機床加工大尺寸工件“力不從心”？ 靈巧的混聯機器人來了
http://www.debgrams.com 2022-05-11 13:44 來源：科技日報
天津大學項目團隊經過20多年的研發，首創了一種由2自由度平面機構、集成鉸鏈和6自由度支鏈構成的混聯加工機器人新機構，打破了國外的專利壁壘，在航天航空、軌道交通、船舶制造等領域具有廣闊的應用前景。
看過電影《摩登時代》的人都還記得，喜劇大師卓別林飾演的工人查理每天唯一的任務就是在流水線上重復著同樣的工作——扭緊六角螺帽。如今在現代智能制造工廠，查理這種重復性強、學習性弱、危險性高的工作，已經被工業機器人所取代。
用工業機器人替代機床實現高柔性、低成本加工正在成為智能制造裝備技術的重要發展趨勢。天津大學機械工程學院機械系教授劉海濤項目團隊經過20多年的研發，首創了一種由2自由度平面機構、集成鉸鏈和6自由度支鏈構成的混聯加工機器人新機構，打破了國外的專利壁壘，在航天航空、軌道交通、船舶制造等領域具有廣闊的應用前景。日前，“高性能混聯加工機器人”技術成果獲得天津市技術發明一等獎。該項目還先后獲國家發明專利33件、發表學術論文59篇。
高性能制造急需的核心裝備
如今，在汽車、電子、物流等各個工業領域，我們經常能看到多關節機械手或多自由度的機器裝置，這些都是工業機器人。
“串聯機器人出現時間早，具有運動靈活、工作空間大等優點。而并聯機器人與串聯機器人相比，具有承載能力強、剛度大、精度高、動態特性優等特點。”劉海濤用了個比喻來解釋，串聯機器人就像一個手臂，由各個關節串聯在一起。而并聯機器人是一個閉環結構，就像把兩只手握在一起，由兩條手臂共同完成一件事。
串聯和并聯機器人雖然各有優勢，但也都有其劣勢。“串聯機器人是‘孤掌難鳴’，一條手臂負載能力有限，其剛度和精度具有局限性。而并聯機器人由于是兩只手握在一起，運動靈活性下降，工作范圍變小。”劉海濤介紹，混聯機器人在一定的操作空間內擁有靈活多角度的操作，又能保證高速高精度的特性。
混聯機器人目前已成為機器人加工技術的一個重要發展方向。同時，由混聯機器人構成的機器人化加工裝備（以下簡稱混聯加工機器人），也是我國航天航空等重點領域實現高性能制造急需的核心裝備。
2000年初，劉海濤所在課題組便開始投入對混聯加工機器人的研究，此時我國尚未建立起這類機器人系統完整的研發體系，既無成熟產品，更無在高端領域的應用。
市場上，西班牙龍信和瑞典艾克斯康公司生產的混聯加工機器人是世界上僅有的兩款商業化的產品，通過專利壁壘長期獨霸國際市場。
“應用國外產品價格高，而且整個系統包括工藝流程等都是封閉的，除了維護費用高以外，未來工藝改革等都受到一定限制。”劉海濤說，因此這種局面亟待突破，需要研發、生產我國自主可控的混聯加工機器人。
混聯加工機器人研發生產難度大
然而混聯加工機器人并不是串聯和并聯機器人的1+1=2，其研發和產業化難度非常大。
首先，最大的難點就是混聯加工機器人的構型，也就是骨架的設計，包括鉸鏈類型、數量及其空間布置形式等。“能實現同樣運動的構型浩如煙海，就好比人和魚的骨架雖然不同，但都能在水里游。”劉海濤說，這么多構型最終只有極少數具有工程實用價值，結構是否簡單、受力是否合理、可否低成本制造以及是否便于靈活布局等都是技術難點。此外，作為一個閉環結構，由于混聯加工機器人是多軸聯動的，因此如何實現高精度運動也是一個難點。
“構型雖然有理論方法，但是設計出來的骨架大多數都不適用，沒有規律可循，設計需要一定的靈感。”劉海濤說，“靈感其實也是來源于工程的實踐中。”
項目組通過四代工程樣機的迭代開發，最終首創了一種由2自由度平面機構、集成鉸鏈和6自由度支鏈構成的混聯加工機器人新機構。同時，通過將機器人學、機床動力學、數字樣機技術有機結合，提出了主參數關聯設計和層次化設計策略，發明了尺度—結構—驅動器集成設計新方法，突破了混聯加工機器人動態設計核心技術，保證了機器人兼具優良的運動靈活性、靜剛度和動態特性。
其次，產品不可能都處于理想狀態，在零部件的加工和裝配過程中，都會產生誤差影響到精度。因此控制和補償技術也十分重要，項目組可以通過這項技術調控裝備的精度，從而保證機器人末端的高精度運作。
為了提高機器人的靜動態精度，項目組將機器人學、結構動力學、大數據分析有機結合，突破了高速高精度五軸聯動控制、位姿誤差綜合補償、平滑與運動平穩軌跡規劃、高效精準視覺定位等一系列核心關鍵技術。
最后，從應用的角度來看，混聯加工機器人會有很多應用場景。不同的工藝有不同的生產需求，這都需要混聯加工機器人和裝備相適應。劉海濤舉例說，比如銑削加工就有很多工藝參數，包括使用什么樣的刀具，用多快的進給速度進行加工，刀具的轉速是多少等，而打磨、焊接、拋光等不同的應用也都有各自的工藝要求。
“只有把理論和最后應用需要形成一套完整的體系才能實現產業化。”劉海濤說。
項目組不僅解決了混聯加工機器人機構創新、設計理論、精度調控中的難題，還突破了加工工藝中的關鍵環節，打通了從自主設計到工程應用的全鏈條。混聯加工機器人可搭建各類適用于銑削、制孔、焊接、拋磨、裝配等作業的單機和多機制造系統。
經第三方權威機構檢測，項目組研發生產的混聯加工機器人性能指標與國外同類產品技術水平相當，實現了從追趕到并跑的技術跨越。
解決我國重大工程中的制造難題
目前，劉海濤項目組開發的以混聯加工機器人為核心的全向移動銑削、光學元件超精密拋光、空間型線攪拌摩擦焊接、汽車模具拋磨等系列新型工藝裝備，率先實現了在航天航空、新能源、汽車制造等領域的工程應用，解決了一批我國重大工程中的制造難題。
劉海濤舉例說，傳統的機械加工都使用機床，機床加工技術已有百年發展史，技術成熟且加工精度高，因此航天領域很多重要的工件都是由機床加工而成。然而隨著航天制造領域需要加工的工件尺寸越來越大，像航天艙、火箭燃料貯箱等，使用機床完成局部加工就有些“力不從心”了。
“占地大、造價高，同時還要保證高精度，對機床加工技術的要求越來越高。而且工件上下機床過程復雜，導致加工周期長。”劉海濤說，而使用混聯加工機器人可以實現原位加工，工件不動，機器人可以靈活“游走”，還能多機同時進行操作，大大提高了生產效率。同時混聯加工機器人還可以與測量、傳感技術集成，真正體現了制造業的“智慧”。
據悉，目前“高性能混聯加工機器人”成果已經向廣州數控等企業實施專利許可2項，獲得歐盟CE安全認證并出口英國。
劉海濤表示：“未來，面向我國高端制造領域對機器人化加工裝備的重大需求，項目組將持續深入地開展機器人—測控—工藝系統集成技術研究，努力拓展所研發的混聯加工機器人的應用領域，為提升我國高性能加工機器人的技術水平、推進制造業創新驅動發展提供技術支撐。”
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