潛心研究實現原始創新——訪北京工業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，現任北京工業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工程學會機床專業委員會副秘書長、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會常任理事、北京市先進制造技術轉移中心專家指導委員會委員。

主要從事機械自動化、機床數控技術、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運動學建模方法并將其應用于數控機床誤差補償技術的研究領域，推導出數控機床通用幾何誤差描述方程，針對精密加工數控指令的求解問題，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，開發出通用數控機床幾何誤差補償軟件。1996年，因數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，發表了學術論文130余篇，獲得專利12項。

機床作為工業母機，其自身精度及加工精度對整個工業的加工質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新的北工大機電學院副院長范晉偉教授。

結合專長 原始創新

范教授從1996年開始主要從事數控機床精密加工與檢測、數控機床誤差補償和數控機床誤差源參數辨識、伺服系統動態參數優化這幾個和機床加工精度緊密相關的工作。

而數控機床誤差補償技術由于無需對數控機床硬件進行改造，便可較大幅度地提高數控機床的加工精度，逐步發展成為提高數控機床加工精度的主要方法之一。作為誤差補償的關鍵技術之一，數控機床空間誤差建模方法，很久以來一直是國內外學者研究重點，并先后經歷了幾何建模法、誤差矩陣法、二次關系模型法、機構學建模法、剛體運動學法等幾個發展階段。不過這些數控機床誤差建模方法或多或少存在著通用性差、表達困難、易產生人為推導錯誤等問題，同時對不同類型的數控機床，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年就以多體系統運動學理論為基礎，提出一種廣泛適用的易于實現計算機自動編程的數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。多體系統運動學理論具有建模過程程式化、規范化，易于解決復雜系統運動問題的特點。范教授將多體系統運動學理論，運用于數控機床空間誤差建模當中，提出了具有程式化、通用性的數控機床空間誤差建模方法，使人們從繁重的數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，不僅適用于數控機床，而且還適用于三坐標測量機、機器人及其他數控設備的誤差分析。實驗結果表明，提出的建模方法可顯著提高機床加工精度。

然而，數控機床空間誤差補償技術的核心內容——數控機床誤差源參數辨識技術，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，從而嚴重制約著數控機床空間誤差補償技術發展，由于誤差源參數辨識技術在數控機床空間誤差補償的研究中占有重要的地位，國內外學者均投入了大量的精力對該技術進行研究。范教授以多體系統誤差運動分析理論為基礎，建立了準確的數控機床誤差源參數辨識模型，并針對三坐標數控機床，提出14條位移線綜合測量方法及機床誤差源參數的直接求解方程，易于實現計算機自動編程，解決了傳統方法中誤差參數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，這些創新可以稱得上是原始創新，由于以上這些工作和創新，他的團隊在數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誤差描述方法，推導出多體系統位置誤差與姿態誤差計算模型。將多體系統誤差分析方法應用于數控機床誤差建模，建立了數控機床通用幾何誤差表達模型，提出數控機床精密數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代碼從而實現跨數控系統方式的前饋幾何誤差補償，使得誤差補償的實施不再受數控系統型號的制約。并在此基礎上發表學術論文130多篇，獲得發明專利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、數控伺服系統的性能、基礎原材料的品質、熱處理工序、加工時環境溫度及加工工藝等?，F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。

我國機床經過幾十年的發展，實現了從無到有，成為了機床生產大國。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（包括回轉和直線電動機）和動靜壓直驅主軸等；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、德國等50年代生產的手動車床到現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，國產數控系統還沒有得到大量使用，而像數控系統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、機床熱變形的規律與控制、新一代高性能數控和傳感技術、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新設計，比如：動靜壓主軸、導軌、軸承、滾珠絲杠副、數控系統、伺服驅動單元、光柵尺等測量裝置以及CAD/CAM等軟件的開發等。

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、加工工藝等各個環節都做好，機床的總體精度和保持性才能得到真正落實。

精密加工未來發展

范教授說，機床未來將向高速、高精和高效復合方向發展。傳統設計觀念上高速和高精不矛盾，在高速的同時可以實現高精。但在傳統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。不過現在隨著高速加工技術、智能化技術和加工工藝等方面的創新，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；實現多功能復合，一個回轉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，這對主軸回轉與進給系統間的匹配插補精度以及進給系統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展趨勢；3D打印目前還存在精度低、效率低的問題，隨著發展，這些方面將會得到改進。（2）智能化技術：通過機床上加工數據和工藝參數的積累，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、新結構等方面的創新。

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利用，因此利用網絡技術能夠更好地實現這個目的，吸引更多用戶通過云端將問題發給專家判斷，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。