973项目申请成功标书数字化制造基础研究文档格式.docx

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制造装备的自律性和自适应性；

制造过程的可预测性和可控性；

制造系统的可维护性和制造信息的可重用性。

结合国家制造业的重大需求和数字化制造的发展趋势，本项目以制造装备高精度数字化控制及大惯量大行程高精度同步控制、制造过程的物理场多尺度数字仿真、复杂曲面数字化精密加工、多源多工序制造质量控制、制造执行过程决策与优化等数字化制造关键共性技术为突破口，本项目围绕下列三个重要科学问题展开研究：

科学问题之一：

数字制造装备的动态行为与性能演变规律

在能源、运载、国防等领域，需要制造大型、薄壁、复杂、难加工材料的精密零件，对制造装备的精度、效率、可靠性等性能指标提出了更高的要求。

如加工直径8米、重达100吨舰船用螺旋桨的大型车铣复合加工机床，结构非常复杂（要求七轴五联动），行程范围高达10米，加工精度高。

又如我国目前用于航空、航天、国防等行业锻造大型构件的3万吨模锻水压机，其活动横梁自重2100吨，行程1830毫米，要求全行程位移误差小于0.13毫米。

在高速、高加速度、大载荷、大位移等非常规工况下，摩擦、振动、冲击、变形、结构间隙等非线性因素将直接影响装备的动力学行为，使装备的性能发生变化，对现有的控制理论和方法提出了极大的挑战。

分别以高性能数控机床和巨型精密模锻水压机两类典型数字制造装备为对象，研究数字制造装备在复杂工况和运行状态下的动态行为和性能演变规律，为设计新型数字装备和数控系统提供理论依据和技术基础，主要研究内容包括：

1）高速数控机床动态行为演变及其高精度控制

随着高性能数控机床精度、效率越来越高，高速、高加速度和变加速度成为数控机床动态行为的主要表现形式，机床的力学特性（如结构、间隙、动静刚度、摩擦特性、振动、噪声、非线性时变载荷等）、热学特性（如热变形、热稳定性等）、以及力、热耦合特性对机床的加工质量和效率产生显著影响。

为自主开发高速、高精、高效的新一代数控机床，研究数控机床的力、热耦合特性及其对机床动态行为和加工性能的影响机理和演变规律，实现高速、高加速度和变加速度加工条件下的智能控制和加工精度强化。

