2024年4月2日，由中機科（北京）車輛檢測工程研究院有限公司指導，《工程機械與維修》雜志主辦，匠客工程機械承辦的“2024中國工程機械年度產品TOP50頒獎典禮”在北京盛大舉行。在工程機械產品發展（北京）論壇上，清華大學機械工程系教授劉辛軍發表題為《大型復雜構件變革性加工技術與裝備》的精彩主題演講。

清華大學(xue)機械工程系教授劉辛軍

重大戰(zhan)略(lve)(lve)裝備(bei)(bei)關系(xi)國(guo)(guo)計(ji)民生和(he)核(he)心(xin)(xin)競爭力，被譽為大國(guo)(guo)博弈不可或(huo)缺的(de)(de)“國(guo)(guo)家重器”，航(hang)空、航(hang)天(tian)、航(hang)海、能源、交通和(he)隧(sui)道建(jian)設等關系(xi)國(guo)(guo)計(ji)民生和(he)社會經(jing)濟發展的(de)(de)重大工程(cheng)，都(dou)需(xu)要(yao)重大戰(zhan)略(lve)(lve)裝備(bei)(bei)。大型復雜構件(jian)(jian)(jian)是(shi)重大戰(zhan)略(lve)(lve)裝備(bei)(bei)的(de)(de)核(he)心(xin)(xin)部(bu)件(jian)(jian)(jian)，它們的(de)(de)共同特點是(shi)構件(jian)(jian)(jian)尺寸大、局部(bu)特征(zheng)多、精度(du)要(yao)求高。構件(jian)(jian)(jian)大型化、復雜化、局部(bu)精確化，對制造裝備(bei)(bei)的(de)(de)結(jie)構、效率、精度(du)、測量、工藝提出嚴峻(jun)挑戰(zhan)，是(shi)高端(duan)制造領域的(de)(de)世界性難題。只有順應時(shi)(shi)代，才能發現與時(shi)(shi)代主流(liu)技(ji)術(shu)相結(jie)合的(de)(de)突(tu)破口。

大型構件加工(gong)模式與(yu)裝備創(chuang)新(xin)

目前亟需探索變革性制造模式，研(yan)制高性能加(jia)工(gong)(gong)(gong)裝備，突破現有加(jia)工(gong)(gong)(gong)技術瓶(ping)頸，實現大型(xing)復雜(za)構(gou)件的(de)高效高質量加(jia)工(gong)(gong)(gong)。五(wu)軸聯動加(jia)工(gong)(gong)(gong)中(zhong)心可把“機械(xie)手”舉(ju)起來，“手-眼-腦”協同(tong)加(jia)工(gong)(gong)(gong)，可對大型(xing)結構(gou)件進行(xing)原位加(jia)工(gong)(gong)(gong)制造。

原位高(gao)效高(gao)精加工(gong)案例1

目前(qian)五軸聯動(dong)加工(gong)(gong)(gong)中心已完成(cheng)世界現役裝載能力最強(7.4t)的天舟六號(hao)貨運(yun)飛(fei)船(chuan)(chuan)的整艙結(jie)構與艙段的精(jing)(jing)密銑削，實現了10t級機(ji)器人(ren)代替“百噸級機(ji)床(chuang)+人(ren)工(gong)(gong)(gong)修(xiu)配”的精(jing)(jing)密加工(gong)(gong)(gong)飛(fei)船(chuan)(chuan)制造“最后一刀”的精(jing)(jing)加工(gong)(gong)(gong)，擺脫(tuo)了對進口機(ji)床(chuang)及人(ren)工(gong)(gong)(gong)打磨(mo)的依(yi)賴。該機(ji)器人(ren)可(ke)使大型艙體構件(jian)加工(gong)(gong)(gong)精(jing)(jing)度提高2倍、效(xiao)率(lv)提高3倍，已成(cheng)為天舟系列(lie) (6-11號(hao)) 貨運(yun)飛(fei)船(chuan)(chuan)組合加工(gong)(gong)(gong)的主(zhu)力設備。

