【正文】 工的技術(shù)關(guān)鍵 , 使復(fù)雜零件加工精度達(dá)到 1~2微米； ? 構(gòu)建先進(jìn)制造過(guò)程的多尺度多學(xué)科模擬仿真平臺(tái)，多源多工序加工質(zhì)量控制與執(zhí)行過(guò)程決策平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)零部件的高效制造與性能定量預(yù)測(cè)。 本項(xiàng)目研究過(guò)程中，擬發(fā)表 SCI 收錄的論文 200 篇以上，其中國(guó)際著名刊物論文 100 篇以上，獲得專(zhuān)利 20～ 30項(xiàng)；形成具有重要國(guó)際影響的數(shù)字化制造研究隊(duì)伍，爭(zhēng)取 1個(gè)國(guó)家創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)；涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀中青年人才，包括站在國(guó)際前沿的學(xué)術(shù)帶頭人 1～ 2人，國(guó)家杰出青年基金獲得者 2～ 3人；培養(yǎng)博士生、碩士生 150人。 三、研究方案 （ 1）學(xué)術(shù)思路 如圖 1所示，結(jié)合國(guó)家對(duì)制造技術(shù)的重大需求和科技發(fā)展趨勢(shì)，圍繞三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展多學(xué)科交叉基礎(chǔ)研究，在數(shù)字化制造的共性基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)上取得突破，為重大裝備關(guān)鍵零部件數(shù)字化制造提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)平臺(tái)。 圖 1 項(xiàng)目整體學(xué)術(shù)思路 （ 2）技術(shù)途徑 本研究的技術(shù)路線是：針對(duì)國(guó)家制造業(yè)的重大需求，從重大基礎(chǔ)裝備（高端數(shù)控機(jī)床和巨型模鍛裝備等）和高性能機(jī)械構(gòu)件制造的關(guān)鍵技術(shù)中提煉出共性科學(xué)問(wèn)題，分別從制造裝備、制造過(guò)程和制造系統(tǒng)三方面進(jìn)行研究。理論研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用 示范相結(jié)合，建立數(shù)字化制造理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)平臺(tái)。 在制造裝備研究方面，研究物理場(chǎng)復(fù)合作用（包括溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng) /應(yīng)變場(chǎng)、電磁場(chǎng)等）對(duì)裝備性能的綜合影響規(guī)律，分析高速加工中的非線性、時(shí)變載荷等因素對(duì)加工精度和效率的影響；在制造過(guò)程研究方面，通過(guò)數(shù)字化建模、仿真、優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的途徑，實(shí)現(xiàn)制造質(zhì)量的預(yù)測(cè)和控制；在制造系統(tǒng)研究方面，綜合應(yīng)用現(xiàn)代信息處理技術(shù)研究多源信息的作用規(guī)律，揭示多工序加工工況、裝備群服役性能與工件質(zhì)量特征信息間的關(guān)聯(lián)關(guān)系， 建立復(fù)雜信息環(huán)境下的制造執(zhí)行過(guò)程決策理論， 實(shí)現(xiàn)高效數(shù)字化制造。 （ 3）特色與創(chuàng)新 建立數(shù)字制造的基礎(chǔ)理論體系，使制造從部分定量、部分經(jīng)驗(yàn)、定性化逐步轉(zhuǎn)向全面數(shù)字定量化，實(shí)現(xiàn)基于科學(xué)的制造，并在關(guān)鍵技術(shù)上取得源頭創(chuàng)新成果。 a) 基于科學(xué)的制造 ：數(shù)字化制造將依靠經(jīng)驗(yàn)的制造轉(zhuǎn)變?yōu)榛诳茖W(xué)的制造。本項(xiàng)目將在多學(xué)科綜合與交叉的基礎(chǔ)上，建立數(shù)字化制造的理論基礎(chǔ)，促進(jìn)制造科學(xué)的發(fā)展。 b) 制造技術(shù)的突破 ： (1)提供能源、運(yùn)載、國(guó)防等領(lǐng)域有重大需求的精密、復(fù)雜構(gòu)件的數(shù)字化加工關(guān)鍵技術(shù)； (2)提供高精密數(shù)控機(jī)床和大? 