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團隊利用單點超精密五軸金剛石車床(Nanotech 350FG)開展相關研究，解 決了高精度大尺寸光學元件的加工問題，提出了刀具補償技術、大口徑鏡片去應 力技術和高精度自由曲面加工技術。基于這三項技術，團隊開發(fā)的自由曲面反射 鏡和魚眼透鏡，已經(jīng)為深圳與宜興的光學公司制備短焦投影儀用核心元器件，面 型精度均優(yōu)于 0.5 微米以下，粗糙度優(yōu)于 8 納米。自由曲面反射鏡和魚眼透鏡的 配合，在保證圖像質(zhì)量的同時，實現(xiàn)了短焦距和高投射比。團隊研發(fā)的自由曲面 反射鏡，雙自由曲面反射鏡，窄邊平面反射鏡及凸面反射鏡

XK-L650數(shù)控銑床是高精度、高剛度、高可靠性的新一代生產(chǎn)型數(shù)控機床，由我公司與機床公司合作生產(chǎn)，主機結(jié)構(gòu)合理可靠，制作精良。 能自動進行各種鉆、銑、鏜、鉸、攻絲等工序加工，支持CAD/CAM功能，完成復雜板類、箱體類零件、特別是模具的加工。

MCV380-5加工中心是高精度、高剛度、高可靠性、高性能價格比的新一代生產(chǎn)型數(shù)控機床，由我公司與機床公司合作生產(chǎn)，主機結(jié)構(gòu)合理可靠，制作精良。 能自動進行各種鉆、銑、鏜、鉸、攻絲等工序加工，支持CAD/CAM功能，完成復雜板類、箱體類零件、特別是模具的加工。

本成果提出了基于零件批量加工數(shù)據(jù)分析的加工工藝與流程優(yōu)化，主要包括零件加工過程的工藝數(shù)據(jù)挖掘與機器學習算法、基于數(shù)據(jù)和機理模型相結(jié)合的零件加工精度預測、基于機器學習的零件加工工藝優(yōu)化與決策、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的零件批量加工工藝優(yōu)化方法驗證這四方面。以下是各方面具體對應內(nèi)容： 1）零件加工過程的工藝數(shù)據(jù)挖掘與機器學習算法：在數(shù)據(jù)挖掘與機器學習算法方面，搭建了軸類零件全流程加工工況數(shù)據(jù)實時采集硬件平臺，實現(xiàn)對加工力、加工振動、主軸電流等工況數(shù)據(jù)的實時在線獲取。 2）基于數(shù)據(jù)和機理模型相結(jié)合的零件加工精度預測：在航空薄壁件加工精度預測方面，對復雜曲面加工過程混合建模與全流程加工精度預測等理論開展了深入研究工作；建立了零件單工序/多工序加工精度預測混合驅(qū)動模型，實現(xiàn)了加工精度的高效高精預測。 3）基于機器學習的零件加工工藝優(yōu)化與決策：在軸類零件全流程加工工藝優(yōu)化與決策方面，圍繞隱馬爾可夫決策過程、遺傳算法等理論開展了理論研究工作，結(jié)合軸類零件加工過程開展了優(yōu)化工作；提出了加工參數(shù)自適應調(diào)控聯(lián)合決策方法。 4）基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的零件批量加工工藝優(yōu)化方法驗證：構(gòu)建加工數(shù)據(jù)庫1套，包含機床設備、加工刀具、加工參數(shù)、檢測數(shù)據(jù)等四種類型數(shù)據(jù)。