手的靈活性決定了人類成為這個星球上的主導(dǎo)物種。智能制造同樣離不開一把好“手”。如今，工業(yè)機(jī)器人就是人們雙手的延伸，它們是粗活細(xì)活都能干的全能選手。海底沉管的銜接，“超級焊匠”一出手就能搞定；加工光學(xué)模具的工業(yè)母機(jī)可以做到“天衣無縫”；扛大梁的機(jī)器人手臂上，真的有一個“太陽系”嗎？給超級水利工程做全息體檢和局部手術(shù)的究竟又是何方“圣手”？

  用機(jī)器人焊接世界超級工程

  讓焊接更高效、更精準(zhǔn)、更可靠

  深中通道雙向八車道，沉管直徑比港珠澳大橋沉管還要大，每個沉管重達(dá)9000噸，相當(dāng)于一艘中型航母，32個管節(jié)沉管鋪就一條海底隧道，這又將是一個世界超級工程。

  在深中通道沉管鋼殼的制造基地，一根新的沉管即將開始建造，它采用的是三明治結(jié)構(gòu)。

  顧名思義，“三明治”結(jié)構(gòu)就是用內(nèi)外兩層鋼板造出巨型鋼殼，然后在兩層鋼板的隔艙之間進(jìn)行混凝土澆筑。

  然而，巨型鋼殼全靠焊接，每個沉管鋼殼的焊縫總長度超過300公里，假如用人工焊接，一個沉管鋼殼就需要超過1000名焊接工人，工期長達(dá)12個月。如果32根管節(jié)焊接都靠人工，顯然是無法按時完成的任務(wù)。這次，工程師決定啟用機(jī)器人焊接。

  機(jī)器人測量鋼板尺寸和位置，大腦根據(jù)數(shù)據(jù)迅速發(fā)出指令，焊槍上的激光感應(yīng)器跟蹤識別焊縫，實時糾偏。

  假如工人來焊接，至少需要焊接6到8道，而機(jī)器人一氣呵成，堪比“超級焊匠”。廣船國際有限公司深中通道項目GK01合同段項目經(jīng)理部總工程師 龍漢新：焊同樣的工作量的話，原來我們要18個焊工，現(xiàn)在可能只要4個焊工。而且機(jī)器人焊出來的質(zhì)量比較穩(wěn)定。

  碼頭上，制造完成的沉管鋼殼正在駁運上船。一個管節(jié)，頂面面積相當(dāng)于14個標(biāo)準(zhǔn)籃球場大小。巨型斷面的平整度達(dá)到4毫米之內(nèi)，如此高的精度世界罕見。

  水輪機(jī)組維修機(jī)器人

  為41歲的葛洲壩做修復(fù)手術(shù)

  葛洲壩，萬里長江上的第一座大型水電站，2022年迎來它的41歲生日。

  轉(zhuǎn)輪是發(fā)電機(jī)組的“心臟”，水流推動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，將盡可能多的能量轉(zhuǎn)化為電能。正常運行時，轉(zhuǎn)輪表面平滑如瓷，但洶涌的江水帶來能量的同時，也帶來泥沙猛烈沖擊轉(zhuǎn)輪表面，留下凹凸不平的劃痕，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)輪的健康。

  41歲的葛洲壩，即將迎來一次脫胎換骨的“大手術(shù)”。

  靠人工，維修一臺水輪機(jī)組至少要3周，多修一天就要少發(fā)360萬度電。這一次，大修的任務(wù)交給了機(jī)器人。

  把機(jī)器人安裝在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室的內(nèi)壁上，讓它在復(fù)雜的葉輪間，沿著曲面一邊攀爬，一邊工作。而且打磨精度要達(dá)到微米級，比醫(yī)生整容還要難。

  機(jī)器人原位檢修大型水輪機(jī)組，全世界都沒有先例。第一代水輪機(jī)組維修機(jī)器人表現(xiàn)如何，大家拭目以待。

  2小時20分鐘，機(jī)器人將兩塊近1平方米的內(nèi)壁修復(fù)完畢。核準(zhǔn)顯示，機(jī)器人重復(fù)定位精度達(dá)到0.06毫米，加工表面粗糙度不到1微米，比要求提高了三倍。

  狹小的空間里，機(jī)器人猶如飛檐走壁的蜘蛛俠，輕松完成轉(zhuǎn)輪內(nèi)壁和頂部葉片的維修。一臺機(jī)器人24小時就能完成10個人一周的維修工作。

  2022年5月18日，轉(zhuǎn)輪維修完成，比預(yù)計時間提前了30天。智能化解決方案，讓葛洲壩煥發(fā)出了新的活力。

  五軸數(shù)控機(jī)床行云流水

  鉛筆筆尖上雕出電吉他

  一個加工面型精度達(dá)到微米級、表面粗糙度Ra10納米以內(nèi)的光學(xué)模具零件，要實現(xiàn)批量制造，人手無法勝任，需要借助精密的數(shù)控機(jī)床。

  加工這個精密件需要用到9把刀，每把刀都存在微米級的偏差，失之毫厘，謬以千里，破解刀具尺寸誤差的難題，不斷接近國際精密加工領(lǐng)域的最高標(biāo)準(zhǔn)。

  工件加工的凹凸面配合間隙達(dá)到了5微米以內(nèi)，相當(dāng)于一張A4紙厚度的二十分之一，真正做到了嚴(yán)絲合縫。

  調(diào)整好的五軸數(shù)控機(jī)床就像一雙藝術(shù)家的手，在面積只有10.35平方毫米的鉛筆筆尖上，雕刻出了一把精致的電吉他。只有數(shù)控機(jī)床的軸運動精度達(dá)到微米級，才能做到如此行云流水。

