王 涵

在《中國制造2025》戰(zhàn)略中，高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人的研發(fā)是國家的重大戰(zhàn)略需求，也是國家大力推動(dòng)的重點(diǎn)科研領(lǐng)域，更是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中必須直面的重大挑戰(zhàn)。

上海交通大學(xué)教授、機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院智能制造與信息工程研究所所長朱利民長期從事復(fù)雜曲面零件高效精密數(shù)控加工理論與技術(shù)研究，從數(shù)控編程、工藝力學(xué)、三維測量、運(yùn)動(dòng)控制到數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床，取得了系統(tǒng)性成果，在航天、航空和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)獲得重要應(yīng)用。

同時(shí)，朱利民領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)機(jī)器人、人工智能等國際學(xué)術(shù)前沿?zé)狳c(diǎn)，結(jié)合大型構(gòu)件現(xiàn)場加工與裝配作業(yè)需求，將數(shù)控和機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，開拓機(jī)器人化智能制造裝備研究，與兄弟單位合作研發(fā)了大型薄壁零件雙機(jī)器人鏡像銑削加工技術(shù)與裝備。

近期，朱利民在學(xué)校的重點(diǎn)支持下，面向國家對(duì)超精密制造的重大需求，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)前期在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工、超聲輔助加工、加工-檢測一體化、精密運(yùn)動(dòng)控制等方面的研究優(yōu)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(yuǎn)大，隨著國家重大需求和國際學(xué)科前沿的發(fā)展，不斷開拓進(jìn)取。

潛心鉆研十五載，突破復(fù)雜曲面零件多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工與數(shù)字化測量核心技術(shù)

葉輪、葉片類復(fù)雜曲面零件在運(yùn)載、能源和國防等行業(yè)有著廣泛應(yīng)用，直接關(guān)系國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防安全，20世紀(jì)90年代我國在相關(guān)制造理論與技術(shù)方面與西方國家存在著巨大差距。葉片面型復(fù)雜、壁薄，整體葉輪相鄰葉片間重疊區(qū)域大、通道深而窄，刀具易與零件發(fā)生干涉，因此刀具與零件曲面幾何失配、加工振動(dòng)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(fù)雜曲面多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工與數(shù)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(xué)基金重大項(xiàng)目和丁漢院士主持的兩期國家原“973”計(jì)劃項(xiàng)目，逐漸成長為學(xué)術(shù)帶頭人，在加工成形幾何學(xué)原理、動(dòng)力學(xué)判穩(wěn)方法、幾何誤差評(píng)定模型三個(gè)方面取得突破性學(xué)術(shù)進(jìn)展。

他們提出了自由曲面非球頭刀寬行數(shù)控加工的幾何學(xué)原理和刀位規(guī)劃方法。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工的一大優(yōu)勢在于通過調(diào)整刀具姿態(tài)，使得刀觸點(diǎn)軌跡線附近的刀具包絡(luò)曲面充分逼近設(shè)計(jì)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(duì)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(xué)條件尚不清楚。單個(gè)刀位下能否計(jì)算刀具包絡(luò)面、刀軸軌跡調(diào)整如何影響刀具包絡(luò)面是困擾學(xué)界多年的難題，成為制約五軸聯(lián)動(dòng)寬行加工潛力發(fā)揮的瓶頸。朱利民探明了接觸曲面間的相伴關(guān)系，由刀具包絡(luò)曲面與刀具曲面和設(shè)計(jì)曲面間的線接觸關(guān)系，建立了單個(gè)刀位下刀具包絡(luò)面局部三階估計(jì)的基本方程，發(fā)現(xiàn)了刀具包絡(luò)面與設(shè)計(jì)曲面在刀觸點(diǎn)的三階密切條件，進(jìn)而提出了點(diǎn)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(jìn)一步，他建立了一般回轉(zhuǎn)刀具掃掠體包絡(luò)面的解析表達(dá)式及其與設(shè)計(jì)曲面間的法向誤差關(guān)于刀具軌跡和刀具形狀調(diào)整的微分關(guān)系，將刀具面族包絡(luò)向設(shè)計(jì)曲面的整體逼近誤差控制轉(zhuǎn)化為對(duì)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(cè)銑加工的范圍從圓柱刀擴(kuò)展到一般回轉(zhuǎn)刀具，從單行加工擴(kuò)展到多行切向連續(xù)加工，從直紋面擴(kuò)展到一般自由曲面。CIRP Fellow、法國學(xué)者Bernard教授在綜述論文中將該成果列入“1979-2012年五軸側(cè)銑加工發(fā)展路線圖”，認(rèn)為提出了誤差控制和刀位優(yōu)化的新概念新方法，是“創(chuàng)新和令人振奮”的工作。

