潜心研究实现原始创新——访北京工业大学机电学院副院长范晋伟教授

本刊记者/Reporter 汪艺/WANG Yi

范晋伟：男，1965年生，博士，教授/博士生导师，现任北京工业大学机电学院副院长，并兼任中国机械工程学会高级会员、中国机械工程学会生产工程学会机床专业委员会副秘书长、中国机械工程学会机械设计分会理事、北京光机电一体化协会常任理事、北京市先进制造技术转移中心专家指导委员会委员。

主要从事机械自动化、机床数控技术、精密加工技术等方面的研究工作，首次提出了变轨条件下多体系统运动学建模方法并将其应用于数控机床误差补偿技术的研究领域，推导出数控机床通用几何误差描述方程，针对精密加工数控指令的求解问题，解决了多元不定变量方程组的计算机自动定元迭带求解算法，开发出通用数控机床几何误差补偿软件。1996年，因数控机床关键技术的研究，荣获国家教委科技进步奖三等奖。负责和参与完成了20余项科研课题，发表了学术论文130余篇，获得专利12项。

机床作为工业母机，其自身精度及加工精度对整个工业的加工质量都起着决定性的作用，本期记者针对这一主题采访了在机床精度的误差补偿领域做出了原始性创新的北工大机电学院副院长范晋伟教授。

结合专长 原始创新

范教授从1996年开始主要从事数控机床精密加工与检测、数控机床误差补偿和数控机床误差源参数辨识、伺服系统动态参数优化这几个和机床加工精度紧密相关的工作。

而数控机床误差补偿技术由于无需对数控机床硬件进行改造，便可较大幅度地提高数控机床的加工精度，逐步发展成为提高数控机床加工精度的主要方法之一。作为误差补偿的关键技术之一，数控机床空间误差建模方法，很久以来一直是国内外学者研究重点，并先后经历了几何建模法、误差矩阵法、二次关系模型法、机构学建模法、刚体运动学法等几个发展阶段。不过这些数控机床误差建模方法或多或少存在着通用性差、表达困难、易产生人为推导错误等问题，同时对不同类型的数控机床，必须重新建立不同的误差模型，为此耗费了大量的人力和物力。

范教授从1999年就以多体系统运动学理论为基础，提出一种广泛适用的易于实现计算机自动编程的数控机床误差模型建模方法，排除了人为因素对模型推导过程的影响。多体系统运动学理论具有建模过程程式化、规范化，易于解决复杂系统运动问题的特点。范教授将多体系统运动学理论，运用于数控机床空间误差建模当中，提出了具有程式化、通用性的数控机床空间误差建模方法，使人们从繁重的数控机床误差建模工作中解放出来。提出的运动误差建模理论和方法，不仅适用于数控机床，而且还适用于三坐标测量机、机器人及其他数控设备的误差分析。实验结果表明，提出的建模方法可显著提高机床加工精度。

然而，数控机床空间误差补偿技术的核心内容——数控机床误差源参数辨识技术，却存在着测量自动化水平低以及没有直接求解方法等问题，从而严重制约着数控机床空间误差补偿技术发展，由于误差源参数辨识技术在数控机床空间误差补偿的研究中占有重要的地位，国内外学者均投入了大量的精力对该技术进行研究。范教授以多体系统误差运动分析理论为基础，建立了准确的数控机床误差源参数辨识模型，并针对三坐标数控机床，提出14条位移线综合测量方法及机床误差源参数的直接求解方程，易于实现计算机自动编程，解决了传统方法中误差参数难以直接求解以及存在的误差传递性问题。

范教授非常自豪地说，这些创新可以称得上是原始创新，由于以上这些工作和创新，他的团队在数控机床精密加工与检测等方面取得了一些重要的成绩：使用G代码建立了多体系统误差描述方法，推导出多体系统位置误差与姿态误差计算模型。将多体系统误差分析方法应用于数控机床误差建模，建立了数控机床通用几何误差表达模型，提出数控机床精密数控加工指令求解方法，使误差补偿软件具有了可移植性。通过修正G代码从而实现跨数控系统方式的前馈几何误差补偿，使得误差补偿的实施不再受数控系统型号的制约。并在此基础上发表学术论文130多篇，获得发明专利12项，获得国家教委科技进步三等奖1项。

