加強核心技術(shù)研究 促進數(shù)控加工智能化
——訪長江學者特聘教授、上海交通大學教授朱利民

本刊記者 玲 犀

朱利民：在復雜曲面零件五軸數(shù)控加工技術(shù)方面，以線接觸和高階點接觸加工為代表的自由曲面寬行加工幾何學原理和刀位規(guī)劃方法取得重要突破，并正向面向制造的曲面設計方向發(fā)展；以通用五軸數(shù)控機床加工復雜共軛曲面的CAM技術(shù)獲得廣泛關(guān)注，正成為一個研究熱點；對于剛性零件，五軸銑削加工切削力模型已具有較高的精度，在切削參數(shù)（進給率）優(yōu)化中發(fā)揮了重要作用，但五軸銑削加工動力學的研究進展緩慢，五軸加工中由于時變的切削條件和諸多不確定性因素，往往難以滿足零件在幾何精度和物理性能方面的高要求，需要根據(jù)中間狀態(tài)零件幾何和性能參數(shù)的實測結(jié)果，進行加工目標曲面修形或機床參數(shù)反調(diào)、刀具路徑調(diào)整，實現(xiàn)零件性能和幾何要求驅(qū)動的自適應加工，這種加工-測量一體化的閉環(huán)加工技術(shù)是智能制造的重要研究方向。

在大型復雜薄壁零件數(shù)控加工技術(shù)方面，航空大型壁板結(jié)構(gòu)復雜，數(shù)控編程時間與在機加工時間之比為10∶1，近年來基于特征的數(shù)控加工自動工藝決策與編程得到了深入研究，目前已突破傳統(tǒng)靜態(tài)特征僅考慮零件最終幾何狀態(tài)的不足，提出了綜合考慮零件加工過程中加工、檢測和裝夾等交互作用及其演變特性的動態(tài)特征模型與識別方法，實現(xiàn)了大型復雜結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的工藝知識重用；大型薄壁零件加工時在切削力激勵下易產(chǎn)生過大的變形和振動，甚至發(fā)生自激顫振，傳統(tǒng)加工動力學僅僅關(guān)注“刀具-工件”系統(tǒng)動力學，采用犧牲效率的保守切削參數(shù)應對加工振動和變形問題，近期研究重點轉(zhuǎn)向“薄壁構(gòu)件-裝夾支撐”系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力學，通過調(diào)控“工件-夾具”系統(tǒng)的剛度和阻尼特性獲得所期望的工藝系統(tǒng)靜、動態(tài)特性，從動力學優(yōu)化角度為解決大型薄壁零件加工的振動和變形難題提供了新的思路和技術(shù)方案；對于大型蒙皮類零件，法國杜菲工業(yè)公司和空客公司聯(lián)合研發(fā)的鏡像銑設備集柔性裝夾、隨動支撐、壁厚在線測量、加工誤差補償?shù)裙δ苡谝惑w，其刀具和支撐頭分別位于蒙皮兩側(cè)，沿蒙皮表面鏡像對稱移動，從本質(zhì)上提高了加工區(qū)域的局部剛度，并且通過在線壁厚測量與微量切深補償精確控制刀尖點與支撐點之間的間距，實現(xiàn)了加工壁厚的閉環(huán)控制，代表了大型蒙皮壁板加工的最新技術(shù)和發(fā)展趨勢。

在數(shù)控加工裝備技術(shù)方面，高速和高剛性、功能復合化、智能化、長壽命、高可靠性以及高節(jié)能環(huán)保性成為數(shù)控機床的主要發(fā)展趨勢；加工過程力、熱、聲表面波等信號在線測量與加工過程監(jiān)測、診斷和控制是智能加工裝備的重要標志；智能主軸、智能軸承、智能支承件和智能控制系統(tǒng)、智能夾具等智能化功能部件研究得到高度關(guān)注，具有熱誤差補償和主動振動補償功能的智能機床已商業(yè)化；三自由度并聯(lián)動力頭、四～五自由度混聯(lián)機床等新構(gòu)型裝備在航空大型整體結(jié)構(gòu)件現(xiàn)場輕型加工和數(shù)字化裝配中已得到一定規(guī)模的應用，呈現(xiàn)出機器人化的特點。

