【正文】 項目名稱： 數(shù)字化制造基礎(chǔ)研究 首席科學(xué)家： 丁漢 華中科技大學(xué) 起止年限： 2020121 依托部門： 教育部 湖北省科技廳 一、研究內(nèi)容 數(shù)字化制造已成為推動 21世紀(jì)制造業(yè)向前發(fā)展的主流，其重要特征表現(xiàn)在：制造裝備的自律性和自適應(yīng)性；制造過程的可預(yù)測性和可控性；制造系統(tǒng)的可維護(hù)性和制造信息的可重用性。結(jié)合國家制造業(yè)的重大需求和數(shù)字化制造的發(fā)展趨勢，本項目以制造裝備高精度數(shù)字化控制及大慣量大行程高精度同步控制、制造過程的物理場多尺度數(shù)字仿真、復(fù)雜曲面數(shù)字化精密加工、多源多工序制造 質(zhì)量控制、制造執(zhí)行過程決策與優(yōu)化等數(shù)字化制造關(guān)鍵共性技術(shù)為突破口，本項目圍繞下列三個重要科學(xué)問題展開研究： 科學(xué)問題之一：數(shù)字制造裝備的動態(tài)行為與性能演變規(guī)律 在能源、運載、國防等領(lǐng)域，需要制造大型、薄壁、復(fù)雜、難加工材料的精密零件，對制造裝備的精度、效率、可靠性等性能指標(biāo)提出了更高的要求。如加工直徑 8米、重達(dá) 100噸艦船用螺旋槳的大型車銑復(fù)合加工機床，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜（要求七軸五聯(lián)動），行程范圍高達(dá) 10米，加工精度高。又如我國目前用于航空、航天、國防等行業(yè)鍛造大型構(gòu)件的 3萬噸模鍛水壓機，其活動橫梁自重 2100噸，行程 1830毫米，要求全行程位移誤差小于 。在高速、高加速度、大載荷、大位移等非常規(guī)工況下，摩擦、振動、沖擊、變形、結(jié)構(gòu)間隙等非線性因素將直接影響裝備的動力學(xué)行為，使裝備的性能發(fā)生變化，對現(xiàn)有的控制理論和方法提出了極大的挑戰(zhàn)。分別以高性能數(shù)控機床和巨型精密模鍛水壓機兩類典型數(shù)字制造裝備為對象，研究數(shù)字制造裝備在復(fù)雜工況和運行狀態(tài)下的動態(tài)行為和性能演變規(guī)律，為設(shè)計新型數(shù)字裝備和數(shù)控系統(tǒng)提供理論依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)，主要研究內(nèi)容包括： 1) 高速數(shù)控機床動態(tài)行為演變及其高精度控制 隨著高性能數(shù)控機床精度 、效率越來越高，高速、高加速度和變加速度成為數(shù)控機床動態(tài)行為的主要表現(xiàn)形式，機床的力學(xué)特性（如結(jié)構(gòu)、間隙、動靜剛度、摩擦特性、振動、噪聲、非線性時變載荷等）、熱學(xué)特性（如熱變形、熱穩(wěn)定性等）、以及力、熱耦合特性對機床的加工質(zhì)量和效率產(chǎn)生顯著影響。為自主開發(fā)高速、高精、高效的新一代數(shù)控機床，研究數(shù)控機床的力、熱耦合特性及其對機床動態(tài)行為和加工性能的影響機理和演變規(guī)律，實現(xiàn)高速、高加速度和變加速度加工條件下的智能控制和加工精度強化。主要研究內(nèi)容包括： ? 數(shù)控機床多軸力、熱耦合特性分析及數(shù)字建模； ? 數(shù)控機床動態(tài)性能 對加工質(zhì)量和效率的影響及其敏感性分析； ? 數(shù)控機床的智能控制與加工精度強化； ? 多軸高性能數(shù)控機床的示范應(yīng)用。 