現(xiàn)在，全球很多企業(yè)都在進(jìn)行數(shù)字工廠的嘗試，力圖實現(xiàn)制造方式的變革。制造業(yè)的數(shù)字化主要體現(xiàn)在幾個方面：產(chǎn)業(yè)模式創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新。數(shù)字化工廠實際上有4項關(guān)鍵因素：數(shù)字化的生產(chǎn)設(shè)備;數(shù)字化的產(chǎn)品數(shù)據(jù);網(wǎng)絡(luò)化的工作環(huán)境;智能化的管理軟件。下面主要談?wù)剶?shù)字化生產(chǎn)設(shè)備中的裝備創(chuàng)新。

　　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(lǐng)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(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)是一個并聯(lián)機構(gòu)，加上肘關(guān)節(jié)整體構(gòu)成一個混聯(lián)式的部位。人的行為也有規(guī)律，如打藍(lán)球時，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，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)�？梢�，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(gòu)的認(rèn)知和設(shè)計基本上已很成熟�，F(xiàn)有的軟件有很多，包括CAD、SolidWorks等，目前的關(guān)鍵技術(shù)就是對設(shè)備的應(yīng)用�？梢酝ㄟ^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(dá)國家的先進(jìn)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(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(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�，F(xiàn)在5軸聯(lián)動的龍門機床在航空工業(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(shù)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(gòu)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。

　　新結(jié)構(gòu)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(jì)體的工業(yè)綜合實力，也對制造裝備產(chǎn)生重大的需求。

　　并聯(lián)機構(gòu)難點已攻克

　　對于并聯(lián)機構(gòu)，由于理論不完善，無法采用現(xiàn)有軟件進(jìn)行設(shè)計。

　　型、性和度是區(qū)分自然界萬物的基本標(biāo)準(zhǔn)，它們也是機構(gòu)學(xué)研究三大主題。對于并聯(lián)機構(gòu)來說，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。

　　舉例來說，要設(shè)計一個串聯(lián)機構(gòu)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(gòu)，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(gòu)里面，既要設(shè)計運動，又要設(shè)計約束。如果只設(shè)計運動，沒有設(shè)計約束，會存在一定問題。

　　目前清華大學(xué)有關(guān)實驗室已經(jīng)做了相關(guān)領(lǐng)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(xué)工具實現(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)明了多種實用新型機構(gòu)，大部分可以用在機床的研發(fā)上，突破傳統(tǒng)并聯(lián)機構(gòu)擺角能力差的問題，滿足不同領(lǐng)域應(yīng)用需求。

　　目前，已經(jīng)成功研發(fā)出一種新型機床，具有三自由度，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(dá)到±90°，是一種高速機器人。

　　清華大學(xué)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(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，響應(yīng)速度快的特點。該設(shè)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(shè)備。

　　啄木鳥行為仿生學(xué)

　　在航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(gòu)模塊�，F(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(shù)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(lǐng)先企業(yè)也在研發(fā)這種設(shè)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(shè)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(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，實現(xiàn)了小機床加工大零件的目標(biāo)。

　　簡要談?wù)勛哪绝B仿生學(xué)的一些情況。大型結(jié)構(gòu)件若發(fā)生問題，拆掉再運回加工廠維護(hù)，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(xué)設(shè)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。這種方式將成為一種發(fā)展趨勢，研究界稱之為“啄木鳥行為仿生學(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)問題，下一步還需在技術(shù)上和結(jié)構(gòu)上做一些工作。德國那臺機床是世界第一臺，清華大學(xué)的這臺是世界第二臺。

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本文標(biāo)題：數(shù)字化生產(chǎn)設(shè)備的嬗變

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