開發(fā)全流程加工智能推理軟件1套（部署于中航發(fā)南方公司柔軸車間），實現(xiàn)航軸全流程質(zhì)量數(shù)據(jù)感知與工藝優(yōu)化，其中全流程誤差建模與分析模塊實現(xiàn)了端到端的零件加工質(zhì)量智能推理，可以用于工藝設計與現(xiàn)場預先感知，加工過程工藝數(shù)據(jù)挖掘模塊實現(xiàn)基于批量數(shù)據(jù)的多工序誤差流分析，實現(xiàn)后續(xù)工序加工誤差推理，加工過程工藝優(yōu)化與智能決策模塊實現(xiàn)了零件多工序加工質(zhì)量數(shù)據(jù)推理與給定期望指標下的加工參數(shù)優(yōu)化。 圖1 本成果對應功能結(jié)構(gòu)示意圖 【技術優(yōu)勢】 圍繞航空領域制造的加工質(zhì)量問題，開展基于制造過程數(shù)據(jù)的工藝全流程智能決策技術與系統(tǒng)的研發(fā)，初步實現(xiàn)工藝與制造過程的智能控制。在數(shù)據(jù)挖掘與機器學習算法、航空薄壁件加工精度預測、軸類零件全流程加工工藝優(yōu)化與決策、零件全流程加工質(zhì)量智能推理與優(yōu)化、智能加工產(chǎn)線智能決策技術應用與推廣等多個方面實現(xiàn)了突破，具有顯著的理論價值與應用價值。 規(guī)范制定方面，研究了薄壁件加工誤差產(chǎn)生的深層機理，構(gòu)建了批量零件加工過程中誤差傳遞的理論模型，探究了機床、夾具、刀具、加工參數(shù)全方位、多層次的因素對于零件加工誤差產(chǎn)生的影響規(guī)律，提出了零件加工工藝與流程優(yōu)化策略，形成制定面向航空發(fā)動機大長徑比軸類零件的決策規(guī)范，規(guī)定軸類零件全流程加工過程中機床、刀具、裝夾、加工參數(shù)四個方面的具體要求。通過中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司企業(yè)標準體系管理系統(tǒng)制定、修改、審批，形成《航空發(fā)動機軸類零件加工工藝優(yōu)化與決策技術規(guī)范Q/2B 1586—2022》。 軟件開發(fā)方面，將上述理論成果進行高度集成，開發(fā)了零件全流程加工智能推理優(yōu)化軟件（MIO軟件）。軟件集成了四大功能模塊，包括加工工藝數(shù)據(jù)庫、全流程誤差建模與分析、加工過程工藝數(shù)據(jù)挖掘、加工工藝優(yōu)化與智能決策。相關知識與優(yōu)化規(guī)則形成權(quán)。全流程加工智能推理優(yōu)化軟件以及知識庫軟件通過第三方測評，測評機構(gòu)具備MA與CNAS認證資質(zhì)，最終形成《零件全流程加工智能推理優(yōu)化軟件第三方測試報告》、《智能加工產(chǎn)線工藝全流程智能決策工藝知識庫軟件第三方測試報告》。 應用驗證方面，結(jié)合航空發(fā)動機制造具體需求，將相關成果應用到某型號航空發(fā)動機軸類零件（動力渦輪傳動軸）加工生產(chǎn)中。將零件全流程加工智能推理優(yōu)化軟件部署在航軸加工車間，在驗證產(chǎn)品的加工設備上部署了數(shù)據(jù)采集裝置，實時采集加工過程數(shù)據(jù)，集成企業(yè)工藝資源數(shù)據(jù)庫和產(chǎn)品數(shù)字化檢測系統(tǒng)，獲取機床、夾具、刀具、產(chǎn)品質(zhì)量等信息，構(gòu)建了加工工藝數(shù)據(jù)庫，開展了航軸加工工藝分析、現(xiàn)場加工質(zhì)量預先感知、加工工藝與流程優(yōu)化、現(xiàn)場實際加工驗證等工作。通過南方公司現(xiàn)場應用驗證，零件次品率平均降低54.53%。（2019年至2020年優(yōu)化前，次品率為8.38%；2021年6月至2022年5月優(yōu)化后，次品率為3.81%）。相關應用驗證通過了中國航發(fā)南方公司的效果認定，并形成用戶報告。 