他們提出了點(diǎn)-曲面距離函數(shù)的微分理論，建立了散亂點(diǎn)云曲面逼近的統(tǒng)一方法體系。三維測量在復(fù)雜曲面數(shù)字化制造中的應(yīng)用已從最初的誤差評(píng)定和逆向工程擴(kuò)展到配對(duì)加工、自適應(yīng)加工等多個(gè)方面。大規(guī)模測量點(diǎn)云必須經(jīng)過幾何要素?cái)M合才能得到所期望的決策信息，計(jì)算效率和穩(wěn)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(guī)律性認(rèn)識(shí)導(dǎo)致對(duì)某一類問題很有效的方法無法擴(kuò)展應(yīng)用到其他領(lǐng)域，不同應(yīng)用領(lǐng)域的先進(jìn)方法的優(yōu)點(diǎn)難以集成于一體，特別是對(duì)于新的應(yīng)用，需要經(jīng)過長時(shí)期的摸索才能找到合適的方法。朱利民定義了點(diǎn)-曲面有向距離函數(shù)用以度量點(diǎn)到曲面的偏差，建立了距離函數(shù)的可微性條件及其一、二階導(dǎo)數(shù)的解析計(jì)算方法。將各類曲面擬合問題統(tǒng)一表示為對(duì)點(diǎn)-曲面距離有特定要求的最優(yōu)化問題，由距離函數(shù)的微分性質(zhì)設(shè)計(jì)出高效穩(wěn)健的曲面識(shí)別、重建、尋位、誤差評(píng)定與分解、面形再設(shè)計(jì)等三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析新算法。進(jìn)一步，他拓展建立了點(diǎn)-曲線和曲面-曲面距離函數(shù)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(tǒng)“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(diǎn)-曲線-曲面間距離函數(shù)的微分理論，為“裝備-工具-零件”間動(dòng)態(tài)幾何關(guān)系的表達(dá)、推理與計(jì)算提供了建模工具。米蘭理工大學(xué)Moroni教授評(píng)價(jià)他提出的幾何誤差評(píng)定算法“遠(yuǎn)勝其他方法，最精致、計(jì)算速度最快、最有前景”。以上曲面加工與測量的幾何學(xué)新原理和新方法作為重要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)之一獲得2012年國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

朱利民及其團(tuán)隊(duì)部分骨干成員

他們提出了數(shù)控銑削加工穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)誤差同步預(yù)報(bào)的高效通用方法——全離散法。銑削加工中的顫振是導(dǎo)致零件表面缺陷，甚至刀具和機(jī)床損壞的主要原因之一，加工穩(wěn)定性判別與動(dòng)態(tài)誤差預(yù)測是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率加工的基礎(chǔ)。國際上加工動(dòng)力學(xué)分析的主流方法是頻域法和時(shí)域半離散法，這兩種方法在計(jì)算效率和通用性方面均存在著一定的不足，特別是不能預(yù)報(bào)由加工振動(dòng)引起的表面位置誤差。五軸高速加工的特點(diǎn)是高轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給、時(shí)變徑向切深，因此需要能夠預(yù)報(bào)加工穩(wěn)定性和加工誤差的高效率、通用計(jì)算方法。朱利民和團(tuán)隊(duì)突破半離散法基于微分方程的思路，建立了銑削動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的積分方程模型，提出了積分格式動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算的全離散法，可同時(shí)預(yù)報(bào)加工穩(wěn)定性和表面位置誤差，適用于大／小徑向／軸向切深、多時(shí)滯效應(yīng)、結(jié)構(gòu)模態(tài)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(shù)提高一階，計(jì)算效率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。進(jìn)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(shù)不確定動(dòng)力學(xué)模型的保守解，實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)的穩(wěn)健優(yōu)化。半離散法創(chuàng)立者Insperger教授專門撰文評(píng)價(jià)全離散法“計(jì)算效率高、在應(yīng)用上有優(yōu)勢”，并在和匈牙利科學(xué)院工程部主席、匈牙利科學(xué)院和歐洲科學(xué)院兩院院士Stépán教授合著的專著Semi-discretization for timedelay systems中整節(jié)專門介紹了該方法。前N A S A研究員O m e n y i評(píng)價(jià)全離散法“能深刻揭示銑削加工的各種穩(wěn)定性特征，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算效率上的突破，是開創(chuàng)性方法”。全離散法現(xiàn)已成為切削動(dòng)力學(xué)研究的基本工具，被國內(nèi)外學(xué)者廣泛使用。該成果獲得2017年高等學(xué)校科學(xué)研究優(yōu)秀成果獎(jiǎng)自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

