——2019中國(guó)打磨拋光機(jī)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(dǎo)、各位專家，大家上午好！我來(lái)自華中科技大學(xué)，也在無(wú)錫中車時(shí)代智能裝備有限公司擔(dān)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(yán)思杰教授無(wú)法來(lái)現(xiàn)場(chǎng)，由我代表我們團(tuán)隊(duì)向各位領(lǐng)導(dǎo)、專家匯報(bào)一下我們團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人打磨方向做的一些工作。

       我的匯報(bào)題目：大型復(fù)雜構(gòu)件機(jī)器人智能磨拋加工技術(shù)與裝備，分五個(gè)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(fēng)電葉片、新能源客車車體、高鐵地鐵車身、飛機(jī)蒙皮尾翼等零件，它們反映了我們國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，這些構(gòu)件的制造水平代表了國(guó)家制造業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

       大型復(fù)雜構(gòu)件制造過(guò)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(guó)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(huì)帶來(lái)環(huán)境惡劣、效率低下、一致性差，人們勞動(dòng)強(qiáng)度比較大的問(wèn)題。目前國(guó)外已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了人工助力半自動(dòng)化，但是出現(xiàn)靈活性差、價(jià)格昂貴等等問(wèn)題。

       大型復(fù)雜構(gòu)件通常具有尺寸超大（風(fēng)電葉片最長(zhǎng)超過(guò)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(guò)程，打磨不同的結(jié)構(gòu)剛性也會(huì)有所變化，材料加工的特點(diǎn)。像高鐵白車身要么打磨平整度每米達(dá)到0.5個(gè)毫米以下，飛機(jī)蒙皮尾翼加工要控制在0.1毫米。所以說(shuō)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(gè)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(guò)程中主要面臨著四個(gè)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(cè)量問(wèn)題，首先要測(cè)得準(zhǔn)，測(cè)得準(zhǔn)之后才可以進(jìn)行加工的精準(zhǔn)定位，才有后面精準(zhǔn)的控制。

       順應(yīng)控制，雖然是同一批構(gòu)件，但也會(huì)有很大的尺寸誤差。如何讓機(jī)器人末端可以順應(yīng)工件的型面，進(jìn)行主動(dòng)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(tái)機(jī)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(wèn)題，以及在協(xié)調(diào)控制中的同步加工來(lái)保證加工的效率。

       最后，效率提升問(wèn)題，如何快速獲取加工過(guò)程中的信息，用這些信息來(lái)指導(dǎo)整個(gè)工藝系統(tǒng)的優(yōu)化，來(lái)提升效益。

       二、核心技術(shù)突破

       圍繞以上難題，我們團(tuán)隊(duì)在近幾年做了一些技術(shù)上的研發(fā)和突破。我們團(tuán)隊(duì)主要在兩位丁院士的帶領(lǐng)下進(jìn)行工作，丁榮軍院士是中車株洲所首席科學(xué)家，另外是華中科技大學(xué)的丁漢院士，是兩期國(guó)家“973”項(xiàng)目的科學(xué)家，長(zhǎng)期從事數(shù)字化制造理論和方法，機(jī)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(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。另外一個(gè)是工業(yè)機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，我們獲得了國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)；核心技術(shù)突破，依賴于我們前期從事的項(xiàng)目，團(tuán)隊(duì)近五年承擔(dān)的國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目有20項(xiàng)，國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家“973”項(xiàng)目，以及江蘇的一些項(xiàng)目。

       我簡(jiǎn)要介紹一下團(tuán)隊(duì)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(cè)量。因?yàn)榇笮蛷?fù)雜構(gòu)件，它的尺寸非常大，現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備難以在單次測(cè)量中去覆蓋構(gòu)件的整個(gè)型面。因此，我們需要多次測(cè)量。那么多次測(cè)量必定會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)大規(guī)模的情形，我們研究了非接觸式測(cè)量和大規(guī)模點(diǎn)云高效的方法，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)云的高效處理和精準(zhǔn)匹配。另外，我們搭建了機(jī)器人單元測(cè)量組導(dǎo)軌和激光跟蹤儀集成的測(cè)試系統(tǒng)，也建立了相應(yīng)的模型，可以實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜構(gòu)件表面三維形貌的全局精準(zhǔn)測(cè)量，這是我們?cè)跍y(cè)量方面做的一些工作。

       技術(shù)突破二：開(kāi)展高精度恒力控制和自適應(yīng)加工，自己開(kāi)發(fā)了幾款裝置，集磨拋、吸塵、力控、測(cè)量于一體的機(jī)器人末端執(zhí)行器，可以自動(dòng)補(bǔ)償加工軌跡和工件之間的位置偏差來(lái)保證加工質(zhì)量。

       技術(shù)突破三：區(qū)域優(yōu)化算法和多機(jī)器人軌跡規(guī)劃技術(shù)。因?yàn)榇笮蛷?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(tái)機(jī)器人同時(shí)進(jìn)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(jī)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(dòng)編程難的問(wèn)題。

       技術(shù)突破四：磨拋工藝優(yōu)化技術(shù)，針對(duì)磨拋過(guò)程中存在的邊緣區(qū)域的問(wèn)題，我們采用高點(diǎn)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?cè)诖蚰ミ^(guò)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，來(lái)構(gòu)建工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)加工前自動(dòng)參數(shù)的調(diào)取和故障的預(yù)測(cè)。另外，我們自己進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了耗材的快速更換。

