2016山东省重点研发计划(重大关键技术)项目申报书

声 明

作为申报单位法人代表，我郑重声明：

1、本单位所提供的项目申报材料数据真实、资料可靠，同一项目（包括研究内容相同或者相近的项目）没有重复申请。

2、本单位对申报项目的知识产权拥有所有权或使用权，不存在知识产权权属纠纷。

3、如因虚假陈述、知识产权的权属问题或与其它第三方的约定导致的法律纠纷，本单位愿承担全部法律责任，接受管理机构暂停或终止项目申报、立项或实施等处理决定，项目已拨财政资金愿按要求渠道退回。

4、本单位愿意提供有关本项目的技术路线、技术解决方案等，同意管理机构委托专家进行评标、答辩和现场考察。

单位法人（签字）：

日 期：

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目 录

一、 项目信息表 二、 项目申报书 1、 项目简介

2、 项目的意义与必要性 3、 项目目标与任务 4、 现有工作基础与优势 5、 项目任务分解与考核指标 6、 经费预算

7、 项目年度计划及年度目标 8、 实施机制

9、 项目负责人及参加项目主要人员情况 10、 其他需要说明的事项 11、 项目附表

12、 主管部门推荐意见 13、 附件

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项目信息表

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项目申报书

一、项目简介

简要介绍项目主要研究内容、成果来源、创新点、知识产权、获奖等情况，项目实施所处阶段，下一步主要研发内容与目标、产业化建设目标、投资估算，企业基本概况等。

随着我国工业现代化的不断发展，产品的质量与耐久性问题被广泛关注。机械构件又是科技工业和设备的基本构成，而残余应力的存在，对机械构件的可靠性有很大的影响，特别是影响结构件的疲劳寿命、尺寸稳定性和抗腐蚀能力。残余应力在机械构件中普遍存在，残余应力的影响贯穿机械结构全寿命周期。残余应力会诱导材料产生微裂纹，而这些裂纹在一定条件下导致材料断裂。残余应力的检测对采矿机械、输油设备，大型水电、火电、核电等成套设备，大中型建筑机械，交通运输等设备非常重要。在压力容器行业中，由于构件表面存在很大的残余应力，加速了表面腐蚀，从而诱发大量的重特大事故。近年来输油管道爆裂多发，主要原因在于管道焊缝残余应力没有得到及时检测，长时间腐蚀导致应力释放从而引起开裂。近几年在我国得到快速发展的高速铁路的无缝钢轨是通过焊接实现的，焊缝处的残余应力检测和消除，不仅涉及到钢轨寿命而且关系到列车运行安全的大问题。因此，残余应力的检测及消除不仅会影响日常生活，而且会波及到一个国家的稳定和人民的安全。基于此，开发超声波消除残余应力机器人势在必行，同时，该项目也非常符合省“十三五”发展规划要求，围绕高端专用工业机器人技术开展研发，实现面向复杂作业任务实时感知、复杂工件自动测量与信息提取、工艺快速分析与参数优化、自动精确轨迹规划等关键技术突破，推动智能制造技术水平快速提升。准确、快速地检测出残余应力，对其状态、应力值进行合理评估，及时采取预防措施或有效利用具有十分重要的意义。

成果来源：

本项目技术采用项目申报单位所独有的超声波消除残余应力发明专利技术和协作单位所拥有的在智能机器人方面的技术。

创新点：

1、智能超声应力消除设备和智能机器人创新集成，基于激光扫描视觉系统，设计局部搜索算法，优化残余应力最佳消除轨迹，消除人为和环境因素的影响。

2、X射线衍射法应力测量设备与机器人创新集成，自动进行应力测量，并对数据进行科学分析，进一步优化各种情况超声应力加工工艺。

3、智能化、数字化、网络化控制模块，使加工、测量、数据分析一键完成，并实现无线传输。

4、精密应力测量设备和超声应力消除设备集成于一体，采用智能控制，并采取可靠措施，消除电磁干扰。

5、现有的应力消除设备升级成智能型、数字型应力消除设备，针对不同的加工工件，加工工艺参数一目了然。

知识产权、获奖等情况，项目实施所处阶段，下一步主要研发内容与目标：

作为科技创新型企业，公司不断加大企业研发投入，目前拥有93项专利，其中发明专利25项，公开并进入实审阶段专利20多项。

“超声波金属表面加工装置”发明专利荣获济南市专利奖三等奖，“豪克能复合数控机床”项目荣获山东省机械工业科技进步奖三等奖，“豪克能球型车床”项目荣获济南市科技进步奖三等奖及山东省企业技术创新奖二等奖，“豪克能镜面加工数控立车”项目获山东省机械工业科技进步奖二等奖。

本项目目前处于中试阶段。

下一步主要研发内容与目标：

超声波消除残余应力机器人，把现有的超声应力消除设备升级成智能应力消除设备，同时把智能应力消除系统、智能机器人、高端应力测量系统三者创新集成。通过开发智能化的控制测试系统，实现对这种新型超精密装备的智能化、网络化控制。提高加工效率，消除人为、外界环境等因素对加工效果的影响。在开发研制过程中需完成以下主要内容：

1）从消除残余应力产生理想压应力过程中机械、热、电现象等特征研究入手，结合高端测量设备测试和数据分析进一步探索超声动态冲击和脉冲电流作用最佳机械加工工艺参数。

2）把现有的超声应力消除设备升级成智能应力消除设备，根据不同的机械加工工艺进行多组在线编程，编程工艺包括工作电流、运行时间等参数一目了然，

3）采用安卓系统开发智能控制模块，把应力消除设备、机器人、应力测量三者创新集成。工件加工、测量、数据分析一键完成。

4）基于智能机器人激光扫描视觉系统，根据多年的实践经验，结合高端应力测量设备测量结果和数据分析，设计了局部搜索算法，优化超声刀具残余应力最佳运动轨迹，超声智能应力消除测试系统消除人为和环境因素影响。

5）在智能控制模块上扩展远程控制的功能，达到数字化、智能化、网络化控制目的。

6）加工结束后可根据设定工艺自动测量残余应力并具备应力梯度测量、应力云图测量功能。加工参数、工作参数动态变化曲线和应力测量结果可以统计、查询、打印、汇总。同时具备保存和无线传输功能。