主要研究内容包括：

•数控机床多轴力、热耦合特性分析及数字建模；

•数控机床动态性能对加工质量和效率的影响及其敏感性分析；

•数控机床的智能控制与加工精度强化；

•多轴高性能数控机床的示范应用。

2）巨型成形装备的力流传递特征及高精度制造界面形成

在巨大载荷作用下，巨型成形装备复杂结构的接触非线性、超静定、连接与运动副间隙等因素产生载荷奇异传递和巨大的附加内力，直接影响大型构件制造精度。

大惯量大行程快速运动可能引起超调振荡，在巨大流量的液压机械系统中产生冲击，降低运动的动态精度。

上述两种现象均会导致装备工作能力的下降。

为了提高装备实际工作能力，实现高精度巨型塑性成形的制造。

需要开展如下研究：

•巨型成形装备的力流传递规律与偏载奇异效应；

•大惯量大行程运动的动态精度形成原理；

•巨型成形装备制造界面的位置、形态与界面力场模型；

•巨型成形装备高效、高可靠、高精度运行的数字化实现。

科学问题之二：

制造过程的物理场影响机理及其数字化描述

在制造过程中，伴随着零件材料组织的演变和形状的生成，力、热、流体等物理场的作用成为影响零件制造精度、效率和性能的主要因素。

对制造过程进行多学科、多尺度模拟与仿真，揭示制造过程的本质属性，实现制造过程优化控制，是确保零件高效、高精、高质创成的关键。

制造过程中的物理场作用具有非线性耦合、多尺度效应、强时空变化等特点，其作用机理十分复杂。

需要研究的核心科学问题是制造过程的物理场作用机理及其数字化描述、零件性能的定量预测。

本项目研究加工制造过程和成形制造过程中的物理场复合作用机理以及复杂曲面精密加工的新原理和新工艺。

1）数字制造过程物理行为建模与精度创成原理

在零件的制造过程中，由切削力、刀具与工件之间的摩擦诱导的发热、变形等物理现象成为高精度创成中必须考虑的关键因素。

揭示制造过程中物理场的复合作用，预测其行为的时空效应，并通过对工艺参数的优化，把对物理场作用的定性认识转化为对其行为的定量控制，实现复杂零件高精度加工制造。

•加工制造中物理场复合作用机理及其数字仿真；

•物理约束、几何约束与零件性能约束相容性分析；

•加工制造过程的工艺优化与精度保证；

•高精度零件制造的数字化仿真平台。

2）高性能复杂曲面数字化精密加工的新原理和新方法

我国能源、运载、国防等领域重大工程急需的某些关键零部件，其制造不仅要保证几何精度，更要满足特定的物理性能。

例如主动导引防空导弹天线罩，必须通过逐点去除加工才能确保任意点的电厚度要求，这就对现有的加工方法提出了新的挑战。

为实现复杂曲面的高效精密加工，获得高物理性能和高几何精度复杂曲面零件，需要研究复杂曲面多源约束与曲面参量的非线性耦合模型和加工过程物理场复合作用机理，创建性能驱动的复杂曲面生成新原理。

主要研究内容有：

•基于零件物理性能与几何特征映射关系的复杂曲面生成方法；

•复杂曲面多源离散信息的结构化方法与误差消减；

•面形随机复杂曲面零件的逐点精确可控去除加工新方法；

•高性能高精度局部共轭曲面生成与制造过程精确控制。

3）先进成形制造过程的多尺度数字仿真与优化

建模与仿真是数字化成形制造的核心技术。

成形制造过程的数字模拟技术正在向多学科、多尺度、多物理场方向发展，已成为当今国际公认的制造及材料科学的重要前沿领域。

能源、运载、国防及装备制造业的一些关键零部件需要采用先进的成形制造工艺，其成形质量与使用性能取决于制造过程的温度场、流场、应力应变场和微观组织场的共同作用。

针对典型的先进成形制造方法，研究零件成形制造过程中多尺度多学科的数字化建模仿真理论与方法，揭示物理场耦合作用下材料的组织演变规律及其与性能的关系，提出零件成形制造质量、组织、性能和使用寿命的预测方法。

主要研究内容如下：

•精确铸造成形过程多尺度物理/数学建模与仿真；

•精确成形铸件的组织、性能与疲劳寿命预测；

•精密模锻流变成形本构规律及模锻载荷预测建模；

•高性能复杂构件塑性成形组织性能预测建模与仿真。

科学问题之三：

数字制造系统的信息作用规律与决策机制

制造系统集中汇聚了制造装备、零件、制造工艺以及执行过程等多方面的信息.提高制造系统的信息获取、处理与融合能力，尤其是通过复杂制造信息的融合及不确定信息处理提高制造信息可用性，已成为在系统的层次上确保高效、高可靠、高精度产品制造的关键。

研究加工质量与过程信息的获取、表达、传递、融合、演化和利用，揭示制造信息的基本性质（如定量、度量、价值、分类和评价等）和作用规律，建立制造系统复杂信息尤其是非常规信息的处理与利用机制，对于实现产品加工质量主动预测、制造误差在线补偿和制造过程优化决策均有重要意义。

1）数字化加工多源多工序质量的综合评估与优化控制

多源多工序质量的综合评估是实现工序驱动的质量控制的前提，也是提高精密复杂零件加工合格率，获得高精度、高可靠性零件制造的一个重要途径。

提取多源多工序质量的特征信息，建立工件类、工序流、装备群工况等数字化制造质量特征的全息分析与计算模型，揭示工序质量信息的产生、表达、传递与聚类规律，提供加工过程的质量缺陷预示与消减的共性技术与方法，是确保与工序密切相关的制造装备群在“精确质量控制”模式下运行的关键。

