中國科學院院士鄭志明:數理融合的曲面數控加工新方法

來源:智匯工業

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關鍵詞:數理融合 曲面數控加工

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      尊敬的曹書記、鄔院士,今天我利用這個機會,為大家講一個北航的故事,就是北航在智能制造方面的故事。我們知道所謂的工業互聯網,其實工業互聯網的腰在哪?腰就是制造,腰強了工業互聯網才強,它是它的基礎。

      分五個部分來講一下,首先我們講一下背景,數控加工,其實是衡量一個國家的經濟實力、綜合國力和國家地位的重要標志,也是西方長期以來對我們封鎖的第一個最重要的原因。因為這個東西太重要了,它是整個工業的母基。國家對這個東西非常重視,一直給予我們支持。其實在智能制造上不僅是工業上支持,學術界也很支持。

      比如說基金委和中科院發了未來十年中國科學戰略的數學部分,談到了在傳統支柱產業的改造更新當中的關鍵數學問題,起草的時候我也寫了這一部分。對于數控機床來講,它最重要的使命就是復雜曲面加工,對于這件事是很重要的。因為復雜曲面涉及到很多工業的各個方面最關鍵的部件,復雜曲面零件的特點有這樣幾個。一個是曲面比較復雜,一般來講的表示是很復雜的,而且氣動性能要求比較高,加工路徑設計起來比較困難。

      一般來說,像這樣的零件,都是通過數控加工的方法來完成的。我們想對數控加工方面做一些顛覆性的理論,這件事一般來講,顛覆性的理論,或者變革性技術的產生,溯源是最重要的一件事。就是你這個技術是怎么來的,你要研究這個東西,然后來看它的局限性。我們知道,現代的數控加工,把數控的曲面加工,盡管我們看到的數控機床加工得很快,但是你把動作分解開以后,工業零件的曲面看作是一個數學的一個幾何曲面,然后按照它的精度一點點通過差值的方法加工出來。

      其實現在好的機床,比如五軸機床,整個的軟件系統是由2200個軟件來構成的控制系統。但是把這個東西進口到我們國家的時候,把200多個最關鍵的軟件拿掉了。所以,盡管我們也是五軸機床,但是功能差了很多,做的東西就不精了。我們想,能不能從根上給他做一些徹底的變革?說白了,從數學上來講,我不是從基于它的幾何形態,而是基于它的物理形態來做的這件事,這就是我們整個要做的事。

      這個思路就是,你加工了曲面干什么?比如做成發動機或者螺旋槳,這個曲面做出來以后滿足它的物理特性,才能使它的效能提高起來。那么我們的基本想法,就是把加工曲面和曲面所蘊含的物理特性結合起來。它也希望加工出來以后,也有很好的力學的流暢性,我們在加工的時候,干脆就按廠直接做,因為我們這樣做出來以后,有流線的概念。所以我們加工的模式就按照流線來加工。

      我做個比喻,就是說,所有的現在的數控機床不管多先進,都是按照幾何原理加工的,這就相當于加工了以后,它是一步一步差值加工出來的,相當于農民刨地。無非就是國外給我們進口的數控去掉了200多個軟件,相當于生產隊長刨除了一塊地,他們派了一個經驗豐富的老農民,去掉的軟件就相當于給我們派了一個新農民,這個新農民耕地的經驗不怎么豐富,所以耕出來以后不是太好。我的想法是我也不派農民了,我用拖拉機耕地,這就是流線加工,這是我的基本想法。

      這樣的想法,說起來很容易,其實從數學、物理上表述是非常難的,這件事想了三四年才想清楚。基本上我們想發展一個數學理論,從理論里來產生變革性技術,這個技術使得現在的數控加工是一步式的加工,不是像現有的加工是兩步式加工,現在是根據流線直接加工出來就完了。可能性怎么樣?生成流線的話可能有兩種方法,一個是根據數學物理的方法來做,還有一種方法就是根據樣本,就是數據來做,按照它的矢量方法,把它的流量流出來,然后就把這個作為我們加工的流線這樣的方法和過去傳統的數控方法比較,過去的加工方法都是基于曲面的幾何特性的局部的處理方法,他看不到加工曲面的整體觀,我只對附近復雜,應該加工成什么樣他不管。

