優(yōu)質(zhì) 高效 綠色 低耗——訪北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院劉強(qiáng)教授

本刊記者/Reporter 汪 藝/WANG Yi

劉強(qiáng)：男，1963年生，工學(xué)博士，北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師、北京市高效綠色數(shù)控加工工藝及裝備工程技術(shù)研究中心學(xué)術(shù)帶頭人。兼任國家“863計(jì)劃”先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域主題專家、“數(shù)控一代”應(yīng)用示范工程總體組專家、中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化分會(huì)主任委員、全國智能制造發(fā)展聯(lián)盟學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任等。主要研究方向?yàn)閿?shù)控加工過程仿真及優(yōu)化、智能數(shù)控與運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。主持NSFC重大項(xiàng)目課題和面上課題、04重大科技專項(xiàng)等各類重要科研計(jì)劃課題30余項(xiàng)，帶領(lǐng)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)實(shí)施“千臺(tái)數(shù)控機(jī)床增效工程”并提供全面技術(shù)支持，獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)3項(xiàng)、中國儀器儀表發(fā)明獎(jiǎng)/全國發(fā)明展覽會(huì)金獎(jiǎng)各1項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，獲批專利和軟件著作權(quán)30余項(xiàng)。還曾獲北京市優(yōu)秀教師、北京市優(yōu)秀青年骨干教師、美國UTC容閎科技教育獎(jiǎng)、北航“十佳教師”等。

數(shù)控系統(tǒng)可以說是數(shù)控機(jī)床中最關(guān)鍵的功能部件之一，而測量技術(shù)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)功能的發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用。目前數(shù)控切削加工、數(shù)控系統(tǒng)及測量技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r如何，為此本刊記者采訪了數(shù)控切削加工領(lǐng)域著名專家北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院劉強(qiáng)教授。

數(shù)控切削過程仿真優(yōu)化和智能控制

劉教授已經(jīng)在數(shù)控加工領(lǐng)域耕耘了20多年，總的說來工作主要涉及兩個(gè)方面：數(shù)控加工過程動(dòng)力學(xué)的仿真及優(yōu)化、智能數(shù)控及高性能運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。

劉教授上世紀(jì)80年代在北航攻讀碩士研究生期間，就開始從事機(jī)床計(jì)算機(jī)控制、加工過程的監(jiān)控等方面的研究；90年代，劉教授作為訪問學(xué)者和聯(lián)合培養(yǎng)博士生在The University of British Columbia的制造自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室(MAL)，師從知名學(xué)者Prof.Y.Altintas和郇極教授，開展了數(shù)控加工過程的智能控制系統(tǒng)方面的研究工作，涉及開放式的智能控制系統(tǒng)、數(shù)控加工過程自適應(yīng)控制和刀具磨損預(yù)報(bào)監(jiān)測等；90年代末期回國時(shí)，適逢數(shù)控加工快速增加、高速加工進(jìn)行中國，尤其在航空航天領(lǐng)域大范圍應(yīng)用。大量數(shù)控機(jī)床的引進(jìn)為解決精密復(fù)雜零件的加工提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，但是由于多種原因整個(gè)行業(yè)存在加工效率和加工質(zhì)量不高的問題。舉一個(gè)當(dāng)時(shí)典型的例子，在類似的機(jī)床刀具硬件設(shè)備情況下，某個(gè)航空結(jié)構(gòu)件國外3天完成，而國內(nèi)企業(yè)轉(zhuǎn)包生產(chǎn)需用15天才能完成加工，且完工后還存在上百處各種缺陷。這種現(xiàn)象使得企業(yè)迫切需要從原來重視“技術(shù)改造”進(jìn)一步發(fā)展“改造技術(shù)”，改變以前憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行編程和參數(shù)選擇，這就要求從基本原理、技術(shù)方法、軟硬件工具和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)方面進(jìn)行創(chuàng)新和突破。劉教授帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)在數(shù)控銑削加工過程力學(xué)/動(dòng)力學(xué)建模、切削過程物理仿真和參數(shù)優(yōu)化方面研究工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)加工的實(shí)際要求和基于對(duì)“機(jī)床-刀具-工件”工藝系統(tǒng)特性的測試辨識(shí)，進(jìn)而對(duì)切削加工過程力、振動(dòng)、變形等物理量進(jìn)行仿真，從而優(yōu)化切削過程主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度等切削參數(shù)，并通過仿真預(yù)知實(shí)際加工中切削力、切削功率、振動(dòng)及加工表面形貌等情況。新的基于切削過程動(dòng)力學(xué)的仿真優(yōu)化方法應(yīng)用到企業(yè)的數(shù)控加工中，效果十分顯著，原來15天的結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工縮短到5天就能完成，而且質(zhì)量很好。

