【正文】 項目名稱： 數(shù)字化制造基礎研究 首席科學家： 丁漢 華中科技大學 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性；制造過程的可預測性和可控性；制造系統(tǒng)的可維護性和制造信息的可重用性。結合國家制造業(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、復雜曲面數(shù)字化精密加工、多源多工序制造 質量控制、制造執(zhí)行過程決策與優(yōu)化等數(shù)字化制造關鍵共性技術為突破口，本項目圍繞下列三個重要科學問題展開研究： 科學問題之一：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、國防等領域，需要制造大型、薄壁、復雜、難加工材料的精密零件，對制造裝備的精度、效率、可靠性等性能指標提出了更高的要求。如加工直徑 8米、重達 100噸艦船用螺旋槳的大型車銑復合加工機床，結構非常復雜（要求七軸五聯(lián)動），行程范圍高達 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、結構間隙等非線性因素將直接影響裝備的動力學行為，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)和技術基礎，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，機床的力學特性（如結構、間隙、動靜剛度、摩擦特性、振動、噪聲、非線性時變載荷等）、熱學特性（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，巨型成形裝備復雜結構的接觸非線性、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，直接影響大型構件制造精度。大慣量大行程快速運動可能引起超調振蕩，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； ? 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。對制造過程進行多學科、多尺度模擬與仿真，揭示制造過程的本質屬性，實現(xiàn)制造過程優(yōu)化控制，是確保零件高效、高精、高質創(chuàng)成的關鍵。制造過程中的物理場作用具有 非線性耦合、多尺度效應、強時空變化等特點，其作用機理十分復雜。需要研究的核心科學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合作用機理以及復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)成中必須考慮的關鍵因素。揭示制造過程中物理場的復合作用，預測其行為的時空效應，并通過對工藝參數(shù)的優(yōu)化，把對物理場作用 的定性認識轉化為對其行為的定量控制，實現(xiàn)復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、國防等領域重大工程急需的某些關鍵零部件，其制造不僅要保證幾何精度，更要滿足特定的物理性能。例如主動導引防空導彈天線罩，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)復雜曲面的高效精密加工，獲得高物理性能和高幾何精度復雜曲面零件，需要研究復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合作用機理，創(chuàng)建性能驅動的復雜曲面生成新原理。主要研究內(nèi)容有： ? 基于零件物理性能與幾何特征映射關系的復雜曲面生成方法； ? 復雜曲面多源離散信息的結構化方法與誤差消減； ? 面形隨機復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。成形制造過程的數(shù)字 模擬技術正在向多學科、多尺度、多物理場方向發(fā)展，已成為當今國際公認的制造及材料科學的重要前沿領域。能源、運載、國防及裝備制造業(yè)的一些關鍵零部件需要采用先進的成形制造工藝，其成形質量與使用性能取決于制造過程的溫度場、流場、應力應變場和微觀組織場的共同作用。針對典型的先進成形制造方法，研究零件成形制造過程中多尺度多學科的數(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)律及其與性能的關系，提出零件成形制造質量、組織、性能和使用壽命的預測方法。主要研究內(nèi)容如下： ? 精確鑄造成形過程多尺度物理 /數(shù)學建模與 仿真； ? 精確成形鑄件的組織、性能與疲勞壽命預測； ? 精密模鍛流變成形本構規(guī)律及模鍛載荷預測建模； ? 高性能復雜構件塑性成形組織性能預測建模與仿真。 科學問題之三：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)品制造的關鍵。研究加工質量與過程信息的獲取、表達、傳遞、融合、演化和利用，揭示制造信息的基本性質 （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)品加工質量主動預測、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量的綜合評估與優(yōu)化控制 多源多工 序質量的綜合評估是實現(xiàn)工序驅動的質量控制的前提，也是提高精密復雜零件加工合格率，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)字化制造質量特征的全息分析與計算模型，揭示工序質量信息的產(chǎn)生、表 達、傳遞與聚類規(guī)律，提供加工過程的質量缺陷預示與消減的共性技術與方法，是確保與工序密切相關的制造裝備群在“精確質量控制”模式下運行的關鍵。主要研究內(nèi)容包括： ? 數(shù)字化加工的多源多工序質量信息的定性分析和度量指標； ? 加工過程的工況監(jiān)測、預示及服役性能評價； ? 工序驅動的零件加工質量優(yōu)化控制； ? 復雜精密零件數(shù)字化加工質量的綜合評估與控制平臺。 2) 數(shù)字制造系統(tǒng)的復雜信息處理及執(zhí)行過程決策 實現(xiàn)高效穩(wěn)定制造必須在系統(tǒng)分析的基礎上對制造執(zhí)行過程進行正確決策。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系復雜，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上，綜合應用信息關聯(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)的信息關聯(lián)分析及優(yōu)化配置； ? 多工件復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)行技術及數(shù)字仿真平臺。 二、預期目標 總體目標： 本 項目瞄準先進制造技術高精度、高效率、高可靠性的發(fā)展趨勢，針對能源、運載、國防等領域的復雜裝備及其關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合仿真、制造質量綜合評估與制造執(zhí)行過程決策等一批關鍵技術；創(chuàng)立復雜零件精密制造的若干新原理與新工藝；建立數(shù)字化制造的基礎理論 , 實現(xiàn)基于科學的制造。通過本項目研究，提升我國高端數(shù)字裝備及其關鍵零件的獨立制造能力，提供國家急需的大型復雜零部件制造的核心技術，并培養(yǎng)一批從事數(shù)字化制造 科學研究的青年學術帶頭人和研究骨干。 五年預期目標： 在理論研究方面： 解決高性能制造裝備和大型復雜零件精密制造中的關鍵科學問題，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，躋身于國際制造科學研究領域的前沿。 ? 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； ? 揭示物理場復合作用下零件材料組織與力學性能演變規(guī)律，提出零件制造過程多尺度、多學科數(shù)字化建模仿真理論與方法，實現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化和對零件制造質量、微觀組織、性能、使用壽命的定量預測 ； ? 揭示數(shù)字制造系統(tǒng)的信息關聯(lián)關系與演化規(guī)律，實現(xiàn)多源多工序加工質量綜合評估及復雜信息環(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。 在技術應用方面： 通過本項目研究，在若干關鍵技術上取得源頭創(chuàng)新成果，提升我國數(shù)字制造裝備及關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)的技術難點，建立七軸五聯(lián)動高性能數(shù)控機床的應用驗證平臺，使直徑 8米大型艦船用螺旋槳的加工達到特高精度 S級； ? 突破巨型模鍛裝備的高精度同步控制技術，使同步動態(tài)精度達到 ‰； ? 突破下一代大型運載火箭共底構件、導彈天線罩等 復雜曲面高效精密加