研究方向及成果

實(shí)驗(yàn)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(jī)理及磨削工藝、磨削過(guò)程檢測(cè)與控制、磨削過(guò)程熱誤差測(cè)量與補(bǔ)償、精密數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)等研究方向，開(kāi)展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用工作。實(shí)驗(yàn)室由上海理工大學(xué)2000m2的數(shù)控技術(shù)研究基地與上海機(jī)床廠有限公司1000m2的實(shí)驗(yàn)研究基地組成，包括精密磨削工藝技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、精密機(jī)床熱誤差研究實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)雄克智能夾具聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、機(jī)床力學(xué)性能測(cè)試與分析實(shí)驗(yàn)室、機(jī)床遠(yuǎn)程維保技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，形成數(shù)控機(jī)床優(yōu)化設(shè)計(jì)研究平臺(tái)、機(jī)床熱設(shè)計(jì)技術(shù)研究平臺(tái)、精密機(jī)床力學(xué)性能測(cè)量與分析研究平臺(tái)以及磨削工藝研究平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)室擁有世界一流的產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件以及國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的試驗(yàn)裝置和精密測(cè)量?jī)x器百余套，并自主研發(fā)了20 余個(gè)試驗(yàn)臺(tái)，包括直線電機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)、高速滾珠絲桿性能試驗(yàn)臺(tái)、機(jī)床床身加載試驗(yàn)臺(tái)、伺服電機(jī)加載試驗(yàn)臺(tái)、機(jī)床熱誤差研究試驗(yàn)臺(tái)、機(jī)床力學(xué)性能研究試驗(yàn)臺(tái)等。實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)是：建設(shè)一個(gè)具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平的精密數(shù)控磨削技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室，并使其成為高精度數(shù)控磨床的開(kāi)發(fā)研究基地。

自創(chuàng)立以來(lái)，實(shí)驗(yàn)室先后承擔(dān)了10 余項(xiàng)“數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題的研究工作，先后研發(fā)了多臺(tái)具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平的精密數(shù)控機(jī)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(guó)船舶制造對(duì)大型鋼板軋制的需要，解決了重大裝備的制造問(wèn)題。針對(duì)磨削加工中廣泛需要的外圓、內(nèi)圓與端面磨削，開(kāi)發(fā)了精密、復(fù)合、數(shù)控磨床，應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子渦輪軸的精密加工，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(xué)玻璃平面磨床，填補(bǔ)了我國(guó)缺少超精密大尺寸光學(xué)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(duì)大口徑平面光學(xué)玻璃超精密加工的需要。此外，經(jīng)過(guò)國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題的研究與上海市科委重點(diǎn)研究項(xiàng)目的技術(shù)攻關(guān)，突破了精密數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)、制造與加工工藝若干關(guān)鍵技術(shù)，形成了數(shù)控機(jī)床整機(jī)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試技術(shù)、數(shù)控機(jī)床熱設(shè)計(jì)、可視化精密加工工藝優(yōu)化技術(shù)、基于虛擬樣機(jī)的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)技術(shù)、精密機(jī)床關(guān)鍵功能部件設(shè)計(jì)與制造技術(shù)等具有國(guó)際先進(jìn)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(jìn)步一等獎(jiǎng)與中國(guó)機(jī)械工業(yè)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

發(fā)展定位及思路

實(shí)驗(yàn)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(kāi)展精密制造研究基地建設(shè)、學(xué)科隊(duì)伍建設(shè)和精密制造核心關(guān)鍵技術(shù)研究，打造具有國(guó)際水平的精密制造應(yīng)用技術(shù)研究創(chuàng)新平臺(tái)和精密制造人才高地，通過(guò)人才培養(yǎng)、科技服務(wù)引領(lǐng)和推動(dòng)我國(guó)數(shù)控裝備行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

為了建設(shè)具有國(guó)際水平的精密數(shù)控裝備研究平臺(tái)，并使研發(fā)成果能夠推動(dòng)我國(guó)數(shù)控裝備行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)室提出了兩個(gè)平臺(tái)的建設(shè)策略，一是與國(guó)外知名大學(xué)建設(shè)聯(lián)合研究基地平臺(tái)；二是與國(guó)內(nèi)知名企業(yè)建設(shè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，從而形成具有世界先進(jìn)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(guó)外大學(xué)合作方面，與德國(guó)斯圖加特大學(xué)機(jī)床研究所建立了近20年密切的合作關(guān)系，自2004年以來(lái)雙方教授每年互有往來(lái)，該研究所所長(zhǎng)Uwe Heisel 被聘為上海理工大學(xué)榮譽(yù)教授。自2008年以來(lái)雙方在國(guó)內(nèi)與德國(guó)共同舉辦了5 次中德先進(jìn)制造技術(shù)論壇，并共同開(kāi)展了數(shù)控機(jī)床熱誤差I(lǐng)SO 標(biāo)準(zhǔn)修訂的合作項(xiàng)目研究。自2012年以來(lái)與英國(guó)利物浦約翰摩爾大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室建立了合作關(guān)系，上海理工大學(xué)先后選派多名教師與博士生赴英國(guó)共同開(kāi)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(lái)與英國(guó)考文垂大學(xué)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(xué)位培養(yǎng)的協(xié)議。2019年與西門子（中國(guó)）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(biāo)是為機(jī)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(jī)床數(shù)字化工程技術(shù)支撐。