产业化建设目标：

该项目产品超声波消除残余应力机器人不仅在航空航天、兵器工业、采矿机械、输油设备有广泛的应用前景，而且对于高铁钢轨行业、桥梁行业、轮船行业、水利、核电等的关键焊接件的表面强化，提高零件的抗疲劳强度及使用寿命意义重大，并具有广阔的市场前景及技术优势，其产业化将促进机械制造工业布局的多元化，并为国家安全和提高民族装备制造水平做出贡献。该项目产品成功开发后，将形成年产100台套超声波消除残余应力机器人产品，年产值8000万元的生产能力。项目实施期累计实现销售收入4000万元，利润480万元，税额320万元。

投资估算：

项目计划投资1680万元，前期已投入260万元，项目新增投资1420万元，其中自有资金920万元，省补助资金500万元。

企业基本概况：

华云公司成立于2003年，主要从事金属表面改性与抗疲劳、强化与精密化加工设备，超声波加工、热处理、机电、机械加工、以及残余应力消除设备的研发与销售及技术服务；是国家首批高新技术企业，通过了ISO9001：2008国际质量体系认证、欧盟CE认证。目前，公司拥有6万余平米的豪克能产业园和2000平米的豪克能研究院；建有省级“一企一技术”研发中心，市级工程技术研究中心，市级企业技术中心等。先后承担完成国家级项目2项、省级项目2项、市级项目3项，及多项地方项目。华云公司为山东省知识产权示范企业，集研发、生产、销售、服务于一体。目前拥有国家专利93项，其中发明专利25项。

截止2015年底，华云公司总资产达到8462.9万元，银行信用等级AA级。公司研发中心拥有研发人员49人，其中高级工程师12人，硕士2人；拥有精密加工中心、外圆磨床、应力测试仪等加工、检测设备。年销售收入5403万元，利税1000余万元，税收456万元，研发投入523万元，是行业的开拓者。

与山东大学合作成立了联合实验室，对焊接构件超声波消除残余应力以及X射线衍射法进行残余应力检测研究。

二、项目的意义与必要性

项目的背景与意义，国内外发展现状及趋势，目标产品处于产业链重要环节的阐述，对促进产业结构调整、提升产业整体竞争力和水平的重要作用

等。

1、项目的背景与意义

随着我国工业现代化的不断发展，产品的质量与耐久性问题被广泛关注。机械构件又是科技工业和设备的基本构成，而残余应力的存在，对机械构件的可靠性有很大的影响，特别是影响结构件的疲劳寿命、尺寸稳定性和抗腐蚀能力。残余应力在机械构件中普遍存在，残余应力的影响贯穿机械结构全寿命周期。残余应力会导致应力集中，从而导致材料产生微裂纹，而这些裂纹在一定条件下导致材料断裂。采矿机械、输油设备，大型水电、火电、核电等成套设备，大中型建筑机械，交通运输设备等重大技术装备很多时候对残余应力的检测也同样非常重要。在压力容器行业中，由于构件表面存在很大的残余应力，加速了表面腐蚀，从而诱发大量的重特大事故。近年来输油管道爆裂多发，主要原因在于管道焊缝残余应力没有得到及时检测，长时间腐蚀导致应力释放从而引起开裂。近几年在我国得到快速发展的高速铁路的无缝钢轨是通过焊接实现的，焊缝处的残余应力检测和消除，不仅涉及到钢轨寿命而且关系到列车运行安全的大问题。因此，残余应力的检测及消除不仅会影响日常生活，而且会波及到一个国家的稳定和人民的安全。准确、快速地检测出残余应力，对其状态、应力值进行合理评估，及时采取预防措施或有效利用具有十分重要的意义。

消除残余应力的方法很多，如自然时效、热时效、振动时效等，但自然时效周期太长，已不适合现在市场经济的高效要求；热时效不仅消耗大量的能源、占用场地和较大的设备资金投入，而且消除残余应力的效果也因炉况的不同有很大的差异，其对残余应力的消除率一般在40～80%之间；振动时效虽然使用方便，但其应力消除率一般在30～50%。超声消除应力是最彻底消除表层焊接残余拉应力的方法，它不仅使残余应力的消除率达到80～100%，而且还能产生理想的压应力，这对焊接钢轨的抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能大有益处。超声消除应力代替热时效和自然时效方法具有投资少、生产周期短、节约能源、降低成本、使用方便、效果显著等特点，焊接残余应力越高，超声处理降低应力越多，均化效果越好。

将智能机器人与超声应力消除设备及X射线应力测量设备三者创新集成，优化超声刀具消除残余应力最佳运动轨迹及方式，通过超声方式来改变构件原有的应力场，使金属表面产生一定数值的压应力，从而消除残余应力。X射线应力测量设备对构件焊缝自动测量残余应力并具备应力梯度测量、应力云图测量功能。加工参数、工作参数、动态变化曲线和应力测量结果可以统计、查询、打印、汇总。同时具备保存和无线传输功能。

智能化应力消除及应力检测设备将智能化机器人应用于应力消除设备及应力检测设备，不仅减少了人力成本而且可以适应复杂、危险、恶劣的环境，与手持式进行应力消除及应力检测相比，提高了加工质量及检测精度，避免了工作环境因素对操作者的影响。如

果再与自动焊接设备联合使用，将大大提高客户装备自动化水平及工作效率。

提高企业自主创新能力，建立企业为主体、市场为导向、产学研结合的技术创新体系，是企业生存、发展和提高综合竞争力的根本途径，是增强自主创新能力、建设创新型国家的迫切要求，是当前应对国际金融危机、促进经济平稳较快发展的当务之急。近年来，我国企业技术创新积极性迅速增强，但从总体上看，我国企业的技术创新能力还比较薄弱。要加快推进技术创新工程，综合运用政策、投入、金融、服务等多元化的支持方式，引导各类创新要素向企业集聚，使企业真正成为研究开发投入的主体、技术创新活动的主体和创新成果应用的主体。

机器人的应用是我公司的一个全新的技术领域，它的推广应用不仅能提高我公司在应力产品的竞争力，而且可提高我公司的技术水平，提高产品的技术含量和产品附加值，特别是机器人软件的再开发，将我公司的制造水平提高到一个新高度。客户装备该套系统将使客户在技术改造、更新设备，提高装备水平方面迈上一个新台阶。

