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并联与串联结构 人们进行科学研究发现自然规律后，就会创造一些机器来改造世界。事实上，到目前为止，人们在制造装备领域的发明，大部分走的是仿生的路径，如工业机器人和机械手臂就是如此。 自然界有很多生物体及部位、器官。其构成法则是：并联+串联的集成。如人的手臂，肩关节和腕关节是一个并联机构，加上肘关节整体构成一个混联式的部位。人的行为也有规律，如打蓝球时，单手扣篮是为了追求高，双手罚篮是为了追求准，而罕有单手投篮。跑步时，都用单腿跑，是为了跑得快，而攀岩时则手脚并用，为了求稳。可见，生物体构成及行为规律都是基于并联和串联的集成。 1965年，第一台工业机器人被发明出来至今已经过了很长一段时间，人类对串联结构的认知和设计基本上已很成熟。现有的软件有很多，包括CAD、SolidWorks等，目前的关键技术就是对设备的应用。可以通过搭积木的方式可以很轻易地获得一台机床。由于起步晚，我国机床制造水平与发达国家的先进水平差距很大。但是从另外一个角度来讲，国外走的路子还仅仅是串联的结构，并不是并联及并联与串联的集成，并未做到全面仿生。这给我国带来一次后发超越的机会。 我们为什么做制造装备的创新?以航空大型复杂结构件加工装备发展历程为例。上世纪60年代，加工飞机的结构件，靠的是模复制加工方式，就像配钥匙一样。到了70年代，就出现了可倾斜横梁加一个C转轴的加工方式，有了两个自由度。到了80年代，出现摆叉式主轴头，是两个轴可以转动的摆头。到90年代初，已经出现龙门机床。现在5轴联动的龙门机床在航空工业领域大量采用并应用得很好。到了本世纪，出现仿生学的机器，将串联和并联结合起来。并联主要是在主轴头上，可以实现快速转动，就像人的手腕一样，可以向任意方向转动的，而一个串联的脑袋是不可能随意转动的。这种装备的创新可以大大提高加工效率。它与数字化技术相结合，使装配效率和质量得到了大大提高。从这个例子可以看出，装备创新实际上一个重要的内涵是机构结构的创新。 新结构机床满足重大需要 航空航天、船舶汽车、能源电力行业反映了一个经济体的工业综合实力，也对制造装备产生重大的需求。但是我国在加工制造领域和工业机器人领域，如发动机叶片加工、大型薄壁件加工及汽车喷涂机器人、电子工业生产线机器人主要依赖进口，技术上受制于人。所以，我国一定要加强自主研发新装备，不断满足重要行业的重大需求。下面，分析一下需要的具体情况。 汽车零部件、船用螺旋桨、涡轮叶片等设计越来越先进，对敏捷加工、高速高加速加工、高能效加工、复合加工的需求越来越多。又如航空大型铝合金结构件的金属切除量占成品件的80%以上，高速、高效加工装备成为飞机制造业的重大需求。 但国内现在的飞机制造厂，成飞、沈飞、哈飞所用的装备大部分都是5轴联动，abxyz、ab或者ac，其中有两个关键的摆角头，有ac的，也有ab的，但是它们不是严格意义上的仿生学，在加工过程中，两个回转运动是串联的，不能完全同时回转。在高速加工时过象限加工时摆角自动回转铣伤零件、加工中无效路径长。在加工中还会出现空转，这是无法避免的。这种传统式的加工中心很难适应现代的变化。 去年底，纪录片《大国重器》介绍了一个核心部件摆角头的情况。它是高端数控机床最核心的部件，而且是体现机床制造商技术实力的部件。现在，国内只有一二家企业能够制造它。它由500余个零件组成，《大国重器》讲述北京第一机床厂只有一个人掌握了它的加工技术，而他要装摆角头需要3个月时间，也就是说他一年中最多只能装4台。所以，传统结构摆角头制约了我国高端制造装备的发展。它是我国高端制造装备向前发展的制约因素。而国际上最近5~10年来，把机床结构技术与关节型并联机器人技术有机结合的新型结构混联制造装备技术逐渐推广开来。这种新技术能够实现灵活的加工姿态调整。它有两个主要特征：一是采用并联机构功能模块来实现高速高加速和灵活的姿态调整的加工性能;一是采用串联模块来实现大工作空间移动。以人的手臂为喻，手臂的串联结构可以使活动范围很大，手腕和肩头节的并联结构可以使转动快速而有力。大量的研究和实践证明了这种混合结构装备的优势。 