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。

清華大學機械工(gong)程系教授劉辛軍(jun)

重(zhong)(zhong)大戰略裝(zhuang)備關系國(guo)計(ji)民(min)生和(he)(he)核(he)心(xin)競爭力，被譽(yu)為大國(guo)博弈(yi)不可或(huo)缺的(de)(de)“國(guo)家(jia)重(zhong)(zhong)器”，航空(kong)、航天、航海、能(neng)源、交(jiao)通和(he)(he)隧道建設等(deng)關系國(guo)計(ji)民(min)生和(he)(he)社會經濟發(fa)展(zhan)的(de)(de)重(zhong)(zhong)大工程，都需要(yao)重(zhong)(zhong)大戰略裝(zhuang)備。大型(xing)(xing)復(fu)雜構(gou)件是重(zhong)(zhong)大戰略裝(zhuang)備的(de)(de)核(he)心(xin)部(bu)(bu)件，它們的(de)(de)共同特點是構(gou)件尺寸大、局部(bu)(bu)特征(zheng)多、精度要(yao)求高。構(gou)件大型(xing)(xing)化(hua)、復(fu)雜化(hua)、局部(bu)(bu)精確化(hua)，對(dui)制造裝(zhuang)備的(de)(de)結(jie)構(gou)、效(xiao)率、精度、測量、工藝提出嚴峻挑戰，是高端制造領域(yu)的(de)(de)世界性難題(ti)。只有順應時代，才能(neng)發(fa)現(xian)與時代主流技術相結(jie)合的(de)(de)突破口。

大型構件(jian)加(jia)工模(mo)式與裝備創新

目前亟(ji)需探(tan)索變革(ge)性(xing)制造模式(shi)，研(yan)制高性(xing)能加(jia)(jia)工(gong)裝(zhuang)備，突破現有加(jia)(jia)工(gong)技術瓶頸，實現大型復雜構(gou)件的高效高質(zhi)量加(jia)(jia)工(gong)。五軸聯動加(jia)(jia)工(gong)中心可(ke)把“機械手(shou)”舉(ju)起來，“手(shou)-眼-腦”協同加(jia)(jia)工(gong)，可(ke)對(dui)大型結構(gou)件進(jin)行原位加(jia)(jia)工(gong)制造。

原位高(gao)效高(gao)精(jing)加工案(an)例1

目前五(wu)軸聯動加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)中(zhong)心已(yi)完成世(shi)界現役裝(zhuang)載能(neng)力最強(7.4t)的(de)(de)(de)(de)天舟六號(hao)貨運飛(fei)船的(de)(de)(de)(de)整(zheng)艙結構與艙段的(de)(de)(de)(de)精(jing)密銑(xian)削，實(shi)現了10t級(ji)機器(qi)人代替“百(bai)噸級(ji)機床+人工(gong)(gong)(gong)修配”的(de)(de)(de)(de)精(jing)密加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)飛(fei)船制造“最后一刀”的(de)(de)(de)(de)精(jing)加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)，擺脫了對進口(kou)機床及(ji)人工(gong)(gong)(gong)打磨的(de)(de)(de)(de)依賴。該機器(qi)人可使大型艙體構件加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)精(jing)度(du)提(ti)高2倍、效率提(ti)高3倍，已(yi)成為天舟系列 (6-11號(hao)) 貨運飛(fei)船組(zu)合加(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)的(de)(de)(de)(de)主力設(she)備(bei)。

原位高效(xiao)高精(jing)加(jia)工案例2

XXX號衛星遮光罩及(ji)工(gong)(gong)裝重量＞20t，超過機(ji)(ji)(ji)床(chuang)(chuang)和廠房天(tian)車(che)的(de)承載極限，無法(fa)采用機(ji)(ji)(ji)床(chuang)(chuang)加工(gong)(gong)，人(ren)工(gong)(gong)作業(ye)效(xiao)率低(周(zhou)期2周(zhou)以上) ，采用該機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)僅需2天(tian)即可(ke)完成，避免(mian)了(le)儀(yi)器(qi)艙在部裝車(che)間與機(ji)(ji)(ji)械加工(gong)(gong)車(che)間之間的(de)多次(ci)轉(zhuan)運與裝卡。其(qi)首次(ci)采用移動式機(ji)(ji)(ji)器(qi)人(ren)代替大型(xing)機(ji)(ji)(ji)床(chuang)(chuang)進(jin)(jin)行整(zheng)星組合精(jing)加工(gong)(gong)，解決(jue)了(le)關聯基準(zhun)下空間多平面(mian)的(de)高精(jing)度銑削(xue)難題，徹(che)底改變(bian)了(le)大型(xing)遮光罩(遠超機(ji)(ji)(ji)床(chuang)(chuang)行程(cheng))無裝備可(ke)用、只能被迫(po)人(ren)工(gong)(gong)作業(ye)，以及(ji)儀(yi)器(qi)艙只能依賴進(jin)(jin)口專機(ji)(ji)(ji)加工(gong)(gong)的(de)被動局(ju)面(mian)。