本项目完成后不仅在航空航天、兵器工业、采矿机械、输油设备有广泛的应用前景，而且对于高铁钢轨行业、桥梁行业、轮船行业、水利、核电等的关键焊接件的表面强化，提高零件的抗疲劳强度及使用寿命意义重大，并具有广阔的市场前景及技术优势，其产业化将促进机械制造工业布局的多元化，并为国家安全和提高民族装备制造水平做出贡献。

2、国内外发展现状及趋势

超声应力消除技术是近年来国际上的研究热点，是超声冲击(UIT/UP)技术的改进与升华。超声冲击技术由世界闻名的乌克兰Paton焊接研究所在1972年最早提出，并由Paton焊接研究所和俄罗斯“量子”研究院共同开发成功，最早用于前苏联海军船只的降低焊接残余应力，引入有益的压应力。1974年，Polozky等人公开发表了将超声冲击技术应用于消除焊缝残余应力的文章。目前，在高能超声（HPU）领域，超声冲击技术成为了一个很有前途的研究方向，并且应用范围已延伸到各种材料、构件及焊接单元。俄罗斯托木斯克理工大学材料学教授、科学院院士prof. V.E.Panin 等，利用超声冲击金属表面制备纳米晶体，在超声冲击技术研究方面取得重大突破。超声冲击技术传入我国，本单位在超声冲击技术基础上，研制了超声应力消除技术。超声应力消除技术利用大功率的超声波推动冲击工具以每秒二万次以上的频率冲击金属物体表面，由于超声波的高频、高效和聚焦下的大能量，使金属表层产生较大的压缩塑性变形；同时超声冲击波改变了原有的应力场，产生一定数值的压应力，并使被冲击部位得以强化。超声应力消除技术在构件、焊接单元、材料等领域，应用成功并取得了不错的成就。超声应力消除技术在铁路、海洋工程、汽车、装甲车辆、重型工程机械、机械零部件、飞机、桥梁、机车车辆、石油管线、 化工机械设备等诸多领域均有所应用。超声应力消除技术虽然广泛应用，但都是单一的超声应力消除设备，目前超声应力消除技术受人为、环境因素影响较大，只能对一些关键件在实验环

境下具有一定熟练技能的操作员工进行精细加工。为消除超声应用领域人为、环境因素的影响，超声技术与智能机器人相结合研究，多数处于实验室研究阶段，很难在恶劣环境下规模化工业应用。而将超声技术、智能机器人、X射线应力测量设备三者创新集成，且具备智能化、数字化、网络化控制研究和应用还未见报道。

3、对全省转型升级的促进作用。

随着我国工业现代化的不断发展，产品的质量与耐久性问题被广泛关注。机械构件又是科技工业和设备的基本构成，而残余应力的存在，对机械构件的可靠性有很大的影响，特别是影响结构件的疲劳寿命、尺寸稳定性和抗腐蚀能力。残余应力会导致应力集中，从而导致材料产生微裂纹，而这些裂纹在一定条件下导致材料断裂。该项目产品将智能化机器人应用于应力消除设备及应力检测设备，不仅减少了人力成本而且可以适应复杂、危险、恶劣的环境，与手持式进行应力消除及应力检测相比，提高了加工质量及检测精度，避免了工作环境因素对操作者的影响。如果再与自动焊接设备联合使用，将大大提高客户装备自动化水平及工作效率。机器人的应用是我公司的一个全新的技术领域，它的推广应用不仅能提高我公司在应力产品的竞争力，而且可提高应力消除行业的技术水平，提高产品的技术含量和产品附加值，特别是机器人软件的再开发，将我国的制造水平提高到一个新高度。客户装备该套系统将使客户在技术改造、更新设备，提高装备水平方面迈上一个新台阶。项目完成后将提升我国在焊接残余应力消除相关产业关键零部件的制造水平，为我国相关行业的核心竞争力提供重要技术支持。该技术的应用可以显著提升我国基础制造水平和能力。其产业化将促进我国机械制造工业布局的多元化，具有重要的经济效益和社会效益。

三、项目目标与任务

1. 项目实施进行整体策划

通过产学研合作，利用项目合作单位在智能机器人方面的优势，结合我公司在智能消除残余应力和检测技术方面的优势完成对焊接零件残余应力的消除以及智能化检测，并实现应力消除、智能检测和数据分析的智能化控制；综合运用材料科学、纳米科学、力学、智能化控制、通讯等多方面的综合知识，结合焊缝应力消除特点，在多学科交叉基础上进行实验方案设计。从消除残余应力产生理想压应力过程中机械、热、电现象等特征研究入手，结合高端测量设备测试和数据分析进一步探索超声动态冲击和脉冲电流作用最佳机械加工工艺参数。把现有的超声应力消除设备升级成智能应力消除设备，根据不同的机械加工工艺进行多组在线编程，编程工艺包括工作电流、运行时间等参数一目了然。采用安卓系统开发智能控制模块，把应力消除设备、机器人、应力测量三者创新集成。工件加工、测量、数据分析一键完成。基于智能机器人激光扫描视觉系统，根据多年的实践经验，结合高端应力测量设备测量结果和数据分析，设计局部搜索算法，优化超声刀具残余应力最

佳运动轨迹，超声智能应力消除测试系统消除人为和环境因素影响。在智能控制模块上扩展远程控制的功能，达到数字化、智能化、网络化控制目的。

2．项目确定的目标与任务需求分析

项目完成后将申请专利8项，其中发明专利3-4项，授权专利7项，其中发明专利3项。发表论文4-5篇。

技术指标：

1）现有的应力消除设备升级成智能型、数字型应力消除设备。

2）开发智能控制测量模块，具备远程控制和无线数据传输功能。同时把超声应力消除设备、智能机器人、X射线应力测量设备三者创新集成。

3）基于智能机器人激光扫描视觉系统，优化消除残余应力超声刀具最佳运动轨迹局部搜索算法设计。

4）可使焊接接头疲劳强度提高50%-120%，疲劳寿命延长2-5倍。

5）金属在腐蚀环境下的抗腐蚀能力提高约40%。

任务需求分析：设计开发超声波消除残余应力机器人试制成功后，预计每年生产100台，每台成本50万元人民币，每套实现毛利润为30万元人民币，针对航空航天、轨道交通等精密关键件以及焊接构件残余应力消除可实现产业化生产。

