摘要：中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制了一套集數字化測量、誤差評價(jià)、自適應加工路徑生成、磨削過(guò)程力/位置混合控制、自適應工藝參數優(yōu)化為一體的復雜曲面零件機器人磨削智能化加工系統，解決了復雜曲面機器人精密研磨拋光工藝及裝備中的一系列共性技術(shù)，實(shí)現了極限工況下強約束高性能精密復雜曲面部件的高效加工，具有重要的理論價(jià)值和應用前景。目前，該系統已在航空、航天、汽車(chē)、民用等領(lǐng)域得到了應用，為推動(dòng)機器人先進(jìn)制造技術(shù)用于生產(chǎn)實(shí)踐的轉變提供了技術(shù)支撐。發(fā)展出的面向復雜曲面精密高速加工的機器人自動(dòng)加工新技術(shù)、新工藝和新方法，相對于傳統人工操作方法，綜合效率提升達50%以上，經(jīng)濟效益及社會(huì )效益顯著(zhù)。

項目背景

復雜曲面精密研磨拋光加工是航空、國防、能源、運載等領(lǐng)域產(chǎn)品制造中的精加工工序，對產(chǎn)品的加工質(zhì)量及生產(chǎn)成本有著(zhù)決定性作用。目前，國內制造企業(yè)大部分仍然采取落后的手工磨拋作業(yè)，采用去除→測量→再去除→再測量的試湊加工方式，加工質(zhì)量高度依賴(lài)于操作工人的經(jīng)驗，不僅難以實(shí)現加工質(zhì)量高、效率高，加工過(guò)程產(chǎn)生的噪聲、粉塵等惡劣環(huán)境對工人的身體健康也有著(zhù)極大地危害，已成為約束高質(zhì)量復雜曲面高精制造技術(shù)發(fā)展的瓶頸。對于復雜曲面的磨拋加工，手工精加工工時(shí)在美國、日本和德國等發(fā)達工業(yè)國家小于總工時(shí)的1/3，而在我國則高達85%以上。鑒于機器人的構造和性能充分體現了自動(dòng)化裝置的優(yōu)點(diǎn)，特別是體現了智能性、適應性、準確性以及在各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，采用工業(yè)機器人技術(shù)進(jìn)行復雜曲面自動(dòng)磨拋加工逐步替代手工操作是智能制造發(fā)展的必然趨勢。

復雜曲面機器人精密研磨拋光裝備主要由工業(yè)機器人、力傳感器、磨拋工具、離線(xiàn)編程和在線(xiàn)監控軟件系統、工藝數據系統等構成。中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所建立了較為完整的復雜曲面零件機器人高精度自適應磨拋加工技術(shù)體系，目前服務(wù)的主要領(lǐng)域包括航空、航天、能源、運載等高端制造業(yè)。攻克了復雜曲面機器人磨拋加工機理和表面完整性控制方法、復雜曲面機器人柔性磨拋的磨拋力預測及其穩定性控制、具有優(yōu)良運動(dòng)幾何學(xué)性質(zhì)和光滑動(dòng)力學(xué)特性的柔性加工軌跡設計方法、復雜曲面零件磨拋表面高精度測量及加工誤差分析方法、復雜曲面機器人研磨拋光離線(xiàn)編程和三維動(dòng)態(tài)仿真軟件系統等關(guān)鍵技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。

項目實(shí)施

（1）在航空大型復雜曲面零件制造領(lǐng)域實(shí)施情況——飛機座艙透明件機器人研磨拋光系統（如圖1所示）
隨著(zhù)航空制造技術(shù)的發(fā)展，飛機飛行速度和高度的日益增加，座艙透明件結構也逐漸從結構簡(jiǎn)單、功能單一發(fā)展到大尺寸復雜結構、功能多樣化的透明件系統。透明件屬于易損零件，經(jīng)常出現劃傷、刻傷以及深度碰傷等表面缺陷，此外還會(huì )因板材或成型原因造成折光、波紋、亮點(diǎn)、耐熱點(diǎn)等光學(xué)缺陷。該項目研制的飛機座艙透明件機器人研磨拋光系統成功應用于我國三代機、四代機座艙罩的研制生產(chǎn)任務(wù)，為飛機座艙透明件的生產(chǎn)效率提升起到了關(guān)鍵性作用。

