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朱利民及其团队部分骨干成员
于《中国制造2025》战略里, 高档数控机床的研发属于国家重大战略需求, 机器人的研发属于国家重大战略需求, 高档数控机床和机器人的研发是国家大力推动的重点科研领域, 高档数控机床和机器人的研发是新一轮科技革命和产业变革里必须直面的重大挑战。
朱利民是上海交通大学教授, 他担任机械与动力工程学院智能制造与信息工程研究所所长, 长期致力于复杂曲面零件高效精密数控加工理论与技术研究, 其研究范围涵盖数控编程、工艺力学、三维测量、运动控制以及数控系统与机床, 取得了系统性成果, 这些成果于航天、航空和汽车发动机制造企业得到重要应用。
于此同时, 朱利民率领团队, 着眼于机器人、人工智能等国际学术前沿之热点, 鉴于大型构件现场加工以及装配作业所需, 把数控技术与机器人技术加以契合, 开拓展开机器人化智能制造装备之研究, 并且与兄弟单位携手合作, 研发出大型薄壁零件双机器人镜像铣削加工技术以及装备。
近期, 朱利民获得学校重点支持, 面向国家超精密制造重大需求, 发挥团队前期在五轴联动数控加工方面研究优势布局5+X轴高效超精密切削研究, 发挥在超声辅助加工方面研究优势布局多能场辅助超精密切削研究, 发挥在加工-检测一体化方面研究优势布局近原子尺度抛光等研究, 发挥在精密运动控制方面研究优势积极布局相关研究, 已初见成效。
以朱利民的观点来看, 从事科研工作, 不但得具备始终如一的坚持精神, 能够忍受得住孤寂, 而且还要怀有远大的志向, 跟随国家重大需求以及国际学科前沿的发展态势, 持续不断地开拓奋进, 积极进取。
集中精力深入研究了十五年, 攻克了复杂曲面零件多轴联动数控加工以及数字化测量的核心技术。
叶轮、叶片类复杂曲面零件, 在运载行业有广泛应用, 在能源行业有广泛应用, 在国防等行业也有广泛应用, 此直接关乎国民经济发展, 此直接关乎国防安全, 在20世纪90年代, 我国在相关制造理论方面与西方国家存在巨大差距, 在相关制造技术方面与西方国家存在巨大差距。叶片面型复杂, 叶片壁薄, 整体叶轮相邻叶片间重叠区域大, 整体叶轮通道深而窄, 刀具容易与零件发生干涉, 所以刀具与零件曲面几何失配问题非常突出, 所以加工振动问题非常突出, 所以加工变形等问题非常突出。自1999年底起, 朱利民跟随熊有伦院士从事博士后研究, 此事开端后, 他在复杂曲面多轴联动数控加工与数字化测量方向, 用心专注地辛勤钻研达十余年之久。在此期间, 他陆续参加了两项重要项目, 分别是熊有伦院士主持的国家自然科学基金重大项目, 以及丁汉院士主持的两期国家原“973”计划项目, 于是他渐渐成长为学术带头人。并且, 他在加工成形几何学原理、动力学判稳方法、几何误差评定模型这三个方面, 取得了突破性的学术进展。
他们给出了自由曲面非球头刀宽行数控加工的几何学原理, 以及刀位规划方法。五轴联动数控加工存在一大优势, 此优势是通过调整刀具姿态, 进而让刀触点轨迹线附近的刀具包络曲面充分逼近设计曲面, 以此达到显著提高切削行宽的目的。宽行加工涵盖局域高阶密切和宏域曲率匹配这两种思路。针对自由曲面, 已有理论仅能支持二阶密切加工, 而三阶密切和宏域匹配的几何学条件目前尚不明确。单个刀位之时能不能计算刀具包络面, 刀轴轨迹调整怎样对刀具包络面产生影响, 这是困扰学界多年的难题, 成了制约五轴联动宽行加工潜力施展的瓶颈。