大型復雜構件加工發展愿(yuan)景

隨著重大戰略裝(zhuang)備復雜構件(jian)的(de)大型化(hua)，單(dan)一構型加(jia)工裝(zhuang)備的(de)固有(you)局限性將(jiang)(jiang)限制(zhi)其加(jia)工精(jing)度及(ji)效率的(de)進一步(bu)提升(sheng)。發展機器人化(hua)、小(xiao)型化(hua)、便(bian)攜式(shi)加(jia)工技術和裝(zhuang)備，將(jiang)(jiang)成(cheng)為(wei)高(gao)水平制(zhi)造技術自立自強的(de)新賽道。

機器人化(hua)

可(ke)利用(yong)五軸并聯加工(gong)單元模(mo)塊化和輕(qing)量(liang)化的特性，集(ji)成六自由度(du)(du)工(gong)業機(ji)(ji)(ji)械臂，開發“6+5”型混(hun)聯加工(gong)機(ji)(ji)(ji)器人，解決無人機(ji)(ji)(ji)復材疊層高效(xiao)(xiao)高精(jing)制(zhi)孔(kong)難題。如(ru)采用(yong)“6+5”型混(hun)聯加工(gong)機(ji)(ji)(ji)器人進行無人機(ji)(ji)(ji)機(ji)(ji)(ji)身制(zhi)孔(kong)，窩深(shen)精(jing)度(du)(du)優于(yu)0.1mm，孔(kong)徑精(jing)度(du)(du)優于(yu)0.1mm，實現了鉚釘的精(jing)確(que)裝(zhuang)配，相比于(yu)人工(gong)制(zhi)孔(kong)，效(xiao)(xiao)率(lv)提升約2倍(bei)。如(ru)機(ji)(ji)(ji)器人高動態(tai)輕(qing)切(qie)削代替重型機(ji)(ji)(ji)床重載切(qie)削，效(xiao)(xiao)率(lv)至少提升2倍(bei)。

小(xiao)型化(hua)

隨著航(hang)空航(hang)天、能源等領(ling)域(yu)構件(jian)尺寸逐漸增(zeng)大，真空吸(xi)附(fu)(fu)(fu)式加(jia)工機器人(ren)在一體(ti)化加(jia)工方面(mian)的高靈活性優勢愈加(jia)明顯，可完成大型復雜構件(jian)安裝面(mian)加(jia)工。真空吸(xi)附(fu)(fu)(fu)加(jia)工機器人(ren)，通過負壓吸(xi)附(fu)(fu)(fu)在工件(jian)表面(mian)，由(you)加(jia)工模塊實(shi)現(xian)工件(jian)五軸原(yuan)位加(jia)工。磁(ci)吸(xi)附(fu)(fu)(fu)加(jia)工機器人(ren)具備大范(fan)圍移動(dong)、五軸聯動(dong)能力，重復定位精度(du)32μm，實(shi)驗(yan)驗(yan)證(zheng)了具備銑削45號鋼(gang)、玻璃纖(xian)維、碳(tan)纖(xian)維、7075航(hang)空鋁等材質(zhi)零(ling)件(jian)的能力。

大長寬(kuan)比(bi)復(fu)雜構(gou)(gou)件是航空(kong)裝(zhuang)備(bei)整機(ji)(ji)骨(gu)架(jia)的(de)(de)關(guan)鍵組成部(bu)分(fen)，例如(ru)整體壁板(ban)、翼(yi)梁(liang)、翼(yi)肋(lei)、桁條等，其高(gao)(gao)效(xiao)高(gao)(gao)質量加工是航空(kong)制造業的(de)(de)重大需求。該類復(fu)雜航空(kong)結構(gou)(gou)件對裝(zhuang)備(bei)的(de)(de)加工效(xiao)率及精(jing)度提(ti)出了苛刻的(de)(de)要求。隱身飛機(ji)(ji)蒙皮匹配(pei)(pei)精(jing)度需要人工修(xiu)配(pei)(pei)，成為裝(zhuang)配(pei)(pei)效(xiao)率的(de)(de)瓶頸，亟需大行程(cheng)高(gao)(gao)空(kong)間(jian)定位精(jing)度五軸數控機(ji)(ji)床。