劉教授的團(tuán)隊(duì)緊密結(jié)合國內(nèi)制造企業(yè)數(shù)控加工技術(shù)的新發(fā)展和新需求，將理論研究與工程實(shí)踐相結(jié)合，自主研究開發(fā)了“X-Cut”、“e-Cutting”系列數(shù)控切削過程力學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)化系統(tǒng)，為原國防科工委組織實(shí)施的“千臺(tái)數(shù)控機(jī)床增效工程”提供了數(shù)控加工過程仿真優(yōu)化的技術(shù)方法和應(yīng)用工具，軟硬件兼?zhèn)洌⑾群髢善谝言?00多家企業(yè)推廣應(yīng)用，取得了顯著的提質(zhì)增效成果，成為“產(chǎn)、學(xué)、研”合作進(jìn)行先進(jìn)技術(shù)推廣應(yīng)用的1個(gè)成功范例。使得一線的數(shù)控加工從各個(gè)層面對(duì)數(shù)控機(jī)床增效的理念有了新的認(rèn)識(shí)，技術(shù)手段上升到一個(gè)新的臺(tái)階，從以經(jīng)驗(yàn)為主轉(zhuǎn)變到以計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化、定量分析和優(yōu)化的新的途徑上，效果非常好。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步以增效過程中獲得的寶貴數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了數(shù)控切削加工工藝數(shù)據(jù)庫，目前數(shù)據(jù)庫已經(jīng)有涉及機(jī)床、刀具、工件材料、冷卻液、切削參數(shù)、典型零件工藝等方面的有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量已達(dá)近10萬組。區(qū)別于以前經(jīng)典的切削工藝數(shù)據(jù)庫，除了切削參數(shù)普通的查詢方式外，該數(shù)據(jù)庫還可以機(jī)床、刀具、工件材料作為組合，有針對(duì)性地選擇切削參數(shù)，并在其中嵌入了仿真優(yōu)化的工具，這樣使得數(shù)據(jù)庫的使用者針對(duì)自己的對(duì)象進(jìn)一步仿真優(yōu)化，獲得更好的加工參數(shù)和工藝。

