潛心研究實現(xiàn)原始創(chuàng)新——訪北京工業(yè)大學機電學院副院長范晉偉教授

本刊記者/Reporter 汪藝/WANG Yi

范晉偉：男，1965年生，博士，教授/博士生導師，現(xiàn)任北京工業(yè)大學機電學院副院長，并兼任中國機械工程學會高級會員、中國機械工程學會生產(chǎn)工程學會機床專業(yè)委員會副秘書長、中國機械工程學會機械設計分會理事、北京光機電一體化協(xié)會常任理事、北京市先進制造技術轉(zhuǎn)移中心專家指導委員會委員。

主要從事機械自動化、機床數(shù)控技術、精密加工技術等方面的研究工作，首次提出了變軌條件下多體系統(tǒng)運動學建模方法并將其應用于數(shù)控機床誤差補償技術的研究領域，推導出數(shù)控機床通用幾何誤差描述方程，針對精密加工數(shù)控指令的求解問題，解決了多元不定變量方程組的計算機自動定元迭帶求解算法，開發(fā)出通用數(shù)控機床幾何誤差補償軟件。1996年，因數(shù)控機床關鍵技術的研究，榮獲國家教委科技進步獎三等獎。負責和參與完成了20余項科研課題，發(fā)表了學術論文130余篇，獲得專利12項。

機床作為工業(yè)母機，其自身精度及加工精度對整個工業(yè)的加工質(zhì)量都起著決定性的作用，本期記者針對這一主題采訪了在機床精度的誤差補償領域做出了原始性創(chuàng)新的北工大機電學院副院長范晉偉教授。

結(jié)合專長 原始創(chuàng)新

范教授從1996年開始主要從事數(shù)控機床精密加工與檢測、數(shù)控機床誤差補償和數(shù)控機床誤差源參數(shù)辨識、伺服系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)優(yōu)化這幾個和機床加工精度緊密相關的工作。

而數(shù)控機床誤差補償技術由于無需對數(shù)控機床硬件進行改造，便可較大幅度地提高數(shù)控機床的加工精度，逐步發(fā)展成為提高數(shù)控機床加工精度的主要方法之一。作為誤差補償?shù)年P鍵技術之一，數(shù)控機床空間誤差建模方法，很久以來一直是國內(nèi)外學者研究重點，并先后經(jīng)歷了幾何建模法、誤差矩陣法、二次關系模型法、機構(gòu)學建模法、剛體運動學法等幾個發(fā)展階段。不過這些數(shù)控機床誤差建模方法或多或少存在著通用性差、表達困難、易產(chǎn)生人為推導錯誤等問題，同時對不同類型的數(shù)控機床，必須重新建立不同的誤差模型，為此耗費了大量的人力和物力。

范教授從1999年就以多體系統(tǒng)運動學理論為基礎，提出一種廣泛適用的易于實現(xiàn)計算機自動編程的數(shù)控機床誤差模型建模方法，排除了人為因素對模型推導過程的影響。多體系統(tǒng)運動學理論具有建模過程程式化、規(guī)范化，易于解決復雜系統(tǒng)運動問題的特點。范教授將多體系統(tǒng)運動學理論，運用于數(shù)控機床空間誤差建模當中，提出了具有程式化、通用性的數(shù)控機床空間誤差建模方法，使人們從繁重的數(shù)控機床誤差建模工作中解放出來。提出的運動誤差建模理論和方法，不僅適用于數(shù)控機床，而且還適用于三坐標測量機、機器人及其他數(shù)控設備的誤差分析。實驗結(jié)果表明，提出的建模方法可顯著提高機床加工精度。

然而，數(shù)控機床空間誤差補償技術的核心內(nèi)容——數(shù)控機床誤差源參數(shù)辨識技術，卻存在著測量自動化水平低以及沒有直接求解方法等問題，從而嚴重制約著數(shù)控機床空間誤差補償技術發(fā)展，由于誤差源參數(shù)辨識技術在數(shù)控機床空間誤差補償?shù)难芯恐姓加兄匾牡匚?，國?nèi)外學者均投入了大量的精力對該技術進行研究。范教授以多體系統(tǒng)誤差運動分析理論為基礎，建立了準確的數(shù)控機床誤差源參數(shù)辨識模型，并針對三坐標數(shù)控機床，提出14條位移線綜合測量方法及機床誤差源參數(shù)的直接求解方程，易于實現(xiàn)計算機自動編程，解決了傳統(tǒng)方法中誤差參數(shù)難以直接求解以及存在的誤差傳遞性問題。

范教授非常自豪地說，這些創(chuàng)新可以稱得上是原始創(chuàng)新，由于以上這些工作和創(chuàng)新，他的團隊在數(shù)控機床精密加工與檢測等方面取得了一些重要的成績：使用G代碼建立了多體系統(tǒng)誤差描述方法，推導出多體系統(tǒng)位置誤差與姿態(tài)誤差計算模型。將多體系統(tǒng)誤差分析方法應用于數(shù)控機床誤差建模，建立了數(shù)控機床通用幾何誤差表達模型，提出數(shù)控機床精密數(shù)控加工指令求解方法，使誤差補償軟件具有了可移植性。通過修正G代碼從而實現(xiàn)跨數(shù)控系統(tǒng)方式的前饋幾何誤差補償，使得誤差補償?shù)膶嵤┎辉偈軘?shù)控系統(tǒng)型號的制約。并在此基礎上發(fā)表學術論文130多篇，獲得發(fā)明專利12項，獲得國家教委科技進步三等獎1項。

