——2019中國打磨拋光機器人發(fā)展論壇演講內(nèi)容大放送 張小儉

      尊敬的各位領(lǐng)導、各位專家，大家上午好！我來自華中科技大學，也在無錫中車時代智能裝備有限公司擔任研發(fā)經(jīng)理。非常榮幸能參與這次論壇，由于丁漢老師和嚴思杰教授無法來現(xiàn)場，由我代表我們團隊向各位領(lǐng)導、專家匯報一下我們團隊在機器人打磨方向做的一些工作。

       我的匯報題目：大型復(fù)雜構(gòu)件機器人智能磨拋加工技術(shù)與裝備，分五個方面：

       一、研究背景

       大型復(fù)雜構(gòu)件，在電力裝備、軌道交通、航空航天，以及船舶等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，尤其是像我們熟知的風電葉片、新能源客車車體、高鐵地鐵車身、飛機蒙皮尾翼等零件，它們反映了我們國家重大戰(zhàn)略需求，這些構(gòu)件的制造水平代表了國家制造業(yè)的核心競爭力。

       大型復(fù)雜構(gòu)件制造過程中涉及多道磨拋工序，磨拋的品質(zhì)直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生命周期。目前，國內(nèi)大型復(fù)雜構(gòu)件磨拋工藝均是以人工作業(yè)為主，人工作業(yè)會帶來環(huán)境惡劣、效率低下、一致性差，人們勞動強度比較大的問題。目前國外已經(jīng)初步實現(xiàn)了人工助力半自動化，但是出現(xiàn)靈活性差、價格昂貴等等問題。

       大型復(fù)雜構(gòu)件通常具有尺寸超大（風電葉片最長超過80m、高鐵白車身20多米、新能源客車車體6-12m），結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)弱剛性，隨著打磨的過程，打磨不同的結(jié)構(gòu)剛性也會有所變化，材料加工的特點。像高鐵白車身要么打磨平整度每米達到0.5個毫米以下，飛機蒙皮尾翼加工要控制在0.1毫米。所以說高效高精的表面質(zhì)量控制，是大型復(fù)雜構(gòu)件加工的一個關(guān)鍵的技術(shù)難題。

       圍繞上面的難題，我們總結(jié)了一下，在大型復(fù)雜構(gòu)件加工過程中主要面臨著四個方面的挑戰(zhàn)：精度控制，最主要的是大型復(fù)雜構(gòu)件的三維測量問題，首先要測得準，測得準之后才可以進行加工的精準定位，才有后面精準的控制。

       順應(yīng)控制，雖然是同一批構(gòu)件，但也會有很大的尺寸誤差。如何讓機器人末端可以順應(yīng)工件的型面，進行主動的順應(yīng)和自適應(yīng)磨拋，這也是一大難題。

       大型復(fù)雜構(gòu)件尺寸非常大，需要多臺機器人并行作業(yè)，涉及到協(xié)調(diào)作業(yè)，碰撞和干涉避免的問題，以及在協(xié)調(diào)控制中的同步加工來保證加工的效率。

       最后，效率提升問題，如何快速獲取加工過程中的信息，用這些信息來指導整個工藝系統(tǒng)的優(yōu)化，來提升效益。

       二、核心技術(shù)突破

       圍繞以上難題，我們團隊在近幾年做了一些技術(shù)上的研發(fā)和突破。我們團隊主要在兩位丁院士的帶領(lǐng)下進行工作，丁榮軍院士是中車株洲所首席科學家，另外是華中科技大學的丁漢院士，是兩期國家“973”項目的科學家，長期從事數(shù)字化制造理論和方法，機器人理論和技術(shù)研究。

       關(guān)于技術(shù)突破，依賴于前期的理論基礎(chǔ)，復(fù)雜曲面數(shù)字化制造的理論和方法，形成了國家自然科學二等獎。另外一個是工業(yè)機器人作業(yè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，我們獲得了國家科技進步二等獎；核心技術(shù)突破，依賴于我們前期從事的項目，團隊近五年承擔的國家重點項目有20項，國家重點項目、國家“973”項目，以及江蘇的一些項目。

       我簡要介紹一下團隊取得的一些突破性的技術(shù)：大型復(fù)雜構(gòu)件高精全局三維形貌測量。因為大型復(fù)雜構(gòu)件，它的尺寸非常大，現(xiàn)有的測量設(shè)備難以在單次測量中去覆蓋構(gòu)件的整個型面。因此，我們需要多次測量。那么多次測量必定會導致點云數(shù)據(jù)大規(guī)模的情形，我們研究了非接觸式測量和大規(guī)模點云高效的方法，實現(xiàn)了點云的高效處理和精準匹配。另外，我們搭建了機器人單元測量組導軌和激光跟蹤儀集成的測試系統(tǒng)，也建立了相應(yīng)的模型，可以實現(xiàn)大型復(fù)雜構(gòu)件表面三維形貌的全局精準測量，這是我們在測量方面做的一些工作。

