聚焦共性關(guān)鍵技術(shù) 推進行業(yè)技術(shù)進步
——走進機械工業(yè)精密磨削技術(shù)重點實驗室

研究方向及成果

實驗室圍繞精密/超精密數(shù)控磨削的關(guān)鍵共性技術(shù)，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(shè)計等研究方向，開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用工作。實驗室由上海理工大學2000m2的數(shù)控技術(shù)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(shù)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(shù)實驗室，形成數(shù)控機床優(yōu)化設(shè)計研究平臺、機床熱設(shè)計技術(shù)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(shè)計軟件以及國內(nèi)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(shè)一個具有國內(nèi)領(lǐng)先水平的精密數(shù)控磨削技術(shù)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(chǔ)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(nèi)領(lǐng)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(nèi)圓與端面磨削，開發(fā)了精密、復合、數(shù)控磨床，應(yīng)用于航空發(fā)動機轉(zhuǎn)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(guān)鍵設(shè)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(shù)空白，滿足“激光核聚變”等相關(guān)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(shù)攻關(guān)，突破了精密數(shù)控機床設(shè)計、制造與加工工藝若干關(guān)鍵技術(shù)，形成了數(shù)控機床整機動態(tài)特性測試技術(shù)、數(shù)控機床熱設(shè)計、可視化精密加工工藝優(yōu)化技術(shù)、基于虛擬樣機的數(shù)控機床設(shè)計技術(shù)、精密機床關(guān)鍵功能部件設(shè)計與制造技術(shù)等具有國際先進水平的關(guān)鍵共性技術(shù)。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(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，開展精密制造研究基地建設(shè)、學科隊伍建設(shè)和精密制造核心關(guān)鍵技術(shù)研究，打造具有國際水平的精密制造應(yīng)用技術(shù)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(wù)引領(lǐng)和推動我國數(shù)控裝備行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

為了建設(shè)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(shù)進步，實驗室提出了兩個平臺的建設(shè)策略，一是與國外知名大學建設(shè)聯(lián)合研究基地平臺；二是與國內(nèi)知名企業(yè)建設(shè)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(shù)應(yīng)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(guān)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(nèi)與德國共同舉辦了5 次中德先進制造技術(shù)論壇，并共同開展了數(shù)控機床熱誤差I(lǐng)SO 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(shù)研究實驗室建立了合作關(guān)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(jié)構(gòu)表面磨削、高速磨削技術(shù)等精密磨削技術(shù)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(shù)方面建立了合作關(guān)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(shù)應(yīng)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(shù)解決方案，為人才培養(yǎng)提供機床數(shù)字化工程技術(shù)支撐。

在與國內(nèi)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(shè)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(shè)計、精密加工工藝技術(shù)、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(shè)計理論與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論計算的數(shù)控機床設(shè)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，并采用該技術(shù)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(shù)

針對影響我國機床行業(yè)技術(shù)發(fā)展的共性關(guān)鍵核心技術(shù)，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(yīng)用的若干關(guān)鍵技術(shù)。

（1）數(shù)控機床整機動態(tài)特性測試與分析技術(shù)。

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(jié)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(shè)計缺陷、結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)合的模態(tài)參數(shù)識別技術(shù)，開發(fā)了數(shù)控機床動態(tài)特性測試與分析軟件。該技術(shù)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(jié)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(shù)，已應(yīng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、上海機床廠有限公司精密磨床的優(yōu)化設(shè)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(shè)計提供了技術(shù)支持，成為高性能機床設(shè)計必不可少的技術(shù)手段。

（2）基于動態(tài)特性分析的數(shù)控機床設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(shè)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(jié)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(shè)計問題，實驗室分別解決了各部件結(jié)合面接觸剛度參數(shù)測量技術(shù)、機床各部件重心的分布優(yōu)化問題以及基于機床結(jié)合面接觸剛度測量數(shù)據(jù)庫的虛擬樣機建模技術(shù)三個核心技術(shù)，形成了基于虛擬樣機平臺的數(shù)控機床設(shè)計技術(shù)，解決了機床主要部件動態(tài)特性設(shè)計指標確定、數(shù)控機床主要部件重心優(yōu)化分布等技術(shù)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(shù)。

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(jié)果與磨削工藝參數(shù)（砂輪轉(zhuǎn)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(guān)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(zhì)，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(shù)，該技術(shù)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(zhì)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。