在理論方法突破的基礎(chǔ)上，朱利民領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)研究解決了刀具全局可達(dá)方向錐高效計(jì)算、考慮刀具跳動(dòng)和底刃切削影響的五軸銑削力預(yù)報(bào)、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(cè)/端銑加工變形預(yù)測與刀路修正補(bǔ)償、變參數(shù)（變進(jìn)給/變轉(zhuǎn)速/變齒距）加工、五軸線性刀具路徑的實(shí)時(shí)G2連續(xù)轉(zhuǎn)接光順、刀尖點(diǎn)平動(dòng)和刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)同步速度規(guī)劃、多軸交叉耦合控制、FPGA高速插補(bǔ)、旋轉(zhuǎn)軸幾何誤差辨識(shí)與補(bǔ)償?shù)纫慌P(guān)鍵技術(shù)；與企業(yè)合作研發(fā)了五軸數(shù)控系統(tǒng)和五軸機(jī)床擺頭傳動(dòng)部件，形成了五軸數(shù)控機(jī)床的自主研制能力；研發(fā)了葉輪類零件五軸數(shù)控加工C A M軟件和成套工藝技術(shù)，在航天、航空和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)獲得重要應(yīng)用，使大型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)誘導(dǎo)輪批量生產(chǎn)效率提高4倍以上。他還主持研制了四軸葉片測量專機(jī)，其控制器支持多種類型的電機(jī)和測頭進(jìn)行多軸聯(lián)動(dòng)掃描測量，獨(dú)有的專利技術(shù)“葉片截面接觸式掃描探針半徑三維補(bǔ)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該測量設(shè)備已在航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)獲得應(yīng)用。

瞄準(zhǔn)智能制造熱點(diǎn)，積極開拓大型復(fù)雜構(gòu)件機(jī)器人加工技術(shù)與裝備研究

2010年以來，機(jī)器人加工作為智能制造研究的一個(gè)重要突破口已引起世界工業(yè)強(qiáng)國的高度關(guān)注。歐盟連續(xù)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(xiàng)關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人加工方面的重大項(xiàng)目，分別針對(duì)高精度（小于50u m）、硬質(zhì)材料（鋼、鉻鎳鐵合金）、超大零件（10m以上）等應(yīng)用場景開展研究。在這些計(jì)劃提出的初期，朱利民即敏銳地察覺出機(jī)器人化智能制造裝備的廣闊發(fā)展前景。他認(rèn)為，相比于數(shù)控機(jī)床，機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)靈活度高、工作空間大、并行協(xié)調(diào)作業(yè)能力強(qiáng)等優(yōu)勢，同時(shí)機(jī)器人常用的感知功能，如機(jī)器視覺和力覺以及相應(yīng)的視覺伺服和力/位混合控制技術(shù)日臻成熟。以機(jī)器人作為裝備的執(zhí)行體，并且配以強(qiáng)大的感知功能，基于工藝知識(shí)模型與多傳感器反饋信息對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化，將突破傳統(tǒng)制造裝備僅關(guān)注各運(yùn)動(dòng)軸位置和速度控制的局限，形成裝備對(duì)工藝過程的主動(dòng)控制能力，同時(shí)可根據(jù)用戶需要配備AGV或長行程導(dǎo)軌構(gòu)建形式多樣的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，創(chuàng)建多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)的“能工巧匠”型機(jī)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(yōu)勢。

2013年起朱利民邁入機(jī)器人加工研究領(lǐng)域，并參與了國家自然科學(xué)基金委員會(huì)“共融機(jī)器人基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”重大研究計(jì)劃的論證工作，經(jīng)過數(shù)年預(yù)研，2016年由他牽頭申請的國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“蒙皮鏡像加工機(jī)器人系統(tǒng)的主動(dòng)順應(yīng)與協(xié)調(diào)控制研究”獲得立項(xiàng)。該項(xiàng)目針對(duì)航空航天領(lǐng)域長厚比>1000的“極端”弱剛性大型蒙皮構(gòu)件的壁厚加工精度保障難題，旨在將混聯(lián)機(jī)器人裝備技術(shù)和數(shù)字化加工技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)建雙機(jī)器人“切削加工與誤差補(bǔ)償+隨動(dòng)支撐與壁厚測量”協(xié)同作業(yè)的鏡像加工新原理和新裝備。由上海交通大學(xué)、天津大學(xué)和上海拓璞數(shù)控科技有限公司組成的科研團(tuán)隊(duì)密切合作，經(jīng)過3年多的研究取得了豐碩的成果：發(fā)明了新型位置型1T2R并聯(lián)機(jī)構(gòu)，提出了尺度綜合和支鏈模塊化、整機(jī)輕量化設(shè)計(jì)方法，研制出五軸混聯(lián)加工機(jī)器人；發(fā)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(dòng)支撐”形式的剛?cè)峄旌现晤^，獲得了柔性氣動(dòng)支撐中氣缸氣壓對(duì)抑振效果的影響規(guī)律；制定了雙機(jī)器人等壁厚鏡像銑削協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制方案，設(shè)計(jì)出“支撐端壁厚測量+加工端切深補(bǔ)償”形式的加工壁厚實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，加工實(shí)驗(yàn)中大型弱剛性壁板零件的壁厚穩(wěn)定控制在2±0.1mm以內(nèi)。