便(bian)攜式

面向大長(chang)寬(kuan)(kuan)比復(fu)雜構件一體成型加(jia)工需求，結合龍門(men)大行(xing)程與(yu)全并(bing)聯(lian)模塊(kuai)高(gao)(gao)精高(gao)(gao)效加(jia)工特性，設計了基(ji)于五軸并(bing)聯(lian)模塊(kuai)的(de)高(gao)(gao)架式龍門(men)加(jia)工中心(xin)。其可充分發(fa)揮龍門(men)大范圍定位與(yu)并(bing)聯(lian)五軸高(gao)(gao)效加(jia)工能力(li)，實(shi)現了大長(chang)寬(kuan)(kuan)比框架類結構件的(de)加(jia)工。

高端裝備制(zhi)造技術發展愿(yuan)景

展望未(wei)來，順應加工(gong)裝備機器人(ren)化(hua)、智能(neng)化(hua)發展趨勢，促(cu)進制(zhi)造(zao)(zao)裝備與信息技(ji)術(shu)(shu)和人(ren)工(gong)智能(neng)深度融合，實現高(gao)端(duan)制(zhi)造(zao)(zao)業(ye)核(he)心技(ji)術(shu)(shu)及裝備自主可(ke)控，對于提升國(guo)家核(he)心競爭力(li)、保障國(guo)家安(an)全具(ju)有重大意義(yi)。

全并(bing)聯五軸加工(gong)模塊具有結構緊湊、重(zhong)量輕、剛度高、動態(tai)特性好等(deng)優點，可重(zhong)構配(pei)置，可根據需(xu)求搭配(pei)各類(lei)移動單元(yuan)，提升加工(gong)單元(yuan)對(dui)不同場景的(de)適應性。面向大型(xing)復雜(za)構件(jian)的(de)多元(yuan)化加工(gong)需(xu)求，要充分發揮加工(gong)裝備小型(xing)化特點，構建并(bing)行式、陣列式、鏡像式等(deng)多類(lei)型(xing)智能協同加工(gong)系統，實現大型(xing)復雜(za)構件(jian)的(de)原位(wei)加工(gong)。

面向(xiang)大型構(gou)件復(fu)雜型面特征(zheng)的(de)加工需求，要構(gou)建場景信息融(rong)(rong)合(he)(he)、在線加工、實(shi)時檢測有機結合(he)(he)的(de)制造體(ti)系，以實(shi)現大型構(gou)件各類表(biao)面特征(zheng)的(de)一(yi)體(ti)化(hua)(hua)高效加工和檢測。面向(xiang)裝(zhuang)備(bei)性能(neng)維持需求，要構(gou)建多傳感器(qi)融(rong)(rong)合(he)(he)的(de)加工裝(zhuang)備(bei)狀(zhuang)態(tai)在線監控(kong)及(ji)性能(neng)自修復(fu)系統，推動(dong)加工裝(zhuang)備(bei)網絡化(hua)(hua)、數字化(hua)(hua)賦(fu)能(neng)，實(shi)現加工裝(zhuang)備(bei)全生(sheng)命周期健(jian)康自主管理。

社會的(de)(de)(de)發展將(jiang)(jiang)越(yue)來(lai)越(yue)回歸“自然(ran)”、回歸“和諧”，輕量化材料和輕量化結構件(jian)的(de)(de)(de)需求(qiu)將(jiang)(jiang)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)，“模糊(hu)化”精細作業或(huo)將(jiang)(jiang)成(cheng)為(wei)主流，制造裝備(bei)的(de)(de)(de)高精度和大型化需求(qiu)將(jiang)(jiang)越(yue)來(lai)越(yue)少，“人工(gong)智(zhi)能+移動式(shi)機器”或(huo)許將(jiang)(jiang)成(cheng)為(wei)未(wei)來(lai)加工(gong)制造領域的(de)(de)(de)主力軍。 當前(qian)，在人工(gong)智(zhi)能尚不能很(hen)好地為(wei)精細化作業提供有效(xiao)解(jie)決(jue)方案的(de)(de)(de)情(qing)況下，精確(que)多(duo)模式(shi)感知與制造裝備(bei)的(de)(de)(de)交叉是(shi)值得期待的(de)(de)(de)。