專注制造科學(xué) 助力制造行業(yè)

數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點實驗室（以下簡稱“實驗室”）于2006年7月由國家科技部批準成立，其前身是智能制造技術(shù)教育部重點實驗室。實驗室依托華中科技大學(xué)，主管部門為國家教育部。2008年首次參加國家重點實驗室評估，成績良好;2009年通過科技部組織的專家組驗收;2013年和2018年參加國家重點實驗室評估，結(jié)果均為優(yōu)秀。

實驗室是目前國內(nèi)數(shù)字制造研究領(lǐng)域重要的應(yīng)用基礎(chǔ)研究、高端裝備研發(fā)與應(yīng)用、高層次專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)、國際學(xué)術(shù)合作與交流的基地之一。實驗室面向運載、能源、信息等領(lǐng)域高端制造裝備的國家重大需求和國際學(xué)術(shù)前沿，以數(shù)字制造基礎(chǔ)理論、先進加工工藝與方法、數(shù)字制造裝備關(guān)鍵技術(shù)、數(shù)字制造系統(tǒng)等為主要研究方向，立足于數(shù)字制造的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究，在數(shù)字制造基礎(chǔ)研究方面產(chǎn)生了重要國際影響力，在高端制造裝備領(lǐng)域形成了行業(yè)優(yōu)勢。

近年來，實驗室在復(fù)雜曲面高效高精加工理論與技術(shù)，高功率激光焊接機理、工藝與裝備，先進電子制造工藝機理與核心裝備，高端裝備動態(tài)設(shè)計與控制研究，微納與超精密制造及納米測量，數(shù)字化車間的基礎(chǔ)理論、使能技術(shù)與應(yīng)用，以及新興交叉學(xué)術(shù)前沿領(lǐng)域等取得了一批標志性的成果，為我國數(shù)字制造技術(shù)提升和高端制造裝備研發(fā)作出了重要貢獻。2021年，實驗室再接再厲，在柔性智能蒙皮、機器人加工、熱超構(gòu)材料拓撲優(yōu)化設(shè)計等方面取得了可喜的進展，并在相關(guān)領(lǐng)域的國際頂級期刊發(fā)表論文。

柔性智能蒙皮研究

飛行器流場特性感知在結(jié)構(gòu)外形優(yōu)化、氣動載荷和升阻力測量、飛行狀態(tài)預(yù)測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等方面有極其重要的作用，并廣泛應(yīng)用于大型風洞測量、無人預(yù)警機、變體飛行器、航天飛行器等航空航天系統(tǒng)的感知與檢測中。能想象為飛行器穿上一層輕薄的“智能皮膚”嗎？既能為飛行器提供豐富的表面流場信息，又能監(jiān)測自身結(jié)構(gòu)的健康狀況。而問題的關(guān)鍵在于，要在飛行器復(fù)雜曲面上集成各種不同功能的大規(guī)模傳感器，開發(fā)多通道、多參量的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，為飛行器收集并提供豐富的信息，實現(xiàn)氣動載荷大數(shù)據(jù)分析、多物理場測量和自主意識生成。

2021年9月，實驗室研究團隊針對飛行器柔性智能蒙皮測量技術(shù)的關(guān)鍵難題進行攻關(guān)，取得突破性進展，首創(chuàng)了大面積柔性智能蒙皮傳感/測量系統(tǒng)、大規(guī)模多元數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析與顯示系統(tǒng)，相關(guān)成果發(fā)表在Nano Energy上。

相關(guān)研究受鳥類感知功能的啟發(fā)，開發(fā)了一種多功能的飛行器電子皮膚（柔性智能蒙皮，iFlexSense），它集成了近百個傳感器，既能感知外部流場環(huán)境（表面風壓、氣流脈動、壁面剪應(yīng)力和溫度等），同時又能監(jiān)測內(nèi)部結(jié)構(gòu)的健康狀況（應(yīng)變、撞擊等）;通過原位集成的ADC電路和開發(fā)的多物理量（電壓、電容和電阻）、多通道采集系統(tǒng)，能夠穩(wěn)定且高速地將傳感信號傳輸?shù)接嬎銠C，結(jié)合人工智能的算法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)撞擊的定位，流動現(xiàn)象的監(jiān)測（氣流分離）和飛行狀態(tài)的預(yù)測（失速、顫振）。不同類型的傳感器從不同的方面反映了流場的變化，采用多傳感器數(shù)據(jù)融合的方法，各種傳感器之間互相驗證、互相補充，提高了氣動載荷判斷與預(yù)測的準確性和魯棒性。該柔性智能蒙皮能夠賦予物體氣動感知、自主意識和自診斷的能力，有望應(yīng)用在飛行器、高鐵和水下潛航器等領(lǐng)域。

機器人加工研究

2021年12月8日，機器人領(lǐng)域頂級期刊IEEE Trans. Robotics在線刊登了實驗室團隊機器人加工方面的最新研究成果《基于測量點云的機器人加工軌跡生成與優(yōu)化》（Trajectory planning and optimization for robotic machining based on measured point cloud）。這是實驗室相關(guān)研究團隊繼2020年后第二次在期刊IEEE Trans. Robotics發(fā)表機器人加工方面的研究成果。