【技術指標】 1）采用機理模型/有限元仿真技術獲取切削力/熱/柔度/加工誤差數(shù)據(jù)集，構(gòu)建代理模型實現(xiàn)了切削過程的毫秒級預測，切削過程關鍵物理量的預測時間優(yōu)于10毫秒。 2）建立了機理模型與小樣本工況數(shù)據(jù)混合驅(qū)動的預測模型不確定分析與量化模型，提出了貝葉斯框架下的不確定校準方法，實現(xiàn)了加工誤差快速（毫秒級）精準（偏差小于5微米）預測。 3）提出了航軸加工質(zhì)量狀態(tài)估計方法，建立了現(xiàn)場多源數(shù)據(jù)信息串聯(lián)模型，基于隱馬爾科夫的決策模型，實現(xiàn)工序間感知平均誤差控制在9.21%內(nèi)。 4）建立了加工次品率與加工參數(shù)約束集間雙向映射互通模型，首次提出了基于隱馬爾科夫模型與遺傳算法的聯(lián)合決策方法框架，聯(lián)合決策優(yōu)化框架保證次品率降低優(yōu)于50%。

成果與項目的背景及主要用途：近年來我國鋼材年消耗量迅速增加，焊接工 程量巨大，高效化焊接成為焊接技術發(fā)展的主流。MAG/CO2 焊由于其易于實現(xiàn) 自動化、抗銹低氫、成本低以及可進行全位置焊接等優(yōu)點，成為高效化焊接方法 的重要選擇。在我國，以 MAG/CO2 焊為主的氣體保護焊工藝應用水平與發(fā)達國 家相比仍有較大差距，但發(fā)展較快。據(jù)統(tǒng)計：1999 年，我國的氣體保護焊在整 個焊接工藝中所占的比例約為 10%，而日本和美國則達 70%左右；2002 年我國 此比例達到了約 17%，預計 2005 年可以達到 22~25%。在我國以 MAG/CO2焊為 主的氣體保護焊在很大范圍內(nèi)正逐步取代焊條電弧焊，極具發(fā)展?jié)摿Α?MAG/CO2 氣體保護焊短路過渡方式應用非常突出，國內(nèi)外研究人員的研究 證明：采用 MAG/CO2 焊短路過渡形式，可以有效地防止高速焊接(1m/min 以上) 時形成的焊接缺陷。但由于 MAG/CO2 焊保護氣體本身的物理性質(zhì)所決定的，使 用活性 CO2 氣體保護的焊接無論是采用細絲短路過渡方式，還是粗絲大電流的顆 粒過渡方式，都會造成較大的飛濺，在短路過渡方式中，焊縫成形差也是很大的 問題。著名的 STT 控制法利用對電流電壓的快速控制，大大降低了短路過渡過程 的飛濺，改善了焊縫成形，但也只適用于電流較小的場合，用于高速焊接需要大 電流的場合時仍存在飛濺大等不足之處。 該技術主要解決純 CO2 氣體保護焊或低氬保護 MAG 焊時短路過渡的飛濺和 焊縫成形問題。 技術原理與工藝流程簡介：該系統(tǒng)利用傳感器采集信息，由單片機系統(tǒng)對焊 接過程的信息進行分析，控制逆變弧焊電源的輸出。 關鍵問題在于實時控制的及時性。短路過渡存在大量快速的瞬態(tài)過程，需要 122天津大學科技成果選編 123 控制電路及時做出響應，有很大難度。美國林肯公司的 STT 焊機利用 IGBT 功率 開關并聯(lián)限流電阻的方法，可以非常迅速地減小電流，對于防止飛濺非常有利。 但 IGBT 的工作條件非常嚴酷，限制了利用 IGBT 功率開關進行深入的研究，也使 其局限于較小電流的場合。受上述條件的制約，我們必須考慮其他的選擇。 本技術找到了一種預判短路過程的方法，采用高速模擬電路為主并結(jié)合單片 機的中斷處理方法加以控制；而對短路過渡相對穩(wěn)定的過程，其控制則以單片機 為主，可以進行信息融合運算，甚至可以進行瞬態(tài)過程的預判運算。 技術水平及專利與獲獎情況：國際先進，國家發(fā)明專利。 