该项目产品的成功开发不仅在航空航天、兵器工业、采矿机械、输油设备有广泛的应用前景，而且对于高铁钢轨行业、桥梁行业、轮船行业、水利、核电等的关键焊接件的表面强化，提高零件的抗疲劳强度及使用寿命意义重大，并具有广阔的市场前景及技术优势，其产业化将促进机械制造工业布局的多元化，并为国家安全和提高民族装备制造水平做出贡献，项目产品具有很大的市场需求。

3．项目目标与任务解决的主要技术难点和问题分析

在申报单位现有的超声应力消除设备基础上，把超声应力消除设备升级成智能超声应力控制消除系统。把智能应力消除设备、智能机器人、高端应力测量系统三者创新集成。加工效果不受人为、外界环境因素影响。同时对多物理场动态耦合过程进行相关模拟和分析研究，结合对材料表面力学性能分析，探索出超声应力消除的最佳运动轨迹。本项目涉及的关键技术如下：

1）把智能机器人、智能应力消除设备和精密应力测量设备三者创新集成，基于智能机器人激光扫描视觉系统，优化超声消除残余应力最佳运动轨迹和局部搜索算法设计，达到不受外界、人为因素影响，达到最佳消除应力及测量效果。

2）借鉴经典摩擦学的研究方法和相关理论，通过分析外场耦合及表面特征，结合微观精细结构的研究，及高端应力测量设备的测量数据和分析结果，进一步揭示其电-力耦合的物理本质。

3）把超声技术和高端数字化、智能化、网络化控制技术相结合，为工程应用探索新的途径。

4）智能控制模块具有远程控制、加工数据整体保存并无线传输功能（便于智能制造）。

四、现有工作基础与优势

1．国内外现有技术、知识产权和技术标准现状及预期分析

超声应力消除技术是近年来国际上的研究热点，是超声冲击(UIT/UP)技术的改进与升华。超声冲击技术由世界闻名的乌克兰Paton焊接研究所在1972年最早提出，并由Paton焊接研究所和俄罗斯“量子”研究院共同开发成功，最早用于前苏联海军船只的降低焊接残余应力，引入有益的压应力。1974年，Polozky等人公开发表了将超声冲击技术应用于消除焊缝残余应力的文章。目前，在高能超声（HPU）领域，超声冲击技术成为了一个很有前途的研究方向，并且应用范围已延伸到各种材料、构件及焊接单元。俄罗斯托木斯克理工大学材料学教授、科学院院士prof. V.E.Panin 等，利用超声冲击金属表面制备纳米晶体，在超声冲击技术研究方面取得重大突破。超声冲击技术传入我国，本单位在超声冲击技术基础上，研制了超声应力消除技术。超声应力消除技术利用大功率的超声波推动冲击工具以每秒二万次以上的频率冲击金属物体表面，由于超声波的高频、高效和聚焦下的大能量，使金属表层产生较大的压缩塑性变形；同时超声冲击波改变了原有的应力场，产生一定数值的压应力，并使被冲击部位得以强化。超声应力消除技术在构件、焊接单元、材料等领域，应用成功并取得了不错的成就。超声应力消除技术在铁路、海洋工程、汽车、装甲车辆、重型工程机械、机械零部件、飞机、桥梁、机车车辆、石油管线、 化工机械设备等诸多领域均有所应用。超声应力消除技术虽然广泛应用，但都是单一的超声应力消除设备，目前超声应力消除技术受人为、环境因素影响较大，只能对一些关键件在实验环境下具有一定熟练技能的操作员工进行精细加工。为消除超声应用领域人为、环境因素的影响，超声技术与智能机器人相结合研究，多数处于实验室研究阶段，很难在恶劣环境下规模化工业应用。而将超声技术、智能机器人、X射线应力测量设备三者创新集成，且具备智能化、数字化、网络化控制研究和应用还未见报道。

2．项目申请单位及主要参与单位研究基础（已有的研究开发经历，科技成果、科研条件与研究开发队伍现状等）

项目申请单位山东华云机电科技有限公司：

国家首批高新技术企业，通过了ISO9001：2008国际质量体系认证、欧盟CE认证。获得山东省“一企一技术”研发中心、“济南市工程技术中心”、“济南市企业技术中心”

等认证。公司已形成超声波消除应力设备、改性和纳米化复合加工工具系统、改性与抗疲劳加工数控装备三大系列、近百个品种规格产品，达到国际先进水平，填补了国内外空白，用户遍布航空、航天、国防军工、船舶、轨道交通、风电水电核电等高端制造业，可向用户提供超声消除焊接残余应力技术整体解决方案。

公司已建成使用章丘产业基地，拥有研发所需要的计算机硬件设备、网络系统完善，研发所需要的各种机械和电子检测设备齐全。试验所用的多种数控加工中心等；检测设备如准直仪、电子水平仪、高精度大理石平板和平尺、示波器、粗糙度仪、硬度计和应力检测仪等。

公司目前拥有一支49位专科及以上学历的科研人员组成的产品开发团队，中心目前有12名高级工程师，2名硕士。中心负责人为工程技术应用研究员，主要负责公司新项目及产品的研发及技术咨询。

