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并聯(lián)與串聯(lián)結(jié)構(gòu)

人們進(jìn)行科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律后，就會(huì)創(chuàng)造一些機(jī)器來(lái)改造世界。事實(shí)上，到目前為止，人們?cè)谥圃煅b備領(lǐng)域的發(fā)明，大部分走的是仿生的路徑，如工業(yè)機(jī)器人和機(jī)械手臂就是如此。

自然界有很多生物體及部位、器官。其構(gòu)成法則是：并聯(lián)+串聯(lián)的集成。如人的手臂，肩關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)是一個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，加上肘關(guān)節(jié)整體構(gòu)成一個(gè)混聯(lián)式的部位。人的行為也有規(guī)律，如打藍(lán)球時(shí)，單手扣籃是為了追求高，雙手罰籃是為了追求準(zhǔn)，而罕有單手投籃。跑步時(shí)，都用單腿跑，是為了跑得快，而攀巖時(shí)則手腳并用，為了求穩(wěn)�？梢�(jiàn)，生物體構(gòu)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(tái)工業(yè)機(jī)器人被發(fā)明出來(lái)至今已經(jīng)過(guò)了很長(zhǎng)一段時(shí)間，人類對(duì)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知和設(shè)計(jì)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(guān)鍵技術(shù)就是對(duì)設(shè)備的應(yīng)用�？梢酝ㄟ^(guò)搭積木的方式可以很輕易地獲得一臺(tái)機(jī)床。由于起步晚，我國(guó)機(jī)床制造水平與發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)水平差距很大。但是從另外一個(gè)角度來(lái)講，國(guó)外走的路子還僅僅是串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，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(guó)帶來(lái)一次后發(fā)超越的機(jī)會(huì)。

我們?yōu)槭裁醋鲋圃煅b備的創(chuàng)新?以航空大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工裝備發(fā)展歷程為例。上世紀(jì)60年代，加工飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件，靠的是模復(fù)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(gè)C轉(zhuǎn)軸的加工方式，有了兩個(gè)自由度。到了80年代，出現(xiàn)擺叉式主軸頭，是兩個(gè)軸可以轉(zhuǎn)動(dòng)的擺頭。到90年代初，已經(jīng)出現(xiàn)龍門(mén)機(jī)床。現(xiàn)在5軸聯(lián)動(dòng)的龍門(mén)機(jī)床在航空工業(yè)領(lǐng)域大量采用并應(yīng)用得很好。到了本世紀(jì)，出現(xiàn)仿生學(xué)的機(jī)器，將串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)合起來(lái)。并聯(lián)主要是在主軸頭上，可以實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，就像人的手腕一樣，可以向任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)的，而一個(gè)串聯(lián)的腦袋是不可能隨意轉(zhuǎn)動(dòng)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(shù)相結(jié)合，使裝配效率和質(zhì)量得到了大大提高。從這個(gè)例子可以看出，裝備創(chuàng)新實(shí)際上一個(gè)重要的內(nèi)涵是機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。

新結(jié)構(gòu)機(jī)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(gè)經(jīng)濟(jì)體的工業(yè)綜合實(shí)力，也對(duì)制造裝備產(chǎn)生重大的需求。但是我國(guó)在加工制造領(lǐng)域和工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，如發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工、大型薄壁件加工及汽車噴涂機(jī)器人、電子工業(yè)生產(chǎn)線機(jī)器人主要依賴進(jìn)口，技術(shù)上受制于人。所以，我國(guó)一定要加強(qiáng)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(shè)計(jì)越來(lái)越先進(jìn)，對(duì)敏捷加工、高速高加速加工、高能效加工、復(fù)合加工的需求越來(lái)越多。又如航空大型鋁合金結(jié)構(gòu)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(jī)制造業(yè)的重大需求。

但國(guó)內(nèi)現(xiàn)在的飛機(jī)制造廠，成飛、沈飛、哈飛所用的裝備大部分都是5軸聯(lián)動(dòng)，abxyz、ab或者ac，其中有兩個(gè)關(guān)鍵的擺角頭，有ac的，也有ab的，但是它們不是嚴(yán)格意義上的仿生學(xué)，在加工過(guò)程中，兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是串聯(lián)的，不能完全同時(shí)回轉(zhuǎn)。在高速加工時(shí)過(guò)象限加工時(shí)擺角自動(dòng)回轉(zhuǎn)銑傷零件、加工中無(wú)效路徑長(zhǎng)。在加工中還會(huì)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)，這是無(wú)法避免的。這種傳統(tǒng)式的加工中心很難適應(yīng)現(xiàn)代的變化。

