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(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與裝備》的精彩主題演講。

清華大學機械工程系教授劉辛軍

重大戰(zhàn)略裝備關系國計民生和核心競爭力，被譽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系國計民生和社會經(jīng)濟發(fā)展的重大工程，都需要重大戰(zhàn)略裝備。大型復雜構件是重大戰(zhàn)略裝備的核心部件，它們的共同特點是構件尺寸大、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(zhàn)，是高端制造領域的世界性難題。只有順應時代，才能發(fā)現(xiàn)與時代主流技術相結合的突破口。

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(xiàn)有加工技術瓶頸，實現(xiàn)大型復雜構件的高效高質(zhì)量加工。五軸聯(lián)動加工中心可把“機械手”舉起來，“手-眼-腦”協(xié)同加工，可對大型結構件進行原位加工制造。

原位高效高精加工案例1

目前五軸聯(lián)動加工中心已完成世界現(xiàn)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，實現(xiàn)了10t級機器人代替“百噸級機床+人工修配”的精密加工飛船制造“最后一刀”的精加工，擺脫了對進口機床及人工打磨的依賴。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(wèi)星遮光罩及工裝重量＞20t，超過機床和廠房天車的承載極限，無法采用機床加工，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間與機械加工車間之間的多次轉(zhuǎn)運與裝卡。其首次采用移動式機器人代替大型機床進行整星組合精加工，解決了關聯(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)無裝備可用、只能被迫人工作業(yè)，以及儀器艙只能依賴進口專機加工的被動局面。

大型復雜構件加工發(fā)展愿景

隨著重大戰(zhàn)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一步提升。發(fā)展機器人化、小型化、便攜式加工技術和裝備，將成為高水平制造技術自立自強的新賽道。

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，開發(fā)“6+5”型混聯(lián)加工機器人，解決無人機復材疊層高效高精制孔難題。如采用“6+5”型混聯(lián)加工機器人進行無人機機身制孔，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。如機器人高動態(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

隨著航空航天、能源等領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優(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，通過負壓吸附在工件表面，由加工模塊實現(xiàn)工件五軸原位加工。磁吸附加工機器人具備大范圍移動、五軸聯(lián)動能力，重復定位精度32μm，實驗驗證了具備銑削45號鋼、玻璃纖維、碳纖維、7075航空鋁等材質(zhì)零件的能力。

大長寬比復雜構件是航空裝備整機骨架的關鍵組成部分，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(shù)控機床。

便攜式

面向大長寬比復雜構件一體成型加工需求，結合龍門大行程與全并聯(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，實現(xiàn)了大長寬比框架類結構件的加工。

高端裝備制造技術發(fā)展愿景

展望未來，順應加工裝備機器人化、智能化發(fā)展趨勢，促進制造裝備與信息技術和人工智能深度融合，實現(xiàn)高端制造業(yè)核心技術及裝備自主可控，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、動態(tài)特性好等優(yōu)點，可重構配置，可根據(jù)需求搭配各類移動單元，提升加工單元對不同場景的適應性。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，構建并行式、陣列式、鏡像式等多類型智能協(xié)同加工系統(tǒng)，實現(xiàn)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，要構建場景信息融合、在線加工、實時檢測有機結合的制造體系，以實現(xiàn)大型構件各類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)在線監(jiān)控及性能自修復系統(tǒng)，推動加工裝備網(wǎng)絡化、數(shù)字化賦能，實現(xiàn)加工裝備全生命周期健康自主管理。

社會的發(fā)展將越來越回歸“自然”、回歸“和諧”，輕量化材料和輕量化結構件的需求將越來越多，“模糊化”精細作業(yè)或?qū)⒊蔀橹髁鳎圃煅b備的高精度和大型化需求將越來越少，“人工智能+移動式機器”或許將成為未來加工制造領域的主力軍。 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。