先后承担完成：国家级项目2项：

国家科技型中小企业技术创新基金项目（豪克能数控表面加工机床），经山东省科技厅组织专家鉴定，该项目技术已达到了国际先进水平；

国家工信部（技改类）项目（面向高端制造豪克能金属表面改性和纳米化加工数控车床技改，济发改工高【2013】335号文件）。

省级项目2项：

山东省科技发展计划项目（豪克能镜面加工数控立车）鲁科规【2012】号。

山东省技术创新计划(HYCH5810S金属表面改性与抗疲劳加工专用数控设备)鲁经信技(2015)91号

市级项目3项：

济南市科技发展计划项目“豪克能球型车床”项目、“豪克能复合数控机床”项目、“豪克能汽车轮毂加工专用数控机床及工具系统”项目。

截止目前，公司已与6家高校、科研院所建立了广泛联系和合作，引进先进技术理念，技术水平全部达到国内先进以上，部分技术达到国际先进水平，并完成研发项目3项，与高校合作成立实践基地1个，合作开发新产品、新技术4项，承担省级以上科技项目4个。如：与北京航空材料研究院我国首席疲劳专家赵振业院士进行了合作，将金属表面改性与抗疲劳加工技术纳入航空抗疲劳制造中，开展了试验，进行了一定的研究，目前的试验数据表明：经豪克能改性复合加工后，飞机某关键构件的材料试件的疲劳寿命已达到 108 ，而之前用当前世界上最有效的其它工艺只能达到106 ；豪克能加工使工件表面压应力可达-1300MPa，之前的最有效的工艺只能到-600MPa 。针对高铁机车车轴等关键部件，以细化表面晶粒、提高表面硬度、预置可控压应力，实现提高疲劳寿命、耐磨性为目标，与中国铁道科学研究院进行了合作。针对某航空发动机叶片，以细化表面晶粒、提高表面硬度、

预置可控压应力，以最终实现提高疲劳寿命为目标，与西安航空发动机公司进行了合作。与清华大学深圳研究生院合作进行金属表面纳米化加工机理研究及装备开发。针对金属表面镜面和改性复合加工技术机理的研究，与山东大学机械工程学院和济南大学机械学院进行了研究。与西南交大成立了研究室，共同研究和推广金属表面改性与抗疲劳加工技术在高铁焊接部件上的应用。

项目已有技术基础

残余应力是指工件在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响；当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响。

超声波消除焊接应力原理：以每秒二万次以上的频率冲击金属物体表面，由于豪克能的高频、高效和聚焦下的大能量，使金属产生较大的压缩塑性变形；同时超声波冲击波改变了原有的应力场，产生一定数值的压应力，从而提高了焊接接头的质量。

本项目利用金属在常温下冷塑性的特点，运用超声波技术对金属表面消除残余应力，使金属材料表面产生较大的压缩塑性变形和晶粒细化，可显著降低金属零件的残余应力，同时在零件表面产生理想的压应力，提高金属表面显微硬度和耐磨性、消除表面微观缺陷、提高疲劳强度等。

目前，项目承担单位已获得超声波金属表面加工专利授权93项，其中发明专利25项，对加工技术及其装备研发具有良好的技术基础和实践经验，并取得了大量研究成果。

分别对超声波处理技术在航空抗疲劳制造、导弹发射装置、高铁机车转向架、机车电机、高铁大桥焊接残余应力消除等领域中的应用进行了相关研究，对处理工艺进行了实验分析，揭示了该处理技术对工件表面作用机理。

图1 能量作用示意图

处理前 处理后

图2 处理前后晶粒细化对比图

图3 处理前后应力变化图

图4 浙江大学疲劳寿命对比试验报告（表1放大

)

图5 处理前后焊趾变化图（左边是经过处理的，

右边是未处理的，经处理后焊趾处变成圆滑的几何过渡）

图6 处理国家重点项目—辽西北供水焊接管道焊缝

图7 东风越野车车体焊后应力检测

图8 高速列车转向架处理 图9 高铁大桥处理

图10 军用摩托车车架批量处理

图11 处理前后压应力变化图

项目合作单位山东大学材料科学与工程学院：

山东大学材料科学与工程学院与山东华云机电科技有限公司有多年的产学研合作关系。参加本项目的研发人员有2位教授，1位高级工程师，4位硕士研究生，成员组成合理。具有良好研究基础，研发人员长期致力于视觉检测、应力与变形控制以及机器人自动化方面的研发工作，具有丰富的研发经验，主持和参加了十余项国家自然科学基金、省基金等省部级项目，并与小松山推、沈阳新松机器人有限公司等十余家企业建立了技术合作。已有研发经历中“随焊超声冲击消除焊接残余应力的有限元分析”、“大型不锈钢精加工法兰焊接变形控制的研究”、“基于视觉的管板机器人焊接三维定位与路径规划”、“基于视觉传感的TIG焊接熔透控制”、“短路过渡MAG焊接熔池视觉检测”、“TIG焊接熔池表面变形的视觉检测”、“激光焊接过程的视觉检测”均与本项目密切相关。学院拥有教育部重点实验室1个、省级重点学科4个、省级重点实验室4个、省级工程技术研究中心5个、省级实验教学示范中心1个。大型仪器设备60余台套，仪器资产1.2亿余元。与本项目研究有关的现已具备的实验和研究设施主要有新松工业机器人SR6C及其控制软件；激光扫描视觉检测系统、激光频闪视觉检测系统LaserStrobe；计算机工作站NC1000；大型有限元分析软件ANSYS、SYSWELD2003等，为本项目的研究打下了良好的基础。

五、项目任务分解与考核指标

1． 项目详细的研究内容、技术路线和创新点

研究内容：

智能超声应力消除及测试系统，把现有的超声应力消除设备升级成智能应力消除设备，同时把智能应力消除系统、智能机器人、高端应力测量系统三者创新集成。通过开发智能化的控制测试系统，实现对这种新型超精密装备的智能化、网络化控制。提高加工效率，消除人为、外界环境等因素对加工效果的影响。在开发研制过程中需完成以下主要内容：

1）从消除残余应力产生理想压应力过程中机械、热、电现象等特征研究入手，结合高端测量设备测试和数据分析进一步探索超声动态冲击和脉冲电流作用最佳机械加工工艺参数。

2）把现有的超声应力消除设备升级成智能应力消除设备，根据不同的机械加工工艺进行多组在线编程，编程工艺包括工作电流、运行时间等参数一目了然，

3）采用安卓系统开发智能控制模块，把应力消除设备、机器人、应力测量三者创新集成。工件加工、测量一键完成。

4）基于智能机器人激光扫描视觉系统，根据多年的实践经验，结合高端应力测量设备测量结果和数据分析，设计了局部搜索算法，优化超声刀具残余应力最佳运动轨迹，超声智能应力消除测试系统消除人为和环境因素影响。

5）在智能控制模块上扩展远程控制的功能，达到数字化、智能化、网络化控制目的。

6）加工结束后可根据设定工艺自动测量残余应力并具备应力梯度测量、应力云图测量功能。加工参数、工作参数动态变化曲线和应力测量结果可以统计、查询、打印、汇总。同时具备保存和无线传输功能。