應用前景分析及效益預測：目前 CO2 焊的飛濺問題的解決主要采用：a.純氬 或混合氣保護，氣體成本高；b.利用進口 STT 焊機，在低速焊、小電流范圍應用， 焊機成本高；c.采用藥芯焊絲，焊絲成本高，且只能焊接中厚板，不能短路過渡 焊。這些解決方法都并不令人十分滿意，因而本技術有很好的的實際應用前景。 本技術可將飛濺率降為普通短路過渡的 1/2~1/3 以下，以一個年消耗焊絲 500~1000 噸的大中型企業(yè)計算，每年僅焊絲飛濺造成的損失就可減少數(shù)十萬元， 尚不包括清理飛濺所投入的人力物力。而本技術在普通逆變焊機基礎上加上 500~1000 元的一次性的材料成本投入，即可大幅度提高焊機的性能。 應用領域：機械、船舶、鋼結(jié)構(gòu)、汽車等眾多行業(yè)。 

“高速高精軋制控制技術攻關”屬國家“八五”技術攻關課題,解決某鋁加工廠1350mm中、精兩鋁箔軋制機組存在的影響高速高精軋制的控制技術問題。   該項目于1996年通過技術鑒定，1997年獲中國有色金屬工業(yè)總公司科技進步二等獎。主要技術創(chuàng)新點一是采用了新型全密封張力傳感器，實現(xiàn)張力直接閉環(huán)，提高了張力控制穩(wěn)定性和精度，克服了原德國產(chǎn)傳感器結(jié)構(gòu)不合理、使用壽命低（僅半年）、必須在線標定的缺點，不僅壽命長使用方便，而且價格僅為同類進口傳感器的1/10。精度誤差小于1/1000，能有效保證高速軋制時張力穩(wěn)定，板形良好，防止斷帶，提高厚度精度。第二個創(chuàng)新點是采用了兩級計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改進控制策略，加強控制功能，提高了控制精度。該系統(tǒng)有以下特點： 采用模糊控制技術進行張力AGC控制。 采用智能化非線性變系數(shù)法，解決了直接張力控制投入時系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。 采用模糊卷徑記憶法，提高了卷徑計算精度。 采用最優(yōu)控制技術，實現(xiàn)了質(zhì)量最優(yōu)、面積最優(yōu)和重量最優(yōu)。 采用壓下和張力協(xié)調(diào)控制，提高了厚控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。 采用“雙重化改造作業(yè)法”，基本做到不停產(chǎn)改造調(diào)試，對生產(chǎn)的影響減至最小，提高經(jīng)濟效益。 采用“基于專家經(jīng)驗的工藝參數(shù)預設定和二次優(yōu)化設定”模型，提高了設定精度。

隨著我國高速鐵路的不斷發(fā)展，應用在高速環(huán)境下的移動通信系統(tǒng)日 漸成為研究的熱點。從系統(tǒng)設計的角度來看，信道估計可以看作一個系統(tǒng)狀態(tài) 估計問題，信道響應是系統(tǒng)中的狀態(tài)變量。若將時域變化的信道看作是一個非線 性的動態(tài)系統(tǒng)，便可以利用擴展卡爾曼濾波器(EKF)對其狀態(tài)變量求最小均方誤 差(MMSE)估計。迭代檢測譯碼(IDD)結(jié)構(gòu)是一種基于Turbo譯碼原理設計的接收 機結(jié)構(gòu)。在迭代接收機中，軟入軟出(SISO)的Turbo譯碼器與數(shù)據(jù)檢測器之間 有一條反饋通道，使得數(shù)據(jù)檢測器能夠利用軟譯碼器輸出的后驗對數(shù)似然比(也 稱作“外信息”)完成多次迭代的信道均衡和解調(diào)。