2000年之后，德国DS-Technologie公司按照飞机结构件加工工艺的特点，独创性地推出了Ecospeed高性能数控加工中心。成飞公司买来DS-Technologie公司的两台机床，在加工飞机结构件时，可以从最初的9个小时缩短至2个小时，效率大大提高，而且表面不需要打磨，质量也得到很大提升。效率提高的关键就是这种混合结构的主轴头(摆角头)，可以像手腕一样实现灵活转动。这种装备是真正意义上的仿生。 21世纪出现的基于并联模块的机器人化五轴数控加工装备，适应性强，性能卓越，有极大的创新空间，因此在很长一段时间内，成为了目前各国机床行业研发的一个主要方向。 现在研究并联机床的国家主要集中在欧美、日本、韩国和中国，其中中国的部分基础研究特别是构型创新处于国际领先水平，虽然我国在应用方面特别是机床的设计和制造水平仍然不高，但是却给我们提供了一个新的思路：既然我们在传统装备的应用和创新上有劣势，但是可以借助在新结构上的研究优势来赶超发达国家，从而提升我国高端制造装备水平。 并联机构难点已攻克 对于并联机构，由于理论不完善，无法采用现有软件进行设计。型、性和度是区分自然界万物的基本标准，它们也是机构学研究三大主题。对于并联机构来说，目前尚未形成闭环，这也是目前学术界正在研究的一件事情。 举例来说，要设计一个串联机构很容易做到，现在的机床很多也用到了这种模式，能够实现稳定的运动。但是如果用3个这样的支链来搭成一个并联机构，采用对称式布置，那么它的3个支链产生的约束将相互制约。所以在串并联机构里面，既要设计运动，又要设计约束。如果只设计运动，没有设计约束，会存在一定问题。 目前清华大学有关实验室已经做了相关领域的研究，取得了突破。其突破点在于引入Grassmann线几何和线图法等现代数学工具实现了自由度空间和约束空间的图形化表述，构建了一种构型设计方法。清华有关研究工作者应用该方法，发明了多种实用新型机构，大部分可以用在机床的研发上，突破了传统并联机构摆角能力差的问题，满足了不同领域应用需求如已经成功研发出一种新型机床，具有3自由度，转角范围很大，从-90°~+25°，能够实现立卧转换;还研制出一种新型的4自由度机器人，其转角范围更是达到±90°，是一种高速机器人。 清华大学还研制出一种五面加工混联机床，其主轴摆角范围较大：从40°提高到115°;全单自由度铰链， 提高了刚度和精度;零件数减少1/3，节约了制造成本，提高了可靠性。而在一种5轴联动混联机床中，关节型并联主轴头T3，其摆角范围达到了±45°，且具有两转角联动，响应速度快的特点。该设备具有固定的虚拟转动中心，具备精度高、控制容易等特点。现在清华正在做一个叶片加工和磨削制造装备，这是一种5~6轴的设备。 啄木鸟行为仿生学
在航空复杂结构件加工时，需要大量的龙门式加工中心。无论长的零件、短的零件它都可以加工出来。它有一个非常重要的模块，就是姿态调整灵活的并联机构模块。现在，龙门式加工中心已有向模块化混联加工中心发展的趋势，德国技术人员已经在尝试，我国也有一家企业能够做到，但是精度上还有欠缺。国际上一些领先企业也在研发这种设备。 德国人摸索出一种方法，把它做成了模块化、轻量化的单元，这个单元能够实现5轴联动，从而把传统的设备发展成模块化混联加工中心。它的好处是把某个单元任意调换。它加工的范围也很大，而且精度非常高。在2500 × 2500 ×1000mm的工作空间内可实现0.025mm的加工精度，在1000 ×1000 ×600mm的工作空间内具有0.01mm的加工精度能力，这种机床在复杂曲面、复杂结构和大型结构件加工中广泛应用。实现了小机床加工大零件的目标。 简要谈谈啄木鸟仿生学的一些情况。大型结构件若发生问题，拆掉再运回加工厂维护，成本会高，那么可以搬过去一台机床。传统的机床搬运非常费劲，现在用依据啄木鸟行为仿生学设计出来机床是模块化、轻量化化的，可以搬至现场去加工零件。这种方式是一种发展趋势。研究界称之为“啄木鸟行为仿生学”。现在清华大学也在做这方面的研究。首先攻克了结构问题，下一步还需在技术上和结构上做一些工作。德国那台机床是世界第一台，清华大学的这台是世界第二台。 |
