本刊記者/Reporter 汪藝/WANG Yi

范晉偉：男，1965年生，博士，教授/博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院副院長(zhǎng)，并兼任中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員、中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)機(jī)床專業(yè)委員會(huì)副秘書長(zhǎng)、中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)機(jī)械設(shè)計(jì)分會(huì)理事、北京光機(jī)電一體化協(xié)會(huì)常任理事、北京市先進(jìn)制造技術(shù)轉(zhuǎn)移中心專家指導(dǎo)委員會(huì)委員。

主要從事機(jī)械自動(dòng)化、機(jī)床數(shù)控技術(shù)、精密加工技術(shù)等方面的研究工作，首次提出了變軌條件下多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方法并將其應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)的研究領(lǐng)域，推導(dǎo)出數(shù)控機(jī)床通用幾何誤差描述方程，針對(duì)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(jì)算機(jī)自動(dòng)定元迭帶求解算法，開發(fā)出通用數(shù)控機(jī)床幾何誤差補(bǔ)償軟件。1996年，因數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)的研究，榮獲國家教委科技進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)。負(fù)責(zé)和參與完成了20余項(xiàng)科研課題，發(fā)表了學(xué)術(shù)論文130余篇，獲得專利12項(xiàng)。

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

結(jié)合專長(zhǎng) 原始創(chuàng)新

范教授從1996年開始主要從事數(shù)控機(jī)床精密加工與檢測(cè)、數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償和數(shù)控機(jī)床誤差源參數(shù)辨識(shí)、伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化這幾個(gè)和機(jī)床加工精度緊密相關(guān)的工作。

而數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償技術(shù)由于無需對(duì)數(shù)控機(jī)床硬件進(jìn)行改造，便可較大幅度地提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，逐步發(fā)展成為提高數(shù)控機(jī)床加工精度的主要方法之一。作為誤差補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一，數(shù)控機(jī)床空間誤差建模方法，很久以來一直是國內(nèi)外學(xué)者研究重點(diǎn)，并先后經(jīng)歷了幾何建模法、誤差矩陣法、二次關(guān)系模型法、機(jī)構(gòu)學(xué)建模法、剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)法等幾個(gè)發(fā)展階段。不過這些數(shù)控機(jī)床誤差建模方法或多或少存在著通用性差、表達(dá)困難、易產(chǎn)生人為推導(dǎo)錯(cuò)誤等問題，同時(shí)對(duì)不同類型的數(shù)控機(jī)床，必須重新建立不同的誤差模型，為此耗費(fèi)了大量的人力和物力。

范教授從1999年就以多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論為基礎(chǔ)，提出一種廣泛適用的易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)編程的數(shù)控機(jī)床誤差模型建模方法，排除了人為因素對(duì)模型推導(dǎo)過程的影響。多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論具有建模過程程式化、規(guī)范化，易于解決復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)問題的特點(diǎn)。范教授將多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，運(yùn)用于數(shù)控機(jī)床空間誤差建模當(dāng)中，提出了具有程式化、通用性的數(shù)控機(jī)床空間誤差建模方法，使人們從繁重的數(shù)控機(jī)床誤差建模工作中解放出來。提出的運(yùn)動(dòng)誤差建模理論和方法，不僅適用于數(shù)控機(jī)床，而且還適用于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、機(jī)器人及其他數(shù)控設(shè)備的誤差分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的建模方法可顯著提高機(jī)床加工精度。

然而，數(shù)控機(jī)床空間誤差補(bǔ)償技術(shù)的核心內(nèi)容——數(shù)控機(jī)床誤差源參數(shù)辨識(shí)技術(shù)，卻存在著測(cè)量自動(dòng)化水平低以及沒有直接求解方法等問題，從而嚴(yán)重制約著數(shù)控機(jī)床空間誤差補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展，由于誤差源參數(shù)辨識(shí)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床空間誤差補(bǔ)償?shù)难芯恐姓加兄匾牡匚唬瑖鴥?nèi)外學(xué)者均投入了大量的精力對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究。范教授以多體系統(tǒng)誤差運(yùn)動(dòng)分析理論為基礎(chǔ)，建立了準(zhǔn)確的數(shù)控機(jī)床誤差源參數(shù)辨識(shí)模型，并針對(duì)三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床，提出14條位移線綜合測(cè)量方法及機(jī)床誤差源參數(shù)的直接求解方程，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(tuán)隊(duì)在數(shù)控機(jī)床精密加工與檢測(cè)等方面取得了一些重要的成績(jī)：使用G代碼建立了多體系統(tǒng)誤差描述方法，推導(dǎo)出多體系統(tǒng)位置誤差與姿態(tài)誤差計(jì)算模型。將多體系統(tǒng)誤差分析方法應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床誤差建模，建立了數(shù)控機(jī)床通用幾何誤差表達(dá)模型，提出數(shù)控機(jī)床精密數(shù)控加工指令求解方法，使誤差補(bǔ)償軟件具有了可移植性。通過修正G代碼從而實(shí)現(xiàn)跨數(shù)控系統(tǒng)方式的前饋幾何誤差補(bǔ)償，使得誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)施不再受數(shù)控系統(tǒng)型號(hào)的制約。并在此基礎(chǔ)上發(fā)表學(xué)術(shù)論文130多篇，獲得發(fā)明專利12項(xiàng)，獲得國家教委科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

