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并聯與串聯結構

人們進行科學研究發現自然規律后，就會創造一些機器來改造世界。事實上，到目前為止，人們在制造裝備領域的發明，大部分走的是仿生的路徑，如工業機器人和機械手臂就是如此。

自然界有很多生物體及部位、器官。其構成法則是：并聯+串聯的集成。如人的手臂，肩關節和腕關節是一個并聯機構，加上肘關節整體構成一個混聯式的部位。人的行為也有規律，如打藍球時，單手扣籃是為了追求高，雙手罰籃是為了追求準，而罕有單手投籃。跑步時，都用單腿跑，是為了跑得快，而攀巖時則手腳并用，為了求穩。可見，生物體構成及行為規律都是基于并聯和串聯的集成。

1965年，第一臺工業機器人被發明出來至今已經過了很長一段時間，人類對串聯結構的認知和設計基本上已很成熟。現有的軟件有很多，包括CAD、SolidWorks等，目前的關鍵技術就是對設備的應用。可以通過搭積木的方式可以很輕易地獲得一臺機床。由于起步晚，我國機床制造水平與發達國家的先進水平差距很大。但是從另外一個角度來講，國外走的路子還僅僅是串聯的結構，并不是并聯及并聯與串聯的集成，并未做到全面仿生。這給我國帶來一次后發超越的機會。

我們為什么做制造裝備的創新?以航空大型復雜結構件加工裝備發展歷程為例。上世紀60年代，加工飛機的結構件，靠的是模復制加工方式，就像配鑰匙一樣。到了70年代，就出現了可傾斜橫梁加一個C轉軸的加工方式，有了兩個自由度。到了80年代，出現擺叉式主軸頭，是兩個軸可以轉動的擺頭。到90年代初，已經出現龍門機床。現在5軸聯動的龍門機床在航空工業領域大量采用并應用得很好。到了本世紀，出現仿生學的機器，將串聯和并聯結合起來。并聯主要是在主軸頭上，可以實現快速轉動，就像人的手腕一樣，可以向任意方向轉動的，而一個串聯的腦袋是不可能隨意轉動的。這種裝備的創新可以大大提高加工效率。它與數字化技術相結合，使裝配效率和質量得到了大大提高。從這個例子可以看出，裝備創新實際上一個重要的內涵是機構結構的創新。

新結構機床滿足重大需要

航空航天、船舶汽車、能源電力行業反映了一個經濟體的工業綜合實力，也對制造裝備產生重大的需求。但是我國在加工制造領域和工業機器人領域，如發動機葉片加工、大型薄壁件加工及汽車噴涂機器人、電子工業生產線機器人主要依賴進口，技術上受制于人。所以，我國一定要加強自主研發新裝備，不斷滿足重要行業的重大需求。下面，分析一下需要的具體情況。

汽車零部件、船用螺旋槳、渦輪葉片等設計越來越先進，對敏捷加工、高速高加速加工、高能效加工、復合加工的需求越來越多。又如航空大型鋁合金結構件的金屬切除量占成品件的80%以上，高速、高效加工裝備成為飛機制造業的重大需求。

但國內現在的飛機制造廠，成飛、沈飛、哈飛所用的裝備大部分都是5軸聯動，abxyz、ab或者ac，其中有兩個關鍵的擺角頭，有ac的，也有ab的，但是它們不是嚴格意義上的仿生學，在加工過程中，兩個回轉運動是串聯的，不能完全同時回轉。在高速加工時過象限加工時擺角自動回轉銑傷零件、加工中無效路徑長。在加工中還會出現空轉，這是無法避免的。這種傳統式的加工中心很難適應現代的變化。

去年底，紀錄片《大國重器》介紹了一個核心部件擺角頭的情況。它是高端數控機床最核心的部件，而且是體現機床制造商技術實力的部件。現在，國內只有一二家企業能夠制造它。它由500余個零件組成，《大國重器》講述北京第一機床廠只有一個人掌握了它的加工技術，而他要裝擺角頭需要3個月時間，也就是說他一年中最多只能裝4臺。所以，傳統結構擺角頭制約了我國高端制造裝備的發展。它是我國高端制造裝備向前發展的制約因素。而國際上最近5~10年來，把機床結構技術與關節型并聯機器人技術有機結合的新型結構混聯制造裝備技術逐漸推廣開來。這種新技術能夠實現靈活的加工姿態調整。它有兩個主要特征：一是采用并聯機構功能模塊來實現高速高加速和靈活的姿態調整的加工性能;一是采用串聯模塊來實現大工作空間移動。以人的手臂為喻，手臂的串聯結構可以使活動范圍很大，手腕和肩頭節的并聯結構可以使轉動快速而有力。大量的研究和實踐證明了這種混合結構裝備的優勢。

