大型运输机、先进战机等航空高端装备是国之重器、立国之本。一架架翱翔天空的国之重器，是由成百上千万个零部件，像一块块拼图一样组成的。0.02mm，是这些零件近百万个连接孔必须达到的精度。“制孔”如同在万米高空走钢丝——每一个孔都是飞行安全的支点，毫厘之差即埋下飞行隐患。
然而飞机内部结构紧凑、材料多样，以机翼为例，在部装环节往往仅有不到1米的空间，还有很多肋板阻碍，如何在如此狭小空间中实现复合材料/金属强异质叠层结构的高效率、高质量钻孔作业，是世界各国面临的技术难题。
项目背景
在第十四届“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛全国总决赛中，大连理工大学机械工程学院研究生常宇豪展示了学生团队历时6年研发的智能化灵巧加工装备，装备只有A4纸大小，但能在0.1秒内识别不同材料并匹配参数，加工精度高达IT7级，效率提高5倍以上，为大国高端航空装备的研制与批产提供了保障。
国外能做到的，我们也能，还可以做得更好
2018年，大一萌新的常宇豪参加了贾振元院士关于复合材料加工的科普讲座，从中了解到轻质高强的复合材料在飞机上应用又多、又广，能够让飞机飞得又快、又远。凭着对飞机制造的浓厚兴趣，他进入大工机械工程学院的全国重点实验室学习，从中了解到在自动化如此普及的今天，我们中国的飞机制造很多部件还是靠人手工做出来的，而美国的F35和B787等飞机，通过小型加工装备实现了半自动、全自动化生产，产能是我国的5倍以上。
“限制飞机生产的不只是能够加工先进材料的刀具，还有加工装备。国外在这方面领先我们很多，但我相信你们也能做到一样好。”在与导师王福吉教授交流后，常宇豪和同学们便每天琢磨什么样的装备能适用于飞机生产。
团队与贾振元院士合影
飞机虽然看上去尺寸非常大，但内部结构非常复杂、空间狭小，需要在各种复杂条件下加工近百万个孔。传统制孔机床多为大型“包容式”结构，将被加工件包裹其中进行加工，面对飞机内部狭小空间的限制，传统“包容式”的机床便显得“不够包容”，无法满足飞机的加工需求；而且航空材料强度高、种类多、差异大，加工难度极高，加之现有加工技术不智能，往往面对不同材料不能自主匹配参数，导致加工经常产生损伤、超差的问题，甚至会产生数十亿元零部件的报废损失。
面对这样迫切的问题，受“啄木鸟”可以抓在树干上打洞的启发，常宇豪等研究生团队在贾振元院士的指导下提出变革加工模式，将固定在地面上的“包容式”加工，变为直接固定在零件上的“在体”加工，就像啄木鸟一样，灵巧且智能地完成“打洞”制孔。
要实现这个想法，面临着复杂功能与高精度要求下小型化难、大波动负载下稳定控制难、千种工况精准快速识别难三大难题。“鼓励本科生出差到现场，学生们只有深入一线、真正知道现场工人和工况的需求才能做出好设备。”在贾振元院士的认可与鼓励下，团队先后在成飞、沈飞、哈飞、上飞等企业驻厂数月，记录分析加工现场特点，最终找到了突破口。
团队赴各企业实地调研
从零到一很难，但是从一到无穷大更难
经历多年的研发，团队创新提出了空间降维式传动方案，通过差动行星轮系将旋转与进给运动解耦，并提出性能分级与全局最优设计方法，经过六代、数十台样机的迭代，近千个日夜数万次实验探索，一台A4纸大小的灵巧加工装备诞生了，加工能力较人工大幅提升，加工一个孔效率达到人工3倍以上，能加工原来人工根本干不动的工况，但是加工质量还不够稳定。
“从零到一很难，但是从一到无穷大更难，对于装备，加工精度优化、使用稳定性的提升是一条关键而漫长的路”，导师付饶教授说。团队在导师的指导下提出了基于末端反求的便携式装备精度与刚度分析方法，对装备主轴末端进行性能建模，找到了装备内部影响精度、刚度的关键零件进行优化，设备主轴回转误差达5μm，已经达到精密机床的标准。
然而，经过大量实验发现，在加工单层材料时，精度可以达到IT8级，但是加工叠层时复材孔径偏差总会很大，而且还会有烧伤的现象，学生团队一筹莫展。“这是参数不匹配造成的，叠层加工要能根据材料匹配最优的加工参数才能保证质量”，团队导师的一番话令同学们醍醐灌顶。
于是，学生团队吸纳了控制学院的研究生朱炀爽加入，自主研发力、扭、振三源信息感知模块，发明双驱动同步预测控制算法，在振动辅助钻削时，面对轴向力波动幅值达到80%的工况也可以稳定控制，误差低至2%。在商飞测量，国外的误差为12%。团队建立了10万+的高质量数据集，首创火眼金睛的“透视”算法，能够在0.1秒内识别材料与加工状态，并切换至最优参数，最终加工的成品率达到了100%。
材料智能识别-参数自主调控技术
亲手加工的飞机上天啦
在对产品不断完善的同时，团队成员开始将产品逐步推向市场。面向各个航空企业迫切的市场需求，常宇豪非常自豪地介绍产品：“以往加工使用的机床价格昂贵、设计复杂，只有经过长时间专业培训的高级人才才能操作。我们团队设计的设备操作门槛低，原有产线上的常规工人都能使用，工人师傅只需连接线路，将工具装夹到对应加工位置，一键启动即可自动加工。相较于工人手工加工，加工单孔耗时由5分钟减至0.5分钟，并将加工精度提升1级。”
终于，“2023年6月，我们的产品作为唯一的智能加工装备，应用于某型号飞机舱门接头，将加工周期缩短了15天，这是我们人生中第一次亲手加工飞机，那天干到凌晨4点，但是我们没有一点困意，激动得睡不着觉，现在飞机肯定上天了。”常宇豪兴奋地说。
“通宵装飞机”后团队成员的朋友圈
“我们能接触到服务国家重大需求的项目，能够来到生产一线发现问题进而思考解决方法、动手实践，离不开学校提供的平台、课题组导师的教导。学校、课题组帮助我们打开眼界，让我们在大有可为的年纪了解到大有可为的科研前景，给予我们不遗余力的鼓励与支持，更教会我们治学、做人的道理——去浮去躁、踏实肯干，把青春与才干投入到国家、社会需要的地方去。”学生团队的同学们激动地发出青春的宣言。
2018年至今，大工这支团队的无数个日夜凝聚，产出了28项发明专利、5项软著、8篇高水平论文等成果。“我们的控制芯片、电路板都是自主设计的，前期采用的国外驱动器，现在都已转为自主设计。”团队成员朱炀爽说。得益于团队自主知识产权群与加工全过程自主性，所研发的全系列设备组件国产化率均在95%以上，特殊要求下可做到零件100%国产，彻底打破了国外封锁。
产品示意图
科技赋能生产实际，成果服务国家重大战略需求。团队研发的系列智能化灵巧加工装备，已经成功应用于航空装备的制造中，加工能力达到国际先进水平，还可推广到航天、船舶、车辆、能源等领域的高端装备的制造中。从前辈们开发的国际领先的复合材料加工刀具到年轻一代同学们开发的灵巧加工利器，爱国报国的精神在一代代大工人心中延续，求新创新的追求在一代代大工人手中接力。（来源：党委宣传部 新闻中心 作者：付饶 罗志杰 编辑：常思萌 周学飞）
