清华团队研制“移动式混联加工机器人”,“随时随地”加工大型复杂构件,服务航天制造 | NSR
The following article is from 中国科学杂志社 Author 《国家科学评论》
清华大学机械系刘辛军教授团队发明了新型五轴并联机构,并采用“全向移动平台+高刚度机械臂+五轴并联加工部件”构型,研制了一套移动式混联加工机器人。该机器人具备大范围定位和局部精细加工能力,已在航天制造企业应用于多种型号产品生产,解决了航天器舱体、卫星结构等大型构件的高效高精加工难题,为我国大型航天器结构件的加工制造提供了自主可控的技术装备。
近期,该团队在《国家科学评论》(National Science Review, NSR)发表Perspective文章,介绍了这一成果。
移动式混联加工机器人对舱外载荷安装支架进行原位铣削
航天器舱体、卫星整星结构、飞机部组件等大型复杂构件是航空、航天等高端制造业领域内装备的核心零部件,通常具有尺寸超大、型面复杂、结构刚性弱、精度要求高等特点,其结构形态与严苛的工艺要求对加工装备性能提出了严峻挑战:
构件“大型化”要求加工装备具备足够大的工作空间;
构件“复杂化”对加工装备的自由度和灵活性提出了更高的要求;
大构件“局部精确化”则对加工装备的精度提出了更大挑战。
典型大型复杂构件:空间站大型舱体结构件
典型大型复杂构件:飞机部组件
目前,大型复杂构件通常采用以下几种制造模式:
1) 采用高端大行程五轴专用机床并辅以人工的制造方式,但高端机床引进成本高昂,无法大量部署,此外,极端制造技术瓶颈也导致装备的大型化发展模式难以为继;
2) 采用“分体离线加工-在线检测修配”的加工方式,加工过程中需多次变换基准、工艺不稳定、一次装调合格率低、质量一致性差,且加工工序繁多、生产周期长;
3) 对于尺寸或质量超出机床承受极限的构件,主要通过人工作业,对工人技术要求高,且效率低、产品质量及一致性无法保证,尤其工作环境恶劣、劳动强度大、严重影响工人的身体健康。
因此,亟需探索变革性的制造模式,研制高性能的加工装备,突破现有加工技术瓶颈,解决大型复杂构件的高效高质量加工难题。
在此背景下,清华大学机械系刘辛军教授团队开展技术攻关,提出了以机器人化、小型化、便携式为主要特征的大型复杂构件柔性可重构加工制造新模式,发明了具有姿态耦合大摆角输出特色的轻量化五轴并联机构。
在此基础上,该团队采用“全向移动平台+高刚度机械臂+五轴并联加工部件”构型研制了一套移动式混联加工机器人,该机器人具备大范围定位和局部精细加工能力。
移动式混联加工机器人
该机器人已在航天制造企业应用于多种型号产品生产,完成了大型航天器舱体柱段和锥段焊口铣削、舱外载荷安装支架原位铣削、大型碳纤维网格承力结构件外圆铣削和端面磨削,解决了航天器舱体、卫星结构等大型构件的高效高精加工难题。
大型结构件原位加工:锥段焊口铣削
大型结构件原位加工:柱段焊口铣削
可以说,该机器人使大型复杂类构件的加工模式产生了颠覆性变化,为我国大型航天器结构件的加工制造提供了自主可控的技术装备。
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