原位高(gao)效高(gao)精加(jia)工案例2

XXX號衛星遮(zhe)光(guang)罩及(ji)工裝重量＞20t，超過機(ji)(ji)(ji)床和廠房天車的承載極限，無法采用(yong)機(ji)(ji)(ji)床加(jia)工，人(ren)工作業(ye)效(xiao)率低(周期2周以(yi)(yi)上) ，采用(yong)該機(ji)(ji)(ji)器人(ren)僅需2天即可(ke)完成(cheng)，避免了儀(yi)器艙(cang)在部裝車間與機(ji)(ji)(ji)械加(jia)工車間之間的多次(ci)轉運與裝卡(ka)。其首次(ci)采用(yong)移動式機(ji)(ji)(ji)器人(ren)代(dai)替大型(xing)機(ji)(ji)(ji)床進行整星組(zu)合精加(jia)工，解決了關聯基準下空間多平面的高精度(du)銑削難(nan)題，徹底改變了大型(xing)遮(zhe)光(guang)罩(遠超機(ji)(ji)(ji)床行程)無裝備可(ke)用(yong)、只(zhi)能被(bei)迫人(ren)工作業(ye)，以(yi)(yi)及(ji)儀(yi)器艙(cang)只(zhi)能依賴進口專機(ji)(ji)(ji)加(jia)工的被(bei)動局面。

大型復雜構件加工(gong)發展愿(yuan)景

隨著重(zhong)大(da)戰略裝(zhuang)備(bei)復(fu)雜(za)構(gou)(gou)件的大(da)型(xing)化，單(dan)一構(gou)(gou)型(xing)加工裝(zhuang)備(bei)的固有(you)局(ju)限(xian)性(xing)將限(xian)制其加工精度及(ji)效率的進一步提(ti)升。發展機器(qi)人化、小型(xing)化、便攜式加工技(ji)術和裝(zhuang)備(bei)，將成(cheng)為高水平制造技(ji)術自(zi)立(li)自(zi)強的新賽(sai)道。

機器人(ren)化

可利用(yong)五軸(zhou)并聯加(jia)工(gong)(gong)(gong)單(dan)元模(mo)塊化和輕量化的特性，集成六自由度工(gong)(gong)(gong)業機械臂，開發“6+5”型(xing)(xing)混聯加(jia)工(gong)(gong)(gong)機器人(ren)(ren)，解決(jue)無人(ren)(ren)機復材疊層高(gao)(gao)效高(gao)(gao)精(jing)制孔難題。如(ru)采用(yong)“6+5”型(xing)(xing)混聯加(jia)工(gong)(gong)(gong)機器人(ren)(ren)進行(xing)無人(ren)(ren)機機身制孔，窩深精(jing)度優于0.1mm，孔徑精(jing)度優于0.1mm，實現了鉚釘(ding)的精(jing)確裝(zhuang)配，相(xiang)比于人(ren)(ren)工(gong)(gong)(gong)制孔，效率提升約2倍(bei)。如(ru)機器人(ren)(ren)高(gao)(gao)動(dong)態輕切削代替重型(xing)(xing)機床(chuang)重載(zai)切削，效率至少提升2倍(bei)。

小型化

隨著航空(kong)(kong)航天(tian)、能源等(deng)領域構(gou)件(jian)(jian)(jian)尺寸逐漸增(zeng)大，真(zhen)空(kong)(kong)吸(xi)附(fu)式加(jia)工(gong)(gong)機(ji)器人在(zai)一體化加(jia)工(gong)(gong)方面的高靈活性優勢愈(yu)加(jia)明顯，可(ke)完成(cheng)大型復雜構(gou)件(jian)(jian)(jian)安裝面加(jia)工(gong)(gong)。真(zhen)空(kong)(kong)吸(xi)附(fu)加(jia)工(gong)(gong)機(ji)器人，通過負壓吸(xi)附(fu)在(zai)工(gong)(gong)件(jian)(jian)(jian)表面，由加(jia)工(gong)(gong)模塊(kuai)實現工(gong)(gong)件(jian)(jian)(jian)五軸原位(wei)加(jia)工(gong)(gong)。磁(ci)吸(xi)附(fu)加(jia)工(gong)(gong)機(ji)器人具備(bei)大范圍(wei)移動、五軸聯動能力，重復定位(wei)精(jing)度32μm，實驗驗證了具備(bei)銑削45號鋼、玻(bo)璃纖維、碳(tan)纖維、7075航空(kong)(kong)鋁等(deng)材質零(ling)件(jian)(jian)(jian)的能力。

大(da)長寬比復雜構(gou)件是航(hang)空(kong)裝備整機(ji)(ji)骨架的關鍵組成部分，例如(ru)整體壁板、翼梁、翼肋、桁條等，其高(gao)效(xiao)(xiao)高(gao)質量加工是航(hang)空(kong)制造(zao)業的重大(da)需(xu)(xu)(xu)求。該類復雜航(hang)空(kong)結(jie)構(gou)件對(dui)裝備的加工效(xiao)(xiao)率(lv)及精(jing)度(du)提(ti)出了苛刻的要求。隱(yin)身飛機(ji)(ji)蒙皮匹配精(jing)度(du)需(xu)(xu)(xu)要人(ren)工修配，成為裝配效(xiao)(xiao)率(lv)的瓶頸，亟(ji)需(xu)(xu)(xu)大(da)行程高(gao)空(kong)間(jian)定(ding)位精(jing)度(du)五軸數控(kong)機(ji)(ji)床(chuang)。

