2024年4月2日，由中機科（北京）車(chē)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(chǎn)品TOP50頒獎典禮”在北京盛大舉行。在工程機械產(chǎn)品發(fā)展（北京）論壇上，清華大學(xué)機械工程系教授劉辛軍發(fā)表題為《大型復雜構件變革性加工技術(shù)與裝備》的精彩主題演講。

清華大學(xué)機械工程系教授劉辛軍

重大戰略裝備關(guān)系國計民生和核心競爭力，被譽(yù)為大國博弈不可或缺的“國家重器”，航空、航天、航海、能源、交通和隧道建設等關(guān)系國計民生和社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展的重大工程，都需要重大戰略裝備。大型復雜構件是重大戰略裝備的核心部件，它們的共同特點(diǎn)是構件尺寸大、局部特征多、精度要求高。構件大型化、復雜化、局部精確化，對制造裝備的結構、效率、精度、測量、工藝提出嚴峻挑戰，是高端制造領(lǐng)域的世界性難題。只有順應時(shí)代，才能發(fā)現與時(shí)代主流技術(shù)相結合的突破口。

大型構件加工模式與裝備創(chuàng )新

目前亟需探索變革性制造模式，研制高性能加工裝備，突破現有加工技術(shù)瓶頸，實(shí)現大型復雜構件的高效高質(zhì)量加工。五軸聯(lián)動(dòng)加工中心可把“機械手”舉起來(lái)，“手-眼-腦”協(xié)同加工，可對大型結構件進(jìn)行原位加工制造。

原位高效高精加工案例1

目前五軸聯(lián)動(dòng)加工中心已完成世界現役裝載能力最強(7.4t)的天舟六號貨運飛船的整艙結構與艙段的精密銑削，實(shí)現了10t級機器人代替“百?lài)嵓墮C床+人工修配”的精密加工飛船制造“最后一刀”的精加工，擺脫了對進(jìn)口機床及人工打磨的依賴(lài)。該機器人可使大型艙體構件加工精度提高2倍、效率提高3倍，已成為天舟系列 (6-11號) 貨運飛船組合加工的主力設備。

原位高效高精加工案例2

XXX號衛星遮光罩及工裝重量＞20t，超過(guò)機床和廠(chǎng)房天車(chē)的承載極限，無(wú)法采用機床加工，人工作業(yè)效率低(周期2周以上) ，采用該機器人僅需2天即可完成，避免了儀器艙在部裝車(chē)間與機械加工車(chē)間之間的多次轉運與裝卡。其首次采用移動(dòng)式機器人代替大型機床進(jìn)行整星組合精加工，解決了關(guān)聯(lián)基準下空間多平面的高精度銑削難題，徹底改變了大型遮光罩(遠超機床行程)無(wú)裝備可用、只能被迫人工作業(yè)，以及儀器艙只能依賴(lài)進(jìn)口專(zhuān)機加工的被動(dòng)局面。

大型復雜構件加工發(fā)展愿景

隨著(zhù)重大戰略裝備復雜構件的大型化，單一構型加工裝備的固有局限性將限制其加工精度及效率的進(jìn)一步提升。發(fā)展機器人化、小型化、便攜式加工技術(shù)和裝備，將成為高水平制造技術(shù)自立自強的新賽道。

機器人化

可利用五軸并聯(lián)加工單元模塊化和輕量化的特性，集成六自由度工業(yè)機械臂，開(kāi)發(fā)“6+5”型混聯(lián)加工機器人，解決無(wú)人機復材疊層高效高精制孔難題。如采用“6+5”型混聯(lián)加工機器人進(jìn)行無(wú)人機機身制孔，窩深精度優(yōu)于0.1mm，孔徑精度優(yōu)于0.1mm，實(shí)現了鉚釘的精確裝配，相比于人工制孔，效率提升約2倍。如機器人高動(dòng)態(tài)輕切削代替重型機床重載切削，效率至少提升2倍。

小型化

隨著(zhù)航空航天、能源等領(lǐng)域構件尺寸逐漸增大，真空吸附式加工機器人在一體化加工方面的高靈活性?xún)?yōu)勢愈加明顯，可完成大型復雜構件安裝面加工。真空吸附加工機器人，通過(guò)負壓吸附在工件表面，由加工模塊實(shí)現工件五軸原位加工。磁吸附加工機器人具備大范圍移動(dòng)、五軸聯(lián)動(dòng)能力，重復定位精度32μm，實(shí)驗驗證了具備銑削45號鋼、玻璃纖維、碳纖維、7075航空鋁等材質(zhì)零件的能力。

大長(cháng)寬比復雜構件是航空裝備整機骨架的關(guān)鍵組成部分，例如整體壁板、翼梁、翼肋、桁條等，其高效高質(zhì)量加工是航空制造業(yè)的重大需求。該類(lèi)復雜航空結構件對裝備的加工效率及精度提出了苛刻的要求。隱身飛機蒙皮匹配精度需要人工修配，成為裝配效率的瓶頸，亟需大行程高空間定位精度五軸數控機床。

便攜式

面向大長(cháng)寬比復雜構件一體成型加工需求，結合龍門(mén)大行程與全并聯(lián)模塊高精高效加工特性，設計了基于五軸并聯(lián)模塊的高架式龍門(mén)加工中心。其可充分發(fā)揮龍門(mén)大范圍定位與并聯(lián)五軸高效加工能力，實(shí)現了大長(cháng)寬比框架類(lèi)結構件的加工。

高端裝備制造技術(shù)發(fā)展愿景

展望未來(lái)，順應加工裝備機器人化、智能化發(fā)展趨勢，促進(jìn)制造裝備與信息技術(shù)和人工智能深度融合，實(shí)現高端制造業(yè)核心技術(shù)及裝備自主可控，對于提升國家核心競爭力、保障國家安全具有重大意義。

全并聯(lián)五軸加工模塊具有結構緊湊、重量輕、剛度高、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，可重構配置，可根據需求搭配各類(lèi)移動(dòng)單元，提升加工單元對不同場(chǎng)景的適應性。面向大型復雜構件的多元化加工需求，要充分發(fā)揮加工裝備小型化特點(diǎn)，構建并行式、陣列式、鏡像式等多類(lèi)型智能協(xié)同加工系統，實(shí)現大型復雜構件的原位加工。

面向大型構件復雜型面特征的加工需求，要構建場(chǎng)景信息融合、在線(xiàn)加工、實(shí)時(shí)檢測有機結合的制造體系，以實(shí)現大型構件各類(lèi)表面特征的一體化高效加工和檢測。面向裝備性能維持需求，要構建多傳感器融合的加工裝備狀態(tài)在線(xiàn)監控及性能自修復系統，推動(dòng)加工裝備網(wǎng)絡(luò )化、數字化賦能，實(shí)現加工裝備全生命周期健康自主管理。

社會(huì )的發(fā)展將越來(lái)越回歸“自然”、回歸“和諧”，輕量化材料和輕量化結構件的需求將越來(lái)越多，“模糊化”精細作業(yè)或將成為主流，制造裝備的高精度和大型化需求將越來(lái)越少，“人工智能+移動(dòng)式機器”或許將成為未來(lái)加工制造領(lǐng)域的主力軍。 當前，在人工智能尚不能很好地為精細化作業(yè)提供有效解決方案的情況下，精確多模式感知與制造裝備的交叉是值得期待的。