       技術(shù)突破二：開展高精度恒力控制和自適應(yīng)加工，自己開發(fā)了幾款裝置，集磨拋、吸塵、力控、測量于一體的機器人末端執(zhí)行器，可以自動補償加工軌跡和工件之間的位置偏差來保證加工質(zhì)量。

       技術(shù)突破三：區(qū)域優(yōu)化算法和多機器人軌跡規(guī)劃技術(shù)。因為大型復(fù)雜構(gòu)件的尺寸很大，我們肯定要分區(qū)域規(guī)劃，讓多臺機器人同時進行加工，涉及到區(qū)域劃分和算法的優(yōu)化。我們提出新型多機器人加工軌跡的快速規(guī)劃方法，能夠解決軌跡規(guī)劃效率低、自動編程難的問題。

       技術(shù)突破四：磨拋工藝優(yōu)化技術(shù)，針對磨拋過程中存在的邊緣區(qū)域的問題，我們采用高點打磨和整體打磨相結(jié)合的方法，可以保證構(gòu)件表面的平整度。另外，我們在打磨過程中進行數(shù)據(jù)的采集，來構(gòu)建工藝數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)加工前自動參數(shù)的調(diào)取和故障的預(yù)測。另外，我們自己進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了耗材的快速更換。

       我們團隊近五年形成了10多項原創(chuàng)性的授權(quán)成果，專利30余項，下面是列舉的一些專利。

       三、產(chǎn)品服務(wù)應(yīng)用

       應(yīng)用在大型風電葉片打磨上，合作的企業(yè)是中車時代新材，時代新材原來的葉片打磨完全是人工打磨的，可以看到環(huán)境非常惡劣，粉塵污染很大，對人體的傷害也很大。我們團隊跟他們企業(yè)進行了一個深入交流，多次溝通，在無錫，自己搭建了風電葉片的打磨實驗平臺，在這個平臺上驗證機器人打磨的整體工藝方案和相關(guān)的核心技術(shù)，以及相應(yīng)的技術(shù)路線，驗證通過之后，我們再給客戶提供最終的產(chǎn)品，就是打磨生產(chǎn)線。

       這是第一代產(chǎn)品，運用在株洲時代新材光明基地，這個產(chǎn)品主要適用60米以下的長度風電葉片，這是原來人工打磨，粉塵污染很嚴重。我們給他們搭建了這樣一個打磨生產(chǎn)線，把葉片吊裝過來，葉片兩側(cè)有兩條導軌，每條導軌上都有兩臺機器人，四臺機器人協(xié)同作業(yè)，機器人可以自動去裝打磨頭，如果打磨頭有損耗的話，它可以自動去換。這個打磨頭是我們自主設(shè)計的，這種方式可以將打磨過程中90%以上的粉塵吸走，可以降低車間粉塵的濃度。這是我們在現(xiàn)場車間拍攝的視頻，和人工相比，機器人除了最大的優(yōu)勢，表面的質(zhì)量一致性非常好，打磨頭側(cè)邊是有位移傳感器的，打磨過程中實時檢測位置信息。這是我們開發(fā)的中控集成系統(tǒng)，并且可以遠程檢測整段作業(yè)，可以實時反饋給客戶。如果他們遇到問題的話，我們可以實時替他們解決。

       這是第二代產(chǎn)品，運用于中車株洲時代新材新馬基地，與第一代產(chǎn)品相比適用范圍更大，適用于70米以下的長度，硬件成本與第一代產(chǎn)品也大大降低了，因為采用的導軌不一樣，功能上也更加豐富。由于葉片的長度增加了，一側(cè)的兩臺機器人變成了三臺機器人，這樣的打磨效率更高。

       新能源客車中涂打磨，客車原來的打磨方式，唯一的方式是人工打磨，我們通過跟時代電動進行多次的前期技術(shù)交流，在無錫也搭建了打磨實驗線，成功之后，把總體的工藝方案和技術(shù)路線驗證成功之后，再在他們的企業(yè)打磨生產(chǎn)線，看一下視頻。

       電動客車跟風電葉片不一樣，它是多品種小批量，特征非常多。針對每一個品種的車型，你都要重新去編制打磨的途徑。因此，它非常繁瑣，針對這個問題，采用了模塊化的編程方案，可以大大減少編程的時間。在打磨過程中，我們有激光位移傳感器，可以實時的檢測，旁邊的紅點是激光點。

