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機床加工大尺寸（cùn）工件“力不從心”？靈巧的混（hún）聯機器人來了

2022-5-11 來源（yuán）：- 作（zuò）者：-

　　項目團隊經過20多年的研發，首創了一種由2自由度平麵機構、集成鉸鏈和6自由度支鏈構成的混聯加工（gōng）機器人新機（jī）構（gòu），打破了國外的專利壁壘，在（zài）航天航空、軌道（dào）交通、船舶製造等（děng）領域具有廣（guǎng）闊的應用前景（jǐng）。

　　看過電影《摩登（dēng）時代》的人都還記得，喜劇大師卓（zhuó）別林飾演的工人查理每天唯一（yī）的任務就是在流水（shuǐ）線上重複著（zhe）同樣的工作（zuò）——扭緊六角螺（luó）帽。如今在現代智能製造工廠，查理這種重複性強、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（rén）替代機床實現高柔性、低成本加工（gōng）正在成為智能製造裝備（bèi）技術（shù）的重（chóng）要發（fā）展趨勢。天津大學機械工程學院（yuàn）機械係教授劉海濤（tāo）項目團隊經過20多年的研發，首創了一種由2自由度（dù）平麵機構、集成鉸鏈和6自由度支鏈構（gòu）成（chéng）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（tōng）、船舶製造等（děng）領域具有廣闊（kuò）的（de）應用前（qián）景。日前，“高性能混聯加工機器（qì）人”技術成果（guǒ）獲（huò）得（dé）天津市技術發明一（yī）等獎。該項目還先後獲國家發明專利33件、發（fā）表（biǎo）學術論文59篇。

　　高性（xìng）能製造急需的核心（xīn）裝備

　　如今，在汽車、電子、物（wù）流等各個工業領域，我們經常能看到多關節機械手（shǒu）或多（duō）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（jiān）早，具有運動靈活、工作（zuò）空間大等（děng）優點。而並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（lái）解釋，串聯機器人（rén）就像一個手臂，由各個關（guān）節串聯在一起。而並聯機器（qì）人是一個閉環結構，就像把兩隻手握在一起，由兩條手臂共同完成（chéng）一件事。

　　串（chuàn）聯和並聯機器人雖然各有（yǒu）優勢，但也都（dōu）有（yǒu）其劣（liè）勢。“串聯機器人是‘孤掌（zhǎng）難鳴’，一條手臂負載能力（lì）有限，其剛度和（hé）精度（dù）具（jù）有局限（xiàn）性。而並聯機器人由於是兩隻手握在一（yī）起，運動靈（líng）活（huó）性下降，工作（zuò）範圍（wéi）變小。”劉海濤介紹，混（hún）聯機（jī）器人在一定的操作空間內擁（yōng）有（yǒu）靈活多角度的操作，又能保證（zhèng）高速高精度的特性。

　　混聯機器人目前已（yǐ）成為機器人加工技術的一個重（chóng）要發展方向。同時，由混（hún）聯機器人構（gòu）成的機（jī）器人化加工裝備（以下簡稱混聯加工機器人），也是我國航天（tiān）航空等重點領域實現高性能製造急需的核（hé）心裝備。

　　2000年初，劉海濤所在課題組便開始投（tóu）入對混聯加工機器（qì）人的研究，此時我國尚未（wèi）建立起這類（lèi）機器人係統完整的（de）研發體（tǐ）係，既無成（chéng）熟（shú）產品，更無在高端（duān）領域的應用（yòng）。

　　市場上，西（xī）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（de）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（zhěng）個係統包括工（gōng）藝流程等都是封閉的，除了（le）維護費用高以外，未來工藝改革等都受到一定限製。”劉海濤說，因此這種局麵（miàn）亟待突破，需要研（yán）發、生產我國自主可（kě）控的混聯加工機器人（rén）。

　　混聯加工機器人研發生產難度大

　　然而混聯加工機器人並不是串聯和並聯機器人的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（xíng），也就是骨架的設計，包括鉸鏈類型、數量及其空間布置形式（shì）等。“能實現同樣運動的構型浩如煙（yān）海，就（jiù）好（hǎo）比人和魚的骨架雖然不同（tóng），但都能在水裏遊。”劉（liú）海濤說，這麽多（duō）構型最終隻有極（jí）少數具有工程實（shí）用價值，結構是否簡單、受力是否合理、可否低成本製（zhì）造（zào）以（yǐ）及（jí）是否便於靈活布局等（děng）都是技術難點。此外，作（zuò）為一個閉環結構，由（yóu）於（yú）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（shè）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（tāo）說，“靈感其實也是（shì）來源於工程的實踐中。”