朱利民勘明了接触曲面间的相伴关系, 凭借刀具包络曲面跟刀具曲面以及设计曲面间的线接触关系, 构建了单个刀位下刀具包络面局部三阶估计的基本方程, 发觉了刀具包络面与设计曲面在刀触点的三阶密切条件, 进而提出来点接触加工的三阶密切法, 和二阶密切法相较, 有效切削行宽提升一倍以上。再者, 他构建了普通回转刀具扫掠体包络面的解析表达式, 以及其与设计曲面之间法向误差关于刀具轨迹和刀具形状调整的微分关联, 把刀具面族包络向设计曲面的整体逼近误差管控转变为对刀轴轨迹面和刀具曲面形状的控制, 据此提出了线接触加工的整体逼近法, 把侧铣加工的范畴从圆柱刀延伸至普通回转刀具, 从单行加工拓展至多行切向连贯加工, 从直纹面扩充至普通自由曲面。CIRP, 法国有学者、教授, 在综述论文里, 把该成果列入“1979 – 2012年五轴侧铣加工发展路线图”, 觉得提出了误差控制以及刀位优化的新的概念、新的方法, 是“创新且令人振奋”的工作。
他们提出了关于点 – 曲面距离函数方面的微分理论, 构建起了散乱点云曲面逼近一套完整统一的方法体系。三维测量在复杂曲面数字化制造里的应用, 已从最开始的误差评定以及逆向工程展开延伸到配对加工、自适应加工等诸多不同方面。大规模测量点云只有经过几何要素拟合, 才能够获取到所期待的决策信息, 计算效率以及稳定性方面的问题极为显著。已有方法大多数是那种“一把钥匙开一把锁” 的情况, 仅仅是适合于某种特定的问题或者某种特定的曲面而已, 因为缺乏对规律性的认识, 所以导致对于某一类问题有着很好效果的方法没办法扩展应用到其他的领域中去, 不同应用领域的先进方法的那些优点难以整合到一起, 尤其是针对新的应用, 得要经过长时间的摸索才能够找到合适的方法。朱利民对那个点 – 曲面有向距离函数进行了定义, 为的是去度量点到曲面的偏差, 还建立起了距离函数的可微性条件以及其一、二阶导数的解析计算方法。把各类曲面拟合问题, 统统统一表示成, 对点 – 曲面距离有着特定要求的最优化问题, 基于距离函数的微分性质, 设计出高效又稳健的曲面识别新算法, 还有重建新算法, 以及寻位新算法, 误差评定与分解新算法, 面形再设计新算法等三维点云数据分析方面的新算法。再者, 他拓展建立了点 – 曲线和曲面 – 曲面距离函数的微分理论, 把轮廓跟踪控制里的传统“一阶”方法, 提升为“二阶”, 将夹持完全约束性判别里的传统“一阶”方法, 提升为“二阶”, 把夹具定位误差分析里的传统“一阶”方法, 提升为“二阶”, 最后在精度方面取得了显著突破。上述工作构建成完整的，牵涉点、曲线以及曲面间距离函数的, 微分理论, 给“装备、工具、零件”间动态几何关系的, 表达、推理以及计算, 供给了建模工具。米兰理工大学教授评判他所提出的, 几何误差评定算法, 称其“远比其他方法出色, 最为精致、计算速度最为快捷、最具前景”。以上提及的, 曲面加工与测量的, 几何学新原理和新方法, 作为重要创新点当中的一个, 荣获2012年国家自然科学奖二等奖。
包括他们所提出的, 用于数控铣削加工稳定性且与动态误差进行同步预报, 具备高效通用特性的方法, 也就是全离散法。铣削加工其间的颤振, 是致使零件表面出现缺陷, 甚至会造成刀具以及机床损坏的主要成因之一。加工稳定性的判别, 与动态误差的预测, 乃是达成高质量、高效率加工的根基所在。国际上实施加工动力学分析的主流办法是频域法以及时域半离散法, 然而这两种办法于计算效率以及通用性方面都呈现出一定的欠缺, 尤其是没办法对因加工振动所引发的表面位置误差予以预报。五轴高速加工具备这样的特点, 它有着高转速, 有着高进给, 还有时变径向切深, 所以呢, 需要那种能够预报加工稳定性的, 能够预报加工误差的, 高效率的, 通用计算方法。