劉教授的另一個(gè)研究方向是智能數(shù)控及高性能運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的研究開發(fā)。最早從運(yùn)動(dòng)控制本身入手，當(dāng)時(shí)面對(duì)的是電子封裝機(jī)械上一種高速度、高加速度、高精度的直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)，要求進(jìn)給速度達(dá)到48 m/min，加速度從6g提升到10～12g，定位精度達(dá)到1 μm。經(jīng)過研究探索，劉教授提出了一種稱為“寬頻多模態(tài)運(yùn)動(dòng)耦合建模”的方法，通過建模辨識(shí)、仿真分析，實(shí)現(xiàn)了該工作臺(tái)總共70多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)頻率特性影響的參數(shù)化定量分析，從而可以用來指導(dǎo)工作臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制。劉教授的團(tuán)隊(duì)從2003年開始與國外企業(yè)合作做這個(gè)項(xiàng)目，后來在此方向上又獲得“十五”期間國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“先進(jìn)電子制造中的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題”的支持，經(jīng)過持續(xù)的研究和努力，形成的樣機(jī)和仿真分析系統(tǒng)最終使得合作企業(yè)大幅度提高了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，超過了預(yù)期目標(biāo)，并基于參數(shù)化仿真分析，提出了與數(shù)控機(jī)床“重心驅(qū)動(dòng)”等異曲同工的一系列高性能運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制方法。近幾年，劉教授又進(jìn)一步深化高性能運(yùn)動(dòng)控制和智能數(shù)控方向的研究工作，2013年又主持了國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目課題“基于流線場模型驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜曲面直接插補(bǔ)和空間刀補(bǔ)算法與控制”，他與項(xiàng)目中的數(shù)學(xué)學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)密切合作，研究面向葉片、螺旋槳等一類復(fù)雜曲面直接插補(bǔ)數(shù)控的新原理和新方法，目前已經(jīng)取得階段性研究成果。

數(shù)控系統(tǒng)和測量技術(shù)

在談及數(shù)控機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)和測量技術(shù)的關(guān)系時(shí)，劉教授介紹到，形象地說，數(shù)控機(jī)床是執(zhí)行各種運(yùn)動(dòng)的“手臂”，數(shù)控系統(tǒng)是控制整臺(tái)機(jī)床的“大腦”，測量則是數(shù)控機(jī)床和加工過程的“眼睛”，它是機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制和加工質(zhì)量保證的重要手段，主要體現(xiàn)在4個(gè)方面。

（1）數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制中的位置、速度等的測量反饋。數(shù)控機(jī)床的各個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)控制，目前主要以光柵尺或編碼器作為測量元件，應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，其發(fā)展趨勢(shì)是更高分辨率、低成本、高可靠性。

（2）零件裝夾在機(jī)測量及自適應(yīng)加工。采用機(jī)床自帶的探針式測頭或激光測頭，可以對(duì)零件裝夾位置和工件坐標(biāo)進(jìn)行測量和計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了自適應(yīng)加工技術(shù)，即通過在位測量快速獲取實(shí)際裝夾條件下的工件坐標(biāo)，自動(dòng)送入數(shù)控系統(tǒng)，處理后即按工件坐標(biāo)自動(dòng)調(diào)整修改數(shù)控程序中的坐標(biāo)偏移量，從而節(jié)省零件在機(jī)床上的安裝找正時(shí)間，此外，通過在機(jī)測量計(jì)算還可實(shí)現(xiàn)加工余量的自動(dòng)分配，保證零件的可加工性。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于大型結(jié)構(gòu)件和少余量毛坯(如3D打印的毛坯)，可以有效減少加工輔助時(shí)間，提高綜合加工效率。

（3）加工過程中零件原位測量。采用激光掃描、光學(xué)照像等非接觸式的快速測量方法，對(duì)數(shù)控加工過程中或加工完成后的零件，實(shí)現(xiàn)零件在機(jī)床原位上的在機(jī)測量，并通過快速重構(gòu)獲得零件當(dāng)前狀態(tài)下的三維實(shí)體模型，進(jìn)一步與設(shè)計(jì)模型或工藝模型比對(duì)，分析加工誤差或變形，并將處理后的誤差數(shù)據(jù)用于加工過程的偏移補(bǔ)償。數(shù)控加工過程零件原位測量技術(shù)已開始走向?qū)嵱茫瑢⒂行ПＷC加工質(zhì)量和效率。

（4）機(jī)床工作狀態(tài)多物理量的測量。對(duì)機(jī)床加工過程中振動(dòng)、溫度、切削力以及電機(jī)電流、功率等物理量采用相應(yīng)的傳感器和信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行測量、采集及處理，其目的是對(duì)機(jī)床工作狀態(tài)及加工過程情況進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)機(jī)床故障進(jìn)行診斷、判別和報(bào)警。隨著傳感器和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，對(duì)數(shù)控機(jī)床及加工過程進(jìn)行多傳感器測量和融合，已成為數(shù)控機(jī)床和數(shù)控加工過程智能化的重要方向。