•数字化加工的多源多工序质量信息的定性分析和度量指标；

•加工过程的工况监测、预示及服役性能评价；

•工序驱动的零件加工质量优化控制；

•复杂精密零件数字化加工质量的综合评估与控制平台。

2）数字制造系统的复杂信息处理及执行过程决策

实现高效稳定制造必须在系统分析的基础上对制造执行过程进行正确决策。

随着制造装备与工艺过程的数字化，综合利用制造信息进行系统分析与决策成为可能。

其难点在于制造系统中多源信息的交互关系复杂，处于动态演变之中，并受大量非常规信息的影响。

因此，在多源制造信息融合的基础上，综合应用信息关联分析和非常规信息处理等手段，通过优化配置实现数字制造系统的可适应性，通过效能评价与参数优化保障系统的稳定运行，通过对制造执行过程进行正确决策提高系统的运行效率。

•数字制造系统的信息关联分析及优化配置；

•多工件复杂制造过程效能评价与参数优化；

•非常规信息条件下制造执行过程决策；

高效制造执行技术及数字仿真平台。

二、预期目标

总体目标：

本项目瞄准先进制造技术高精度、高效率、高可靠性的发展趋势，针对能源、运载、国防等领域的复杂装备及其关键零部件制造面临的难题，揭示制造装备、制造过程和制造系统中物理现象的动态规律及作用机理；

突破数字装备的精密运行控制、制造过程的物理场复合仿真、制造质量综合评估与制造执行过程决策等一批关键技术；

创立复杂零件精密制造的若干新原理与新工艺；

建立数字化制造的基础理论,实现基于科学的制造。

通过本项目研究，提升我国高端数字装备及其关键零件的独立制造能力，提供国家急需的大型复杂零部件制造的核心技术，并培养一批从事数字化制造科学研究的青年学术带头人和研究骨干。

五年预期目标：

在理论研究方面：

解决高性能制造装备和大型复杂零件精密制造中的关键科学问题，为实现高精度、高效率和高可靠的数字化制造提供理论基础，跻身于国际制造科学研究领域的前沿。

•揭示高性能数字制造装备的动态特性、性能演化和行为响应规律，建立分布式、非线性、时变载荷作用下的精度创成理论；

•揭示物理场复合作用下零件材料组织与力学性能演变规律，提出零件制造过程多尺度、多学科数字化建模仿真理论与方法，实现工艺参数的优化和对零件制造质量、微观组织、性能、使用寿命的定量预测；

•揭示数字制造系统的信息关联关系与演化规律，实现多源多工序加工质量综合评估及复杂信息环境下的制造执行过程决策，建立制造系统的高可靠性高效运行机制。

在技术应用方面：

通过本项目研究，在若干关键技术上取得源头创新成果，提升我国数字制造装备及关键零部件的制造水平。

•突破高性能数控系统自主创新开发的技术难点，建立七轴五联动高性能数控机床的应用验证平台，使直径8米大型舰船用螺旋桨的加工达到特高精度S级；

•突破巨型模锻装备的高精度同步控制技术，使同步动态精度达到0.5‰；

•突破下一代大型运载火箭共底构件、导弹天线罩等复杂曲面高效精密加工的技术关键,使复杂零件加工精度达到1~2微米；

•构建先进制造过程的多尺度多学科模拟仿真平台，多源多工序加工质量控制与执行过程决策平台，实现零部件的高效制造与性能定量预测。

本项目研究过程中，拟发表SCI收录的论文200篇以上，其中国际著名刊物论文100篇以上，获得专利20～30项；

形成具有重要国际影响的数字化制造研究队伍，争取1个国家创新团队；

涌现出一批优秀中青年人才，包括站在国际前沿的学术带头人1～2人，国家杰出青年基金获得者2～3人；

培养博士生、硕士生150人。

三、研究方案

（1）学术思路

如图1所示，结合国家对制造技术的重大需求和科技发展趋势，围绕三个关键科学问题开展多学科交叉基础研究，在数字化制造的共性基础理论和关键技术上取得突破，为重大装备关键零部件数字化制造提供理论基础和技术平台。

图1项目整体学术思路

（2）技术途径

本研究的技术路线是：

针对国家制造业的重大需求，从重大基础装备（高端数控机床和巨型模锻装备等）和高性能机械构件制造的关键技术中提炼出共性科学问题，分别从制造装备、制造过程和制造系统三方面进行研究。

理论研究、技术开发和应用示范相结合，建立数字化制造理论基础