技术路线：

综合运用材料科学、纳米科学、力学、智能化控制、通讯等多方面的综合知识，结合焊缝应力消除特点，在多学科交叉基础上进行实验方案设计。技术路线图如图12所示：

图12 技术路线图

现有的超声应力消除设备，利用大功率的超声推动冲击工具以每秒二万次以上的频率冲击金属物体表面，由于超声的高频、高效和聚焦下的大能量，使金属表层产生较大的压缩塑性变形；同时超声冲击波改变了原有的应力场，产生一定数值的压应力，并使被冲击部位得以强化。超声应力消除设备具有频率高、能量大、聚焦性好、性能稳定等特点。与其它应力消除方式相比，他具有以下优点：

1）是目前最彻底消除焊接残余应力并产生出理想压应力的时效方法（各种时效方法消除残余应力的情况如下：振动时效30～55％、热时效40～80%、超声时效80～100％）。

2）可使焊接接头疲劳强度提高50%-120%，疲劳寿命延长2-5倍。金属在腐蚀环境下的抗腐蚀能力提高约40%。

3）用于消除焊接应力可完全替代热处理、振动时效等时效方法。

4）不受工件材质、形状、结构、钢板厚度、重量、场地之限制，特别是在施工现场、焊接过程和焊接修复时用于消除焊接应力更显灵活方便。

5）可直接将焊趾处的焊接余高、凹坑、咬边处理成圆滑的几何过渡，从而大大降低应力集中系数。

6）可去除焊趾处的微观裂纹、熔渣缺陷，抑制裂纹的提前萌生。

超声应力消除设备具备以上优点的同时有几个明显的缺点：

1）超声应力消除设备工作电流是靠前面板的电位器调节，不开启超声时根本不知道电流的设定值。如超声应力消除设备在不工作时把电位器调到最大，开启超声应力消除设备时会冲击超声刀具头，缩短超声刀具的使用寿命。

2）根据不同材质焊缝，需采取不同的的工艺参数（工作电流）消除焊接残余应力。超声应力消除设备不能针对不同加工件，编程及调用相应的工艺参数，使用不方便。

3）超声应力消除设备自动化程度较低，人工操作太多。不具备远程控制的功能。

4）超声应力消除效果很大程度上受制于超声刀具运动轨迹、手持超声刀具用力大小。超声应力消除设备对设备操作人员素质要求较高，需经很长一段时间培训后才能上岗。操作人员的熟练程度制约超声应力消除效果，这限制了超声应力消除技术的使用范围。

为了克服上述缺点，保留上述优点的同时，把现有的超声应力消除设备升级成智能超声应力消除设备。智能超声应力消除设备具有以下优点：

1）通过数字键设定工作电流和运行时间，设定完参数后按确认键储存，掉电后可记忆。可以设置权限限制非相关工作人员修改工作参数。

2）根据不同的机械加工工艺进行多组在线编程，编程工艺包括工作电流、运行时间等参数一目了然。可根据客户要求编程多组加工工艺，客户只需根据需要调用相应的工艺参数，一键完成加工。

3）智能超声应力消除设备具有远程控制、加工数据整体保存并无线传输功能（便于智能制造）。

为了消除人为因素对超声应力消除效果的影响，把智能应力消除设备与智能机器人创新集成。机器人在超声刀具上加一恒定的力，消除人为控制超声刀具持有力差异对加工效果的影响。选用智能机器人，借助智能机器人激光扫描视觉系统，设计了局部搜索算法，优化超声刀具最佳运动轨迹，消除设备人员能力差异对超声应力消除效果的影响。目前的机器人大多为可编程的示教再现机器人，这种机器人可以在其工作空间内 精确地完成示教的操作。机器人应力消除过程中，如果应力消除条件基本稳定，则机器人能够保证质量。但是，由于各种因素的影响，实际的应力消除条件经常发生变化。例如：高温、 烟尘、飞溅、坡口状况、加工误差、夹具装夹精度、表面状态、和工件热变形等影响会使超声应力刀具运动轨迹偏离焊缝， 从而造成应力消除效果下降甚至失败。因此，应力消除条件的变化要求机器人能够实时检测出超声刀具运动轨迹与焊缝的偏差，并根据超声应力消除

经验，调整超声刀具运动轨迹。选用的机器人是一种基于双模分段控制的焊缝自动跟踪系统。系统中应用新一代激光焊缝传感器测量焊缝的位置，并采用 Fuzzy-P 双模分段控制进行焊缝的纠偏。在大偏差时采用比例（P）控制，而小偏差时采用模糊（Fuzzy）控制。系统中采用 DSP 作为核心控制器产生控制信号，驱动超声刀具横向步进电机和纵向步进电机动作，实现机器人超声应力消除刀具对焊缝的实时自动跟踪。机器人对超声刀具运动轨迹自动控制系统框图如图13所示，系统由激光扫描视觉系统、摆动扫描装置、超声刀具三维调节装置、DSP 控制系统等部分组成。

图13 超声刀具运动轨迹自动控制系统框图

智能超声消除设备与智能机器人创新集成，消除人为、外界环境因素对加工效果的影响。把超声应力消除设备从以前的精细加工领域扩展到工程应用领域，扩大超声应力消除设备使用范围。

为了让客户直观的了解超声应力消除效果，选用X射线衍射法应力测量系统。X射线是表面残余应力测定技术中为数不多的无损检测法之一，是根据材料或制品晶面间距的变化测定应力，至今仍是研究得最广泛、深入、成熟的内应力测定方法，被广泛应用于科学研究和工业生产各领域。过去几十年时间里大家都在使用基于一维探测器和Sin2Ψ分析方法的分析仪，2012年日本Pulstec公司开发出世界首款基于圆形全二维探测器技术和cosα分析方法的新一代X射线残余应力分析仪——μ-X360n，将利用X射线研究残余应力的测量速度和精度推到了一个全新的高度，设备具有如下优点：

