中国科学院院士郑志明:数理融合的曲面数控加工新方法

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关键词:数理融合 曲面数控加工

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      尊敬的曹书记、邬院士,今天我利用这个机会,为大家讲一个北航的故事,就是北航在智能制造方面的故事。我们知道所谓的工业互联网,其实工业互联网的腰在哪?腰就是制造,腰强了工业互联网才强,它是它的基础。

      分五个部分来讲一下,首先我们讲一下背景,数控加工,其实是衡量一个国家的经济实力、综合国力和国家地位的重要标志,也是西方长期以来对我们封锁的第一个最重要的原因。因为这个东西太重要了,它是整个工业的母基。国家对这个东西非常重视,一直给予我们支持。其实在智能制造上不仅是工业上支持,学术界也很支持。

      比如说基金委和中科院发了未来十年中国科学战略的数学部分,谈到了在传统支柱产业的改造更新当中的关键数学问题,起草的时候我也写了这一部分。对于数控机床来讲,它最重要的使命就是复杂曲面加工,对于这件事是很重要的。因为复杂曲面涉及到很多工业的各个方面最关键的部件,复杂曲面零件的特点有这样几个。一个是曲面比较复杂,一般来讲的表示是很复杂的,而且气动性能要求比较高,加工路径设计起来比较困难。

      一般来说,像这样的零件,都是通过数控加工的方法来完成的。我们想对数控加工方面做一些颠覆性的理论,这件事一般来讲,颠覆性的理论,或者变革性技术的产生,溯源是最重要的一件事。就是你这个技术是怎么来的,你要研究这个东西,然后来看它的局限性。我们知道,现代的数控加工,把数控的曲面加工,尽管我们看到的数控机床加工得很快,但是你把动作分解开以后,工业零件的曲面看作是一个数学的一个几何曲面,然后按照它的精度一点点通过差值的方法加工出来。

      其实现在好的机床,比如五轴机床,整个的软件系统是由2200个软件来构成的控制系统。但是把这个东西进口到我们国家的时候,把200多个最关键的软件拿掉了。所以,尽管我们也是五轴机床,但是功能差了很多,做的东西就不精了。我们想,能不能从根上给他做一些彻底的变革?说白了,从数学上来讲,我不是从基于它的几何形态,而是基于它的物理形态来做的这件事,这就是我们整个要做的事。

      这个思路就是,你加工了曲面干什么?比如做成发动机或者螺旋桨,这个曲面做出来以后满足它的物理特性,才能使它的效能提高起来。那么我们的基本想法,就是把加工曲面和曲面所蕴含的物理特性结合起来。它也希望加工出来以后,也有很好的力学的流畅性,我们在加工的时候,干脆就按厂直接做,因为我们这样做出来以后,有流线的概念。所以我们加工的模式就按照流线来加工。

      我做个比喻,就是说,所有的现在的数控机床不管多先进,都是按照几何原理加工的,这就相当于加工了以后,它是一步一步差值加工出来的,相当于农民刨地。无非就是国外给我们进口的数控去掉了200多个软件,相当于生产队长刨除了一块地,他们派了一个经验丰富的老农民,去掉的软件就相当于给我们派了一个新农民,这个新农民耕地的经验不怎么丰富,所以耕出来以后不是太好。我的想法是我也不派农民了,我用拖拉机耕地,这就是流线加工,这是我的基本想法。

      这样的想法,说起来很容易,其实从数学、物理上表述是非常难的,这件事想了三四年才想清楚。基本上我们想发展一个数学理论,从理论里来产生变革性技术,这个技术使得现在的数控加工是一步式的加工,不是像现有的加工是两步式加工,现在是根据流线直接加工出来就完了。可能性怎么样?生成流线的话可能有两种方法,一个是根据数学物理的方法来做,还有一种方法就是根据样本,就是数据来做,按照它的矢量方法,把它的流量流出来,然后就把这个作为我们加工的流线这样的方法和过去传统的数控方法比较,过去的加工方法都是基于曲面的几何特性的局部的处理方法,他看不到加工曲面的整体观,我只对附近复杂,应该加工成什么样他不管。

      所以极少考虑曲面,生产出来的零件所赋予的物理特性。现在我们基于曲面,我们现在提出的方法是不仅要考虑曲面的几何形状,而且要把周边的物理场的信息全局地放在里面一起考虑,大家可以想一想,这样的话它的科学处理方法一下子就发生了非常大的变化,使得我们提高了工件的功能特效。

      我们想了两三年,做出来以后又用了五六年,现在基本的样子已经做出来了,还请曹书记支持,我们希望能够做出来一个新原理、新技术的机床,我们希望能够在北航产生。这个思想一经提出,就得到的基金委的大力支持,后来全票通过,觉得这个非常新颖,因为我是学数学的,给了一个数学的基金委95年立重大项目以来,给了我一笔有史以来最大的钱,就是2千万。但是对工业来讲这2千万来讲是毛毛雨,但是你可以看到,数学人非常省钱,而且最后还略有结余。

      我们做了什么事?首先要把理论弄好,首先要按照场的概念,按照几何点的方面,先把场做起来,也就是说,对于我要加工的曲面,给它内嵌数学物理方程。第二,是流线场的保向共轭理论,大家可能不太懂,通俗一点,就是机器的曲面上面有流线,这我拍平捋直,就跟直线一样。然后让那个机器加工的时候,机器以为就是走直线,实际上它加工的是曲面,叫做保向共轭。

      直线是最简单的,你就按直线走,但是实际上刀走的是曲面,这是很厉害的一个理论,编了三四年。做完以后,这个曲面是很复杂的,不一定是一片的,还有拼接技术,就是非常光滑的拼接技术。第三个就是拼接理论,然后拼也拼好了,怎么走也弄好了,然后依次加工。同时,相应地发展上面的技术,做完以后我们把这个做好,最后要看它有没有效,具体理论我就不说了,大概就是这样的意思。对个项目发展出了四个理论体系,包括四个方面,还有相应的一整套非常完整的技术。然后我们就做了发动机的叶柵部分进行加工,所以我们做了七组叶柵,然后去加工。加工完了以后要做比较,我们的流线加工方法,后来发现和经典的几何加工方法比较,按照我们的一步式加工方法,效果非常好,你看我们加工得多漂亮。

      最后是总体验证,我们要让最权威的部门验证,看它到底怎么样。因为624有经典加工的模块,我们和他们进行比较,我放了几个例子,一个是亚音速,这个红线是我们的,还有气流转角,就是它在面上能不能转过去,因为转不过去就出来了,最后我们的效果还不错,比所有的加工方法都好。另外是跨音速,这是他出的实验报告,从总体性能来看,我们给的加工方式,导致的气流转角更大,总损失更小,大概是一到三,对发动机来讲,如果损失和转角提高1到3倍的话,从工业技术来讲,应该要投多少钱?这个项目评定是在1995年以来数学组的第一个特优,而且很奇怪,我们发的时候不是涉密的,所以我们也发了一些文章,到了2018年的时候,我们看到国际展览会上,西门子公司的产品有一些变化,当然它是不是按我们的方法加工的,我们也不知道,但是他现在也有这个样子,这确实能够提高他的效益。

      产业化前景,做完以后,我们希望做出一个新型的数控系统。而且新型控制系统,能够和原有现有的系统融合起来,现有的数控,比如基于几何的,来产生更好的效率。为我们国家的智能制造领域,做出更好的贡献,而且按照这样的方法,我特别要强调,彻底地把CAD、CAM、CNC融合起来,不是分开的,而是一步式的曲线曲面差补流程。


    (审核编辑: Doris)