去年底，紀(jì)錄片《大國(guó)重器》介紹了一個(gè)核心部件擺角頭的情況。它是高端數(shù)控機(jī)床最核心的部件，而且是體現(xiàn)機(jī)床制造商技術(shù)實(shí)力的部件�，F(xiàn)在，國(guó)內(nèi)只有一二家企業(yè)能夠制造它。它由500余個(gè)零件組成，《大國(guó)重器》講述北京第一機(jī)床廠只有一個(gè)人掌握了它的加工技術(shù)，而他要裝擺角頭需要3個(gè)月時(shí)間，也就是說(shuō)他一年中最多只能裝4臺(tái)。所以，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)擺角頭制約了我國(guó)高端制造裝備的發(fā)展。它是我國(guó)高端制造裝備向前發(fā)展的制約因素。而國(guó)際上最近5~10年來(lái)，把機(jī)床結(jié)構(gòu)技術(shù)與關(guān)節(jié)型并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)有機(jī)結(jié)合的新型結(jié)構(gòu)混聯(lián)制造裝備技術(shù)逐漸推廣開(kāi)來(lái)。這種新技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的加工姿態(tài)調(diào)整。它有兩個(gè)主要特征：一是采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)功能模塊來(lái)實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)大工作空間移動(dòng)。以人的手臂為喻，手臂的串聯(lián)結(jié)構(gòu)可以使活動(dòng)范圍很大，手腕和肩頭節(jié)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以使轉(zhuǎn)動(dòng)快速而有力。大量的研究和實(shí)踐證明了這種混合結(jié)構(gòu)裝備的優(yōu)勢(shì)。

2000年之后，德國(guó)DS-Technologie公司按照飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工工藝的特點(diǎn)，獨(dú)創(chuàng)性地推出了Ecospeed高性能數(shù)控加工中心。成飛公司買(mǎi)來(lái)DS-Technologie公司的兩臺(tái)機(jī)床，在加工飛機(jī)結(jié)構(gòu)件時(shí)，可以從最初的9個(gè)小時(shí)縮短至2個(gè)小時(shí)，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(guān)鍵就是這種混合結(jié)構(gòu)的主軸頭(擺角頭)，可以像手腕一樣實(shí)現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。這種裝備是真正意義上的仿生。

21世紀(jì)出現(xiàn)的基于并聯(lián)模塊的機(jī)器人化五軸數(shù)控加工裝備，適應(yīng)性強(qiáng)，性能卓越，有極大的創(chuàng)新空間，因此在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，成為了目前各國(guó)機(jī)床行業(yè)研發(fā)的一個(gè)主要方向。

現(xiàn)在研究并聯(lián)機(jī)床的國(guó)家主要集中在歐美、日本、韓國(guó)和中國(guó)，其中中國(guó)的部分基礎(chǔ)研究特別是構(gòu)型創(chuàng)新處于國(guó)際領(lǐng)先水平，雖然我國(guó)在應(yīng)用方面特別是機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造水平仍然不高，但是卻給我們提供了一個(gè)新的思路：既然我們?cè)趥鹘y(tǒng)裝備的應(yīng)用和創(chuàng)新上有劣勢(shì)，但是可以借助在新結(jié)構(gòu)上的研究?jī)?yōu)勢(shì)來(lái)趕超發(fā)達(dá)國(guó)家，從而提升我國(guó)高端制造裝備水平。

并聯(lián)機(jī)構(gòu)難點(diǎn)已攻克

對(duì)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由于理論不完善，無(wú)法采用現(xiàn)有軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。型、性和度是區(qū)分自然界萬(wàn)物的基本標(biāo)準(zhǔn)，它們也是機(jī)構(gòu)學(xué)研究三大主題。對(duì)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，目前尚未形成閉環(huán)，這也是目前學(xué)術(shù)界正在研究的一件事情。

