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并聯(lián)與串聯(lián)結(jié)構

人們進行科學研究發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律后，就會創(chuàng)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(fā)明，大部分走的是仿生的路徑，如工業(yè)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(lián)+串聯(lián)的集成。如人的手臂，肩關節(jié)和腕關節(jié)是一個并聯(lián)機構，加上肘關節(jié)整體構成一個混聯(lián)式的部位。人的行為也有規(guī)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(wěn)。可見，生物體構成及行為規(guī)律都是基于并聯(lián)和串聯(lián)的集成。

1965年，第一臺工業(yè)機器人被發(fā)明出來至今已經(jīng)過了很長一段時間，人類對串聯(lián)結(jié)構的認知和設計基本上已很成熟。現(xiàn)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(fā)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(lián)的結(jié)構，并不是并聯(lián)及并聯(lián)與串聯(lián)的集成，并未做到全面仿生。這給我國帶來一次后發(fā)超越的機會。

我們?yōu)槭裁醋鲋圃煅b備的創(chuàng)新?以航空大型復雜結(jié)構件加工裝備發(fā)展歷程為例。上世紀60年代，加工飛機的結(jié)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(xiàn)了可傾斜橫梁加一個C轉(zhuǎn)軸的加工方式，有了兩個自由度。到了80年代，出現(xiàn)擺叉式主軸頭，是兩個軸可以轉(zhuǎn)動的擺頭。到90年代初，已經(jīng)出現(xiàn)龍門機床。現(xiàn)在5軸聯(lián)動的龍門機床在航空工業(yè)領域大量采用并應用得很好。到了本世紀，出現(xiàn)仿生學的機器，將串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)合起來。并聯(lián)主要是在主軸頭上，可以實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)動，就像人的手腕一樣，可以向任意方向轉(zhuǎn)動的，而一個串聯(lián)的腦袋是不可能隨意轉(zhuǎn)動的。這種裝備的創(chuàng)新可以大大提高加工效率。它與數(shù)字化技術相結(jié)合，使裝配效率和質(zhì)量得到了大大提高。從這個例子可以看出，裝備創(chuàng)新實際上一個重要的內(nèi)涵是機構結(jié)構的創(chuàng)新。

新結(jié)構機床滿足重大需要

航空航天、船舶汽車、能源電力行業(yè)反映了一個經(jīng)濟體的工業(yè)綜合實力，也對制造裝備產(chǎn)生重大的需求。但是我國在加工制造領域和工業(yè)機器人領域，如發(fā)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(yè)生產(chǎn)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(fā)新裝備，不斷滿足重要行業(yè)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(jié)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(yè)的重大需求。

但國內(nèi)現(xiàn)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(lián)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(zhuǎn)運動是串聯(lián)的，不能完全同時回轉(zhuǎn)。在高速加工時過象限加工時擺角自動回轉(zhuǎn)銑傷零件、加工中無效路徑長。在加工中還會出現(xiàn)空轉(zhuǎn)，這是無法避免的。這種傳統(tǒng)式的加工中心很難適應現(xiàn)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(shù)控機床最核心的部件，而且是體現(xiàn)機床制造商技術實力的部件。現(xiàn)在，國內(nèi)只有一二家企業(yè)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(tǒng)結(jié)構擺角頭制約了我國高端制造裝備的發(fā)展。它是我國高端制造裝備向前發(fā)展的制約因素。而國際上最近5~10年來，把機床結(jié)構技術與關節(jié)型并聯(lián)機器人技術有機結(jié)合的新型結(jié)構混聯(lián)制造裝備技術逐漸推廣開來。這種新技術能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的加工姿態(tài)調(diào)整。它有兩個主要特征：一是采用并聯(lián)機構功能模塊來實現(xiàn)高速高加速和靈活的姿態(tài)調(diào)整的加工性能;一是采用串聯(lián)模塊來實現(xiàn)大工作空間移動。以人的手臂為喻，手臂的串聯(lián)結(jié)構可以使活動范圍很大，手腕和肩頭節(jié)的并聯(lián)結(jié)構可以使轉(zhuǎn)動快速而有力。大量的研究和實踐證明了這種混合結(jié)構裝備的優(yōu)勢。

2000年之后，德國DS-Technologie公司按照飛機結(jié)構件加工工藝的特點，獨創(chuàng)性地推出了Ecospeed高性能數(shù)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(jié)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(zhì)量也得到很大提升。效率提高的關鍵就是這種混合結(jié)構的主軸頭(擺角頭)，可以像手腕一樣實現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)動。這種裝備是真正意義上的仿生。

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

現(xiàn)在研究并聯(lián)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(chuàng)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(tǒng)裝備的應用和創(chuàng)新上有劣勢，但是可以借助在新結(jié)構上的研究優(yōu)勢來趕超發(fā)達國家，從而提升我國高端制造裝備水平。

并聯(lián)機構難點已攻克

對于并聯(lián)機構，由于理論不完善，無法采用現(xiàn)有軟件進行設計。型、性和度是區(qū)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(lián)機構來說，目前尚未形成閉環(huán)，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(lián)機構很容易做到，現(xiàn)在的機床很多也用到了這種模式，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的運動。但是如果用3個這樣的支鏈來搭成一個并聯(lián)機構，采用對稱式布置，那么它的3個支鏈產(chǎn)生的約束將相互制約。所以在串并聯(lián)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(jīng)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(xiàn)代數(shù)學工具實現(xiàn)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(fā)明了多種實用新型機構，大部分可以用在機床的研發(fā)上，突破了傳統(tǒng)并聯(lián)機構擺角能力差的問題，滿足了不同領域應用需求如已經(jīng)成功研發(fā)出一種新型機床，具有3自由度，轉(zhuǎn)角范圍很大，從-90°~+25°，能夠?qū)崿F(xiàn)立臥轉(zhuǎn)換;還研制出一種新型的4自由度機器人，其轉(zhuǎn)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(lián)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(shù)減少1/3，節(jié)約了制造成本，提高了可靠性。而在一種5軸聯(lián)動混聯(lián)機床中，關節(jié)型并聯(lián)主軸頭T3，其擺角范圍達到了±45°，且具有兩轉(zhuǎn)角聯(lián)動，響應速度快的特點。該設備具有固定的虛擬轉(zhuǎn)動中心，具備精度高、控制容易等特點。現(xiàn)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(jié)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(tài)調(diào)整靈活的并聯(lián)機構模塊。現(xiàn)在，龍門式加工中心已有向模塊化混聯(lián)加工中心發(fā)展的趨勢，德國技術人員已經(jīng)在嘗試，我國也有一家企業(yè)能夠做到，但是精度上還有欠缺。國際上一些領先企業(yè)也在研發(fā)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?qū)崿F(xiàn)5軸聯(lián)動，從而把傳統(tǒng)的設備發(fā)展成模塊化混聯(lián)加工中心。它的好處是把某個單元任意調(diào)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(nèi)可實現(xiàn)0.025mm的加工精度，在1000 ×1000 ×600mm的工作空間內(nèi)具有0.01mm的加工精度能力，這種機床在復雜曲面、復雜結(jié)構和大型結(jié)構件加工中廣泛應用。實現(xiàn)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(jié)構件若發(fā)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(tǒng)的機床搬運非常費勁，現(xiàn)在用依據(jù)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(xiàn)場去加工零件。這種方式是一種發(fā)展趨勢。研究界稱之為“啄木鳥行為仿生學”。現(xiàn)在清華大學也在做這方面的研究。首先攻克了結(jié)構問題，下一步還需在技術上和結(jié)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。