简介

2022年1月,我校“天津市高端智能数控机床工程研究中心”（后简称工程研究中心）获天津市发展和改革委员会正式批复。2023年入选工信部“高精度数控螺旋锥齿轮加工检测成套技术‘一条龙’应用示范推进机构”成员单位、天津市创新联合体成员单位，获批天津市高端智能数控机床研究生工作站。近两年荣获天津市科技进步一等奖1项和二等奖1项。

工程研究中心面向天津市“1+3+4”产业体系，融合机械工程、材料科学与工程、数学、控制科学与工程、信息与通信工程等多学科，与中国通用技术集团天津第一机床有限公司共建“智能制造装备协同创新联合体”。针对我国目前在螺旋锥齿轮铣齿机/磨齿机、插齿机、车齿机（剐齿机）、精密磨床等工业母机制造技术方面存在的加工精度较低、稳定性不足、智能化程度起步晚等痛点问题，重点开展高档数控齿轮机床和磨床等智能制造装备研发，机床领域双碳节能减排项目研发，高端数控机床专用数控系统智能化功能研发等。致力于攻克高精度数控磨床、数控螺旋锥齿轮加工机床、数控插齿机等高端装备上应用的高端数控机床静动态特性分析与优化技术、锥齿轮啮合理论新型应用、静压主轴和静压转台设计与控制技术、单元部件超精密零件匹配技术、齿轮高精高效加工工艺技术等多项“卡脖子”技术难题。

承担多项国家自然科学基金项目、国家工信部“面向机床行业大中型数控机床关键加工装备”项目、中央引导地方科技计划项目、天津市新一代人工智能科技重大专项（“揭榜挂帅”项目）、天津市计量科技项目等。

工程研究中心将聘请企业优秀工程师，打造校企协同育人平台。面向本科生和研究生，以重大横纵向项目为纽带，多方位引入企业工程案例，实施产教融合协同育人，为高档数控机床领域培养更多高级专门人才。

      研究方向

1.高档数控齿轮机床和磨床装备升级换代，具体包括：

（1）高端智能数控机床结构优化设计；

（2）数控齿轮加工机床切削工艺优化；

（3）高端数控机床主轴等关键部件静压技术。

2. 机床相关双碳节能减排技术，具体包括：

（1）数控机床高效高精加工节能技术；

（2）机床运动副摩擦磨损与润滑技术；

（3）刀具涂层延寿技术。

3. 高端数控机床专用数控系统智能化，具体包括：

（1）智能制造机床数控系统设计；

（2）机床故障预测与健康管理技术；

（3）“机（机床）-机（机器人）协同”机器人设计与控制技术；

（4）智造物联技术。

      近几年代表性研究成果

      1.精密立磨砂轮-工件闭环系统优化技术

针对砂轮-工件系统与精密磨床结构存在耦合作用的问题，利用有限元方法，建立了由砂轮-工件-磨床组成的闭环模型，结果表明：闭环系统谐响应幅值较开环明显降低。协助一机床开展精密立磨样机开发，结构优化后的整机一阶固有频率39.2Hz，实验测得值为32.1Hz，达到项目预期目标。

      2.插齿机静压主轴润滑失效机理研究和主机抑振提速研究

围绕高速插齿机主轴在运行过程中抱轴问题，研究了静压主轴润滑失效机理，提出了流速对微纳尺度油膜刚度的影响，由此建立了静压主轴不同流速下数值仿真模型，提出微纳尺度下油膜动态特性分析新模型的建立方法。研究表明偏心率极限到微纳尺度对流速流线的分布有重要的制约作用，对工程中选择合适的计算模型提供了理论和实验依据。

基于振动实验测试方法确定限制小直径插齿机提速的薄弱环节；结合设备空间约束，利用虚拟样机技术优选了主运动机构的平衡方案和主机的优化方案。

将天津一机床现有高速插齿机主驱动冲程次数从1000str/min提高到1400-1600str/min。高速高效新机型方案正在工程化实施中。

      3.螺旋锥齿轮加工系统仿真分析

基于机床拓扑构型及切齿原理，建立了螺旋锥齿轮铣齿加工模型，实现包络参数和被加工齿面的准确计算，获得了锥齿轮大轮和小轮数字化模型；进而建立了机床调整参数与接触轨迹及传动误差之间的量化映射关系；开展了螺旋锥齿轮铣削过程物理学仿真，为数字滚检和参数反调提供了理论依据。该研究成果应用于螺旋锥齿轮加工机床参数调整，替代传统的人工滚检生产方式。

