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高性能混聯(lián)加工機器人獲得天津市技術(shù)發(fā)明一等獎

2022-05-11 10:07:52 來源：科技日報

項目團隊經(jīng)過20多年的研發(fā)，首創(chuàng)了一種由2自由度平面機構(gòu)、集成鉸鏈和6自由度支鏈構(gòu)成的混聯(lián)加工機器人新機構(gòu)，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(xiàn)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(jīng)被工業(yè)機器人所取代。

用工業(yè)機器人替代機床實現(xiàn)高柔性、低成本加工正在成為智能制造裝備技術(shù)的重要發(fā)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(jīng)過20多年的研發(fā)，首創(chuàng)了一種由2自由度平面機構(gòu)、集成鉸鏈和6自由度支鏈構(gòu)成的混聯(lián)加工機器人新機構(gòu)，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(lián)加工機器人”技術(shù)成果獲得天津市技術(shù)發(fā)明一等獎。該項目還先后獲國家發(fā)明專利33件、發(fā)表學術(shù)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(yè)領域，我們經(jīng)常能看到多關節(jié)機械手或多自由度的機器裝置，這些都是工業(yè)機器人。

“串聯(lián)機器人出現(xiàn)時間早，具有運動靈活、工作空間大等優(yōu)點。而并聯(lián)機器人與串聯(lián)機器人相比，具有承載能力強、剛度大、精度高、動態(tài)特性優(yōu)等特點。”劉海濤用了個比喻來解釋，串聯(lián)機器人就像一個手臂，由各個關節(jié)串聯(lián)在一起。而并聯(lián)機器人是一個閉環(huán)結(jié)構(gòu)，就像把兩只手握在一起，由兩條手臂共同完成一件事。

串聯(lián)和并聯(lián)機器人雖然各有優(yōu)勢，但也都有其劣勢。“串聯(lián)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(lián)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(lián)機器人在一定的操作空間內(nèi)擁有靈活多角度的操作，又能保證高速高精度的特性。

混聯(lián)機器人目前已成為機器人加工技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。同時，由混聯(lián)機器人構(gòu)成的機器人化加工裝備(以下簡稱混聯(lián)加工機器人)，也是我國航天航空等重點領域?qū)崿F(xiàn)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(lián)加工機器人的研究，此時我國尚未建立起這類機器人系統(tǒng)完整的研發(fā)體系，既無成熟產(chǎn)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(chǎn)的混聯(lián)加工機器人是世界上僅有的兩款商業(yè)化的產(chǎn)品，通過專利壁壘長期獨霸國際市場。

“應用國外產(chǎn)品價格高，而且整個系統(tǒng)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(fā)、生產(chǎn)我國自主可控的混聯(lián)加工機器人。

混聯(lián)加工機器人研發(fā)生產(chǎn)難度大

然而混聯(lián)加工機器人并不是串聯(lián)和并聯(lián)機器人的1+1=2，其研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化難度非常大。

首先，最大的難點就是混聯(lián)加工機器人的構(gòu)型，也就是骨架的設計，包括鉸鏈類型、數(shù)量及其空間布置形式等。“能實現(xiàn)同樣運動的構(gòu)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(gòu)型最終只有極少數(shù)具有工程實用價值，結(jié)構(gòu)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(shù)難點。此外，作為一個閉環(huán)結(jié)構(gòu)，由于混聯(lián)加工機器人是多軸聯(lián)動的，因此如何實現(xiàn)高精度運動也是一個難點。

“構(gòu)型雖然有理論方法，但是設計出來的骨架大多數(shù)都不適用，沒有規(guī)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(fā)，最終首創(chuàng)了一種由2自由度平面機構(gòu)、集成鉸鏈和6自由度支鏈構(gòu)成的混聯(lián)加工機器人新機構(gòu)。同時，通過將機器人學、機床動力學、數(shù)字樣機技術(shù)有機結(jié)合，提出了主參數(shù)關聯(lián)設計和層次化設計策略，發(fā)明了尺度—結(jié)構(gòu)—驅(qū)動器集成設計新方法，突破了混聯(lián)加工機器人動態(tài)設計核心技術(shù)，保證了機器人兼具優(yōu)良的運動靈活性、靜剛度和動態(tài)特性。

其次，產(chǎn)品不可能都處于理想狀態(tài)，在零部件的加工和裝配過程中，都會產(chǎn)生誤差影響到精度。因此控制和補償技術(shù)也十分重要，項目組可以通過這項技術(shù)調(diào)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(tài)精度，項目組將機器人學、結(jié)構(gòu)動力學、大數(shù)據(jù)分析有機結(jié)合，突破了高速高精度五軸聯(lián)動控制、位姿誤差綜合補償、平滑與運動平穩(wěn)軌跡規(guī)劃、高效精準視覺定位等一系列核心關鍵技術(shù)。

最后，從應用的角度來看，混聯(lián)加工機器人會有很多應用場景。不同的工藝有不同的生產(chǎn)需求，這都需要混聯(lián)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(shù)，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(zhuǎn)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(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。”劉海濤說。

項目組不僅解決了混聯(lián)加工機器人機構(gòu)創(chuàng)新、設計理論、精度調(diào)控中的難題，還突破了加工工藝中的關鍵環(huán)節(jié)，打通了從自主設計到工程應用的全鏈條。混聯(lián)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(yè)的單機和多機制造系統(tǒng)。

經(jīng)第三方權(quán)威機構(gòu)檢測，項目組研發(fā)生產(chǎn)的混聯(lián)加工機器人性能指標與國外同類產(chǎn)品技術(shù)水平相當，實現(xiàn)了從追趕到并跑的技術(shù)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(fā)的以混聯(lián)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(xiàn)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(tǒng)的機械加工都使用機床，機床加工技術(shù)已有百年發(fā)展史，技術(shù)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(shù)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(lián)加工機器人可以實現(xiàn)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(chǎn)效率。同時混聯(lián)加工機器人還可以與測量、傳感技術(shù)集成，真正體現(xiàn)了制造業(yè)的“智慧”。

據(jù)悉，目前“高性能混聯(lián)加工機器人”成果已經(jīng)向廣州數(shù)控等企業(yè)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?qū)C器人化加工裝備的重大需求，項目組將持續(xù)深入地開展機器人—測控—工藝系統(tǒng)集成技術(shù)研究，努力拓展所研發(fā)的混聯(lián)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(shù)水平、推進制造業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展提供技術(shù)支撐。”(陳曦張華)

關鍵詞：天津大學工業(yè)機器人機械工程學院