我國精密加工發(fā)展?fàn)顩r

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

我國機(jī)床經(jīng)過幾十年的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了從無到有，成為了機(jī)床生產(chǎn)大國。目前我國機(jī)床與國外進(jìn)口機(jī)床同一級(jí)別機(jī)床相比精度基本沒有區(qū)別，并在關(guān)鍵零部件和相關(guān)技術(shù)上取得了很多突破，比如：滾珠絲杠、光柵、磁柵、伺服電動(dòng)機(jī)（包括回轉(zhuǎn)和直線電動(dòng)機(jī)）和動(dòng)靜壓直驅(qū)主軸等；機(jī)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(hào)的五軸加工中心及三坐標(biāo)、五坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。不過我國機(jī)床和國外同等級(jí)別的機(jī)床相比還存在一些差距，主要表現(xiàn)在機(jī)床精度的保持性以及機(jī)床的可靠性上，原因很多，安裝時(shí)地基等因素沒有完全達(dá)標(biāo)；軸承、導(dǎo)軌、絲杠等零部件材料耐磨性不強(qiáng)，材料的實(shí)效蠕變等。使得一些國產(chǎn)機(jī)床出廠時(shí)加工精度達(dá)標(biāo)，使用過一段時(shí)間后，精度會(huì)有所下降。而一些前蘇聯(lián)、德國等50年代生產(chǎn)的手動(dòng)車床到現(xiàn)在加工精度還保持在原來的水平，因此我們?cè)诰缺３中陨线€有很多工作需要做。另外，范教授還提到了關(guān)鍵的核心問題，就是目前中高檔機(jī)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(shù)還是需要掌握在我們自己手中才能真正保證機(jī)床整體的加工精度。這就需要我們加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)理論的研究，包括動(dòng)力學(xué)、控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、材料特性、機(jī)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(shù)、智能化與信息化、精密加工工藝、高速高效高精的復(fù)合加工技術(shù)、特種加工技術(shù)等，同時(shí)要加強(qiáng)基礎(chǔ)零部件的認(rèn)真研制和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，比如：動(dòng)靜壓主軸、導(dǎo)軌、軸承、滾珠絲杠副、數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)單元、光柵尺等測(cè)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(yīng)該加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，在機(jī)床基礎(chǔ)零部件、材料、功能部件、加工工藝等各個(gè)環(huán)節(jié)都做好，機(jī)床的總體精度和保持性才能得到真正落實(shí)。

精密加工未來發(fā)展

范教授說，機(jī)床未來將向高速、高精和高效復(fù)合方向發(fā)展。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)觀念上高速和高精不矛盾，在高速的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高精。但在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)觀念上高精和高效在某些時(shí)候是矛盾的，高效意味著進(jìn)行強(qiáng)力切削或是粗加工，而不追求精度指標(biāo)。不過現(xiàn)在隨著高速加工技術(shù)、智能化技術(shù)和加工工藝等方面的創(chuàng)新，在高效的同時(shí)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(shí)現(xiàn)多功能復(fù)合，一個(gè)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)周圍布置多種機(jī)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(duì)主軸回轉(zhuǎn)與進(jìn)給系統(tǒng)間的匹配插補(bǔ)精度以及進(jìn)給系統(tǒng)的快速性等要求非常高。

范教授還從其他方面進(jìn)行了展望：（1）特種加工技術(shù)：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(shù)的突破將會(huì)成為特種加工領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)；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(huì)得到改進(jìn)。（2）智能化技術(shù)：通過機(jī)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(duì)機(jī)床速度、加速度和溫度電流等進(jìn)行干預(yù)；（3）測(cè)量裝置：要保證機(jī)床加工精度的進(jìn)一步提高，需要有成本合適的高精度測(cè)量裝置和能夠測(cè)量空間點(diǎn)位移精度的測(cè)量裝置；（4）新工藝、新材料、新結(jié)構(gòu)等方面的創(chuàng)新。

進(jìn)一步深化研究成果

范教授對(duì)自己未來的工作充滿熱情和信心，今后將會(huì)大力開展誤差補(bǔ)償技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用研究工作，由于誤差補(bǔ)償需要針對(duì)不同的客戶進(jìn)行不同的再開發(fā)利用，因此利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠更好地實(shí)現(xiàn)這個(gè)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(bǔ)償問題，使得更多的客戶能夠享受到這個(gè)成果。