十年磨一剑！浙大团队倾力打造“工作母机”，助力“中国智造”
数控机床被称作“工作母机”，是制造业的重中之重，事关国家经济命脉。龙门加工中心属于数控机床中的“巨无霸”，主要为加工大零件而设计制造。“虽是庞然大物，干的却是精细活”，高性能龙门加工中心作为大中型高精度复杂零件制造的数控机床，更是国家战略层面的基础制造装备，在航空航天、高铁船舶、核电设施等领域有着重要应用。
浙江大学机械工程学院谭建荣院士团队，联合清华大学、宁波海天精工股份有限公司等开展产学研合作，十年磨一剑，致力于高性能龙门加工中心设计技术、工艺技术等的研究。团队攻克了整机正向设计难、加工精度提升难、机床性能保持难行业公认三大难题，打破国外技术壁垒和市场垄断，研发了龙门加工中心设计制造工具平台，实现了龙门加工中心三大性能突破并开发了系列产品。
在日前召开的国家科学技术奖励大会上，这项成果获得2020年度国家技术发明奖二等奖。
“正向设计”显身手
我国已跻身数控机床全球第一大产销国，然而“低端过剩、中端受压、高端不足”的状况仍未得到根本扭转，与国外先进水平之间仍存在差距。如何攻克难关，走出一条中国特色自主设计之路，是始终萦绕在谭建荣院士及团队每个成员心头的问题。
在相当长的一段时间里，我国数控机床领域创新能力不强，采用的是“执果索因”的逆向设计，由实物反推设计、反推图纸、反推需求。然而，尽管低端产品模仿了高端产品的外观、结构型式和尺寸等，却始终“形似而神不似”，在性能上逊色不少。究其原因在于低端产品在设计过程中“知其然而不知其所以然”。
“高档数控机床由许多功能部件组成，设计过程中各个环节合理与否会直接影响到产品的性能。高性能龙门加工中心整机布局方案又是设计中最初始的一步，只有布局正确，后续的设计才会符合工艺需求、符合顾客需要。”为此，项目团队采用正向设计理念，发明了高性能龙门加工中心整机动载荷自适应耦合提质设计技术，也即通过构建整机布局方案骨架型谱，实现整机配置设计优化；通过整机动静态性能的耦合提质，揭示龙门加工中心功能—运动分配-布局模块的关联映射规律，最终实现龙门加工中心整机综合质量的优化提升。
“任何一项研究都不是一帆风顺的，比如为了尽可能多地获取机床骨架模型，构建骨架型谱，我们调研了很多企业，进行了长时间的分析、综合，克服了许多意想不到的困难。”团队负责人谭建荣院士回忆起当时的情景感慨道。也正是团队成员们百折不挠、精益求精的付出，开启了高性能龙门加工中心整机设计与制造工艺的“逆袭之路”。
“智能制造”唱主角
“长行程精度失衡”是摆在团队面前的又一现实难题。
传统事前设计和事后装配调节无法有效控制制造精度，那么该如何提高整机精度的均衡性？“长行程龙门加工中心全尺寸链的高精度互反馈均衡设计技术”由此应运而生。
整机-部件-零件-结构的精度正向递推分配和结构-零件-部件-整机的精度误差逆向修正相辅相成，团队通过提出自顶向下和自底向上的几何误差双向互反馈修正方法，实现了精度均衡性能的突破。运用此发明点研发的高架桥式五轴高速铣削中心，整机几何精度达到发达国家同类产品I级标准。
为让“智能制造”由梦想变成现实，团队攻坚克难的脚步从未停下。
“数控机床领域，一个很突出的问题就是在低速重载情况下，机床容易出现爬行现象。”何谓爬行现象？简言之就是机床进给系统的运动件，当其运行速度低到一定值时，不是作连续匀速运动，而是时走时停、忽快忽慢。这会对加工精度和工件表面质量产生非常不利的影响。
“我们要找出爬行的临界点、爬行存在的条件，将其排除掉、避免掉，从而使得机床克服爬行，得以正确运行。”谭建荣院士说道。通过一次次的尝试、失败、再尝试，团队发明了高可靠龙门加工中心动部件大惯量的低速补偿进给工艺技术，成功解决了大惯量运动部件低速失稳的难题。而利用该发明点研发的重型双柱精密数控立式车床工作台在平台跳动、加工工件表面粗糙度等技术指标上都取得了大幅度的提升。
“中国创造”迈开步
将理论研究与实际应用有机结合，实现重大技术突破，跻身国际先进行列，创造重大社会经济效益，“高性能龙门加工中心整机设计与制造工艺关键技术及应用”项目是我国制造装备创新设计的一个成功典范。
项目形成了围绕高性能龙门加工中心整机设计与制造工艺的专利群，主要技术获国家发明专利61项、软件著作权12项；发表学术论文131篇；制定龙门加工中心设计标准和规范7项；项目成果在企业进行应用验证，并取得了良好的效果，经济效益显著。
对于该项目，制造领域的许多著名专家也给予了高度评价，认为项目创新性强，在龙门加工中心整机自适应布局设计、主机精度均衡分配设计、大惯量动件低速进给工艺等技术方面达到国际领先水平。
“创新设计引领中国创造。”从事机床相关工作50载的谭建荣院士，怀揣着这一梦想，几十年如一日，在科研道路上孜孜以求。
“未来，我们将进一步思考如何将龙门加工中心的创新设计经验推广至整个机床行业，创立具有自主知识产权的中国机床品牌，驱动我国制造业向更高质量发展。”谭建荣院士说道，“我们要为‘中国制造向中国创造转变、中国速度向中国质量转变、中国产品向中国品牌转变’，努力贡献浙江大学的力量。”
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