我国精密加工发展状况

范教授介绍说，影响机床加工精度的因素很多，包括：机床基础零部件的加工及装配精度、数控伺服系统的性能、基础原材料的品质、热处理工序、加工时环境温度及加工工艺等。现在大型的机床越来越多，机床加工达到一定精度的难度就更大。

我国机床经过几十年的发展，实现了从无到有，成为了机床生产大国。目前我国机床与国外进口机床同一级别机床相比精度基本没有区别，并在关键零部件和相关技术上取得了很多突破，比如：滚珠丝杠、光栅、磁栅、伺服电动机（包括回转和直线电动机）和动静压直驱主轴等；机床的床身上也采用了球磨铸铁和大理石等抗震性、抗温变性好的材料；自行研制出多种型号的五轴加工中心及三坐标、五坐标测量机。不过我国机床和国外同等级别的机床相比还存在一些差距，主要表现在机床精度的保持性以及机床的可靠性上，原因很多，安装时地基等因素没有完全达标；轴承、导轨、丝杠等零部件材料耐磨性不强，材料的实效蠕变等。使得一些国产机床出厂时加工精度达标，使用过一段时间后，精度会有所下降。而一些前苏联、德国等50年代生产的手动车床到现在加工精度还保持在原来的水平，因此我们在精度保持性上还有很多工作需要做。另外，范教授还提到了关键的核心问题，就是目前中高档机床中，国产数控系统还没有得到大量使用，而像数控系统这样的核心技术还是需要掌握在我们自己手中才能真正保证机床整体的加工精度。这就需要我们加强对基础理论的研究，包括动力学、控制技术、检测技术、材料特性、机床热变形的规律与控制、新一代高性能数控和传感技术、智能化与信息化、精密加工工艺、高速高效高精的复合加工技术、特种加工技术等，同时要加强基础零部件的认真研制和创新设计，比如：动静压主轴、导轨、轴承、滚珠丝杠副、数控系统、伺服驱动单元、光栅尺等测量装置以及CAD/CAM等软件的开发等。

范教授说，精加工是人类永恒的主题，我们应该加强基础理论研究，在机床基础零部件、材料、功能部件、加工工艺等各个环节都做好，机床的总体精度和保持性才能得到真正落实。

精密加工未来发展

范教授说，机床未来将向高速、高精和高效复合方向发展。传统设计观念上高速和高精不矛盾，在高速的同时可以实现高精。但在传统设计观念上高精和高效在某些时候是矛盾的，高效意味着进行强力切削或是粗加工，而不追求精度指标。不过现在随着高速加工技术、智能化技术和加工工艺等方面的创新，在高效的同时也保证了更高的加工精度，比如：一次装卡，可以完成多种工序工步的加工要求；实现多功能复合，一个回转工作台周围布置多种机床主轴，车铣磨一次性完成等。范教授说曾在EMO展上，看见车床加工出六棱体零件，这对主轴回转与进给系统间的匹配插补精度以及进给系统的快速性等要求非常高。

范教授还从其他方面进行了展望：（1）特种加工技术：线切割和电火花加工效率较低，激光虽然加工速度比较快，但是只适用于通孔，不适用于盲孔，这几类加工技术的突破将会成为特种加工领域的发展趋势；3D打印目前还存在精度低、效率低的问题，随着发展，这些方面将会得到改进。（2）智能化技术：通过机床上加工数据和工艺参数的积累，能够更加精确地对机床速度、加速度和温度电流等进行干预；（3）测量装置：要保证机床加工精度的进一步提高，需要有成本合适的高精度测量装置和能够测量空间点位移精度的测量装置；（4）新工艺、新材料、新结构等方面的创新。

进一步深化研究成果

范教授对自己未来的工作充满热情和信心，今后将会大力开展误差补偿技术的网络化应用研究工作，由于误差补偿需要针对不同的客户进行不同的再开发利用，因此利用网络技术能够更好地实现这个目的，吸引更多用户通过云端将问题发给专家判断，生成精密加工代码，解决自身的误差补偿问题，使得更多的客户能够享受到这个成果。