針對高速移動通信下快速時變信道估計的問題，我們提出一種基于EKF的 聯(lián)合IDD信道估計方法(IDD-EKF) o采用自回歸(AR)過程對信道建模，在導頻 符號處采用最小二乘法(LS)估計，時域采用EKF插值，頻域采用離散傅里葉變 換(DFT)插值。通過聯(lián)合估計信道頻域響應及信道的時域相關系數(shù)的方法追蹤信 道的信道頻率響應(CFR)。同時為了消除EKF誤差傳播的影響，采用迭代接收機結(jié) 構(gòu)，利用Turbo譯碼器的碼元糾錯能力，通過外信息更新EKF觀測方程中的加權(quán)矩 陣，從而輔助EKF更新，并進行迭代信道估計。EKF工作在三種不同的模式下，三種模式分別對應三種不同的構(gòu)造加權(quán)矩 陣的方法。通過后驗對數(shù)似然比構(gòu)造的加權(quán)矩陣利用了 Turbo譯碼器的檢錯糾 錯能力，使得構(gòu)造的加權(quán)矩陣更加接近實際發(fā)送的符號，則EKF能夠在更多的時頻域位置上提供MMSE估計值。

隨著我國高速鐵路的不斷發(fā)展，應用在高速環(huán)境下的移動通信系統(tǒng)日 漸成為研究的熱點。從系統(tǒng)設計的角度來看，信道估計可以看作一個系統(tǒng)狀態(tài) 估計問題，信道響應是系統(tǒng)中的狀態(tài)變量。若將時域變化的信道看作是一個非線 性的動態(tài)系統(tǒng)，便可以利用擴展卡爾曼濾波器(EKF)對其狀態(tài)變量求最小均方誤 差(MMSE)估計。迭代檢測譯碼(IDD)結(jié)構(gòu)是一種基于Turbo譯碼原理設計的接收 機結(jié)構(gòu)。在迭代接收機中，軟入軟出(SISO)的Turbo譯碼器與數(shù)據(jù)檢測器之間 有一條反饋通道，使得數(shù)據(jù)檢測器能夠利用軟譯碼器輸出的后驗對數(shù)似然比(也 稱作“外信息”)完成多次迭代的信道均衡和解調(diào)。 針對高速移動通信下快速時變信道估計的問題，我們提出一種基于EKF的 聯(lián)合IDD信道估計方法(IDD-EKF) o采用自回歸(AR)過程對信道建模，在導頻 符號處采用最小二乘法(LS)估計，時域采用EKF插值，頻域采用離散傅里葉變 換(DFT)插值。通過聯(lián)合估計信道頻域響應及信道的時域相關系數(shù)的方法追蹤信 道的信道頻率響應(CFR)。同時為了消除EKF誤差傳播的影響，采用迭代接收機結(jié) 構(gòu)，利用Turbo譯碼器的碼元糾錯能力，通過外信息更新EKF觀測方程中的加權(quán)矩 陣，從而輔助EKF更新，并進行迭代信道估計。 EKF工作在三種不同的模式下，三種模式分別對應三種不同的構(gòu)造加權(quán)矩 陣的方法。通過后驗對數(shù)似然比構(gòu)造的加權(quán)矩陣利用了 Turbo譯碼器的檢錯糾 錯能力，使得構(gòu)造的加權(quán)矩陣更加接近實際發(fā)送的符號，則EKF能夠在更多的時頻域位置上提供MMSE估計值。 相對于傳統(tǒng)的信道估計方法，在NMSE方面，IDD-EKF的信道估計方法在高速 環(huán)境下具有8dB的信噪比增益。而在BER方面，IDD-EKF在低速環(huán)境下相對于傳 統(tǒng)算法信噪比增益為5dB,而高速環(huán)境下，其信噪比增益達到了將近lOdBo通 過仿真分析證明了這一設計的有效性。 該成果可以進一步推廣到5G通信終端接收機以及拓展應用到飛行器之間 的高速通信中，提高通信性能。

