數(shù)控機(jī)床被稱作“工作母機(jī)”，是制造業(yè)的重中之重，事關(guān)國家經(jīng)濟(jì)命脈。龍門加工中心屬于數(shù)控機(jī)床中的“巨無霸”，主要為加工大零件而設(shè)計制造?！半m是龐然大物，干的卻是精細(xì)活”，高性能龍門加工中心作為大中型高精度復(fù)雜零件制造的數(shù)控機(jī)床，更是國家戰(zhàn)略層面的基礎(chǔ)制造裝備，在航空航天、高鐵船舶、核電設(shè)施等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。

中國工程院院士、浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、九三學(xué)社社員譚建榮帶領(lǐng)團(tuán)隊，聯(lián)合清華大學(xué)、寧波海天精工股份有限公司等開展產(chǎn)學(xué)研合作，十年磨一劍，致力于高性能龍門加工中心設(shè)計技術(shù)、工藝技術(shù)等的研究。團(tuán)隊攻克了整機(jī)正向設(shè)計難、加工精度提升難、機(jī)床性能保持難行業(yè)公認(rèn)三大難題，打破國外技術(shù)壁壘和市場壟斷，研發(fā)了龍門加工中心設(shè)計制造工具平臺，實(shí)現(xiàn)了龍門加工中心三大性能突破并開發(fā)了系列產(chǎn)品。此項(xiàng)成果獲得2020年度國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。

“正向設(shè)計”顯身手

我國已躋身數(shù)控機(jī)床全球第一大產(chǎn)銷國，然而“低端過剩、中端受壓、高端不足”的狀況仍未得到根本扭轉(zhuǎn)，與國外先進(jìn)水平之間仍存在差距。如何攻克難關(guān)，走出一條中國特色自主設(shè)計之路，是始終縈繞在譚建榮院士及團(tuán)隊每個成員心頭的問題。

在相當(dāng)長的一段時間里，我國數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域創(chuàng)新能力不強(qiáng)，采用的是“執(zhí)果索因”的逆向設(shè)計，由實(shí)物反推設(shè)計、反推圖紙、反推需求。然而，盡管低端產(chǎn)品模仿了高端產(chǎn)品的外觀、結(jié)構(gòu)型式和尺寸等，卻始終“形似而神不似”，在性能上遜色不少。究其原因在于低端產(chǎn)品在設(shè)計過程中“知其然而不知其所以然”。

“高檔數(shù)控機(jī)床由許多功能部件組成，設(shè)計過程中各個環(huán)節(jié)合理與否會直接影響到產(chǎn)品的性能。高性能龍門加工中心整機(jī)布局方案又是設(shè)計中最初始的一步，只有布局正確，后續(xù)的設(shè)計才會符合工藝需求、符合顧客需要。”為此，項(xiàng)目團(tuán)隊采用正向設(shè)計理念，發(fā)明了高性能龍門加工中心整機(jī)動載荷自適應(yīng)耦合提質(zhì)設(shè)計技術(shù)，也即通過構(gòu)建整機(jī)布局方案骨架型譜，實(shí)現(xiàn)整機(jī)配置設(shè)計優(yōu)化；通過整機(jī)動靜態(tài)性能的耦合提質(zhì)，揭示龍門加工中心功能—運(yùn)動分配-布局模塊的關(guān)聯(lián)映射規(guī)律，最終實(shí)現(xiàn)龍門加工中心整機(jī)綜合質(zhì)量的優(yōu)化提升。

“任何一項(xiàng)研究都不是一帆風(fēng)順的，比如為了盡可能多地獲取機(jī)床骨架模型，構(gòu)建骨架型譜，我們調(diào)研了很多企業(yè)，進(jìn)行了長時間的分析、綜合，克服了許多意想不到的困難。”團(tuán)隊負(fù)責(zé)人譚建榮院士回憶起當(dāng)時的情景感慨道。也正是團(tuán)隊成員們百折不撓、精益求精的付出，開啟了高性能龍門加工中心整機(jī)設(shè)計與制造工藝的“逆襲之路”。