1）更快：二维探测器获取完整德拜环，单角度一次入射即可完成测量，全过程平均约90秒。

2）更精确：一次测量最多可获得500个数据点，用于拟合计算应力。

3）更轻松：无需测角仪，单角度一次入射即可，复杂形状和狭窄空间的测量不再困难，从而准确进行应力梯度测量、应力云图测量。

4）更方便：测量精度高，无需冷却水、野外工作无需外部供电。

5）更强大：有区域应力分布测量成像(Mapping)功能，软件有晶粒大小、材料织构、残余奥氏体信息分析功能。

为了提高智能化程度，开发智能控制模块把智能应力消除设备、智能机器人、高端测

量设备三者创新集成。可以通过智能模块设定多组不同的加工工艺参数，工艺参数中可以选择是否进行应力测量。客户可根据不同情况选择不同的工艺参数，加工测量一键完成。智能控制模块对应力消除设备、智能机器人、高端测量设备具有远程控制、加工数据整体保存并无线传输功能（便于智能制造）。智能模块借助智能机器人激光扫描视觉系统，设计了局部搜索算法，优化超声刀具最佳运动轨迹，消除人为和环境因素对应力消除效果的影响。同时结合X射线衍射法应力测量等设备，建立系统的动态电物理和力学测试装置，对力、温度进行连续测量和对被加工材料进行多物理场动态耦合过程相关模拟和分析研究，结合对材料进行表面力学性能分析，进一步探索出最佳电脉冲、最佳应力消除工艺参数、应力消除最佳轨迹。研究中以俄罗斯在摩擦学领域中采用的研究金属摩擦过程电现象、热现象的基本实验方法为基础，结合国内的智能控制技术，设计智能超声应力消除及测试系统。具备智能化、数字化、网络化控制模块，达到远程控制目的。

样件加工时采用平板焊接件、直角弯板焊接件和圆筒焊接件三种不同的结构形式，焊件采用自动焊接技术。直角弯板焊缝处于拐角处及垂直面上，圆筒焊接件安装于一个可使工件旋转的辊轮托架上。加工时首先用手持操作单元的手摇把控制超声应力消除设备及应力检测设备进行运动轨迹优化，然后利用机器人的示教功能进行自动轨迹编程，完成加工。示意图如14所示：

图14 样机示意图

通过机器人各关节的旋转，使机器人手臂产生一个位移，使手柄上的弹簧发生压缩位移量，如图15所示，从而在弹性力的作用下推动超声消除设备压向工件焊趾上，使之在

共振频率施振数分钟，即可达到降低焊接残余应力和提高构件加工尺寸形状的稳定性的效果。在应力消除过程中豪消枪沿焊缝纵向移动，在宽度方向做S形轨迹，每道轨迹重复3遍。

图15 局部示意图

超声应力消除设备加装手柄，如图16所示，利用手柄上的连接盘及止口安装于机器人手腕端面，使用螺栓连接。连接牢固、可靠，操作灵活、效率高。

图16 手柄局部示意图

选择不同加工工艺（如不同电脉冲参数）的材料样品，分析在不同变形条件和不同超声参数和脉冲电刺激参数下的试样近表面区微观精细结构的变化特征→X射线衍射法测量残余应力和外加的理想压应力→完善超声应力消除工艺参数及超声刀具运动轨迹。利用计算机对脉冲电流在加工过程中的电流场和温度场进行优化并用实测数据加以修正，在力-

电耦合效应分析基础上，结合材料力学性能和显微组织分析建立相应的数学物理模型。最终形成一套较系统完整的智能超声应力消除最佳理论分析方案及超声刀具的最佳运动轨迹。同时引进先进的控制技术。在开展上述研究内容的基础上，开发有远程控制、加工数据整体保存并无线传输功能（便于智能制造）智能控制模块。加工效果不受人为和恶劣环境等因素影响，加工测量一键完成。扩展了超声应力消除设备使用范围，从而使智能超声应力消除及测试系统实现产业化。

项目产业化后将建成超声波消除残余应力机器人生产线，工艺流程如图17所示，智能超声应力消除设备及智能控制模块生产、调试、检验等均在项目申报单位。智能机器人由项目协作单位提供，负责智能机器人生产、调试、检验。申报单位与协作单位紧密合作，根据客户使用情况，不断对产品进行改进和完善，保障智能超声应力消除及测试系统实现产业化。

图17 工艺流程图

生产工艺说明：

项目产品生产过程包括如下工艺过程：铸造、锻造、机械加工、热处理、钣金制作、装配、喷涂、包装。

铸造：铸件全部外协采购。 锻造：锻件全部外协采购。

机械加工：本项目只承担精度要求较高精密零件的精加工。粗加工、半精加工采取全部外协生产，部分精度要求不高的一般零件采取全部外协生产。

热处理：零件的热处理全部外协生产。 钣金制作：钣金件全部外协生产。

装配：包括电气装配、部件装配及整机调试。

喷涂：全部外协生产。所有零件全部按整机要求喷涂好，由外协单位承担，整机不再喷涂。

2．主要技术指标（技术考核指标及其水平，与国内外同类技术或产品的竞争分析等） 1）创建一套适用于规模化工业生产的智能超声应力消除及测试系统新方法，消除残余应力的同时提高疲劳寿命，构建面向新型超声应力消除工艺，及超声消除应力最佳运动轨迹，加工效果不受人为和外界环境影响。

2）显示超声输入电压、超声工作电压的峰峰值和均方根值、超声母线电流、超声工

作频率和超声工作压力等，显示精度小于2%。

3）能进行应力梯度测量，测量出应力数值并描绘应力梯度曲线测量应力云图及数据。 4）智能控制模块具有远程控制、加工数据整体保存及无线传输功能。 5）可使焊接接头疲劳强度提高50%-120%，疲劳寿命延长2-5倍。 3．主要经济、社会、环境效益

本项目在钢轨制造企业可实现提高产品性能、降低制造成本的目的。本项目把现有的应力消除设备升级成智能应力消除设备，在超声应用技术与智能控制技术结合方面填补了国内外空白，项目产品产业化后将为我国高端制造行业提供一种低成本、高效率长寿命抗疲劳、耐腐蚀关键零构件制造设备和工艺。

