科创中国

"一、团队（专家）简介

精密工程研究所成立于1996年，其前身为机械学机制教研室公差组、微型技术教研室、精密技术教研室，是机械工程和仪器科学与技术两个一级学科博士学位授权点和博士后流动站。是机械制造系统工程国家重点实验室、高端制造装备协同创新中心、机械工程以及仪器科学与技术博士点和博士后流动站的组成单位，同时筹建有“微纳制造与纳米测试技术”高等学校学科创新引智基地、“微纳制造与测试技术”国际合作联合实验室、陕西省微型机械电子系统（MEMS）研究中心、陕西省微纳传感器工程技术研究中心，有力地支持机械工程和仪器科学与技术两个一级学科的建设和发展。

研究所共有教师及职工44名，其中教授10人、副教授9人、讲师（博士）13人，助理研究员11人。教师队伍中有中国工程院院士1名、国家杰出青年科学基金获得者1名、国家科技创新创业人才1名、国家“百千万人才工程”入选者1名、中组部“万人计划”入选者1名、中组部青年千人1名、国家优秀青年基金获得者1名、教育部新世纪优秀人才7名。团队成员荣获首届全国创优争先奖、何梁何利科技进步奖、全国优秀科技工作者、中国机械工程学会青年科技成就奖、陕西省青年科技奖、陕西省青年科技标兵、西安科技人才奖等荣誉称号各1人次。

研究所研究方向包括：微纳机械电子系统与微纳米测试技术、微纳制造与先进传感技术、超精密加工技术与装备、精密测量技术与仪器、生物制造与仪器等。

二、团队项目

1、零件多几何要素在线快速检测仪

负责人：李兵

（1）项目简介

该项目以研发在复杂环境下多几何要素高精度检测专用机床为业务核心，面向精密零件加工质量检测市场，定制零件的形位误差检测设备，并开发相应的检测系统。

课题组先后研发了两台不同型号的零件多几何要素在线快速检测仪，此两款设备适用于批量化自动生产线，可在生产线上对加工完成的零件进行快速自动化测量，剔除不合格零件、优化生产线加工过程。该快速检测仪主要由孔位置度测量部、精密气动测量部、平行度测量部、精密回转平台、电器集成柜等部分组成，集孔组位置度测量、孔径测量、孔的圆度及端面平行度测量于一体，实现多几何要素的在线快速测量。 

（2）技术指标（性能参数）

①孔径测量：

测量尺寸：***（可定制不同尺寸规格）；

测量误差：≤***；

重复性精度：≤***；

测量节拍：≤40s；

②圆度测量：

测量误差：≤***；

重复性精度：≤***；

测量节拍：≤10s；

③孔组位置度测量：

孔径尺寸：55mm（可定制不同尺寸规格）

测量精度：±***；

重复性精度：≤***；

测量节拍：≤10s； 

④平行度测量：

测量误差≤***；

重复性精度：≤***；

测量节拍：≤10s；

市场前景及应用

项目团队在李兵教授的带领下已掌握了精密零件检测成套化技术并具备工程化能力，相关测量系统已经应用于减速器零部件的检测中。

应用案例：可用于工业机器人减速器生产线上，检测减速器关键零件摆线轮和行星架的加工质量。主要可完成圆周等分孔位置度测量、孔径及圆度测量、端面平行度测量等，测量节拍快、准确度高，实现在自动化生产线的进行零件加工质量检测，效率高。

本课题成果还将为我国数控机床、医疗检测设备、风力发电机等同样受制于精密减速器的相关行业发展提供保障，有利于促进这些行业进行技术创新，实现相关行业的转型升级。

（3）技术成熟度

□概念验证   □原理样机   R工程样机  £中试    £产业化

目前已实现了在线快速检测仪的联机调试，实现了摆线轮320E和行星架320E零件的在线测量，具备高可靠性和稳定性。

同时也进行了其他型号零件检测的预研设计工作，面向不同的零件型号、不同测量需求进行测量技术储备，同时，可根据客户具体需求进行定制化设计，并提供产品。

2、四坐标叶片型面测量仪

负责人：李兵

（1）项目简介

叶片型面测量与分析不但是保障叶片出厂质量的重要手段，同时也是检测和评估已服役叶片表面缺陷的主要途径。测量仪由：机械模块、控制模块、数据采集模块、数据处理模块和数据显示模块组成。在数据处理模块中应用了当前国际先进的点云处理方法，实现了点云配准、点云去噪、点云精简及三维点云重构等功能。