      所以極少考慮曲面,生產出來的零件所賦予的物理特性。現在我們基于曲面,我們現在提出的方法是不僅要考慮曲面的幾何形狀,而且要把周邊的物理場的信息全局地放在里面一起考慮,大家可以想一想,這樣的話它的科學處理方法一下子就發生了非常大的變化,使得我們提高了工件的功能特效。

      我們想了兩三年,做出來以后又用了五六年,現在基本的樣子已經做出來了,還請曹書記支持,我們希望能夠做出來一個新原理、新技術的機床,我們希望能夠在北航產生。這個思想一經提出,就得到的基金委的大力支持,后來全票通過,覺得這個非常新穎,因為我是學數學的,給了一個數學的基金委95年立重大項目以來,給了我一筆有史以來最大的錢,就是2千萬。但是對工業來講這2千萬來講是毛毛雨,但是你可以看到,數學人非常省錢,而且最后還略有結余。

      我們做了什么事?首先要把理論弄好,首先要按照場的概念,按照幾何點的方面,先把場做起來,也就是說,對于我要加工的曲面,給它內嵌數學物理方程。第二,是流線場的保向共軛理論,大家可能不太懂,通俗一點,就是機器的曲面上面有流線,這我拍平捋直,就跟直線一樣。然后讓那個機器加工的時候,機器以為就是走直線,實際上它加工的是曲面,叫做保向共軛。

      直線是最簡單的,你就按直線走,但是實際上刀走的是曲面,這是很厲害的一個理論,編了三四年。做完以后,這個曲面是很復雜的,不一定是一片的,還有拼接技術,就是非常光滑的拼接技術。第三個就是拼接理論,然后拼也拼好了,怎么走也弄好了,然后依次加工。同時,相應地發展上面的技術,做完以后我們把這個做好,最后要看它有沒有效,具體理論我就不說了,大概就是這樣的意思。對個項目發展出了四個理論體系,包括四個方面,還有相應的一整套非常完整的技術。然后我們就做了發動機的葉柵部分進行加工,所以我們做了七組葉柵,然后去加工。加工完了以后要做比較,我們的流線加工方法,后來發現和經典的幾何加工方法比較,按照我們的一步式加工方法,效果非常好,你看我們加工得多漂亮。

      最后是總體驗證,我們要讓最權威的部門驗證,看它到底怎么樣。因為624有經典加工的模塊,我們和他們進行比較,我放了幾個例子,一個是亞音速,這個紅線是我們的,還有氣流轉角,就是它在面上能不能轉過去,因為轉不過去就出來了,最后我們的效果還不錯,比所有的加工方法都好。另外是跨音速,這是他出的實驗報告,從總體性能來看,我們給的加工方式,導致的氣流轉角更大,總損失更小,大概是一到三,對發動機來講,如果損失和轉角提高1到3倍的話,從工業技術來講,應該要投多少錢?這個項目評定是在1995年以來數學組的第一個特優,而且很奇怪,我們發的時候不是涉密的,所以我們也發了一些文章,到了2018年的時候,我們看到國際展覽會上,西門子公司的產品有一些變化,當然它是不是按我們的方法加工的,我們也不知道,但是他現在也有這個樣子,這確實能夠提高他的效益。

      產業化前景,做完以后,我們希望做出一個新型的數控系統。而且新型控制系統,能夠和原有現有的系統融合起來,現有的數控,比如基于幾何的,來產生更好的效率。為我們國家的智能制造領域,做出更好的貢獻,而且按照這樣的方法,我特別要強調,徹底地把CAD、CAM、CNC融合起來,不是分開的,而是一步式的曲線曲面差補流程。


    (審核編輯: Doris)

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