朱利民跟团队冲破了半离散法按基于微分方程的思路, 构建起铣削动力学系统的积分方程模型, 提出来积分格式动态响应计算的全离散法, 与同时预报加工稳定性以及表面位置误差, 适用于大或者小径向嘛轴向切深、有好多时滞效应、结构模态耦合、非线性切削力、薄壁件等一堆工况, 和半离散法作比较, 收敛阶数提升一阶, 计算效率提升一个数量级。进而, 他们给出了积分方程模型灵敏度分析的半解析方式, 得到了参数不确定动力学模型的保守解, 达成了工艺参数的稳健优化。半离散法创立者教授特意撰写文章评定全离散法“计算效率高并且在应用方面有优势”, 并且在与匈牙利科学院工程部主席、匈牙利科学院和欧洲科学院两院院士Stépán教授合著的专著Semi- for time-delay里整节特地介绍了此方法。NASA前研究员对全离散法作出评价, 称其“能深刻揭示铣削加工的各种稳定性特征”, 还“实现了计算效率上的突破”, 是“开创性方法”。全离散法现已成为切削动力学研究的基本工具, 被国内外学者广泛使用。该成果获得2017年高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖。
在理论方法取得突破的情形下, 朱利民带领团队展开研究, 解决了一系列关键技术, 包括刀具全局可达方向锥的高效计算, 考虑刀具跳动以及底刃切削影响的五轴铣削力预报, 基于测量反馈的薄壁件加工变形误差无模型迭代消减, 薄壁件侧/端铣加工变形预测以及刀路修正补偿, 变参数（变进给/变转速/变齿距）加工, 五轴线性刀具路径的实时G2连续转接光顺, 刀尖点平动和刀轴转动同步速度规划, 多轴交叉耦合控制, FPGA高速插补, 旋转轴几何误差辨识与补偿；还与企业合作开展研发工作, 研制出五轴数控系统以及五轴机床摆头传动部件, 从而形成了五轴数控机床的自主研制能力；另外研发了叶轮类零件五轴数控加工CAM软件以及成套工艺技术, 该技术在航天、航空和汽车发动机制造企业得到重要应用, 使得大型液体火箭发动机诱导轮的批量生产效率提升了4倍以上。有一种四轴叶片测量专机, 是他主持研制的, 其控制器能支持多种类型的电机, 还能支持多种类型的测头, 进行多轴联动扫描测量。这种专机有独有的专利技术, 叫“叶片截面接触式扫描探针半径三维补偿方法”, 凭借该技术, 叶片测量精度提升了30%。并且, 叶片分析软件符合中航工业标准, 此测量设备已在航空发动机企业获得应用。
聚焦于智能制造的热点之处, 以积极主动的态度, 着手开拓大型而且复杂的构件机器人加工技术, 以及装备方面的研究。
自2010年起, 机器人加工作为智能制造研究里的一个关键突破口, 已引发世界工业强国的高度重视。其中, 欧盟有着连续资助行为, 资助了COMET项目, 在2010.9 – 2013.6期间, 资助金额达772万欧元, 还在2012.9 – 2015.10期间, 资助金额为335万欧元, 另外于2012.11 – 2015.10期间, 资助金额是434万欧元, 此为3项关节型工业机器人加工方面的重大项目, 这些项目分别针对高精度场景开展研究, 该高精度要求小于50um, 针对硬质材料场景开展研究, 此硬质材料包括钢、铬镍铁合金, 针对超大零件场景开展研究, 此超大零件为10m以上。这些计划刚被提出的最初阶段中, 朱利民立时就敏锐地察觉到机器人化智能制造装备有着广阔的发展前景, 他觉得, 和数控机床相比, 机器人具备运动灵活度高的优势, 机器人具有工作空间大的特点, 机器人拥有并行协调作业能力强的特性, 并且机器人常用的感知功能如机器视觉和力觉在不断发展, 相应的视觉伺服和力/位混合控制技术也日益成熟。拿机器人当作装备的执行体, 给它配上强大的感知功能, 依据工艺知识模型以及多传感器反馈信息, 对运行参数做滚动优化, 这会突破传统制造装备仅限于关注各运动轴位置与速度控制的局限, 进而形成装备对于工艺过程的主动控制能力, 与此同时, 能够按照用户需求配备AGV或者长行程导轨, 构建形式多样的移动机器人平台, 打造多机器人协同作业的“能工巧匠”型机器人装备, 在超大零件的分段自寻位并行加工里具备显著优势。