（2）技术指标（性能参数）

1、型面检测精度：≤±5µm

2、型面检测平均效率：

航空发动机叶片≤10min

汽轮机及燃气轮机叶片≤15min

      叶片实物                    测量过程

（3）市场前景及应用

项目团队在李兵教授的带领下经过十余年公关已掌握了相关核心技术并具备工程化能力，相关性系统已经应用于航天发动机叶片、汽轮机及燃汽轮机叶片的型面检测。主要可完成两方面功能。

①叶片三维轮廓

该系统可实现叶片的全数据测量，分析形状轮廓参数和和特征尺寸参数，评定叶片型面质量。其中，形状轮廓参数包括：型面型线误差、倾斜度误差、弯曲度误差和扭曲度误差等；特征尺寸参数包括中弧线、前后缘点、前后缘半径、前后缘厚度、弦线、弦长、轴弦长、弦倾角、最大厚度等。

②叶片表面缺陷

该系统可对叶片型面上存在的表面缺陷进行检测，分析出表面缺陷的三维轮廓尺寸，并对缺陷等级进行评估。评估结果可为叶片后续维护提供参考。

（4）技术成熟度

□概念验证   □原理样机  R工程样机  £中试    £产业化

四坐标叶片测量系统已完成工程样机并对航空发动机及燃气轮机叶片型面进行检测,实现了叶片型面的三维重构,并完成了叶片型面质量评估及表面缺陷的评定。测试结果验证，其具备高可靠性和稳定性。

同时，可根据客户具体需求进行定制化设计，并提供产品。

3、轴类零件轴径高效高精度自动测量仪

负责人：李兵

（1）项目简介

本项目主要研究轴径检测技术，并开发相应的检测系统以及硬件平台，研制了轴类零件轴径自动测量仪。本自动测量仪主要由双立柱测量单元、双光幕传感器测量单元、IO控制模块、数据采集模块、串口通信模块等部分组成。

本测量仪在测量过程中可实现手动测量及全自动化测量（与机械手交互），可进行多种轴类工件（光轴、阶梯轴、异形轴和偏心轴等）的轴径测量，且可实现对同一个轴件的多个截面的轴径测量。测量过程中通过传感器的光幕截取工件的截面后未被遮挡边缘测量，测量精度高；测量单元的一个测量周期不超过一分钟，测量效率高；下顶尖部分的摆缸可旋转，能实现工件同一截面处的轴径的多角度多次测量，测量可靠性、稳定性高。

（2）技术指标（性能参数）

测量范围0-60mm（可扩展为10-70mm，类推），公差带***

测量精度：±1μm

测量节拍：< 1min

重复性测量精度：≤***μm

（3）市场前景及应用

在工业产品中，轴类零件是经常遇到的典型零件之一，主要用于支撑传动零部件，传递扭矩和承受载荷，几乎是任何机械设备中不可缺少的核心零件。提高轴类工件的检测效率及测量精度对于推动我国工业化的进程具有重要的影响。

本自动测量仪可测量大范围内的多种规格轴类零件的直径，可实现同一零件上多段轴径的测量，且测量节拍快，测量精度高，重复性精度好，自动化测量功能对于批量化检测轴类产品具有重要的意义。

应用案例：可用于阶梯轴的轴径测量。测量过程中，对于大批量多型号的产品，能够实现阶梯轴的在线自动检测，在测量仪的双光幕测量单元的一次测量周期中可以精确地测量出阶梯轴各段轴径，并通过数据分析及时分离出不合格零件，并对合格工件分组，可优化产品检测分组流程，提高工作效率。对于小批量工件，可使用手动测量流程操作测量仪来对产品轴径进行精确测量，并能在软件界面查看结果分析。

图3 工件测量过程

（4）技术成熟度

□概念验证   £原理样机   R工程样机  £中试    £产业化

目前已完成测量仪的硬件设计及软件开发，测量仪可以正常运行，进行大范围多种规格多段轴径的测量，具有高可靠性和稳定性，重复性测量精度良好。自动化生产线上，测量仪与机械臂的自动交互，现阶段正在调试中，调试完毕之后可实现大范围多规格多段轴径的全自动化快速测量。