2) 巨型成形裝備的力流傳遞特征及高精度制造界面形成 在巨大載荷作用下，巨型成形裝備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的接觸非線性、超靜定、連接與運動副間隙等因素產(chǎn)生載荷奇異傳遞和巨大的附加內(nèi)力，直接影響大型構(gòu)件制造精度。大慣量大行程快速運動可能引起超調(diào)振蕩，在巨大流量的液壓機械系統(tǒng)中產(chǎn)生沖擊，降低運動的動態(tài)精度。上述兩種現(xiàn)象均會導(dǎo)致裝備工作能力的下降。為了提高裝備實際工作能力，實現(xiàn)高精度巨型塑性成形的制造。需要開展如下研究： ? 巨型成形裝備的力流傳遞規(guī)律與偏載奇異效應(yīng)； ? 大慣量大行程運動的動態(tài)精度形成原理； ? 巨型成形裝備制造界面的位置、形態(tài)與界面力場模型； ? 巨型成形裝備高效、高可靠、高精度運行的數(shù)字化實現(xiàn)。 科學(xué)問題之二：制造過程的物理場影響機理及其數(shù)字化描述 在制造過程中，伴隨著零件材料組織的演變和形狀的生成，力、熱、流體等物理場的作用成為影響零件制造精度、效率和性能的主要因素。對制造過程進(jìn)行多學(xué)科、多尺度模擬與仿真，揭示制造過程的本質(zhì)屬性，實現(xiàn)制造過程優(yōu)化控制，是確保零件高效、高精、高質(zhì)創(chuàng)成的關(guān)鍵。制造過程中的物理場作用具有 非線性耦合、多尺度效應(yīng)、強時空變化等特點，其作用機理十分復(fù)雜。需要研究的核心科學(xué)問題是制造過程的物理場作用機理及其數(shù)字化描述、零件性能的定量預(yù)測。本項目研究加工制造過程和成形制造過程中的物理場復(fù)合作用機理以及復(fù)雜曲面精密加工的新原理和新工藝。主要研究內(nèi)容包括： 1) 數(shù)字制造過程物理行為建模與精度創(chuàng)成原理 在零件的制造過程中，由切削力、刀具與工件之間的摩擦誘導(dǎo)的發(fā)熱、變形等物理現(xiàn)象成為高精度創(chuàng)成中必須考慮的關(guān)鍵因素。揭示制造過程中物理場的復(fù)合作用，預(yù)測其行為的時空效應(yīng)，并通過對工藝參數(shù)的優(yōu)化，把對物理場作用 的定性認(rèn)識轉(zhuǎn)化為對其行為的定量控制，實現(xiàn)復(fù)雜零件高精度加工制造。主要研究內(nèi)容包括： ? 加工制造中物理場復(fù)合作用機理及其數(shù)字仿真； ? 物理約束、幾何約束與零件性能約束相容性分析； ? 加工制造過程的工藝優(yōu)化與精度保證； ? 高精度零件制造的數(shù)字化仿真平臺。 2) 高性能復(fù)雜曲面數(shù)字化精密加工的新原理和新方法 我國能源、運載、國防等領(lǐng)域重大工程急需的某些關(guān)鍵零部件，其制造不僅要保證幾何精度，更要滿足特定的物理性能。例如主動導(dǎo)引防空導(dǎo)彈天線罩，必須通過逐點去除加工才能確保任意點的電厚度要求，這就對現(xiàn)有的加工方法提出了新的挑戰(zhàn) 。為實現(xiàn)復(fù)雜曲面的高效精密加工，獲得高物理性能和高幾何精度復(fù)雜曲面零件，需要研究復(fù)雜曲面多源約束與曲面參量的非線性耦合模型和加工過程物理場復(fù)合作用機理，創(chuàng)建性能驅(qū)動的復(fù)雜曲面生成新原理。主要研究內(nèi)容有： ? 基于零件物理性能與幾何特征映射關(guān)系的復(fù)雜曲面生成方法； ? 復(fù)雜曲面多源離散信息的結(jié)構(gòu)化方法與誤差消減； ? 面形隨機復(fù)雜曲面零件的逐點精確可控去除加工新方法； ? 高性能高精度局部共軛曲面生成與制造過程精確控制。 3) 先進(jìn)成形制造過程的多尺度數(shù)字仿真與優(yōu)化 建模與仿真是數(shù)字化成形制造的核心技術(shù)。成形制造過程的數(shù)字 模擬技術(shù)正在向多學(xué)科、多尺度、多物理場方向發(fā)展，已成為當(dāng)今國際公認(rèn)的制造及材料科學(xué)的重要前沿領(lǐng)域。