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刘伟军研究员:矢志不渝 逐梦中国“智”造
2017-03-07  来源: 黑龙江省工业技术研究院     作者:    浏览次数:次
 
  【中国机床商务网 专家学者】刘伟军研究员,曾任中国科学院沈阳自动化研究所现代装备技术室主任、学术委员会委员、博士生导师,现任黑龙江省工业技术研究院研究员、哈尔滨工业大学博士生导师。近二十年来,一直致力于智能制造领域。作为总体组副组长主持国防973项目课题2项,主持国家973项目专题1项、国家数控重大专项课题4项、国家智能制造专项2项、国家重大科学仪器设备开发专项1项、国家IC重大专项课题2项、国家863计划项目3项、国家自然科学基金5项,及辽宁省科技攻关计划、省工程中心专项、航空部门委托项目、中科院先进制造基地重大项目以及国防预研项目等项目60余项。
 
  从莘莘学子到中科院博导
 
  1998年,刘伟军从大连理工大学博士毕业,分配到中科院沈阳自动化研究所,从机器人视觉开始,开启了智能制造的里程。所里一次大型学术研讨会上,他独特的见解吸引了大家的目光,也让所里一些老科学家认识了这个年轻人。他潜心研究,以实验室为家,每天都工作到很晚。2002年,他被聘为中国科学院副研究员,同年底,破格晋升为研究员、博士生导师。多年来,在机器人视觉、复杂曲面测量、三维重建以及制造、快速成型等多个方向,总计培养博士研究生近四十人、硕士研究生十余人,发表学术论文200余篇,SCI和EI收录100余篇,出版专著2部。获发明专利和实用专利20余项,获辽宁省科技进步一等奖1项、辽宁省及沈阳市科技进步三等奖各两项,获辽宁省科技成果转化奖二等奖1项、辽宁省自然科学学术成果奖一等奖1项。
 

刘伟军研究员:矢志不渝 逐梦中国“智”造
 
  开拓探索,创建快速原型(3D打印)实验室。2000年,在很多人不清楚什么是快速原型的情况下,工作不足两年的刘伟军在中国科学院先进制造基地经费的支持下,建立了东北第一个快速原型实验室。
 
  刘伟军研究员提出的一种“纳米晶陶瓷材料的快速成型技术”,为纳米晶陶瓷零件的快速制造开辟了新的途径;他研究的“功能梯度材料零件的快速成型技术”,组织开发了面向快速成型的功能梯度材料零件三维CAD系统,为功能梯度材料零件的快速制造奠定了技术基础;他提出的将现有真空注型技术和自动注射技术相结合的新的快速模具制造技术,有效地解决了现有的真空注型技术成型模腔填充不充分、成型零件质量较差等问题;他提出了一种新的“金属零件激光直接快速成型技术”(即现在大家熟知的3D打印技术),并研究了金属零件激光直接快速成型工艺。钛合金激光快速制造理论与技术及装备研究在刘伟军研究员的努力下获得了新的突破。他建立了激光制造过程三维瞬态数值模拟模型,发展了激光制造过程有限元模拟分析及温度和内应力检测方法,揭示了激光制造过程中零件和基板内的温度场形成演化规律以及内应力演化分布规律,为高质量激光制造钛合金零件奠定了重要的理论基础;提出了激光制造钛合金复杂结构的柔性夹持、惰性气体保护、扫描路径规划、工艺参数控制和后处理方法,为钛合金激光快速制造技术应用提供了强有力的技术支撑。
 
  攻艰克难,助力航空国防
 
  复杂曲面精密测量与数字化加工理论与技术及装备在刘伟军研究员的努力下获得重要进展。他提出了基于数字相移和双目视觉的非朗伯体表面外形测量方法;提出了测量数据特征识别与提取、测量数据分割、面向NURBS的数据自动参数化等方法;提出了散乱点三角网格重建、自适应细分曲面、网格模型交互式变形编辑等方法;提出了基于协调映射的曲面加工特征提取和自寻位数控加工轨迹规划方法,以及基于均值坐标映射的复杂曲面高速数控加工轨迹规划方法;提出基于毛坯零件两侧表面测量数据的自动定位、加工余量优化、分区适应性抛磨路径规划以及机器人研抛力柔顺控制等方法;为实现航空透明壳体等无定位非刚体大型复杂曲面类零件的高精测量、曲面重构、高精高速数控加工和研抛提供技术支持。他自主开发了航空叶片自动化测量系统、航空某关键零件直角坐标机器人研抛系统以及专用五轴加工机床,在航空系统成功投入应用,为航空关键零部件高质高效生产提供了技术和设备保障。
 
  研制国内首台航空发动机整体叶盘激光冲击强化生产设备
 
  随着现代飞机高速、高机动性能要求的不断提高,飞机的结构设计发生了较大变化。从零件结构上看,为了减轻重量,新一代战机尽可能多地采用了整体结构设计,如机翼、机身整体大梁、整体加强框、整体油箱等。整体结构件的广泛应用对飞机制造产生了深远的影响。但是,整体结构件在飞机设计上的广泛应用也对航空制造技术和工艺装备提出了新的要求,对传统的表面强化技术提出了挑战。多年来,航空结构件表面强化技术作为飞机机体制造六大关键技术之一,一直困扰着航空工业。在大型结构件表面强化方面,激光冲击强化技术是最先进且不可或缺的表面处理技术之一,与传统强化技术相比,具有无与伦比的优势。
 