4、机器人关节减速器关键零件精密测量

负责人：丁建军

机器人关节减速器以Rotate Vector(RV)减速器和谐波减速器最为常见。RV传动减速器因为克服了传统针摆传动的缺点，且具有定位精度好、效率高、体积小、质量轻、传动比范围大、传动平稳、精度保持稳定、寿命长等优点，已成为未来机器人高端精密关节减速装置的发展趋势。

应用复杂型线型面测量中心配备三维光栅扫描测头对针齿壳、摆线齿轮、高精度偏心轴等复杂型线工件进行检测。这类工件测量参数除基本齿轮参数外，还有离散型线坐标点数据。在开始测量前将基本参数输入参数设置栏，并加载型线数据，测量软件将笛卡尔坐标系下型线数据点转化为圆柱坐标系的坐标点，根据基本参数设置测量初始半径，要求测头在该位置的变形矢量方向与理论型线法向一致，开始初始规划数据采集检测，随后进入自适应路径规划阶段，并要求全部测量过程测头受力及方向在小范围内变化，从而实现以上工件的全自动高精度检测。

5、螺杆转子精密测量

负责人：丁建军

本项目关注于螺旋转子的精密检测技术的研究。螺旋转子是螺杆压缩机的主要零件。螺杆压缩机结构简单，易损件较少，能够承受较大的压力差或压力比，适应性强，噪声和振动低，运转可靠，输气量调节性好，操作维护简便。对螺杆压缩机核心零件制造精度的严格控制是实现这些良好性能的基础。上世纪60年代以来，螺杆压缩机在国外大量应用于空气动力、空调、工业制冷、冶金、矿山等领域。目前，在欧美等发达国家的制冷压缩机市场螺杆式压缩机开始逐步取代传统的活塞式机型成为标准配置。我国是上世纪八十年代才开始在国外进口样机的基础上生产螺杆压缩机产品的，如今已能在一定程度上解决国内市场需求。

螺旋转子的表面是极为复杂的螺旋曲面，其精度、表面质量的高低也会直接影响到螺杆压缩机的整体性能。一对转子工件啮合时，如果其螺旋型面误差过大，会影响压缩机内部吸气排气的正常进行，造成气压泄露，影响压缩效率，减小系统工作压力。为保证螺旋转子的加工精度，必须要对该零件进行精密检测与质量控制。

本项目以高精度四轴联动测量平台为基础，配备雷尼绍高精度三维测头，完成了螺旋转子三维自由型面的精确检测。在齿廓型线测量中，以等弧长采样思想控制测头的采样路径和采样方式，从而实现测点遍历齿廓型线，真实而完整的反映了转子的齿廓信息；齿向和周节的测量，采用W轴和X，Y轴联动的方式，精确控制测头采样路径，相对于三坐标测量机，该测量方式可以精确控制和记录转台的相位信息，更符合转子的齿向和周节的实际误差信息。

6、齿轮与刀具精密测量

负责人：丁建军

本项目在数控系统、伺服驱动系统以及机械系统等三个方面开展全新的选型设计，开发出可达到VDI/VDE 2612/2613 I级精度标准的齿轮与刀具精密测量系统，可以测量1级以上精度的齿轮及齿轮加工刀具，相较国内同类产品测量效率提高4倍。

本测量系统从机械结构和材料两个方面进行全新设计，并采用如有限元等现代设计方法进行分析，提高结构的稳定性和可靠性。在结构上，关键零部件采用了花岗岩材料，可以明显降低温度对系统精度的不利影响；在导向结构上，应用标准精密直线导轨取代了非标密珠直线导轨，不仅简化了结构的安装工艺，还提高了系统的模块化程度，使得同一零部件在不同型号设备上具有一定的兼容性；采用ANSYS分析机械结构精度与温度变化的关系，通过结构的优化设计降低温度对系统机械精度的影响。

数控系统是CNC齿轮测量机的关键技术。与已有的国产测量中心数控系统相比，本项目所开发数控系统具备：①三维模拟量测头接口和高速数据采集通道，为齿轮测量机选用三维测头提供了技术支持；②支持直线电机驱动单元，实现了直线轴的全闭环控制，提高了运动控制精度和系统动态响应频率，最终提高了齿轮测量中心的测量精度和测量效率。