重大關(guān)鍵基礎(chǔ)制造裝備 ? 高精度、高可靠控制 ? 大型裝備關(guān)鍵零部件精密制造 ? 制造過(guò)程的定量分析與預(yù)測(cè) 制造技術(shù)需求 制造科學(xué) 物理學(xué) 力學(xué) 數(shù)學(xué) 材料科學(xué) 信息科學(xué) 計(jì)算科學(xué) 理論源泉 ? 高性能數(shù)控機(jī)床行為響應(yīng)與精度強(qiáng)化 ? 大慣量大行程高精度運(yùn)動(dòng)控制 ? 物理場(chǎng)復(fù)合作用與建模 ? 多尺度數(shù)字仿真與優(yōu)化 ? 高性能復(fù)雜曲面精密加工 ? 數(shù)字化加工質(zhì)量控制與優(yōu)化 ? 制造信息處理與執(zhí)行過(guò)程決策 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題 主要研究?jī)?nèi)容 源頭創(chuàng)新成果 數(shù)字制造裝備的動(dòng)態(tài)行為與性能演變規(guī)律 制造過(guò)程的物理場(chǎng)影響機(jī)理及其數(shù)字化描述 數(shù)字制造系統(tǒng)的信息作用規(guī)律與決策機(jī)制 高性能數(shù)控機(jī)床應(yīng)用示范 巨型成型裝備數(shù)字化實(shí)現(xiàn) 制造過(guò)程多尺度、多學(xué)科數(shù)字仿真平臺(tái) 復(fù)雜曲面數(shù)字化精密加工新技術(shù)與新工藝 型模鍛裝備的數(shù)字化控制技術(shù)； (3)突破 2級(jí)精度精密螺旋錐齒輪批量加工中的關(guān)鍵技術(shù) ； (4)提高制造系統(tǒng)多源信息處理和多參數(shù)高效控制的能力。 研究方法的創(chuàng)新點(diǎn)： ? 高端 數(shù)控機(jī)床的多軸運(yùn)動(dòng)方程和力熱耦合方程的正向求解及逆問(wèn)題求解，建立高速、高精度多軸運(yùn)動(dòng)控制的新原理和新方法； ? 通過(guò)多體接觸的力 變形耦合建模和大型超靜定結(jié)構(gòu)中的力流傳遞分析，建立制造界面微分變形的力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)反演模型，實(shí)現(xiàn)重載成形裝備的精密運(yùn)行控制； ? 建立形位空間和旋量空間中的分析、推理和綜合理論，實(shí)現(xiàn)測(cè)量、建模、操作、加工的一體化； ? 基于物理性能和幾何量關(guān)聯(lián)約束的復(fù)雜曲面逐點(diǎn)精確去除加工方法； ? 多源多工序工況監(jiān)測(cè)、預(yù)示及性能預(yù) 測(cè)相結(jié)合的質(zhì)量綜合評(píng)估與優(yōu)化控制。 （ 4）可行性分析 由于國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展及能源、運(yùn)載和國(guó)防工業(yè)的巨大需求，我國(guó)政府高度重視制造業(yè)，“國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃”專(zhuān)題三“制造業(yè)發(fā)展科技問(wèn)題研究”建議將“數(shù)字化、智能化設(shè)計(jì)制造及基礎(chǔ)制造裝備”列為重大專(zhuān)項(xiàng)，為本項(xiàng)目的實(shí)施提供了十分難得的機(jī)遇。 本項(xiàng)目組成員在計(jì)算制造、數(shù)控技術(shù)以及先進(jìn)成形制造的研究過(guò)程中，對(duì)項(xiàng)目部分研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了前期探索，并在數(shù)字制造裝備的控制、制造過(guò)程數(shù)字建模與仿真、復(fù)雜曲面數(shù)字化加工等方面取得了不同程度的進(jìn)展，可望通過(guò)進(jìn)一步研究在這些關(guān)鍵 問(wèn)題上取得理論或方法上的突破。前期研究的大型構(gòu)件模鍛水壓機(jī)、華中 I型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)、大型功能曲面特種加工機(jī)床等軟硬件系統(tǒng)，為本項(xiàng)目的研究提供了很好的技術(shù)平臺(tái)。 六個(gè)申請(qǐng)單位在制造領(lǐng)域和相關(guān)學(xué)科都有很強(qiáng)的研究力量和很好的研究基礎(chǔ)，擁有國(guó)家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，塑性成形模擬及模具國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，振動(dòng)、沖擊、噪聲國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等研究基地，為本項(xiàng)目的順利開(kāi)展提供了支撐。