专注制造科学 助力制造行业——数字制造装备与技术国家重点实验室

数字制造装备与技术国家重点实验室（以下简称“实验室”）于2006年7月由国家科技部批准成立，其前身是智能制造技术教育部重点实验室。实验室依托华中科技大学，主管部门为国家教育部。2008年首次参加国家重点实验室评估，成绩良好；2009年通过科技部组织的专家组验收；2013年和2018年参加国家重点实验室评估，结果均为优秀。

实验室是目前国内数字制造研究领域重要的应用基础研究、高端装备研发与应用、高层次专业技术人才培养、国际学术合作与交流的基地之一。实验室面向运载、能源、信息等领域高端制造装备的国家重大需求和国际学术前沿，以数字制造基础理论、先进加工工艺与方法、数字制造装备关键技术、数字制造系统等为主要研究方向，立足于数字制造的基础理论和关键技术研究，在数字制造基础研究方面产生了重要国际影响力，在高端制造装备领域形成了行业优势。

近年来，实验室在复杂曲面高效高精加工理论与技术，高功率激光焊接机理、工艺与装备，先进电子制造工艺机理与核心装备，高端装备动态设计与控制研究，微纳与超精密制造及纳米测量，数字化车间的基础理论、使能技术与应用，以及新兴交叉学术前沿领域等取得了一批标志性的成果，为我国数字制造技术提升和高端制造装备研发作出了重要贡献。2021年，实验室再接再厉，在柔性智能蒙皮、机器人加工、热超构材料拓扑优化设计等方面取得了可喜的进展，并在相关领域的国际顶级期刊发表论文。

实验室激光加工团队科研人员正在工作中

柔性智能蒙皮研究

飞行器流场特性感知在结构外形优化、气动载荷和升阻力测量、飞行状态预测和结构健康监测等方面有极其重要的作用，并广泛应用于大型风洞测量、无人预警机、变体飞行器、航天飞行器等航空航天系统的感知与检测中。能想象为飞行器穿上一层轻薄的“智能皮肤”吗？既能为飞行器提供丰富的表面流场信息，又能监测自身结构的健康状况。而问题的关键在于，要在飞行器复杂曲面上集成各种不同功能的大规模传感器，开发多通道、多参量的数据采集和处理系统，为飞行器收集并提供丰富的信息，实现气动载荷大数据分析、多物理场测量和自主意识生成。

2021年9月，实验室研究团队针对飞行器柔性智能蒙皮测量技术的关键难题进行攻关，取得突破性进展，首创了大面积柔性智能蒙皮传感/测量系统、大规模多元数据采集系统、大数据分析与显示系统，相关成果发表在

Nano Energy

上。

相关研究受鸟类感知功能的启发，开发了一种多功能的飞行器电子皮肤（柔性智能蒙皮，iFlexSense），它集成了近百个传感器，既能感知外部流场环境（表面风压、气流脉动、壁面剪应力和温度等），同时又能监测内部结构的健康状况（应变、撞击等）；通过原位集成的ADC电路和开发的多物理量（电压、电容和电阻）、多通道采集系统，能够稳定且高速地将传感信号传输到计算机，结合人工智能的算法实现结构撞击的定位，流动现象的监测（气流分离）和飞行状态的预测（失速、颤振）。不同类型的传感器从不同的方面反映了流场的变化，采用多传感器数据融合的方法，各种传感器之间互相验证、互相补充，提高了气动载荷判断与预测的准确性和鲁棒性。该柔性智能蒙皮能够赋予物体气动感知、自主意识和自诊断的能力，有望应用在飞行器、高铁和水下潜航器等领域。

机器人加工研究

2021年12月8日，机器人领域顶级期刊

IEEE Trans. Robotics

在线刊登了实验室团队机器人加工方面的最新研究成果《基于测量点云的机器人加工轨迹生成与优化》（

Trajectory planning and optimization for robotic machining based on measured point cloud

）。这是实验室相关研究团队继2020年后第二次在期刊

IEEE Trans. Robotics

发表机器人加工方面的研究成果。

以蒙皮为代表的航空薄壁件具有外形复杂（自由曲面）、结构尺寸大（机身蒙皮达10m）、薄壁弱刚性（厚度仅2 mm）等特点，目前制造企业普遍采用肉眼定位/手工切边方式去除蒙皮毛坯边缘加工余量，存在人因误差大、边缘轮廓加工精度低、装配后对缝间隙难控等问题。三维视觉引导的机器人加工具有视觉定位精准、大范围操作灵活、可多机协同作业等技术优势，为解决大型复杂构件大范围小余量高效加工提供了新思路。然而蒙皮薄壁弱刚性特点决定其装配时易发生弯曲变形，导致无法基于设计模型进行加工规划。为此，该文以现场实际测量的工件曲面点云为输入，研究基于双NURBS曲线最小二乘拟合的初始刀具轨迹生成方法，建立刀具轨迹光顺优化-偏差控制同步操作目标函数，突破了离散测点生成刀具路径点与刀轴矢量存在的抖动问题；建立机器人刚度/灵巧度同步优化目标函数，并采用智能算法求解所有路径点的最优机器人姿态，最终生成了满足光顺性、刚度与灵巧度要求的机器人加工路径。上述工作拓展了三维视觉测量与机器人加工基础理论，为研制“能工巧匠”的机器人智能加工装备，实现制造母机与制造模式的根本性变革提供了重要支撑。

热超构材料拓扑优化设计研究

2021年12月10日，《自然·通讯》在线刊发了实验室研究团队与新加坡国立大学、华中科技大学能源学院相关研究人员关于热超构材料拓扑优化设计的最新研究成果《稳健可打印的自由形状热超构材料》（

Robustly printable freeform thermal metamaterials

）。实验室为论文第一完成单位。

超构材料因具有常规自然材料不具备的属性被学术界和工业界广泛关注，如力、热、声、电磁超构材料等，其中热超构材料因可操控热流获得一系列超常热学功能备受关注。随着变换光学和散射抵消方法应用于热学领域，一系列具有不同功能的热超构材料纷纷被设计和制备。但是，目前热超构材料设计仍面临三大挑战：（1）利用变换热学法设计的热超构材料须采用非均匀、各向异性的材料参数，而常规材料往往不具备，使得实验制备热超构材料难度很大。（2）热超构材料结构形状受限，目前以圆形、椭圆形等规则形状的热超构材料制备居多，影响了热超构材料的工程适用性。（3）采用数值优化方法设计热超构材料依赖背景温度场和目标超常热学属性影响了设计的灵活性和热超构材料的全方位功能性。因此，如何设计并制备具有自由形状且全方位功能性的热超构器件是热超材料领域亟须解决的难题。

针对以上难题，研究团队提出了一种稳健可打印的自由形状热超构材料拓扑优化设计方法，采用拓扑优化设计具有指定导热系数的拓扑功能单胞，组装生成热超构材料，开展了自由形状热超构材料拓扑优化设计-热超构器件增材制造-热学仿真与实验性能测试。研究团队按照上述思路，设计了具有自由形状的热集中、热旋转和热隐身3类热超构材料构型，并开展了数值仿真和热学实验性能测试，结果表明无论热流从何种方向通过3种热超构材料，其内部各自呈现出良好的热集中、热旋转和热隐身效果。

研究团队采用拓扑优化方法设计了具有自由形状、全方位功能性的热集中、热旋转和热隐身超构材料，达到了当前利用混合材料结构实现热超构材料设计的最好水平，将有力推动热超构材料在航空航天、电子等领域的工程应用。