  十五年前，自主研發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)在國產(chǎn)機(jī)床市場的占有率還不足1%，而現(xiàn)在，已經(jīng)提高到了31.9%。

  國產(chǎn)大負(fù)載機(jī)器人

  每1分鐘就能完成一輛轎車后側(cè)圍板的制造

  安徽蕪湖的汽車廠里，26臺國產(chǎn)大負(fù)載機(jī)器人正在生產(chǎn)汽車后側(cè)圍板，這些機(jī)器人手腕部可以負(fù)載210公斤，它們精準(zhǔn)抓取、上料、自動識別焊縫進(jìn)行焊接，每1分鐘就能完成一輛轎車后側(cè)圍板的制造。

  如今，全球約三分之一的工業(yè)機(jī)器人都應(yīng)用在汽車廠。但是，縱觀中國120家汽車廠，90%以上的機(jī)器人都是國外進(jìn)口。如果不能實現(xiàn)自主可控，會對整個產(chǎn)業(yè)影響深遠(yuǎn)，國內(nèi)科研人員要補(bǔ)上這個環(huán)節(jié)。

  大負(fù)載機(jī)器人最難攻克的就是精度。今天，這臺210公斤大負(fù)載機(jī)器人的重復(fù)定位精度已經(jīng)達(dá)到了0.072毫米，向0.06毫米的國際一流標(biāo)準(zhǔn)又靠近了一步。

  中國生產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的企業(yè)有數(shù)百家，但是，能夠批量生產(chǎn)100公斤以上大負(fù)載多關(guān)節(jié)機(jī)器人的國內(nèi)公司不超過10家。

  大負(fù)載機(jī)器人，這是中國機(jī)器人企業(yè)亟待翻越的一座高山。

  精度保持性達(dá)到0.3弧分

  中國人終于可以生產(chǎn)出高精度的RV減速機(jī)

  在工業(yè)生產(chǎn)中，能挑大梁的機(jī)器人往往需要負(fù)重50公斤以上，這些頂梁柱的肘關(guān)節(jié)必須要用載荷更大的RV減速機(jī)。

  中國工業(yè)機(jī)器人一年的產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到44萬臺。但是，長久以來，70%的RV減速機(jī)都是外資品牌。

  2015年，北京工業(yè)大學(xué)教授張躍明決定向這一國內(nèi)空白技術(shù)發(fā)起挑戰(zhàn)。

  打開RV減速機(jī)，里面就像一個太陽系，既有太陽輪，也有行星輪。這就是RV減速機(jī)的擺線行星輪，它們就像圍繞太陽的行星，既有自轉(zhuǎn)也有公轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)一圈的同時公轉(zhuǎn)40圈，通過多組行星運動實現(xiàn)精密傳動，把電機(jī)的高速轉(zhuǎn)動降下來，同時增大轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動機(jī)器人手臂旋轉(zhuǎn)。

  擺線行星輪是RV減速機(jī)里的核心部件，擺線行星輪一般有39個齒，每個齒的廓線形狀必須保持一致，稍有誤差就會影響整個RV減速機(jī)的傳動精度。

  經(jīng)過上萬次的反復(fù)優(yōu)化，一套獨特的擺線行星輪修形設(shè)計方法形成了，保證39個齒形的廓線誤差控制在4微米以內(nèi)。

  經(jīng)過十萬次的測試， RV減速機(jī)的精度保持性達(dá)到了0.3弧分，徹底解決了磨損嚴(yán)重的問題。跨過嚴(yán)苛的微米制造，中國人終于可以生產(chǎn)出高精度的RV減速機(jī)。

  “中國機(jī)械臂”驚艷太空

  炫酷堪比變形金剛

  2022年11月17日，神舟十四號航天員出艙執(zhí)行任務(wù)。這是中國空間站T字構(gòu)型完成后的首次出艙活動。

  和三位宇航員密切協(xié)同的是兩條“神奇”的機(jī)械臂。

  大機(jī)械臂名叫“天和機(jī)械臂”，承載力可達(dá)25噸，堪稱中國空間站的“大力士”。

  小機(jī)械臂名叫“問天機(jī)械臂”，雖然承載力只有3噸，但十分靈活。

  天和機(jī)械臂有兩根臂桿，7個活動關(guān)節(jié)，展開長度10.2米。這么長的一個機(jī)械臂，要在零重力環(huán)境下，移動范圍覆蓋所有作業(yè)區(qū)域，精度還必須達(dá)到5厘米以內(nèi)。

  研發(fā)團(tuán)隊一籌莫展的時候，一位工程師用圓規(guī)畫圖，猛然受到啟發(fā)。就像圓規(guī)一樣，他們也讓大型機(jī)械臂的兩只手當(dāng)“腳”，互為支點，交替切換向前移動，實現(xiàn)爬行轉(zhuǎn)移。

  年輕的中國工程師們，打破常規(guī)，獨具創(chuàng)新，讓天和機(jī)械臂執(zhí)行任務(wù)的精度達(dá)到毫米級，出色完成天舟貨運艙抓取和艙段在軌轉(zhuǎn)位，被網(wǎng)友們稱作“百變金剛”。

  中國開展太空機(jī)械臂的研發(fā)比國際上晚了40年，但是我們的進(jìn)步速度卻讓世界為之驚嘆。