2000年之后，德國DS-Technologie公司按照飛機結構件加工工藝的特點，獨創性地推出了Ecospeed高性能數控加工中心。成飛公司買來DS-Technologie公司的兩臺機床，在加工飛機結構件時，可以從最初的9個小時縮短至2個小時，效率大大提高，而且表面不需要打磨，質量也得到很大提升。效率提高的關鍵就是這種混合結構的主軸頭(擺角頭)，可以像手腕一樣實現靈活轉動。這種裝備是真正意義上的仿生。

21世紀出現的基于并聯模塊的機器人化五軸數控加工裝備，適應性強，性能卓越，有極大的創新空間，因此在很長一段時間內，成為了目前各國機床行業研發的一個主要方向。

現在研究并聯機床的國家主要集中在歐美、日本、韓國和中國，其中中國的部分基礎研究特別是構型創新處于國際領先水平，雖然我國在應用方面特別是機床的設計和制造水平仍然不高，但是卻給我們提供了一個新的思路：既然我們在傳統裝備的應用和創新上有劣勢，但是可以借助在新結構上的研究優勢來趕超發達國家，從而提升我國高端制造裝備水平。

并聯機構難點已攻克

對于并聯機構，由于理論不完善，無法采用現有軟件進行設計。型、性和度是區分自然界萬物的基本標準，它們也是機構學研究三大主題。對于并聯機構來說，目前尚未形成閉環，這也是目前學術界正在研究的一件事情。

舉例來說，要設計一個串聯機構很容易做到，現在的機床很多也用到了這種模式，能夠實現穩定的運動。但是如果用3個這樣的支鏈來搭成一個并聯機構，采用對稱式布置，那么它的3個支鏈產生的約束將相互制約。所以在串并聯機構里面，既要設計運動，又要設計約束。如果只設計運動，沒有設計約束，會存在一定問題。

目前清華大學有關實驗室已經做了相關領域的研究，取得了突破。其突破點在于引入Grassmann線幾何和線圖法等現代數學工具實現了自由度空間和約束空間的圖形化表述，構建了一種構型設計方法。清華有關研究工作者應用該方法，發明了多種實用新型機構，大部分可以用在機床的研發上，突破了傳統并聯機構擺角能力差的問題，滿足了不同領域應用需求如已經成功研發出一種新型機床，具有3自由度，轉角范圍很大，從-90°~+25°，能夠實現立臥轉換;還研制出一種新型的4自由度機器人，其轉角范圍更是達到±90°，是一種高速機器人。

清華大學還研制出一種五面加工混聯機床，其主軸擺角范圍較大：從40°提高到115°;全單自由度鉸鏈， 提高了剛度和精度;零件數減少1/3，節約了制造成本，提高了可靠性。而在一種5軸聯動混聯機床中，關節型并聯主軸頭T3，其擺角范圍達到了±45°，且具有兩轉角聯動，響應速度快的特點。該設備具有固定的虛擬轉動中心，具備精度高、控制容易等特點。現在清華正在做一個葉片加工和磨削制造裝備，這是一種5~6軸的設備。

啄木鳥行為仿生學

在航空復雜結構件加工時，需要大量的龍門式加工中心。無論長的零件、短的零件它都可以加工出來。它有一個非常重要的模塊，就是姿態調整靈活的并聯機構模塊。現在，龍門式加工中心已有向模塊化混聯加工中心發展的趨勢，德國技術人員已經在嘗試，我國也有一家企業能夠做到，但是精度上還有欠缺。國際上一些領先企業也在研發這種設備。

德國人摸索出一種方法，把它做成了模塊化、輕量化的單元，這個單元能夠實現5軸聯動，從而把傳統的設備發展成模塊化混聯加工中心。它的好處是把某個單元任意調換。它加工的范圍也很大，而且精度非常高。在2500 × 2500 ×1000mm的工作空間內可實現0.025mm的加工精度，在1000 ×1000 ×600mm的工作空間內具有0.01mm的加工精度能力，這種機床在復雜曲面、復雜結構和大型結構件加工中廣泛應用。實現了小機床加工大零件的目標。

簡要談談啄木鳥仿生學的一些情況。大型結構件若發生問題，拆掉再運回加工廠維護，成本會高，那么可以搬過去一臺機床。傳統的機床搬運非常費勁，現在用依據啄木鳥行為仿生學設計出來機床是模塊化、輕量化化的，可以搬至現場去加工零件。這種方式是一種發展趨勢。研究界稱之為“啄木鳥行為仿生學”。現在清華大學也在做這方面的研究。首先攻克了結構問題，下一步還需在技術上和結構上做一些工作。德國那臺機床是世界第一臺，清華大學的這臺是世界第二臺。