朱利民：課題組長期從事復雜曲面零件高效精密數(shù)控加工理論與技術(shù)研究，從加工成形幾何學原理、動力學判穩(wěn)方法、幾何誤差評定模型到成套工藝技術(shù)與裝備，取得了系統(tǒng)性成果：提出了自由曲面五軸數(shù)控寬行加工的幾何學原理和刀位規(guī)劃方法，CIRP Fellow、法國學者Bernard教授在綜述論文中將其列入該領域“1979～2012年發(fā)展路線圖”，評價為“創(chuàng)新和令人振奮”的工作；提出了銑削加工穩(wěn)定性與動態(tài)誤差同步預報的高效通用方法——全離散法，半離散法創(chuàng)立者Insperger教授專門撰文評價其“計算效率高、在應用上有優(yōu)勢”；提出了曲面輪廓誤差評定的統(tǒng)一模型和高效算法，意大利學者Moroni教授評價其“遠勝其他方法，計算速度最快、最有前景”；研制了五軸小線段和NURBS曲線插補CNC系統(tǒng)與葉輪類零件五軸數(shù)控加工機床、CAM軟件及成套工藝，在航空發(fā)動機等制造企業(yè)獲得重要應用，大型液體火箭發(fā)動機誘導輪批量生產(chǎn)效率提高4倍以上。近期課題組的工作重點轉(zhuǎn)向大型薄壁零件數(shù)控加工技術(shù)與裝備，與上海拓璞數(shù)控科技有限公司聯(lián)合研制了國內(nèi)首臺運載火箭貯箱筒段鏡像銑削裝備，開發(fā)了針對三角網(wǎng)格壁板鏡像銑削的數(shù)控編程和自適應加工軟件系統(tǒng)，已實現(xiàn)直徑3.35m貯箱筒段的小批量加工；在智能制造方面，以并聯(lián)機構(gòu)為主運動系統(tǒng)的五自由度混聯(lián)機器人因兼具關(guān)節(jié)型機器人運動速度快、任務適應性強和傳統(tǒng)機床高剛度、高精度的優(yōu)點，正逐漸在大型構(gòu)件現(xiàn)場加工與裝配作業(yè)中得到規(guī)?；瘧?。我們目前正在這方面進行積極探索，希望能在新型鏡像銑削裝備上有所突破。

朱利民：難點主要體現(xiàn)在：（1）切削幾何與切削響應之間強耦合，耦合關(guān)系描述困難。復雜薄壁零件在切削力激勵下的變形量和振動幅值可達幾百微米。在加工過程中，切削幾何（工件-刀具嚙合區(qū)、切厚）決定切削激勵（切削力），進而影響切削響應（變形、振動）；反之，切削響應導致切削幾何變化，兩者呈現(xiàn)強耦合，這一耦合關(guān)系的描述非常困難；（2）加工動力學模型參數(shù)強時變、強位變，參數(shù)精確獲取困難。加工過程中，零件剛度、阻尼等結(jié)構(gòu)參數(shù)隨著材料去除時變，刀具動力學參數(shù)受機床末端姿態(tài)的影響且隨刀具軸向位置變化，因此復雜薄壁零件五軸銑削加工動力學模型不再是定常周期系統(tǒng)，所需的時變、位變動力學參數(shù)很難精確獲??；（3）加工動力學模型維數(shù)高，振動響應計算困難。復雜薄壁零件往往呈現(xiàn)多模態(tài)、密集模態(tài)特性，因此動力學模型的維數(shù)很高，如何實現(xiàn)振動響應的高效計算是薄壁零件五軸銑削加工動力學仿真和穩(wěn)定性判別的一個瓶頸問題。

采用輔助支撐和耗能裝置提高工藝系統(tǒng)的剛度和阻尼是解決問題的“主動”方法。固定式或隨動式輔助支撐可以提高加工區(qū)域的結(jié)構(gòu)剛度，阻尼器等耗能裝置可耗散結(jié)構(gòu)振動能量，均可起到降低變形大小和振動響應幅值的作用。輔助支撐和耗能裝置增加了工藝系統(tǒng)的機械阻抗，從而削弱了切削幾何量與振動、變形之間的耦合關(guān)系，弱化了材料去除效應對工藝系統(tǒng)整體剛度和阻尼的影響，使得結(jié)構(gòu)參數(shù)強時變動力系統(tǒng)可以在局部近似為結(jié)構(gòu)參數(shù)時不變動力系統(tǒng)，因而大大降低了加工動力學建模與分析的難度。