供了有效解決方法。