瞄准国家重大需求突破智能与精密制造核心技术

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。

文章来源：《上海交通大学学报》 网址: http://www.shjtdxxb.cn/qikandaodu/2021/0203/525.html