舉例來(lái)說(shuō)，要設(shè)計(jì)一個(gè)串聯(lián)機(jī)構(gòu)很容易做到，現(xiàn)在的機(jī)床很多也用到了這種模式，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。但是如果用3個(gè)這樣的支鏈來(lái)搭成一個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，采用對(duì)稱式布置，那么它的3個(gè)支鏈產(chǎn)生的約束將相互制約。所以在串并聯(lián)機(jī)構(gòu)里面，既要設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)，又要設(shè)計(jì)約束。如果只設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有設(shè)計(jì)約束，會(huì)存在一定問(wèn)題。

目前清華大學(xué)有關(guān)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)做了相關(guān)領(lǐng)域的研究，取得了突破。其突破點(diǎn)在于引入Grassmann線幾何和線圖法等現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具實(shí)現(xiàn)了自由度空間和約束空間的圖形化表述，構(gòu)建了一種構(gòu)型設(shè)計(jì)方法。清華有關(guān)研究工作者應(yīng)用該方法，發(fā)明了多種實(shí)用新型機(jī)構(gòu)，大部分可以用在機(jī)床的研發(fā)上，突破了傳統(tǒng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)擺角能力差的問(wèn)題，滿足了不同領(lǐng)域應(yīng)用需求如已經(jīng)成功研發(fā)出一種新型機(jī)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(jī)器人，其轉(zhuǎn)角范圍更是達(dá)到±90°，是一種高速機(jī)器人。

清華大學(xué)還研制出一種五面加工混聯(lián)機(jī)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(dòng)混聯(lián)機(jī)床中，關(guān)節(jié)型并聯(lián)主軸頭T3，其擺角范圍達(dá)到了±45°，且具有兩轉(zhuǎn)角聯(lián)動(dòng)，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。該設(shè)備具有固定的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)中心，具備精度高、控制容易等特點(diǎn)。現(xiàn)在清華正在做一個(gè)葉片加工和磨削制造裝備，這是一種5~6軸的設(shè)備。

啄木鳥(niǎo)行為仿生學(xué)

在航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工時(shí)，需要大量的龍門(mén)式加工中心。無(wú)論長(zhǎng)的零件、短的零件它都可以加工出來(lái)。它有一個(gè)非常重要的模塊，就是姿態(tài)調(diào)整靈活的并聯(lián)機(jī)構(gòu)模塊�，F(xiàn)在，龍門(mén)式加工中心已有向模塊化混聯(lián)加工中心發(fā)展的趨勢(shì)，德國(guó)技術(shù)人員已經(jīng)在嘗試，我國(guó)也有一家企業(yè)能夠做到，但是精度上還有欠缺。國(guó)際上一些領(lǐng)先企業(yè)也在研發(fā)這種設(shè)備。

德國(guó)人摸索出一種方法，把它做成了模塊化、輕量化的單元，這個(gè)單元能夠?qū)崿F(xiàn)5軸聯(lián)動(dòng)，從而把傳統(tǒng)的設(shè)備發(fā)展成模塊化混聯(lián)加工中心。它的好處是把某個(gè)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(shí)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(jī)床在復(fù)雜曲面、復(fù)雜結(jié)構(gòu)和大型結(jié)構(gòu)件加工中廣泛應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)了小機(jī)床加工大零件的目標(biāo)。

簡(jiǎn)要談?wù)勛哪绝B(niǎo)仿生學(xué)的一些情況。大型結(jié)構(gòu)件若發(fā)生問(wèn)題，拆掉再運(yùn)回加工廠維護(hù)，成本會(huì)高，那么可以搬過(guò)去一臺(tái)機(jī)床。傳統(tǒng)的機(jī)床搬運(yùn)非常費(fèi)勁，現(xiàn)在用依據(jù)啄木鳥(niǎo)行為仿生學(xué)設(shè)計(jì)出來(lái)機(jī)床是模塊化、輕量化化的，可以搬至現(xiàn)場(chǎng)去加工零件。這種方式是一種發(fā)展趨勢(shì)。研究界稱之為“啄木鳥(niǎo)行為仿生學(xué)”�，F(xiàn)在清華大學(xué)也在做這方面的研究。首先攻克了結(jié)構(gòu)問(wèn)題，下一步還需在技術(shù)上和結(jié)構(gòu)上做一些工作。德國(guó)那臺(tái)機(jī)床是世界第一臺(tái)，清華大學(xué)的這臺(tái)是世界第二臺(tái)。