       高鐵白車身機器人打磨，合作單位主要是中車集團下面的幾個主要機車廠，高鐵的白車身是焊接成型的。那么焊接之后，表面的形狀不是那么規(guī)則和理想，因此需要進行秘制的人工刮涂，人工刮涂的時候，型面精度無法保證，在凝結(jié)之后要進行打磨。原來是人工打磨，整個型面精度難以保證，作業(yè)環(huán)境也非常差。因此，我們跟中車下面的機車公司進行合作，我們先對整個高鐵白車身的外型進行掃描，獲得它的點云數(shù)據(jù)之后，我們對這個型面采用高點打磨和整體打磨的方法，可以保證整個高鐵白車身表面的平整度，而且能夠保證它的輪廓精度。

       這是我們在無錫公司搭建的1：1的實驗平臺，基本上也做完了整體的工藝方案和相關(guān)的核心技術(shù)的突破，即將交付給青島四方。

       這是我們機車轉(zhuǎn)向架機器人噴涂系統(tǒng)，它跟打磨的方法比較類似，主要是在編程方面用到了一線編程和視角相結(jié)合的方法。另外，在定位上，原來是用機械的方式來定位，我們采用非接觸式測量的方法來進行定位。

       下一代產(chǎn)品-大型復(fù)雜構(gòu)件機器人移動加工，這種移動加工方法總體的步驟，先對整體進行掃描，然后進行自動的打磨路徑的編程，最后再進行打磨，打磨之后再進行測量。這種移動式打磨的柔性度非常大，對場地的占用要求不高，場地用完之后，你可以及時換掉做其他用途。

       四、經(jīng)濟和社會效應(yīng)

       我們團隊的大型構(gòu)建多機器人協(xié)同制造技術(shù)以2000多萬元的金額轉(zhuǎn)讓給了中車株洲所，無錫研究院與中車株洲所聯(lián)合成立了無錫中車時代智能裝備有限公司，公司是2016年成立的，是中車集團下屬國有控股混合制的高科技企業(yè)。我們公司主要從事大型復(fù)雜構(gòu)件智能制造裝備的研發(fā)制造、銷售和服務(wù)，目前正式員工46人，碩士以上學歷13人。

       我們公司開發(fā)出首套大型風電葉片機器人磨拋系統(tǒng)，獲評江蘇省首臺套重大裝備產(chǎn)品，也被鑒定委員會達到了國內(nèi)領(lǐng)先國際先進的水平。“2018年中國智能制造十大科技進展”與“2018好設(shè)計銀獎”。中車集團下的無錫中車新能源等重點項目紛紛在當?shù)芈鋺簦纬闪税賰|級規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，推動了當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展。

       五、展望和總結(jié)

       我們團隊做的這些技術(shù)，為大型復(fù)雜構(gòu)件高效高精加工提供了新的技術(shù)手段，提供了我國新的高鐵白車身、風電葉片、航空結(jié)構(gòu)等大型復(fù)雜的構(gòu)件能力。

       我們團隊一直沿用的是丁漢老師提倡的模式，和學校結(jié)合、企業(yè)結(jié)合，從理論創(chuàng)新，再到技術(shù)突破，再到企業(yè)的工程應(yīng)用，最后到產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)的創(chuàng)新模式。

       我們團隊會繼續(xù)在大型復(fù)雜構(gòu)件機器人智能模塊加工方面進行深入的研究，貢獻我們自己的力量，也為企業(yè)做好服務(wù)。

       無錫中車時代智能裝備有限公司

       無錫中車時代智能裝備有限公司成立于2016年11月，是一家由中車株洲電力機車研究所聯(lián)合華中科技大學無錫研究院產(chǎn)學研用深度合作成立的國有控股混合所有制高新技術(shù)企業(yè)。

       公司堅持市場化高端人才戰(zhàn)略，現(xiàn)有全職員工46人，其中研發(fā)技術(shù)人員32人，碩士及以上學歷13人，形成了一支教授和博士等高端人才為核心骨干的專業(yè)創(chuàng)新團隊。公司擁有大型儀器設(shè)備十余套，并規(guī)劃建設(shè)12000平米高端裝備試驗示范區(qū)。

       公司牢牢把握核心技術(shù)生命線，聚焦電力能源、軌道交通、航天航空、船舶等重點領(lǐng)域，突破大型復(fù)雜構(gòu)件多機器人協(xié)同加工關(guān)鍵技術(shù)，提供整體智能制造解決方案，填補了國內(nèi)多項技術(shù)空白，形成多項自主知識產(chǎn)權(quán)。

       成立以來，公司實現(xiàn)穩(wěn)步發(fā)展，先后服務(wù)中車株洲時代新材、中車株洲時代電動客車、上海電氣等多個龍頭企業(yè)，獲一致好評，“大型風電葉片機器人磨拋系統(tǒng)”被認定為江蘇省重點推廣應(yīng)用的新技術(shù)新產(chǎn)品與江蘇省首臺（套）重大裝備產(chǎn)品，“大型構(gòu)件多機器人智能磨拋加工技術(shù)”獲評“2018中國智能制造十大科技進展”與“2018中國好設(shè)計銀獎”。