以蒙皮為代表的航空薄壁件具有外形復(fù)雜（自由曲面）、結(jié)構(gòu)尺寸大（機身蒙皮達10m）、薄壁弱剛性（厚度僅2 mm）等特點，目前制造企業(yè)普遍采用肉眼定位/手工切邊方式去除蒙皮毛坯邊緣加工余量，存在人因誤差大、邊緣輪廓加工精度低、裝配后對縫間隙難控等問題。三維視覺引導(dǎo)的機器人加工具有視覺定位精準、大范圍操作靈活、可多機協(xié)同作業(yè)等技術(shù)優(yōu)勢，為解決大型復(fù)雜構(gòu)件大范圍小余量高效加工提供了新思路。然而蒙皮薄壁弱剛性特點決定其裝配時易發(fā)生彎曲變形，導(dǎo)致無法基于設(shè)計模型進行加工規(guī)劃。為此，該文以現(xiàn)場實際測量的工件曲面點云為輸入，研究基于雙NURBS曲線最小二乘擬合的初始刀具軌跡生成方法，建立刀具軌跡光順優(yōu)化-偏差控制同步操作目標函數(shù)，突破了離散測點生成刀具路徑點與刀軸矢量存在的抖動問題;建立機器人剛度/靈巧度同步優(yōu)化目標函數(shù)，并采用智能算法求解所有路徑點的最優(yōu)機器人姿態(tài)，最終生成了滿足光順性、剛度與靈巧度要求的機器人加工路徑。上述工作拓展了三維視覺測量與機器人加工基礎(chǔ)理論，為研制“能工巧匠”的機器人智能加工裝備，實現(xiàn)制造母機與制造模式的根本性變革提供了重要支撐。

熱超構(gòu)材料拓撲優(yōu)化設(shè)計研究

2021年12月10日，《自然·通訊》在線刊發(fā)了實驗室研究團隊與新加坡國立大學(xué)、華中科技大學(xué)能源學(xué)院相關(guān)研究人員關(guān)于熱超構(gòu)材料拓撲優(yōu)化設(shè)計的最新研究成果《穩(wěn)健可打印的自由形狀熱超構(gòu)材料》（Robustly printable freeform thermal metamaterials）。實驗室為論文第一完成單位。

超構(gòu)材料因具有常規(guī)自然材料不具備的屬性被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛關(guān)注，如力、熱、聲、電磁超構(gòu)材料等，其中熱超構(gòu)材料因可操控熱流獲得一系列超常熱學(xué)功能備受關(guān)注。隨著變換光學(xué)和散射抵消方法應(yīng)用于熱學(xué)領(lǐng)域，一系列具有不同功能的熱超構(gòu)材料紛紛被設(shè)計和制備。但是，目前熱超構(gòu)材料設(shè)計仍面臨三大挑戰(zhàn)：（1）利用變換熱學(xué)法設(shè)計的熱超構(gòu)材料須采用非均勻、各向異性的材料參數(shù)，而常規(guī)材料往往不具備，使得實驗制備熱超構(gòu)材料難度很大。（2）熱超構(gòu)材料結(jié)構(gòu)形狀受限，目前以圓形、橢圓形等規(guī)則形狀的熱超構(gòu)材料制備居多，影響了熱超構(gòu)材料的工程適用性。（3）采用數(shù)值優(yōu)化方法設(shè)計熱超構(gòu)材料依賴背景溫度場和目標超常熱學(xué)屬性影響了設(shè)計的靈活性和熱超構(gòu)材料的全方位功能性。因此，如何設(shè)計并制備具有自由形狀且全方位功能性的熱超構(gòu)器件是熱超材料領(lǐng)域亟須解決的難題。

針對以上難題，研究團隊提出了一種穩(wěn)健可打印的自由形狀熱超構(gòu)材料拓撲優(yōu)化設(shè)計方法，采用拓撲優(yōu)化設(shè)計具有指定導(dǎo)熱系數(shù)的拓撲功能單胞，組裝生成熱超構(gòu)材料，開展了自由形狀熱超構(gòu)材料拓撲優(yōu)化設(shè)計-熱超構(gòu)器件增材制造-熱學(xué)仿真與實驗性能測試。研究團隊按照上述思路，設(shè)計了具有自由形狀的熱集中、熱旋轉(zhuǎn)和熱隱身3類熱超構(gòu)材料構(gòu)型，并開展了數(shù)值仿真和熱學(xué)實驗性能測試，結(jié)果表明無論熱流從何種方向通過3種熱超構(gòu)材料，其內(nèi)部各自呈現(xiàn)出良好的熱集中、熱旋轉(zhuǎn)和熱隱身效果。

研究團隊采用拓撲優(yōu)化方法設(shè)計了具有自由形狀、全方位功能性的熱集中、熱旋轉(zhuǎn)和熱隱身超構(gòu)材料，達到了當前利用混合材料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)熱超構(gòu)材料設(shè)計的最好水平，將有力推動熱超構(gòu)材料在航空航天、電子等領(lǐng)域的工程應(yīng)用。

（責編：王芳）