　　項目組通過四代工程樣機的迭代開發，最終首創（chuàng）了一種由2自由度（dù）平麵機構、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（lì）學、數字樣機技術有機（jī）結合，提出（chū）了主參數（shù）關聯設計和層次（cì）化設計策略，發（fā）明了尺（chǐ）度—結（jié）構—驅動器集成設計新方法，突破（pò）了混聯加工機器（qì）人動態設計核心技術，保證了（le）機器人兼具優良的運動（dòng）靈活性、靜剛度和動態特性（xìng）。

　　其次，產品（pǐn）不可能都處於理想狀態（tài），在零部件（jiàn）的加工和（hé）裝配過（guò）程中，都會產生誤差影響到精度。因此控製和補（bǔ）償技術也十分重（chóng）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（dù）運（yùn）作。

　　為（wéi）了提高機器人的靜動態精度，項目組將機器人（rén）學、結構（gòu）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製、位姿誤差綜合補償、平滑與（yǔ）運動（dòng）平穩軌跡規劃、高（gāo）效（xiào）精（jīng）準視覺定位等一係列核心關鍵技術（shù）。

　　最（zuì）後（hòu），從應用的角度（dù）來看，混聯加工機（jī）器人會有（yǒu）很多應用場景。不同的工藝有不同的生（shēng）產（chǎn）需求，這都需要混聯加工機器人和裝備相（xiàng）適（shì）應。劉（liú）海濤舉例說，比如銑削加工就有（yǒu）很多工藝參數，包括使用什麽樣的刀（dāo）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（yòng）也都有各自的工藝要求。

　　“隻有把理論和最後應用需要形成一套完整的體係才能實現產業化（huà）。”劉海濤說。

　　項目組不僅（jǐn）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（jiā）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（liàn）條。混聯加工機器（qì）人可（kě）搭建各類適用於（yú）銑削、製孔、焊接、拋磨、裝配等作業的單機和多機（jī）製（zhì）造係統。

　　經第三方權威機構檢測，項目組研發生產的混聯加工機器（qì）人性（xìng）能（néng）指標與國外（wài）同類產品技術水（shuǐ）平相當（dāng），實現了從（cóng）追趕到（dào）並跑的技術跨（kuà）越（yuè）。

　　解決我國重（chóng）大工程中的製造難題

　　目前，劉海濤項目組開發的以混聯（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（mó）擦焊接、汽車模具（jù）拋磨等係列新（xīn）型工藝裝備，率先實現了在航（háng）天航空、新能源、汽車製造等領域的工程應用，解決了（le）一批我國（guó）重大工程（chéng）中的製造難題。

　　劉海濤舉例（lì）說，傳統的機械加工都使用機床，機床加工（gōng）技術已有百（bǎi）年發（fā）展史（shǐ），技術成熟（shú）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。然而隨著航天製造領域需要加工的工（gōng）件尺（chǐ）寸越來越大，像航天艙、火（huǒ）箭燃料貯箱等，使用機（jī）床完成局部加工就有些（xiē）“力不從心”了。

　　“占（zhàn）地大、造價高，同（tóng）時還要保證高精度，對機床加工（gōng）技術的（de）要求越來越高。而且（qiě）工件上下機床過（guò）程複雜，導致加工周期長。”劉海濤說，而使用（yòng）混聯加工機器人（rén）可以實現原位加工，工件不動（dòng），機器人可（kě）以靈活（huó）“遊走”，還能多機同時進行（háng）操作，大大提高了生產效率。同（tóng）時混聯加工機器人還可以與測量、傳感技術集成，真正體現了製造業的“智慧”。

　　據悉（xī），目前“高性能混聯（lián）加工（gōng）機器人”成果已經向廣州數控等企業實（shí）施專（zhuān）利許可2項，獲得歐盟CE安全認證並出（chū）口英國。

　　劉海濤表示：“未來，麵向我國高端（duān）製造領域（yù）對機器人化（huà）加工裝備（bèi）的重大需求，項目組將持續深入地開展機器人—測控—工藝係統集成技術研究，努力拓展所研發（fā）的混聯加工機器人的應用領（lǐng）域，為提升我國高性能加工機器（qì）人的技術水平、推進製造業創新驅動發（fā）展提供技術支撐。”

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