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摘要：中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研制了一套集數(shù)字化測量、誤差評(píng)價(jià)、自適應(yīng)加工路徑生成、磨削過程力/位置混合控制、自適應(yīng)工藝參數(shù)優(yōu)化為一體的復(fù)雜曲面零件機(jī)器人磨削智能化加工系統(tǒng)，解決了復(fù)雜曲面機(jī)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(xiàn)了極限工況下強(qiáng)約束高性能精密復(fù)雜曲面部件的高效加工，具有重要的理論價(jià)值和應(yīng)用前景。目前，該系統(tǒng)已在航空、航天、汽車、民用等領(lǐng)域得到了應(yīng)用，為推動(dòng)機(jī)器人先進(jìn)制造技術(shù)用于生產(chǎn)實(shí)踐的轉(zhuǎn)變提供了技術(shù)支撐。發(fā)展出的面向復(fù)雜曲面精密高速加工的機(jī)器人自動(dòng)加工新技術(shù)、新工藝和新方法，相對于傳統(tǒng)人工操作方法，綜合效率提升達(dá)50%以上，經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益顯著。

項(xiàng)目背景

復(fù)雜曲面精密研磨拋光加工是航空、國防、能源、運(yùn)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)成本有著決定性作用。目前，國內(nèi)制造企業(yè)大部分仍然采取落后的手工磨拋?zhàn)鳂I(yè)，采用去除→測量→再去除→再測量的試湊加工方式，加工質(zhì)量高度依賴于操作工人的經(jīng)驗(yàn)，不僅難以實(shí)現(xiàn)加工質(zhì)量高、效率高，加工過程產(chǎn)生的噪聲、粉塵等惡劣環(huán)境對工人的身體健康也有著極大地危害，已成為約束高質(zhì)量復(fù)雜曲面高精制造技術(shù)發(fā)展的瓶頸。對于復(fù)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(dá)工業(yè)國家小于總工時(shí)的1/3，而在我國則高達(dá)85%以上。鑒于機(jī)器人的構(gòu)造和性能充分體現(xiàn)了自動(dòng)化裝置的優(yōu)點(diǎn)，特別是體現(xiàn)了智能性、適應(yīng)性、準(zhǔn)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(jī)器人技術(shù)進(jìn)行復(fù)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(fù)雜曲面機(jī)器人精密研磨拋光裝備主要由工業(yè)機(jī)器人、力傳感器、磨拋工具、離線編程和在線監(jiān)控軟件系統(tǒng)、工藝數(shù)據(jù)系統(tǒng)等構(gòu)成。中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所建立了較為完整的復(fù)雜曲面零件機(jī)器人高精度自適應(yīng)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(yùn)載等高端制造業(yè)。攻克了復(fù)雜曲面機(jī)器人磨拋加工機(jī)理和表面完整性控制方法、復(fù)雜曲面機(jī)器人柔性磨拋的磨拋力預(yù)測及其穩(wěn)定性控制、具有優(yōu)良運(yùn)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(shè)計(jì)方法、復(fù)雜曲面零件磨拋表面高精度測量及加工誤差分析方法、復(fù)雜曲面機(jī)器人研磨拋光離線編程和三維動(dòng)態(tài)仿真軟件系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的研究與開發(fā)。

項(xiàng)目實(shí)施

（1）在航空大型復(fù)雜曲面零件制造領(lǐng)域?qū)嵤┣闆r——飛機(jī)座艙透明件機(jī)器人研磨拋光系統(tǒng)（如圖1所示）
隨著航空制造技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)飛行速度和高度的日益增加，座艙透明件結(jié)構(gòu)也逐漸從結(jié)構(gòu)簡單、功能單一發(fā)展到大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)、功能多樣化的透明件系統(tǒng)。透明件屬于易損零件，經(jīng)常出現(xiàn)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(xiàng)目研制的飛機(jī)座艙透明件機(jī)器人研磨拋光系統(tǒng)成功應(yīng)用于我國三代機(jī)、四代機(jī)座艙罩的研制生產(chǎn)任務(wù)，為飛機(jī)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(jī)座艙透明件機(jī)器人研磨拋光系統(tǒng)

（2）汽車制造領(lǐng)域?qū)嵤┣闆r——客車中涂漆智能打磨機(jī)器人（如圖2所示）

項(xiàng)目目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)基于智能機(jī)器人技術(shù)的大客車表面中涂漆、膩?zhàn)拥母咝省⒏哔|(zhì)量打磨，替代目前的人工打磨操作方法。該項(xiàng)目采用雙軌道機(jī)器人布置方式，可以實(shí)現(xiàn)總長達(dá)14米的大客車車體中涂漆、膩?zhàn)拥母咝C(jī)器人打磨。為適應(yīng)大客車多品種、小批量的技術(shù)特點(diǎn)和車體制造誤差大、生產(chǎn)節(jié)拍要求較快等技術(shù)難題，項(xiàng)目綜合開發(fā)了客車車體打磨機(jī)器人離線編程軟件系統(tǒng)、基于恒力執(zhí)行器的機(jī)器人柔性控制、高精度車體快速定位技術(shù)以及基于線結(jié)構(gòu)光和力傳感的避障物檢測及避障處理等技術(shù)。

圖2 客車中涂漆智能打磨機(jī)器人

（3）在核工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用——核一級(jí)主泵

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

圖3 核一級(jí)主泵機(jī)器人智能磨削加工系統(tǒng)

效益分析

本項(xiàng)目主要為制造裝備業(yè)、先進(jìn)機(jī)加工行業(yè)及航空企業(yè)提供高性能機(jī)器人自動(dòng)高精加工關(guān)鍵技術(shù)，以系統(tǒng)集成裝備和軟件系統(tǒng)或?qū)δ承╆P(guān)鍵件生產(chǎn)單獨(dú)解決方式服務(wù)于先進(jìn)制造業(yè)。項(xiàng)目突破復(fù)雜曲面葉片自動(dòng)化磨拋裝備與工藝的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，建立復(fù)雜曲面零件的機(jī)器人智能制造裝備、控制、工藝及驗(yàn)證技術(shù)群，支撐復(fù)雜曲面零件加工與機(jī)器人智能制造的發(fā)展。形成了復(fù)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(jī)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(nèi)首次提出了面向感知、決策、加工一體化智能制造的機(jī)器人磨拋方案，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)、智能分區(qū)、自適應(yīng)路徑規(guī)劃等技術(shù)。實(shí)現(xiàn)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(jī)器人先進(jìn)制造工業(yè)發(fā)展，助力高端裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

本項(xiàng)目發(fā)展出的面向復(fù)雜曲面精密高速加工的機(jī)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(qiáng)約束高性能精密復(fù)雜曲面的高效加工問題，具有重要的理論價(jià)值和應(yīng)用前景。項(xiàng)目成果可進(jìn)一步推廣應(yīng)用到航天、兵器、船舶、核能、汽車、機(jī)車等領(lǐng)域，為促進(jìn)我國裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、實(shí)現(xiàn)中國制造2025起到支撐作用。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年4月刊