現(xiàn)狀和未來

制造業(yè)要適應(yīng)未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，國內(nèi)外都從戰(zhàn)略高度提出了目標(biāo)計(jì)劃，美國制訂了大規(guī)模制造業(yè)重振計(jì)劃，先后出臺(tái)了《先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃》、《國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)：初步設(shè)計(jì)》將促進(jìn)先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展提高到了國家戰(zhàn)略層面；德國提出的工業(yè)4.0，作為政府《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》十大未來項(xiàng)目之一，以推動(dòng)德國工業(yè)生產(chǎn)制造向智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向升級(jí)。我國制訂了《中國制造2025》，致力于制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，打造中國制造升級(jí)版，實(shí)現(xiàn)“制造強(qiáng)國”的發(fā)展戰(zhàn)略。國內(nèi)外這些形勢(shì)發(fā)展，給制造業(yè)帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

在談及數(shù)控切削加工領(lǐng)域的現(xiàn)狀和未來時(shí)，劉教授開宗明義地說，優(yōu)質(zhì)、高效、低成本、綠色是制造領(lǐng)域一直追求的目標(biāo)，只是在不同發(fā)展時(shí)期賦予不同的具體內(nèi)涵。在當(dāng)前行業(yè)發(fā)展的形勢(shì)下，智能制造是一個(gè)主要的發(fā)展方向，同時(shí)3D打印、機(jī)器人技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)可能帶來給制造業(yè)帶來新的變革。

具體到數(shù)控技術(shù)，劉教授認(rèn)為數(shù)控機(jī)床將從當(dāng)前的高性能數(shù)控向智能數(shù)控發(fā)展，智能數(shù)控技術(shù)將是下一代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向，并將其總結(jié)為“四化”——多功能化、集成化、聰明化、綠色化。多功能化具體體現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床及其控制系統(tǒng)的功能進(jìn)一步豐富，如多軸聯(lián)動(dòng)、曲面直接插補(bǔ)、三維空間刀補(bǔ)、多種工藝過程的控制(如復(fù)合加工、增材制造）；集成化主要體現(xiàn)在CAD/CAM/CMM、STEP-NC、設(shè)計(jì)工藝數(shù)據(jù)模型一體化、新型數(shù)字化伺服總線、運(yùn)動(dòng)軸和加工過程先進(jìn)控制、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)、工藝仿真/工藝數(shù)據(jù)庫等技術(shù)將在單臺(tái)機(jī)床/加工單元/生產(chǎn)線上進(jìn)行集成；聰明化則表現(xiàn)為數(shù)控機(jī)床的智能化程度越來越高，工件/刀具自動(dòng)識(shí)別、加工狀態(tài)自動(dòng)檢測、自適應(yīng)控制、幾何/溫度自動(dòng)補(bǔ)償、實(shí)時(shí)圖像監(jiān)測、在機(jī)原位快速測量、遠(yuǎn)程監(jiān)控、加工過程幾何/物理仿真、虛擬加工等；綠色化將使數(shù)控機(jī)床向輕量化結(jié)構(gòu)、運(yùn)行過程優(yōu)化/能效管理、綠色切削、模塊化可重構(gòu)等方向發(fā)展。

劉教授和他的研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合行業(yè)實(shí)際，不斷推動(dòng)數(shù)控機(jī)床和數(shù)控加工領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和工程化應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，適應(yīng)我國制造業(yè)行業(yè)由大到強(qiáng)轉(zhuǎn)型升級(jí)的發(fā)展趨勢(shì)，相信他們?cè)诮窈蟮墓ぷ髦袝?huì)繼續(xù)攻堅(jiān)克難，為我國制造業(yè)發(fā)展做出自己最大的貢獻(xiàn)。