超高速流式成像分析儀是數(shù)字顯微技術、微流體力學和圖像處理技術的綜合應用，用于自動分析顆粒或液體中的懸浮細胞。當樣品流過檢測區(qū)時，儀器會捕捉樣品的影像，影像中的每個顆粒將被分析，生成關于顆粒的數(shù)量、尺寸、透明度、形態(tài)等方面的數(shù)據(jù)。也能用于實時分析顆粒的動態(tài)過程。形態(tài)分析軟件還可用于分析特殊形態(tài)的顆粒，或者用于分離一些亞顆粒群體。該成像儀器利用高速重復頻率的激光脈沖作為主動照明光源，利用時空頻映射對成像區(qū)域進行頻分掃描，該掃描完全利用光源本身的光譜特性實現(xiàn)，沒有使用機械或電子的掃描裝置，因此可以大大提升掃描成像的速度。目前實現(xiàn)了超高速成像儀的幀率可以達到1 百萬幀/秒至 20 億幀/秒的幀率，可以連續(xù)記錄 10 萬幀以上的影像數(shù)據(jù)，成像分辨率小于1 微米，可以連續(xù)觀察非周期性的無規(guī)律的偶發(fā)事件。在應用方面，已經(jīng)進行了超高速無標記流式細胞成像實驗，可以實現(xiàn)對血液細胞當中的早期癌細胞（CTC）進行高精度高通量的篩查，成像通量超過 100 萬細胞/秒，是目前常用的流式細胞儀的 1000 倍。另外，在高速氣溶膠（PM2.5、PM10）成像機制上也進行了應用，可以實現(xiàn)氣溶膠噴口速度在 10 米/秒的情況下進行顆粒成像，目前國際上還沒有類似的儀器出現(xiàn)。因此，超高速激光掃描顯微成像儀擁有傳統(tǒng)檢測儀器不具備的特殊功能，通過高速成像，獲取傳統(tǒng)儀器無法得到的信息，解決多個交叉領域的關鍵問題。

高速細胞檢測一直是生物、醫(yī)學領域非常有挑戰(zhàn)性的工作，而流式細胞檢測以其較大的 檢測通量成為高速細胞檢測的首選方案。本成果超高速流式成像分析儀靈活運用了高速光纖通信、微波光子技術及光信號處理技術，結(jié)合高速數(shù)據(jù)處理和生物醫(yī)學技術，實現(xiàn)了對傳統(tǒng) 細胞成像速度的巨大突破。與此同時，在獲取了海量的細胞圖像之后，根據(jù)具體應用的需求 進行快速數(shù)據(jù)壓縮、人工智能圖像分類處理、細胞特征提取等操作。通過細胞圖像獲取每一 個細胞的核心參數(shù)，從而將復雜的生物學現(xiàn)象（細胞）快速轉(zhuǎn)換為直觀可讀的信息呈現(xiàn)形式， 為細胞特性的分析以及疾病的診斷提供第一手的，準確的資料。 創(chuàng)始團隊基本來自于清華大學，擁有雄厚的研發(fā)能力，并與北京大學、武漢大學、東京 大學、加州大學洛杉磯分校、北京天壇醫(yī)院實驗室等知名高校及科研機構(gòu)建立項目合作。同時獲得天使輪投資，擁有發(fā)明專利兩項，并獲得第二十二屆全國發(fā)明展覽會—金獎，第十二屆北京發(fā)明創(chuàng)新大賽—金獎，受到業(yè)內(nèi)一致好評。 超高速流式成像分析儀是數(shù)字顯微技術、微流體力學和圖像處理技術的綜合應用，用于自動分析顆粒或液體中的懸浮細胞。當樣品流過檢測區(qū)時，儀器會捕捉樣品的影像，影像中的每個顆粒將被分析，生成關于顆粒的數(shù)量、尺寸、透明度、形態(tài)等方面的數(shù)據(jù)。也能用于實時分析顆粒的動態(tài)過程。形態(tài)分析軟件還可用于分析特殊形態(tài)的顆粒，或者用于分離一些 亞顆粒群體。該成像儀器利用高速重復頻率的激光脈沖作為主動照明光源，利用時空頻映射 對成像區(qū)域進行頻分掃描，該掃描完全利用光源本身的光譜特性實現(xiàn)，沒有使用機械或電子 的掃描裝置，因此可以大大提升掃描成像的速度。目前實現(xiàn)了超高速成像儀的幀率可以達到 1 百萬幀/秒至 20 億幀/秒的幀率，可以連續(xù)記錄 10 萬幀以上的影像數(shù)據(jù)，成像分辨率小于1 微米，可以連續(xù)觀察非周期性的無規(guī)律的偶發(fā)事件。