在與國(guó)內(nèi)知名企業(yè)合作方面，除了與上海機(jī)床廠有限公司共建該實(shí)驗(yàn)室外，還與我國(guó)數(shù)控裝備龍頭企業(yè)沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)合作建設(shè)了沈陽(yáng)機(jī)床-上海理工大學(xué)聯(lián)合研究院以及i5智能機(jī)床聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。通過(guò)這些校企合作平臺(tái)，雙方在基于動(dòng)態(tài)特性的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)、精密加工工藝技術(shù)、數(shù)控機(jī)床狀態(tài)檢測(cè)等方面開(kāi)展了卓有成效的研究工作，完成了我國(guó)第一臺(tái)完全基于動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)理論與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論計(jì)算的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)與制造。建立了數(shù)控機(jī)床力學(xué)性能數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字化虛擬樣機(jī)的數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，并采用該技術(shù)開(kāi)發(fā)了立式加工中心?；谶@些理論研究成果，2020年與秦川機(jī)床集團(tuán)有限公司合作共同研發(fā)了我國(guó)首臺(tái)具有2g加速度的五軸高速數(shù)控機(jī)床。

核心技術(shù)

針對(duì)影響我國(guó)機(jī)床行業(yè)技術(shù)發(fā)展的共性關(guān)鍵核心技術(shù)，實(shí)驗(yàn)室在多項(xiàng)國(guó)家與上海市重大重點(diǎn)項(xiàng)目支持下，形成了精密數(shù)控機(jī)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(jī)床整機(jī)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試與分析技術(shù)。

動(dòng)態(tài)特性決定了機(jī)床切削的能力、機(jī)床切削的精度，是影響機(jī)床性能最為重要的特性。在加工狀態(tài)下獲得機(jī)床整機(jī)動(dòng)力學(xué)測(cè)試結(jié)果，是建立機(jī)床數(shù)字化虛擬樣機(jī)、評(píng)價(jià)機(jī)床各主要部件動(dòng)態(tài)性能、發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和機(jī)床性能監(jiān)測(cè)的前提。然而傳統(tǒng)試驗(yàn)方法對(duì)機(jī)床這樣的復(fù)雜系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)整機(jī)加工狀態(tài)的動(dòng)力學(xué)特性測(cè)試和分析。實(shí)驗(yàn)室提出了貝葉斯理論和運(yùn)行模態(tài)分析相結(jié)合的模態(tài)參數(shù)識(shí)別技術(shù)，開(kāi)發(fā)了數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性測(cè)試與分析軟件。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需人工激勵(lì)，在工作狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)機(jī)床整機(jī)動(dòng)態(tài)特性的測(cè)量和識(shí)別，并通過(guò)引入信噪比指標(biāo)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。所發(fā)明的數(shù)控機(jī)床整機(jī)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試與分析技術(shù)，已應(yīng)用于30 余臺(tái)機(jī)床整機(jī)的性能檢測(cè)，為沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)i5 系列立式加工中心的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、上海機(jī)床廠有限公司精密磨床的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及秦川機(jī)床集團(tuán)有限公司的精密齒輪磨齒機(jī)等機(jī)床的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持，成為高性能機(jī)床設(shè)計(jì)必不可少的技術(shù)手段。

（2）基于動(dòng)態(tài)特性分析的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)方法。

剛度不足所引起的主要部件變形與切削振動(dòng)是嚴(yán)重影響數(shù)控機(jī)床加工精度的主要因素之一。保證加工精度，從機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)看，就是要在保證機(jī)床最大切削能力所產(chǎn)生的切削力條件下，使機(jī)床各主要部件的剛度滿足切削要求，同時(shí)使其振動(dòng)固有頻率避開(kāi)不同切削參數(shù)激勵(lì)的頻率。目前我國(guó)機(jī)床行業(yè)普遍采用的靜態(tài)與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法無(wú)法解決這些問(wèn)題，導(dǎo)致機(jī)床振動(dòng)成為國(guó)產(chǎn)機(jī)床普遍存在的一個(gè)問(wèn)題。數(shù)控機(jī)床的加工性能主要取決于其動(dòng)態(tài)特性，實(shí)驗(yàn)室提出的基于動(dòng)態(tài)特性分析的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)方法有效解決了數(shù)控機(jī)床剛性不足以及切削振動(dòng)的問(wèn)題，對(duì)于提高加工效率和加工精度具有重要的作用。

數(shù)控機(jī)床整機(jī)的動(dòng)態(tài)特性主要取決于各部件的動(dòng)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(duì)基于動(dòng)態(tài)特性的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)室分別解決了各部件結(jié)合面接觸剛度參數(shù)測(cè)量技術(shù)、機(jī)床各部件重心的分布優(yōu)化問(wèn)題以及基于機(jī)床結(jié)合面接觸剛度測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)的虛擬樣機(jī)建模技術(shù)三個(gè)核心技術(shù)，形成了基于虛擬樣機(jī)平臺(tái)的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)技術(shù)，解決了機(jī)床主要部件動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)指標(biāo)確定、數(shù)控機(jī)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(jī)床切削過(guò)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(guò)程的參數(shù)眾多，而且參數(shù)之間呈現(xiàn)很強(qiáng)的非線性和動(dòng)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(jìn)給速度、磨削深度與磨削進(jìn)給量等）之間同樣存在著非線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)室通過(guò)對(duì)磨削機(jī)理的研究,揭示各種磨削過(guò)程、磨削現(xiàn)象的本質(zhì)，綜合運(yùn)用聲發(fā)射傳感器、功率傳感器、振動(dòng)傳感器、位移傳感器等對(duì)機(jī)床、砂輪等狀態(tài)檢測(cè)，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(tái)數(shù)控機(jī)床的工藝測(cè)試分析經(jīng)驗(yàn)，為40 余家企業(yè)的高精度加工提供了有效解決方法。