本项目技术的实施与产品转化必将为我国制造业的技术水平提高起到重要的推动作用，充分增强我国高铁轨道制造企业的市场竞争力和技术水平，获取可观的社会效益。项目完成后不仅在钢轨行业有广泛的应用背景，对于钢结构桥梁、船舶等行业的关键焊接表面确定性强化具有广阔的市场前景及技术优势，同时项目完成全面产业后预计为公司年增销售收入8000万元，年增税收900万元，年增利润700万元。

项目产品非常符合国家产业政策，产品诉求点明确、独特，与世界高精尖制造趋势相吻合，具有广阔的目标客户群。其产业化将促进我省机械制造工业布局的多元化，具有良好经济效益和重要社会效益，并为国家安全和提高民族装备制造水平做出贡献。

本项目产品环保无污染无排放，品质高，完全符合“十三五”期间“提倡科技创新、加快产业升级、振兴实体经济”的国家战略。

4．项目实施中可能形成的示范基地、中试线、生产线及其规模

依据申报单位现有科研、生产平台建设优势，建立超声智能应力消除加工示范基地。项目实施中预期将建成一条年生产100台套超声波消除残余应力机器人生产线，从而实现产业化。

六、经费预算

1．项目总投资预算方案、各项任务经费分配及分年度经费需求

1．项目总投资预算方案、各项任务经费分配及分年度经费需求

项目总投资1680万元,已投入260万元。项目新增投资1420万元，其中申请山东省重点研发计划专项资金500万元。其中，400万元经费用于山东华云机电科技有限公司项目研发及产业化，100万元经费用于山东大学材料科学与工程学院在参数测量及数据分析、机器人路径优化、机器人控制以及视觉图像处理等研究。自筹资金920万元，由山东华云机电科技有限公司保证。

2016年投资390万元，主要用于设备费、材料费、测试化验加工费、基本建设费等。其中设备费120万元、材料费100万元、测试化验加工费50万元、差旅费30万元、会议费5万元、人员费15万元、专家咨询费10万元、基本建设费60万元。

2017年投资720万元，主要用于设备购置、材料费、测试化验加工费、燃料动力费、基本建设费等。其中设备购置240万元、材料费190万元、测试化验加工费90万元、燃料动力费30万元、专家咨询费5万元、人员费40万元、差旅费20万元、会议费10万元、劳务费20万元、间接费用25万元、基本建设费50万元。

2018年投资310万元，主要用于材料费、测试化验费、市场调研费、知识产权事务费等。其中材料费60万元、测试化验费80万元、燃料动力费10万元、差旅费30万元、会议费15万元、市场调研费30万元、知识产权事务费15万元、人员费35万元、间接费用25万元。

2． 资金筹措方案及配套资金落实措施

项目新增920万元投资全部来自企业自有资金。目前公司账户上有1102万元资金，企业承诺其中920万元用于该项目。

3.资金来源 单位：万元

4.新增投资支出概算 单位：万元

5．省拨经费支出概算 单位：万元

七、项目年度计划及年度目标

八、实施机制

1．项目的组织管理措施及制度体系建设 企业管理情况

1）决策程序以公司制度及议事规则为标准，按各自权限与程序办理。 2）内部控制制度及执行情况

预算管理：财务部门项目计划编制年度财务预算，包括：现金预算、损益预算、权益预算

采购管理：采购物流部根据公司研发与生产计划，比较市场价格、质量，制定采购计划，组织采购工作，确保原辅料、包装材料符合标准要求。

销售管理：严格执行国家法令、法规及公司经营方针、目标。搜集产品质量、产品销售、市场容量、与市场价格等市场信息做好分析和预测工作，及时反馈有关部门。根据年度销售目标，制定本部门的季度、月度销售计划、资金回笼计划，并按计划实施。做好服务工作，采取多种形式向客户介绍公司产品，为用户提供技术、销售咨询服务，负责产品的售后服务。

存货管理：公司各项产品的存量，由营销中心负责统一管理，避免资金呆滞、存量不足或品质受损而影响销售。所有物资一律凭领料单领用，领料单由专人保管，制定了公司物资盘点制度并严格执行。

固定资产管理：按照《财务管理制度》办理固定资产计价。固定资产的购置和管理根据计划任务、技术条件和资金可能情况全面考虑，统筹安排。建立固定资产明细账做到财、卡、物相符。

现金管理：严格现金收支手续，对于每一笔现金业务，认真审核原始单据，并填制现金收付会计凭证。现金的收支保管，由出纳负责办理。严格执行“钱账分管”原则。

3）人力资源开发管理采用培训与外聘的方式进行。 4）科技开发管理

按照公司的科技发展战略及规划及中长期科技发展规划，制定年度的科技开发计划，根据公司年度科技开发计划安排、指令开展科研管理工作，在技术研发过程中邀请专家委员会给予技术支持，解决重大技术难题；组织对科研项目验收。

2. 产学研结合模式

与山东大学合作，开展基于智能机器人开发激光扫描视觉系统，结合高端应力测量设备测量结果和数据分析，设计局部搜索算法，在智能机器人上预留远程控制功能，能通过PC接口实现优化超声刀具残余应力最佳运动轨迹等。

项目申报单位建有市级工程技术中心与企业研发中心，专职研发人员49人，拥有各种加工中心、应力测试仪等1500余万元具有国内行业领先水平的研发设备。 3．知识产权与成果管理及权益分配

本项目执行过程中所形成的知识产权权属及利益分配，按公司《知识产权管理办法》及《产学研合作协议》执行。

九、项目负责人及参加项目主要人员情况

1、项目负责人情况：

2.项目技术负责人情况：

3.申报单位主要参加人员情况：

4．参标单位主要参加人员情况：

十、其他需要说明的事项 无

十一、项目附表

1．项目目标产品分析（不超过1500字，可以插图表）

4.项目协同创新情况

5、项目促进节能减排情况

注：请将相关检测、评估报告等附后

6.项目带动知识产权产出情况

注：该表填写数为项目实施期预计数。

十二、主管部门推荐意见

十三、附件

相关证明文件等附件需齐全、真实，如存在涉密情况，请予以特别说明，按照以下顺序装订。

1、最新营业执照 2、资金匹配承诺函 3、项目自有资金证明材料； 4、上两年度审计报告 5、认定的技术合同 6、产学研合作协议

7、授权专利、软件著作权登记证书、科技奖励证书等 8、其他证明

9、第三方权威检验、检测报告、重要用户报告