“智能制造”唱主角

“長行程精度失衡”是擺在團(tuán)隊面前的又一現(xiàn)實(shí)難題。

傳統(tǒng)事前設(shè)計和事后裝配調(diào)節(jié)無法有效控制制造精度，那么該如何提高整機(jī)精度的均衡性？“長行程龍門加工中心全尺寸鏈的高精度互反饋均衡設(shè)計技術(shù)”由此應(yīng)運(yùn)而生。

整機(jī)-部件-零件-結(jié)構(gòu)的精度正向遞推分配和結(jié)構(gòu)-零件-部件-整機(jī)的精度誤差逆向修正相輔相成，團(tuán)隊通過提出自頂向下和自底向上的幾何誤差雙向互反饋修正方法，實(shí)現(xiàn)了精度均衡性能的突破。運(yùn)用此發(fā)明點(diǎn)研發(fā)的高架橋式五軸高速銑削中心，整機(jī)幾何精度達(dá)到發(fā)達(dá)國家同類產(chǎn)品I級標(biāo)準(zhǔn)。

為讓“智能制造”由夢想變成現(xiàn)實(shí)，團(tuán)隊攻堅克難的腳步從未停下。

“數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域，一個很突出的問題就是在低速重載情況下，機(jī)床容易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象?！焙沃^爬行現(xiàn)象？簡言之就是機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動件，當(dāng)其運(yùn)行速度低到一定值時，不是作連續(xù)勻速運(yùn)動，而是時走時停、忽快忽慢。這會對加工精度和工件表面質(zhì)量產(chǎn)生非常不利的影響。

“我們要找出爬行的臨界點(diǎn)、爬行存在的條件，將其排除掉、避免掉，從而使得機(jī)床克服爬行，得以正確運(yùn)行?！弊T建榮院士說道。通過一次次的嘗試、失敗、再嘗試，團(tuán)隊發(fā)明了高可靠龍門加工中心動部件大慣量的低速補(bǔ)償進(jìn)給工藝技術(shù)，成功解決了大慣量運(yùn)動部件低速失穩(wěn)的難題。而利用該發(fā)明點(diǎn)研發(fā)的重型雙柱精密數(shù)控立式車床工作臺在平臺跳動、加工工件表面粗糙度等技術(shù)指標(biāo)上都取得了大幅度的提升。

“中國創(chuàng)造”邁開步

將理論研究與實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)重大技術(shù)突破，躋身國際先進(jìn)行列，創(chuàng)造重大社會經(jīng)濟(jì)效益，“高性能龍門加工中心整機(jī)設(shè)計與制造工藝關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目是我國制造裝備創(chuàng)新設(shè)計的一個成功典范。

項(xiàng)目形成了圍繞高性能龍門加工中心整機(jī)設(shè)計與制造工藝的專利群，主要技術(shù)獲國家發(fā)明專利61項(xiàng)、軟件著作權(quán)12項(xiàng)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文131篇；制定龍門加工中心設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范7項(xiàng)；項(xiàng)目成果在企業(yè)進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，并取得了良好的效果，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

對于該項(xiàng)目，制造領(lǐng)域的許多著名專家也給予了高度評價，認(rèn)為項(xiàng)目創(chuàng)新性強(qiáng)，在龍門加工中心整機(jī)自適應(yīng)布局設(shè)計、主機(jī)精度均衡分配設(shè)計、大慣量動件低速進(jìn)給工藝等技術(shù)方面達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

“創(chuàng)新設(shè)計引領(lǐng)中國創(chuàng)造?！睆氖聶C(jī)床相關(guān)工作50載的譚建榮院士，懷揣著這一夢想，幾十年如一日，在科研道路上孜孜以求。

“未來，我們將進(jìn)一步思考如何將龍門加工中心的創(chuàng)新設(shè)計經(jīng)驗(yàn)推廣至整個機(jī)床行業(yè)，創(chuàng)立具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中國機(jī)床品牌，驅(qū)動我國制造業(yè)向更高質(zhì)量發(fā)展。”譚建榮院士說道，“我們要為‘中國制造向中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)變、中國速度向中國質(zhì)量轉(zhuǎn)變、中國產(chǎn)品向中國品牌轉(zhuǎn)變’，努力貢獻(xiàn)力量?！?/p>