      4.螺旋锥齿轮远程虚拟制造和虚拟装配

针对螺旋锥齿轮加工参数繁多、齿面结构复杂、加工难度大以及依赖经验丰富的技术人员指导操作等问题，基于螺旋锥齿轮的加工方法和啮合理论建立大轮、小轮和空间装配坐标系的数学模型，并根据数学模型编写相应程序生成齿面三维坐标点，设计螺旋锥齿轮加工专用软件，并可创建相应的螺旋锥齿轮三维模型实现虚拟装配，帮助用户发现和解决潜在的设计、工艺以及装配问题，从而降低生产成本和风险。

      5.基于点位加工交错轴面齿轮修形技术

围绕交错轴面齿轮齿面修形技术，提出了采用数值法对面齿轮进行修形并基于点位加工方法进行加工的方法；建立渐开线斜齿圆柱齿轮的数学模型，结合啮合方程推导面齿轮的数学模型，采用数值算法对面齿轮齿面进行点位修形，并根据其齿面数据点进行真实齿面接触分析。研究表明采用数值法对齿面进行修形，成功地改善了其接触特性；通过调整齿面的点位，成功地消除了齿边缘接触现象。

      6.光热电站精密定位RV减速器关键零件剐齿加工机理研究

基于JC本构模型，建立了针齿壳内圆弧齿剐削有限元模型，探究了剐齿加工过程材料切除机理和时变切削力、热特征；采用遗传算法优化后的神经网络，建立了剐齿工艺参数优化模型。项目研究成果应用到天津中能传动有限公司的光热电站定位装置针齿壳零件的加工，使得生产效率提高1倍。

      7.等高齿螺旋锥齿轮加工工艺优化技术

针对等高齿螺旋锥齿轮展成法加工过程中切削力波动大造成机床功效过低、激振频率范围较大等问题，设计了与机床动特性匹配、基于机器学习的等切削力自适应加工工艺方法和实施方案。并通过分析刀刃受力与检测位置应变的映射关系，开发了可直观实时测量铣齿切削力的方法和装置。旨在将加工效率提高30%，激振频率范围适宜。

      8.插齿高精高效加工工艺优化技术

针对插齿加工过程中受零件加工与装配精度、温度变化、断续冲击等因素引起的插削精度不稳定、切削效率得不到有效利用等问题，设计了基于非均匀啮合的齿轮插削精度优化方案和基于等切削力的自适应高效加工优化方案，改善加工参数进行运动补偿，达到高精高效加工的目的。旨在将加工效率提高35%-40%，将加工精度提高20%，从GB6级提高到GB5级。

      9.螺旋锥齿轮磨齿机砂轮主轴动平衡方法研究

围绕螺旋锥齿轮磨削制造中凸现的砂轮主轴振动问题，研究了螺旋锥齿轮磨齿机砂轮主轴动平衡问题，提出了砂轮主轴动平衡的新方法；建立了转子和轴承的动力学模型，在此基础上建立双转子-轴承耦合的动力学模型；并应用无试重动平衡方法平衡砂轮主轴。提出了基于动力学模型+基于Riccati变换的整体传递矩阵法无试重动平衡方法。为了保障螺旋锥齿轮的磨削精度提供了新的单元部件设计方案。

      10.馈能型自适应主被动一体化振动抑制方法研究

针对装备运行过程中不稳定因素影响整机振动的问题，为拓宽隔振频带的同时提高系统能量利用效率，提出一种馈能型自适应主被动一体化振动抑制方法，探究隔振系统的馈能原理、能量流动特性和自适应振动抑制机理。

      11.磨齿机主轴振动信号分析与机床健康状态监测技术

围绕磨齿机在加工过程中主轴振动的问题，提出对磨齿机主轴振动信号利用特征模式分解与多尺度散布熵相结合的方法进行特征提取。在此基础上建立了磨齿机主轴振动的状态识别模型。为了保证磨齿机的健康状态对主轴振动信号进行分析，并对振动信号识别有效反映机床的健康状态提供了理论依据。

      12.纳米复合润滑剂载流摩擦性能研究

通过原位生长法成功制备多孔Cu-BTC@Ag纳米复合添加剂，并将其分散入离子液体进行载流摩擦实验。60N和20V电压下，平均摩擦系数由0.0717降至0.058，磨损体积下降了32.7%。主要由于Cu和Ag元素在电场作用下吸附在摩擦表面，修复磨损表面，表现出优异的自修复性能。