2013年起, 朱利民迈入机器人加工研究领域, 他参与者国家自然科学基金委员会“共融机器人基础理论与关键技术研究”重大研究计划的论证工作, 经过数年预研, 2016年, 由他牵头申请的国家自然科学基金重点项目“蒙皮镜像加工机器人系统的主动顺应与协调控制研究”获得立项。该项目针对航空航天领域, 存在长厚比大于1000的情况, 针对这类“极端”弱刚性大型蒙皮构件的壁厚加工精度保障难题, 其目的在于, 把混联机器人装备技术以及数字化加工技术结合起来, 去创建双机器人, 实现“切削加工与误差补偿”以及“随动支撑与壁厚测量”协同作业的镜像加工新原理和新装备。上海交通大学、天津大学组成了科研团队, 该团队密切合作, 历经3年多的研究取得众多丰硕成果, 发明出新型位置型1T2R并联机构, 提出尺度综合以及支链模块化、整机轻量化设计方法, 研制出五轴混联加工机器人, 发明集成薄壁件法向测量与壁厚测量、“中心刚性支撑 + 四周柔性气动支撑”形式的刚柔混合支撑头, 还得到柔性气动支撑中气缸气压对抑振效果的影响规律, 制定双机器人等壁厚镜像铣削协同运动控制方案, 设计形如“支撑端壁厚测量 + 加工端切深补偿”的加工壁厚实时控制系统, 在加工实验里大型弱刚性壁板零件的壁厚实现稳定控制, 控制范围在2±0.1mm以内。
与此同时, 朱利民所带领的团队, 还展开了针对机器人加工的, 大尺度空间精确自主寻位技术研究, 以及加工质量原位检测技术研究。他们提出了一种方案, 该方案集iGPS、激光跟踪仪、近景摄影测量、多模态三维光学测量于一体, 是全域跨尺度立体传感定位与测量方案, 其目的在于, 通过激光跟踪仪去建立全局时空信息传感网络, 利用iGPS与近景摄影测量粗精分级测量策略, 达成机器人在超大空间里的亚毫米级自主寻位与微米级精准作业；在加工表面形貌测量这方面, 他们以非朗伯复杂曲面光反射模型作为基础, 提出了一种方法, 是集成光度摄影成像、条纹投影成像和条纹偏折成像的多模态三维光学测量方法, 基于光度摄影成像来分析表面散射与反射耦合机制, 借助物理模型驱动的计算成像, 对条纹投影、偏折参数进行像素级调制及数据融合, 实现了对精加工金属构件从局部纹理到全局形状的跨尺度测量。针对风电叶片、航天器舱体这些典型的大型复杂构件, 相关技术正试着应用于机器人加工系统里。
面向极端制造学术前沿，前瞻布局原子及近原子尺度制造研究
对加工制造技术来讲, 永恒的追求是高效跟精密。超精密制造能够得到亚微米级形位精度, 还有纳米或者亚纳米级表面粗糙度, 以及近无表层缺陷的高性能表面与功能结构, 它代表了直到现在精密制造技术的最高发展阶段。朱利民带领团队, 自2010年起, 针对超精密机床的快速伺服刀架、原子力显微镜的扫描器等纳米定位平台朝着超快方向发展的这个需求, 在机构设计这方面开展了系统研究, 于动力学建模方面开展了系统研究, 在轨迹规划方面开展了它的系统研究, 同时在运动控制方面也开展了系统研究, 建立了纳米定位平台的那个非线性动力学模型, 这个模型反映了制动器迟滞与机构振动的耦合行为，还提出了振动模态控制方法, 此方法能同时提升平台谐振模态阻尼以及刚度, 并且辅以了外环高增益鲁棒跟踪控制器, 进而获得了接近、甚至超出平台机构固有谐振频率的控制带宽, 最终这些成果被国际同行评价成“主流方法”“通用模型”。