圖1 飛機座艙透明件機器人研磨拋光系統

（2）汽車(chē)制造領(lǐng)域實(shí)施情況——客車(chē)中涂漆智能打磨機器人（如圖2所示）

項目目標是實(shí)現基于智能機器人技術(shù)的大客車(chē)表面中涂漆、膩子的高效率、高質(zhì)量打磨，替代目前的人工打磨操作方法。該項目采用雙軌道機器人布置方式，可以實(shí)現總長(cháng)達14米的大客車(chē)車(chē)體中涂漆、膩子的高效機器人打磨。為適應大客車(chē)多品種、小批量的技術(shù)特點(diǎn)和車(chē)體制造誤差大、生產(chǎn)節拍要求較快等技術(shù)難題，項目綜合開(kāi)發(fā)了客車(chē)車(chē)體打磨機器人離線(xiàn)編程軟件系統、基于恒力執行器的機器人柔性控制、高精度車(chē)體快速定位技術(shù)以及基于線(xiàn)結構光和力傳感的避障物檢測及避障處理等技術(shù)。

圖2 客車(chē)中涂漆智能打磨機器人

（3）在核工業(yè)制造領(lǐng)域的應用——核一級主泵

機器人智能磨削加工系統（如圖3所示）采用工業(yè)機器人實(shí)現核一級主泵的自動(dòng)化高精度打磨加工，顯著(zhù)提高工件打磨的表面粗糙度和平整度的一致性，機器人配合帶移動(dòng)的轉臺，可以實(shí)現主泵整個(gè)型面的打磨。

圖3 核一級主泵機器人智能磨削加工系統

效益分析

本項目主要為制造裝備業(yè)、先進(jìn)機加工行業(yè)及航空企業(yè)提供高性能機器人自動(dòng)高精加工關(guān)鍵技術(shù)，以系統集成裝備和軟件系統或對某些關(guān)鍵件生產(chǎn)單獨解決方式服務(wù)于先進(jìn)制造業(yè)。項目突破復雜曲面葉片自動(dòng)化磨拋裝備與工藝的多項關(guān)鍵技術(shù)，建立復雜曲面零件的機器人智能制造裝備、控制、工藝及驗證技術(shù)群，支撐復雜曲面零件加工與機器人智能制造的發(fā)展。形成了復雜曲面精密研磨拋光裝備研發(fā)及一體化智能制造能力，建立基于力/位置混合控制及多傳感融合特征的機器人曲面加工制造技術(shù)優(yōu)勢的創(chuàng )新制造體系，并在國內首次提出了面向感知、決策、加工一體化智能制造的機器人磨拋方案，實(shí)現了多機器人協(xié)同作業(yè)、智能分區、自適應路徑規劃等技術(shù)。實(shí)現了技術(shù)創(chuàng )新體系與產(chǎn)業(yè)體系互動(dòng)發(fā)展，支撐了我國機器人先進(jìn)制造工業(yè)發(fā)展，助力高端裝備制造業(yè)轉型升級。

本項目發(fā)展出的面向復雜曲面精密高速加工的機器人自動(dòng)加工新技術(shù)新方法，較人工作業(yè)提高加工效率在50%以上。同時(shí)，也將解決極限工況下強約束高性能精密復雜曲面的高效加工問(wèn)題，具有重要的理論價(jià)值和應用前景。項目成果可進(jìn)一步推廣應用到航天、兵器、船舶、核能、汽車(chē)、機車(chē)等領(lǐng)域，為促進(jìn)我國裝備制造業(yè)轉型升級、實(shí)現中國制造2025起到支撐作用。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年4月刊