伺服驱动硬件上采用直线电机，实现的“零”传动，消除了丝杠对导轨导向精度的影响，由于没有了传动环节，定位精度可以得到显著提高，消除了齿轮等传动背隙对定位精度的影响；主轴旋转电机采用直驱电机，通过连轴器直接驱动主轴旋转，达到精密定位的要求；选用智能伺服放大器，实现工作台与驱动器之间的闭环控制，同时在控制器与工作台之间形成第二层闭环控制，提高系统的伺服控制精度。

7、复杂齿轮三坐标测量分析技术

负责人：丁建军

（1）项目简介

复杂齿轮因其平稳可靠的传动、较高的承载能力等优点被广泛应用于航空航天、航海、汽车、拖拉机等。齿轮的加工精度直接影响着其寿命和可靠性，因此，对齿轮的各项参数的检测就显得至关重要。由于其齿面是一个十分复杂的空间曲面，其检测技术不如普通齿轮成熟，且复杂齿轮的专用检测仪器依赖进口，价格昂贵，技术封锁，难以实现推广应用。

本项目基于三坐标测量机开发了可用于弧齿锥齿轮等复杂齿轮精密检测的测量及分析技术。应用该技术可利用三坐标测量机实现齿轮工件的齿廓偏差、螺旋线偏差、齿距偏差的精密测量。

（2）市场前景及应用

齿轮的用途很广，是各种机械中重要的零件，近年来齿轮的设计和制造以及检测取得了显著的进步，在复杂齿轮的检测技术方面与国际上水平相差甚远。本项目从复杂齿轮的齿廓曲面成形过程出发，推导出齿面方程及齿面法向方程，并建立数学模型，完成对测量路径的规划。微位移传感器根据规划的测量路径运动，传感器示值的变化会反应出理论规划路径和实际齿面的差异，即实际齿面的误差情况。

8、叶片型面精密测量

负责人：丁建军

叶片是航空发动机的关键零件，其需求数量巨大，叶片的几何形状和尺寸决定着叶片的工作性能。叶片的型面质量对发动机的二次流损耗有着较大的影响，直接影响着其能量转换效率。随着发动机性能的不断提升，如何高效制造出合格的叶片成为目前的一个研究热点，而检测是保证制造精度的重要手段。因此在发动机零部件的检测中，对叶片型面检测精度和检测效率的要求也越来越高，叶片型面的检测具有十分重要的意义。

目前国内对于航空发动机叶片的检测仍然以标准样板检测为主要手段，但此方式检测效率较低，远无法满足生产周期的要求。本项目采用数字化检测方式，根据设计将叶片表面的形状转换为离散的几何点坐标数值，可以接触式和非接触式两种方式进行。接触式的以扫描测头实现沿着叶片叶身型面的连续扫描测量，具有数据测量精度高的特点。该测量方式具有测量速度快、分辨率高的特点。通过以上所采集的数据可以高效准确的完成叶片复杂曲面的建模，最后完成误差结果分析。

随着C919国产大飞机的试飞成功，国际上形成了以Airbus、Boeing、COMAC为代表的国际市场竞争新局面。国产大飞机的发展前景良好，将会逐步形成我国的民机产业。航空发动机是飞机的心脏也是飞机制造中的难点，其中航空发动机的叶片在航空发动机的制造中占据了约30%的比重。航空发动机叶片的制造与检测对于保证航空发动机的质量有着重要的意义，有着良好的市场前景。

9、精密轴件光学快速测量

负责人：丁建军

随着汽车工业的飞速发展，轴类零件的质量控制要求在不断提高，以降低燃料消耗、环境污染和噪音排放。针对零件的精确测量越来越重要，零件只要超差而未被识别出来，通常会导致整个总成发生故障，生产厂家也会被退货。因此，越来越多的厂家要求进行百分之百的零件检测。

    本项目结合接触式和光学矩阵相机两种测量模式实现发动轴类零件的快速精确检测，可以将测量时间缩短至传统测量方式所需时间的1/5~1/8。该测量系统所配备的接触式电感测头可用于凹形的轴类轮廓、轴向跳动、轴向上的参考元素和盲孔等。光学矩阵相机可在很短的时间内测量例如直径、长度、半径、形位公差、凸轮轴（典型轴类应用）角度误差和凸轮轴升程等特征。该系统采用的模块化结构，能使其按照不同的测量任务，提供最理想的范围和组合。

三、合作方式

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