2024年4月2日，由中機(jī)科（北京）車輛檢測(cè)工程研究院有限公司指導(dǎo)，《工程機(jī)械與維修》雜志主辦，匠客工程機(jī)械承辦的“2024中國(guó)工程機(jī)械年度產(chǎn)品TOP50頒獎(jiǎng)典禮”在北京盛大舉行。在工程機(jī)械產(chǎn)品發(fā)展（北京）論壇上，清華大學(xué)機(jī)械工程系教授劉辛軍發(fā)表題為《大型復(fù)雜構(gòu)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(jī)械工程系教授劉辛軍

重大戰(zhàn)略裝備關(guān)系國(guó)計(jì)民生和核心競(jìng)爭(zhēng)力，被譽(yù)為大國(guó)博弈不可或缺的“國(guó)家重器”，航空、航天、航海、能源、交通和隧道建設(shè)等關(guān)系國(guó)計(jì)民生和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大工程，都需要重大戰(zhàn)略裝備。大型復(fù)雜構(gòu)件是重大戰(zhàn)略裝備的核心部件，它們的共同特點(diǎn)是構(gòu)件尺寸大、局部特征多、精度要求高。構(gòu)件大型化、復(fù)雜化、局部精確化，對(duì)制造裝備的結(jié)構(gòu)、效率、精度、測(cè)量、工藝提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，是高端制造領(lǐng)域的世界性難題。只有順應(yīng)時(shí)代，才能發(fā)現(xiàn)與時(shí)代主流技術(shù)相結(jié)合的突破口。

大型構(gòu)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(xiàn)有加工技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜構(gòu)件的高效高質(zhì)量加工。五軸聯(lián)動(dòng)加工中心可把“機(jī)械手”舉起來(lái)，“手-眼-腦”協(xié)同加工，可對(duì)大型結(jié)構(gòu)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(xiàn)役裝載能力最強(qiáng)(7.4t)的天舟六號(hào)貨運(yùn)飛船的整艙結(jié)構(gòu)與艙段的精密銑削，實(shí)現(xiàn)了10t級(jí)機(jī)器人代替“百噸級(jí)機(jī)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(duì)進(jìn)口機(jī)床及人工打磨的依賴。該機(jī)器人可使大型艙體構(gòu)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(hào)) 貨運(yùn)飛船組合加工的主力設(shè)備。

原位高效高精加工案例2

XXX號(hào)衛(wèi)星遮光罩及工裝重量＞20t，超過(guò)機(jī)床和廠房天車的承載極限，無(wú)法采用機(jī)床加工，人工作業(yè)效率低(周期2周以上) ，采用該機(jī)器人僅需2天即可完成，避免了儀器艙在部裝車間與機(jī)械加工車間之間的多次轉(zhuǎn)運(yùn)與裝卡。其首次采用移動(dòng)式機(jī)器人代替大型機(jī)床進(jìn)行整星組合精加工，解決了關(guān)聯(lián)基準(zhǔn)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(yuǎn)超機(jī)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進(jìn)口專機(jī)加工的被動(dòng)局面。

大型復(fù)雜構(gòu)件加工發(fā)展愿景

隨著重大戰(zhàn)略裝備復(fù)雜構(gòu)件的大型化，單一構(gòu)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(jī)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(qiáng)的新賽道。

機(jī)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(jī)械臂，開(kāi)發(fā)“6+5”型混聯(lián)加工機(jī)器人，解決無(wú)人機(jī)復(fù)材疊層高效高精制孔難題。如采用“6+5”型混聯(lián)加工機(jī)器人進(jìn)行無(wú)人機(jī)機(jī)身制孔，窩深精度優(yōu)于0.1mm，孔徑精度優(yōu)于0.1mm，實(shí)現(xiàn)了鉚釘?shù)木_裝配，相比于人工制孔，效率提升約2倍。如機(jī)器人高動(dòng)態(tài)輕切削代替重型機(jī)床重載切削，效率至少提升2倍。

小型化

隨著航空航天、能源等領(lǐng)域構(gòu)件尺寸逐漸增大，真空吸附式加工機(jī)器人在一體化加工方面的高靈活性優(yōu)勢(shì)愈加明顯，可完成大型復(fù)雜構(gòu)件安裝面加工。真空吸附加工機(jī)器人，通過(guò)負(fù)壓吸附在工件表面，由加工模塊實(shí)現(xiàn)工件五軸原位加工。磁吸附加工機(jī)器人具備大范圍移動(dòng)、五軸聯(lián)動(dòng)能力，重復(fù)定位精度32μm，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了具備銑削45號(hào)鋼、玻璃纖維、碳纖維、7075航空鋁等材質(zhì)零件的能力。

大長(zhǎng)寬比復(fù)雜構(gòu)件是航空裝備整機(jī)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。該類復(fù)雜航空結(jié)構(gòu)件對(duì)裝備的加工效率及精度提出了苛刻的要求。隱身飛機(jī)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(shù)控機(jī)床。

便攜式

面向大長(zhǎng)寬比復(fù)雜構(gòu)件一體成型加工需求，結(jié)合龍門大行程與全并聯(lián)模塊高精高效加工特性，設(shè)計(jì)了基于五軸并聯(lián)模塊的高架式龍門加工中心。其可充分發(fā)揮龍門大范圍定位與并聯(lián)五軸高效加工能力，實(shí)現(xiàn)了大長(zhǎng)寬比框架類結(jié)構(gòu)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(yīng)加工裝備機(jī)器人化、智能化發(fā)展趨勢(shì)，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(xiàn)高端制造業(yè)核心技術(shù)及裝備自主可控，對(duì)于提升國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力、保障國(guó)家安全具有重大意義。

全并聯(lián)五軸加工模塊具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、剛度高、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，可重構(gòu)配置，可根據(jù)需求搭配各類移動(dòng)單元，提升加工單元對(duì)不同場(chǎng)景的適應(yīng)性。面向大型復(fù)雜構(gòu)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(gòu)建并行式、陣列式、鏡像式等多類型智能協(xié)同加工系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜構(gòu)件的原位加工。

面向大型構(gòu)件復(fù)雜型面特征的加工需求，要構(gòu)建場(chǎng)景信息融合、在線加工、實(shí)時(shí)檢測(cè)有機(jī)結(jié)合的制造體系，以實(shí)現(xiàn)大型構(gòu)件各類表面特征的一體化高效加工和檢測(cè)。面向裝備性能維持需求，要構(gòu)建多傳感器融合的加工裝備狀態(tài)在線監(jiān)控及性能自修復(fù)系統(tǒng)，推動(dòng)加工裝備網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化賦能，實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)件的需求將越來(lái)越多，“模糊化”精細(xì)作業(yè)或?qū)⒊蔀橹髁?，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(jī)器”或許將成為未來(lái)加工制造領(lǐng)域的主力軍。 當(dāng)前，在人工智能尚不能很好地為精細(xì)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。