能源、運載、國防及裝備制造業(yè)的一些關(guān)鍵零部件需要采用先進(jìn)的成形制造工藝，其成形質(zhì)量與使用性能取決于制造過程的溫度場、流場、應(yīng)力應(yīng)變場和微觀組織場的共同作用。針對典型的先進(jìn)成形制造方法，研究零件成形制造過程中多尺度多學(xué)科的數(shù)字化建模仿真理論與方法，揭示物理場耦合作用下材料的組織演變規(guī)律及其與性能的關(guān)系，提出零件成形制造質(zhì)量、組織、性能和使用壽命的預(yù)測方法。主要研究內(nèi)容如下： ? 精確鑄造成形過程多尺度物理 /數(shù)學(xué)建模與 仿真； ? 精確成形鑄件的組織、性能與疲勞壽命預(yù)測； ? 精密模鍛流變成形本構(gòu)規(guī)律及模鍛載荷預(yù)測建模； ? 高性能復(fù)雜構(gòu)件塑性成形組織性能預(yù)測建模與仿真。 科學(xué)問題之三：數(shù)字制造系統(tǒng)的信息作用規(guī)律與決策機制 制造系統(tǒng)集中匯聚了制造裝備、零件、制造工藝以及執(zhí)行過程等多方面的信息 .提高制造系統(tǒng)的信息獲取、處理與融合能力，尤其是通過復(fù)雜制造信息的融合及不確定信息處理提高制造信息可用性，已成為在系統(tǒng)的層次上確保高效、高可靠、高精度產(chǎn)品制造的關(guān)鍵。研究加工質(zhì)量與過程信息的獲取、表達(dá)、傳遞、融合、演化和利用，揭示制造信息的基本性質(zhì) （如定量、度量、價值、分類和評價等）和作用規(guī)律，建立制造系統(tǒng)復(fù)雜信息尤其是非常規(guī)信息的處理與利用機制，對于實現(xiàn)產(chǎn)品加工質(zhì)量主動預(yù)測、制造誤差在線補償和制造過程優(yōu)化決策均有重要意義。主要研究內(nèi)容包括： 1) 數(shù)字化加工多源多工序質(zhì)量的綜合評估與優(yōu)化控制 多源多工 序質(zhì)量的綜合評估是實現(xiàn)工序驅(qū)動的質(zhì)量控制的前提，也是提高精密復(fù)雜零件加工合格率，獲得高精度、高可靠性零件制造的一個重要途徑。提取多源多工序質(zhì)量的特征信息，建立工件類、工序流、裝備群工況等數(shù)字化制造質(zhì)量特征的全息分析與計算模型，揭示工序質(zhì)量信息的產(chǎn)生、表 達(dá)、傳遞與聚類規(guī)律，提供加工過程的質(zhì)量缺陷預(yù)示與消減的共性技術(shù)與方法，是確保與工序密切相關(guān)的制造裝備群在“精確質(zhì)量控制”模式下運行的關(guān)鍵。主要研究內(nèi)容包括： ? 數(shù)字化加工的多源多工序質(zhì)量信息的定性分析和度量指標(biāo)； ? 加工過程的工況監(jiān)測、預(yù)示及服役性能評價； ? 工序驅(qū)動的零件加工質(zhì)量優(yōu)化控制； ? 復(fù)雜精密零件數(shù)字化加工質(zhì)量的綜合評估與控制平臺。 2) 數(shù)字制造系統(tǒng)的復(fù)雜信息處理及執(zhí)行過程決策 實現(xiàn)高效穩(wěn)定制造必須在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上對制造執(zhí)行過程進(jìn)行正確決策。隨著制造裝備與工藝過程的數(shù)字化，綜合利用制造信息進(jìn)行系統(tǒng)分析 與決策成為可能。其難點在于制造系統(tǒng)中多源信息的交互關(guān)系復(fù)雜，處于動態(tài)演變之中，并受大量非常規(guī)信息的影響。