在科技部 863計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金重大、重點(diǎn)和面上項(xiàng)目的資助下，已開(kāi)展了有關(guān)先進(jìn)制造技術(shù)的先期研究，為本項(xiàng)目提 供了較好的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。本項(xiàng)目有一支由院士、長(zhǎng)江學(xué)者、國(guó)家杰出青年基金獲得者和優(yōu)秀中青年骨干組成的穩(wěn)定的學(xué)術(shù)梯隊(duì)，為本項(xiàng)目的完成提供了人才保障。 （ 5）組織方式 本項(xiàng)目集中了國(guó)內(nèi)六所優(yōu)勢(shì)研究單位的多個(gè)強(qiáng)有力的學(xué)術(shù)群體，進(jìn)行了明確的分工，在發(fā)揮各自專(zhuān)長(zhǎng)的同時(shí)將定期組織學(xué)術(shù)交流，避免分散、孤立和重復(fù)研究；將與國(guó)際同行加強(qiáng)交流、保持密切的學(xué)術(shù)聯(lián)系，保證研究工作的前沿性。 （ 6）課題設(shè)置 圍繞三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，將項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容分為制造裝備、制造過(guò)程、制造系統(tǒng)三類(lèi)七個(gè)課題，如圖 2所示。針對(duì)第一個(gè)科學(xué)問(wèn)題，設(shè)置課題一 和課題二，分別以高性能數(shù)控機(jī)床和巨型塑性成形裝備兩類(lèi)典型數(shù)字制造裝備為研究對(duì)象，揭示數(shù)字制造裝備在復(fù)雜工況下的動(dòng)態(tài)行為及性能演變規(guī)律， 建立 非線性、時(shí)變載荷作用下的 精度創(chuàng)成理論 。針對(duì)第二個(gè)科學(xué)問(wèn)題，設(shè)置三個(gè)課題，分別從加工和成形兩個(gè)方面揭示制造過(guò)程中物理場(chǎng)作用機(jī)理，建立高性能復(fù)雜曲面零件的數(shù)字化精密制造理論以及相應(yīng)的加工新原理和新工藝。針對(duì)第三個(gè)科學(xué)問(wèn)題，設(shè)置課題六和課題七，分別從質(zhì)量控制及高效制造兩個(gè)方面，研究數(shù)字制造系統(tǒng)信息作用機(jī)理，建立 多源多工序制造質(zhì)量綜合評(píng)估及優(yōu)化控制 理論，建立復(fù)雜信息環(huán)境下執(zhí)行過(guò)程 的決策機(jī)制。 通過(guò)上述七個(gè)課題的研究，在關(guān)鍵技術(shù)方面取得源頭創(chuàng)新成果，形成數(shù)字化制造理論體系，并創(chuàng)建關(guān)鍵技術(shù)平臺(tái)，為能源、運(yùn)載、國(guó)防等領(lǐng)域高精度復(fù)雜零部件的數(shù)字化制造提供新原理和新方法。 圖 2 課題設(shè)置思路 課題 1：高速數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)行為演變及其高精度控制 研究目標(biāo)： 揭示高性能數(shù)控機(jī)床在高速、高加速度情況下的力、熱耦合特性及其行為響應(yīng)規(guī)律；探索高性能數(shù)控機(jī)床非線性時(shí)變動(dòng)態(tài)特性對(duì)加工質(zhì)量和效率的影響機(jī)理與敏感性，建立加工性能的演變模型 ；提出基于行為響應(yīng)規(guī)律的智能控制方法，實(shí)現(xiàn)加工精度強(qiáng)化。為高性能數(shù)控機(jī)床的自主創(chuàng)新提供理論依據(jù)和技術(shù)手段。 研究?jī)?nèi)容： （ 1）數(shù)控機(jī)床多軸力、熱耦合特性分析及數(shù)字建模 在高速、高加速度情況下，分析多軸運(yùn)動(dòng)單元的動(dòng)力學(xué)特性、熱穩(wěn)定性及其非線性耦合效應(yīng) (考慮結(jié)構(gòu)、間隙、動(dòng) /靜剛度、摩擦特性等因素 )，并建立其數(shù)字模型；研究復(fù)雜工況激勵(lì)的行為響應(yīng)規(guī)律。 （ 2）數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)性能對(duì)加工質(zhì)量和效率的影響及其敏感性分析 研究數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)性能參數(shù)的提取方法，分析其時(shí)變特性對(duì)加工質(zhì)量和效率的綜課題一 高速數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)行為演變及其高精度控制 課題二 巨型成形裝備的力流傳遞特征及高精度制造界面形成 課題三 數(shù)字制造過(guò)程物理行為建模與精度創(chuàng)成原理 課題四 高性能復(fù)雜曲面數(shù)字化精密加工的新原理和新方法 課題五 先進(jìn)成形制造過(guò)程的多尺度數(shù)字仿真與優(yōu)化 課題六 數(shù)字化加工多源多工序質(zhì)量的綜合評(píng)估與優(yōu)化控制 課題七 數(shù)字制造系統(tǒng)復(fù)雜信息處理及執(zhí)行過(guò)程決策 科學(xué)問(wèn)題 動(dòng)態(tài)行為與性能演變規(guī)律 物理場(chǎng)影響機(jī)理 信息作用規(guī)律與決策機(jī)制 數(shù)字化制造理論基礎(chǔ) 數(shù)字化制造新方法與新原理 關(guān)鍵技術(shù) 平臺(tái) 高精度 高效率 多尺度 大載荷 高可靠性 技術(shù)難點(diǎn) 合影響及敏感性，建立數(shù)控機(jī)床加工性 能演變模型，提出數(shù)控機(jī)床加工性能的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法。 （ 3）數(shù)控機(jī)床的智能控制與加工精度強(qiáng)化 研究數(shù)控機(jī)床復(fù)雜工況的在線辯識(shí)；研究基于行為響應(yīng)規(guī)律和性能演變的智能控制方法；研究數(shù)控機(jī)床服役期內(nèi)的可靠性評(píng)估方法和主動(dòng)維護(hù)策略；研究高速、高加速度多軸加工的誤差傳遞模型，提出數(shù)控加工精度強(qiáng)化策略和方法。 （ 4）多軸高性能數(shù)控機(jī)床的示范應(yīng)用 基于數(shù)控機(jī)床的力、熱耦合特性、加工性能演變機(jī)理和智能控制等基礎(chǔ)理論和共性技術(shù)，在大型高性能多軸聯(lián)動(dòng)復(fù)合加工制造裝備上進(jìn)行示范應(yīng)用，包括物理量檢測(cè)、特征提取、狀態(tài) /工況檢測(cè)、性能參數(shù) 辯識(shí)、智能控制、主動(dòng)維護(hù)等功能環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工況下的加工精度強(qiáng)化。 經(jīng)費(fèi)比例： ％ 承擔(dān)單位： 華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 李 斌 教授、孟 光教授 學(xué)術(shù)骨干： 彭芳瑜、吳波、毛寬民、朱平、胡友民、黃禹、軒建平、趙玫、唐小琦、葉伯生、師漢民、楊叔子、李鴻光 課題 2：巨型成形裝備的力流傳遞特征及高精度制造界面形成 研究目標(biāo)： 針對(duì)巨型成形裝備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和高性能大構(gòu)件塑性加工的均勻連續(xù)能場(chǎng)要求，揭示復(fù)雜超靜定結(jié)構(gòu)中載荷傳遞與變化規(guī)律，分析模鍛裝備運(yùn)行過(guò)程中奇異力學(xué)行為，研究復(fù)雜構(gòu)件多維形變?cè)谥圃?界面的集聚效應(yīng)，建立大慣量、大變載精確運(yùn)行的數(shù)字模型，為巨型成形裝備的數(shù)字化高性能可靠運(yùn)行提供理論與技術(shù)支持。 研究?jī)?nèi)容： （ 1）巨型成形裝備的力流傳遞規(guī)律與偏載奇異效應(yīng) 分析巨型成形裝備中復(fù)雜大型超靜定結(jié)構(gòu)的幾何非線性、接觸非線性、工件大變形等特點(diǎn)，揭示多元驅(qū)動(dòng)、多體并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的非線性分載規(guī)律、力流在疊層結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)散傳遞規(guī)律；研究偏載產(chǎn)生的機(jī)制，揭示有效載荷與無(wú)效內(nèi)耗（偏載奇異效應(yīng)）的作用規(guī)律；研究復(fù)雜組合結(jié)構(gòu)的內(nèi)力場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)理及其對(duì)局部應(yīng)力畸變的影響。 （ 2）大慣量大行