同時(shí)，朱利民領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)還開展了面向機(jī)器人加工的大尺度空間精確自主尋位與加工質(zhì)量原位檢測技術(shù)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(tài)三維光學(xué)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(shí)空信息傳感網(wǎng)絡(luò)，利用iGPS與近景攝影測量粗精分級(jí)測量策略，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在超大空間中的亞毫米級(jí)自主尋位與微米級(jí)精準(zhǔn)作業(yè)；在加工表面形貌測量方面，他們以非朗伯復(fù)雜曲面光反射模型為基礎(chǔ)，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(tài)三維光學(xué)測量方法，基于光度攝影成像分析表面散射與反射耦合機(jī)制，通過物理模型驅(qū)動(dòng)的計(jì)算成像，對(duì)條紋投影、偏折參數(shù)進(jìn)行像素級(jí)調(diào)制及數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)精加工金屬構(gòu)件從局部紋理到全局形狀的跨尺度測量。相關(guān)技術(shù)正嘗試應(yīng)用于風(fēng)電葉片、航天器艙體等典型大型復(fù)雜構(gòu)件的機(jī)器人加工系統(tǒng)中。

面向極端制造學(xué)術(shù)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(shù)永恒的追求。超精密制造可以獲得亞微米級(jí)形位精度、納米/亞納米級(jí)表面粗糙度及近無表層缺陷的高性能表面與功能結(jié)構(gòu)，代表了迄今精密制造技術(shù)的最高發(fā)展階段。朱利民領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)從2010年起，針對(duì)超精密機(jī)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(tái)向超快方向發(fā)展的需求，從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)建模、軌跡規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制等方面開展了系統(tǒng)研究，建立了反映制動(dòng)器遲滯與機(jī)構(gòu)振動(dòng)耦合行為的納米定位平臺(tái)非線性動(dòng)力學(xué)模型，提出同時(shí)提升平臺(tái)諧振模態(tài)阻尼和剛度的振動(dòng)模態(tài)控制方法，輔以外環(huán)高增益魯棒跟蹤控制器，獲得了接近甚至超越平臺(tái)機(jī)構(gòu)固有諧振頻率的控制帶寬，成果被國際同行評(píng)價(jià)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(jié)構(gòu)零件的制造技術(shù)成為各制造強(qiáng)國優(yōu)先發(fā)展的重要戰(zhàn)略性技術(shù)，并進(jìn)一步朝著原子及近原子尺度制造的方向發(fā)展。瞄準(zhǔn)此項(xiàng)極端制造學(xué)術(shù)前沿，朱利民從2018年起在學(xué)校、學(xué)院和國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持下，主持建設(shè)超精密制造方向，一方面，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)前期在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工、超聲輔助加工、高帶寬納米定位等方面的研究優(yōu)勢，重點(diǎn)開展面向復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(shù)研究；同時(shí)，與英國皇家工程院院士蔣向前教授領(lǐng)銜的英國國家未來計(jì)量聯(lián)盟進(jìn)行深度合作，研發(fā)下一代加工-檢測一體化智能超精密機(jī)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(jí)加工、測量和操縱等（近）原子尺度制造技術(shù)。依托上海交通大學(xué)科技園及大零號(hào)灣計(jì)劃，團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)室、光學(xué)成型及鍍膜潔凈室、光學(xué)設(shè)計(jì)及方案展示中心等，擁有多臺(tái)套全球領(lǐng)先的五軸聯(lián)動(dòng)超精密機(jī)床和超精密檢測儀器。目前，團(tuán)隊(duì)已通過技術(shù)創(chuàng)新，為華為、晶方科技、舜宇光學(xué)、成都光明等領(lǐng)軍企業(yè)加工出大尺寸微納菲涅爾結(jié)構(gòu)模具、鎢合金微球陣列模具、晶圓級(jí)光學(xué)微結(jié)構(gòu)模具等高附加值產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口替代。朱利民展望說道：“我們預(yù)期經(jīng)過5年建設(shè)，將在下一代光學(xué)和半導(dǎo)體超精密制造方面形成一批自主的特色技術(shù)、工藝和裝備，建成國際一流的超精密加工、檢測及中試平臺(tái)，服務(wù)國防、能源、航空航天等國家重大工程以及集成電路、消費(fèi)電子、光通信、汽車等產(chǎn)業(yè)?！?/p>