便攜式(shi)

面向大長(chang)寬(kuan)比復雜構(gou)件一(yi)體成型加(jia)工(gong)需求(qiu)，結(jie)合龍(long)門大行(xing)程與(yu)全并聯(lian)模塊(kuai)(kuai)高精(jing)高效加(jia)工(gong)特性(xing)，設計了基于(yu)五軸并聯(lian)模塊(kuai)(kuai)的(de)高架式龍(long)門加(jia)工(gong)中心。其可充分(fen)發揮龍(long)門大范圍定位與(yu)并聯(lian)五軸高效加(jia)工(gong)能力，實(shi)現了大長(chang)寬(kuan)比框架類結(jie)構(gou)件的(de)加(jia)工(gong)。

高端裝備制(zhi)造技(ji)術發展愿(yuan)景

展望未來，順應加工(gong)裝備機器人化、智能化發展趨勢(shi)，促進制造裝備與信(xin)息技(ji)術和(he)人工(gong)智能深度融合，實現(xian)高端制造業(ye)核心技(ji)術及裝備自主可(ke)控，對于提升國(guo)家(jia)核心競爭力、保(bao)障國(guo)家(jia)安全具有(you)重大意義。

全并聯(lian)五(wu)軸加(jia)工(gong)模塊具有結構緊湊、重量輕、剛度(du)高、動態特性好等優點，可重構配置，可根(gen)據需求搭配各類移(yi)動單元，提升(sheng)加(jia)工(gong)單元對不同場景的(de)適(shi)應(ying)性。面(mian)向大(da)型(xing)復雜構件(jian)的(de)多元化加(jia)工(gong)需求，要充分(fen)發(fa)揮加(jia)工(gong)裝備小型(xing)化特點，構建并行式(shi)(shi)、陣列式(shi)(shi)、鏡像(xiang)式(shi)(shi)等多類型(xing)智能協同加(jia)工(gong)系(xi)統(tong)，實現大(da)型(xing)復雜構件(jian)的(de)原位加(jia)工(gong)。

面向(xiang)大型構(gou)件(jian)(jian)復雜型面特征的加(jia)(jia)工(gong)需求(qiu)，要(yao)構(gou)建場景(jing)信(xin)息(xi)融合、在線加(jia)(jia)工(gong)、實(shi)時檢測(ce)有機結合的制造體系，以(yi)實(shi)現大型構(gou)件(jian)(jian)各類表面特征的一體化(hua)高效加(jia)(jia)工(gong)和檢測(ce)。面向(xiang)裝(zhuang)(zhuang)備性(xing)能維持需求(qiu)，要(yao)構(gou)建多傳感器(qi)融合的加(jia)(jia)工(gong)裝(zhuang)(zhuang)備狀(zhuang)態(tai)在線監控及性(xing)能自(zi)修復系統，推動加(jia)(jia)工(gong)裝(zhuang)(zhuang)備網絡化(hua)、數字化(hua)賦能，實(shi)現加(jia)(jia)工(gong)裝(zhuang)(zhuang)備全(quan)生命周期(qi)健康自(zi)主管理(li)。

社會的發展將(jiang)越(yue)來越(yue)回歸“自然”、回歸“和諧”，輕(qing)量化材料和輕(qing)量化結構件的需求(qiu)(qiu)將(jiang)越(yue)來越(yue)多(duo)，“模(mo)糊(hu)化”精(jing)細作(zuo)業或(huo)將(jiang)成為(wei)主(zhu)流，制造(zao)裝(zhuang)備的高精(jing)度和大(da)型(xing)化需求(qiu)(qiu)將(jiang)越(yue)來越(yue)少，“人工智(zhi)能(neng)+移動式機器”或(huo)許將(jiang)成為(wei)未來加(jia)工制造(zao)領域的主(zhu)力(li)軍。 當前，在人工智(zhi)能(neng)尚不(bu)能(neng)很好地為(wei)精(jing)細化作(zuo)業提供有效解決方案的情況(kuang)下，精(jing)確(que)多(duo)模(mo)式感知(zhi)與制造(zao)裝(zhuang)備的交叉是值得期待的。