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  上世纪80年代,美国、欧洲、日本、以色列等国家和地区纷纷开展了激光冲击强化技术的应用研究。上世纪90年代在美国高频疲劳研究国家计划等支持下,美国利佛莫尔国家实验室和GE、MIC公司等联合深入开展了激光冲击强化技术的理论、工艺和设备的研究,使激光冲击强化技术获得了很大发展,逐步走向了实用,用于F-22、波音747、波音767等飞机的生产。进入21世纪之后,激光冲击强化技术的应用取得了长足的进展。2004年,美国为F-22战斗机建设了价值2亿美元的激光冲击强化生产线。2005年,研制激光冲击强化系统的MIC公司获美国国防制造最高成就奖。2010年4月,MIC公司的C.Brent Dane等学者在第二次激光冲击强化会议上介绍了激光冲击强化设备系统对波音公司的机翼成功进行加工的案例,美国海军航空系统司令部让MIC公司对T45舰载机尾钩进行强化。
 
  国内从20世纪90年代开始激光冲击强化技术的研究,最初主要进行了理论探讨和针对钢材、铝合金材料等的试验研究。进入21世纪,尽管需求越来越迫切,但受设备和关键技术的限制,国内的研究还仅限于个别单位。
 
  目前只有美国把激光冲击强化技术应用在工业上。该项技术的发展对飞机的安全性、可靠性和维修性起着非常重要的作用,而美国对此技术严格封锁。
 
  在这样的情况下,研制用于航空发动机整体叶盘这样的复杂结构复杂曲面类零件的激光冲击强化生产设备,显然有着较高的难度。不仅要解决工艺参数在线监测与控制、加工过程仿真、基于零件数模的路径自动规划、多系统的协同控制与自动化加工控制等诸多问题,作为工程生产设备,还要解决质量在线监控等实际生产问题。刘伟军研究员带领团队,凭借多年技术积累与工程实践经验,历经十八个月的艰苦奋战,解决了一个又一个难题,研制出国内首台用于航空发动机整体叶盘的集“自动化、高质量、高效率”等性能于一体的工程化激光冲击强化设备,支撑航空发动机自主化制造。其加工质量和加工效率均代表着国内行业最高水平,填补了国内空白。该设备实现了工艺参数与系统的深度集成,并将优化的工艺参数固化于设备系统,实现了用设备传承经验的理念,为该项技术转化为实际生产力做出了重要贡献。
 
  激光冲击强化技术涉及军民两用技术,在某些领域或场合具有不可替代的作用,在航空航天、汽车工业、石油化工、核工业、海洋船舶、医疗工业等领域具有相当广泛的应用前景和推广价值。刘伟军研究员正带领他的团队为此继续前行。
 
  自主研制多种机器人铆接末端执行器
 
  随着机器代人的市场需求日益迫切,工业机器人应用越来越广泛。而我们熟知的机械手要想在多个领域大显身手,必须赋予不同功能的末端执行器。众所周知,铆接作为重要的机械连接方式,在航空航天领域有着非常广泛的应用。而其噪音大的恶劣工况改善和复杂曲面零件高质量铆接要求,以及国外极其昂贵的产品价格,使得机器人铆接末端执行器的研制势在必行。
 
  国外用于航空的自动化铆接系统,不仅价格昂贵,而且限于出口用于军工制造,且多为大型系统,对很多工况难以适应。
 
  刘伟军研究员研制了用于航空的半自动铆接以及全自动铆接系统,体积小,重量轻,无噪音,且可以自动寻法、穿钉,铆接质量优于人工铆接,一致性很好,已经分别在发动机、飞机制造领域实现示范应用。目前正在研制用于航天狭小空间的自动化铆接末端执行器,集在线测量、寻法、制孔、送钉、铆接等多功能于一体,努力为更多领域提供更多关键装备。
 
  从国家智能制造规划到诸多企业的智能制造规划与实施
 
  工作近二十年的时间里,在智能制造的各个层次,刘伟军研究员带领团队一直孜孜不倦地努力着。有急国家与企业之所急的责任担当,有科研成果的转化与应用,有敢为第一个吃螃蟹的挑战,更有理论与实践完美结合的睿智创新。“智能制造就是云+端+网”,他曾这样通俗地解读什么是智能制造。“云”这一层的事包括制造执行系统,能源管理系统乃至ERP等企业管理系统,他不仅参与了国家智能制造规划,更为无数企业指导做企业智能制造规划与具体实施,包括其中的MES系统,都是自主研制;“端”层次的事较为广泛,主要包含各种智能制造设备单元与系统等,他主持所做的这类设备大小几十套;用多种传感器、网络、通讯终端等“网”智能通联,数据采集,互联互通几乎贯穿了每一个做过的生产线。针对航空、航天、汽车、发动机、轮胎、冶金等多个行业的需求痛点,刘伟军研究员带领他的团队,脚步从未停歇。期待在未来中国“智”造的宏伟篇章里,他带领团队写下更多精彩!
 
  (原标题:矢志不渝,逐梦中国“智”造)
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