我國精密加工發(fā)展狀況

范教授介紹說，影響機床加工精度的因素很多，包括：機床基礎零部件的加工及裝配精度、數(shù)控伺服系統(tǒng)的性能、基礎原材料的品質(zhì)、熱處理工序、加工時環(huán)境溫度及加工工藝等?，F(xiàn)在大型的機床越來越多，機床加工達到一定精度的難度就更大。

我國機床經(jīng)過幾十年的發(fā)展，實現(xiàn)了從無到有，成為了機床生產(chǎn)大國。目前我國機床與國外進口機床同一級別機床相比精度基本沒有區(qū)別，并在關鍵零部件和相關技術上取得了很多突破，比如：滾珠絲杠、光柵、磁柵、伺服電動機（包括回轉(zhuǎn)和直線電動機）和動靜壓直驅(qū)主軸等；機床的床身上也采用了球磨鑄鐵和大理石等抗震性、抗溫變性好的材料；自行研制出多種型號的五軸加工中心及三坐標、五坐標測量機。不過我國機床和國外同等級別的機床相比還存在一些差距，主要表現(xiàn)在機床精度的保持性以及機床的可靠性上，原因很多，安裝時地基等因素沒有完全達標；軸承、導軌、絲杠等零部件材料耐磨性不強，材料的實效蠕變等。使得一些國產(chǎn)機床出廠時加工精度達標，使用過一段時間后，精度會有所下降。而一些前蘇聯(lián)、德國等50年代生產(chǎn)的手動車床到現(xiàn)在加工精度還保持在原來的水平，因此我們在精度保持性上還有很多工作需要做。另外，范教授還提到了關鍵的核心問題，就是目前中高檔機床中，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)還沒有得到大量使用，而像數(shù)控系統(tǒng)這樣的核心技術還是需要掌握在我們自己手中才能真正保證機床整體的加工精度。這就需要我們加強對基礎理論的研究，包括動力學、控制技術、檢測技術、材料特性、機床熱變形的規(guī)律與控制、新一代高性能數(shù)控和傳感技術、智能化與信息化、精密加工工藝、高速高效高精的復合加工技術、特種加工技術等，同時要加強基礎零部件的認真研制和創(chuàng)新設計，比如：動靜壓主軸、導軌、軸承、滾珠絲杠副、數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動單元、光柵尺等測量裝置以及CAD/CAM等軟件的開發(fā)等。

范教授說，精加工是人類永恒的主題，我們應該加強基礎理論研究，在機床基礎零部件、材料、功能部件、加工工藝等各個環(huán)節(jié)都做好，機床的總體精度和保持性才能得到真正落實。

精密加工未來發(fā)展

范教授說，機床未來將向高速、高精和高效復合方向發(fā)展。傳統(tǒng)設計觀念上高速和高精不矛盾，在高速的同時可以實現(xiàn)高精。但在傳統(tǒng)設計觀念上高精和高效在某些時候是矛盾的，高效意味著進行強力切削或是粗加工，而不追求精度指標。不過現(xiàn)在隨著高速加工技術、智能化技術和加工工藝等方面的創(chuàng)新，在高效的同時也保證了更高的加工精度，比如：一次裝卡，可以完成多種工序工步的加工要求；實現(xiàn)多功能復合，一個回轉(zhuǎn)工作臺周圍布置多種機床主軸，車銑磨一次性完成等。范教授說曾在EMO展上，看見車床加工出六棱體零件，這對主軸回轉(zhuǎn)與進給系統(tǒng)間的匹配插補精度以及進給系統(tǒng)的快速性等要求非常高。

范教授還從其他方面進行了展望：（1）特種加工技術：線切割和電火花加工效率較低，激光雖然加工速度比較快，但是只適用于通孔，不適用于盲孔，這幾類加工技術的突破將會成為特種加工領域的發(fā)展趨勢；3D打印目前還存在精度低、效率低的問題，隨著發(fā)展，這些方面將會得到改進。（2）智能化技術：通過機床上加工數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)的積累，能夠更加精確地對機床速度、加速度和溫度電流等進行干預；（3）測量裝置：要保證機床加工精度的進一步提高，需要有成本合適的高精度測量裝置和能夠測量空間點位移精度的測量裝置；（4）新工藝、新材料、新結(jié)構(gòu)等方面的創(chuàng)新。

進一步深化研究成果

范教授對自己未來的工作充滿熱情和信心，今后將會大力開展誤差補償技術的網(wǎng)絡化應用研究工作，由于誤差補償需要針對不同的客戶進行不同的再開發(fā)利用，因此利用網(wǎng)絡技術能夠更好地實現(xiàn)這個目的，吸引更多用戶通過云端將問題發(fā)給專家判斷，生成精密加工代碼，解決自身的誤差補償問題，使得更多的客戶能夠享受到這個成果。