因此，在多源制造信息融合的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用信息關(guān)聯(lián)分析和非常規(guī)信息處理等手段，通過優(yōu)化配置實現(xiàn)數(shù)字制造系統(tǒng)的可適應(yīng)性，通過效能評價與參數(shù)優(yōu)化保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，通過對制造執(zhí)行過程進(jìn)行正確決策提高系統(tǒng)的運行效率。主要研究內(nèi)容包括： ? 數(shù)字 制造系統(tǒng)的信息關(guān)聯(lián)分析及優(yōu)化配置； ? 多工件復(fù)雜制造過程效能評價與參數(shù)優(yōu)化； ? 非常規(guī)信息條件下制造執(zhí)行過程決策； 高效制造執(zhí)行技術(shù)及數(shù)字仿真平臺。 二、預(yù)期目標(biāo) 總體目標(biāo)： 本 項目瞄準(zhǔn)先進(jìn)制造技術(shù)高精度、高效率、高可靠性的發(fā)展趨勢，針對能源、運載、國防等領(lǐng)域的復(fù)雜裝備及其關(guān)鍵零部件制造面臨的難題，揭示制造裝備、制造過程和制造系統(tǒng)中物理現(xiàn)象的動態(tài)規(guī)律及作用機理；突破數(shù)字裝備的精密運行控制、制造過程的物理場復(fù)合仿真、制造質(zhì)量綜合評估與制造執(zhí)行過程決策等一批關(guān)鍵技術(shù)；創(chuàng)立復(fù)雜零件精密制造的若干新原理與新工藝；建立數(shù)字化制造的基礎(chǔ)理論 , 實現(xiàn)基于科學(xué)的制造。通過本項目研究，提升我國高端數(shù)字裝備及其關(guān)鍵零件的獨立制造能力，提供國家急需的大型復(fù)雜零部件制造的核心技術(shù)，并培養(yǎng)一批從事數(shù)字化制造 科學(xué)研究的青年學(xué)術(shù)帶頭人和研究骨干。 五年預(yù)期目標(biāo)： 在理論研究方面： 解決高性能制造裝備和大型復(fù)雜零件精密制造中的關(guān)鍵科學(xué)問題，為實現(xiàn)高精度、高效率和高可靠的數(shù)字化制造提供理論基礎(chǔ)，躋身于國際制造科學(xué)研究領(lǐng)域的前沿。 ? 揭示高性能數(shù)字制造裝備的動態(tài)特性、性能演化和行為響應(yīng)規(guī)律，建立分布式、非線性、時變載荷作用下的 精度創(chuàng)成理論； ? 揭示物理場復(fù)合作用下零件材料組織與力學(xué)性能演變規(guī)律，提出零件制造過程多尺度、多學(xué)科數(shù)字化建模仿真理論與方法，實現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化和對零件制造質(zhì)量、微觀組織、性能、使用壽命的定量預(yù)測 ； ? 揭示數(shù)字制造系統(tǒng)的信息關(guān)聯(lián)關(guān)系與演化規(guī)律，實現(xiàn)多源多工序加工質(zhì)量綜合評估及復(fù)雜信息環(huán)境下的制造執(zhí)行過程決策，建立制造系統(tǒng)的高可靠性高效運行機制。 在技術(shù)應(yīng)用方面： 通過本項目研究，在若干關(guān)鍵技術(shù)上取得源頭創(chuàng)新成果，提升我國數(shù)字制造裝備及關(guān)鍵零部件的制造水平。 ? 突破高性能數(shù)控系統(tǒng)自主創(chuàng)新開發(fā)的技術(shù)難點，建立七軸五聯(lián)動高性能數(shù)控機床的應(yīng)用驗證平臺，使直徑 8米大型艦船用螺旋槳的加工達(dá)到特高精度 S級； ? 突破巨型模鍛裝備的高精度同步控制技術(shù)，使同步動態(tài)精度達(dá)到 ‰； ? 突破下一代大型運載火箭共底構(gòu)件、導(dǎo)彈天線罩等 復(fù)雜曲面高效精密加