近年来, 军事有重大需求, 民用高端装备同样存重大需求, 这致使超高精度、高性能表面与功能结构零件的制造技术, 成为各制造强国优先去发展的重要战略性技术, 并且该技术还进一步朝着原子及近原子尺度制造的方向不断发展。朱利民瞄准此项处于学术前沿的极端制造方向, 从2018年开始, 先是在学校给予的大力支持下, 接着又有学院的助力, 并且同时得到国家重点实验室的支撑, 主持开展超精密制造方向的建设工作。一方面, 其团队前期在五轴联动数控加工方面积累了研究优势, 又于此基础上在超声辅助加工范畴也有一定成果, 还在高带宽纳米定位领域存在相应研究优势, 在此基础之上重点进行面向复杂结构的, 5加X轴这一模式下的高效超精密切削研究。另一方面, 针对面向难加工材料的多能场辅助而言, 同样开展超精密切削技术的研究工作。与此同时, 朱利民与由英国皇家工程院院士蒋向前教授所领衔的英国国家未来计量联盟展开深度合作, 致力于去研发下一代加工与检测能够一体化的智能超精密机床。另外, 对于基于大气等离子体的原子尺度抛光, 以及基于探针的原子级加工、测量还有操纵等于（近）原子尺度制造技术进行前瞻探索。凭借上海交通大学科技园以及大零号湾计划, 团队已然建成了面积约为3000平方米的超精密制造研究中心, 其中涵盖超精密加工及检测实验室、光学成型及镀膜洁净室、光学设计及方案展示中心等等, 并且拥有多台套处于全球领先地位的五轴联动超精密机床以及超精密 检测仪器。当下, 团队凭借技术创新, 给华为、晶方科技、舜宇光学、成都光明等处于领军地位的企业, 加工出大尺寸微纳菲涅尔结构模具、钨合金微球阵列模具、晶圆级光学微结构模具等具备高附加值的产品, 达成了进口替代。朱利民展望讲了这样的话: “我们有着这样的预期, 那就是经过5年的建设, 会在下一代光学以及半导体超精密制造这方面, 形成一批属于自主的特色技术, 还有工艺以及装备, 进而建成国际一流水平的超精密加工、检测以及中试平台, 以此来服务国防、能源、航空航天等国家重大工程, 以及集成电路、消费电子、光通信、汽车等各类产业。”。
专家简介
朱利民, 任职于上海交通大学机械与动力工程学院, 现任智能制造与信息工程研究所所长, 还是教育部特聘教授。其主要研究方向在于数控加工技术与装备领域, 以及机器人化智能制造装备方面, 同时也涉及超精密制造与检测方向。他荣获了国家杰出青年科学基金, 并且是国家“万人计划”科技创新领军人才。
朱利民担任国际著名学术期刊IEEE/ASME Trans.On的副编辑, 这是一个重要职位, 同时他还是英国机械工程师学会会刊of the,Part B:of的编纂委员, 并且也是中国机械工程学报英文版of编委会成员, 他还是国家自然科学基金委员会机械设计与制造学科“十四五”发展战略报告“高性能、智能化制造”方向撰写组组长, 另外亦是上海市学位委员会第五届学科评议组成员。
朱利民主持了3项国家自然科学基金重点项目, 还主持了30余项诸如国家科技重大专项课题之类的科研项目, 由科学出版基金资助出版了1部专著, 发表了190余篇SCI论文, 其中包含50余篇ASME和IEEE会刊论文, 以及19篇机械制造领域影响因子最高的期刊Int J Mach Tool Manu论文, 获得了20余项授权发明专利。将首名完成人身份获取高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖一项, 以主要完成人身份获得国家自然科学奖二等奖以及国家科技进步奖二等奖各一项。