       我們團(tuán)隊(duì)近五年形成了10多項(xiàng)原創(chuàng)性的授權(quán)成果，專利30余項(xiàng)，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(fēng)電葉片打磨上，合作的企業(yè)是中車時(shí)代新材，時(shí)代新材原來(lái)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(duì)人體的傷害也很大。我們團(tuán)隊(duì)跟他們企業(yè)進(jìn)行了一個(gè)深入交流，多次溝通，在無(wú)錫，自己搭建了風(fēng)電葉片的打磨實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上驗(yàn)證機(jī)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(yàn)證通過(guò)之后，我們?cè)俳o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(yùn)用在株洲時(shí)代新材光明基地，這個(gè)產(chǎn)品主要適用60米以下的長(zhǎng)度風(fēng)電葉片，這是原來(lái)人工打磨，粉塵污染很嚴(yán)重。我們給他們搭建了這樣一個(gè)打磨生產(chǎn)線，把葉片吊裝過(guò)來(lái)，葉片兩側(cè)有兩條導(dǎo)軌，每條導(dǎo)軌上都有兩臺(tái)機(jī)器人，四臺(tái)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，機(jī)器人可以自動(dòng)去裝打磨頭，如果打磨頭有損耗的話，它可以自動(dòng)去換。這個(gè)打磨頭是我們自主設(shè)計(jì)的，這種方式可以將打磨過(guò)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?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)車間拍攝的視頻，和人工相比，機(jī)器人除了最大的優(yōu)勢(shì)，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(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)位置信息。這是我們開(kāi)發(fā)的中控集成系統(tǒng)，并且可以遠(yuǎn)程檢測(cè)整段作業(yè)，可以實(shí)時(shí)反饋給客戶。如果他們遇到問(wèn)題的話，我們可以實(shí)時(shí)替他們解決。

       這是第二代產(chǎn)品，運(yùn)用于中車株洲時(shí)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(zhǎng)度，硬件成本與第一代產(chǎn)品也大大降低了，因?yàn)椴捎玫膶?dǎo)軌不一樣，功能上也更加豐富。由于葉片的長(zhǎng)度增加了，一側(cè)的兩臺(tái)機(jī)器人變成了三臺(tái)機(jī)器人，這樣的打磨效率更高。

       新能源客車中涂打磨，客車原來(lái)的打磨方式，唯一的方式是人工打磨，我們通過(guò)跟時(shí)代電動(dòng)進(jìn)行多次的前期技術(shù)交流，在無(wú)錫也搭建了打磨實(shí)驗(yàn)線，成功之后，把總體的工藝方案和技術(shù)路線驗(yàn)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(dòng)客車跟風(fēng)電葉片不一樣，它是多品種小批量，特征非常多。針對(duì)每一個(gè)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(duì)這個(gè)問(wèn)題，采用了模塊化的編程方案，可以大大減少編程的時(shí)間。在打磨過(guò)程中，我們有激光位移傳感器，可以實(shí)時(shí)的檢測(cè)，旁邊的紅點(diǎn)是激光點(diǎn)。

       高鐵白車身機(jī)器人打磨，合作單位主要是中車集團(tuán)下面的幾個(gè)主要機(jī)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(jìn)行秘制的人工刮涂，人工刮涂的時(shí)候，型面精度無(wú)法保證，在凝結(jié)之后要進(jìn)行打磨。原來(lái)是人工打磨，整個(gè)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(jī)車公司進(jìn)行合作，我們先對(duì)整個(gè)高鐵白車身的外型進(jìn)行掃描，獲得它的點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，我們對(duì)這個(gè)型面采用高點(diǎn)打磨和整體打磨的方法，可以保證整個(gè)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?cè)跓o(wú)錫公司搭建的1：1的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(jī)車轉(zhuǎn)向架機(jī)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(lái)是用機(jī)械的方式來(lái)定位，我們采用非接觸式測(cè)量的方法來(lái)進(jìn)行定位。

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

       四、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效應(yīng)

       我們團(tuán)隊(duì)的大型構(gòu)建多機(jī)器人協(xié)同制造技術(shù)以2000多萬(wàn)元的金額轉(zhuǎn)讓給了中車株洲所，無(wú)錫研究院與中車株洲所聯(lián)合成立了無(wú)錫中車時(shí)代智能裝備有限公司，公司是2016年成立的，是中車集團(tuán)下屬國(guó)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(xué)歷13人。

       我們公司開(kāi)發(fā)出首套大型風(fēng)電葉片機(jī)器人磨拋系統(tǒng)，獲評(píng)江蘇省首臺(tái)套重大裝備產(chǎn)品，也被鑒定委員會(huì)達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先國(guó)際先進(jìn)的水平?！?018年中國(guó)智能制造十大科技進(jìn)展”與“2018好設(shè)計(jì)銀獎(jiǎng)”。中車集團(tuán)下的無(wú)錫中車新能源等重點(diǎn)項(xiàng)目紛紛在當(dāng)?shù)芈鋺?，形成了百億級(jí)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。

       五、展望和總結(jié)

       我們團(tuán)隊(duì)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(guó)新的高鐵白車身、風(fēng)電葉片、航空結(jié)構(gòu)等大型復(fù)雜的構(gòu)件能力。

       我們團(tuán)隊(duì)一直沿用的是丁漢老師提倡的模式，和學(xué)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(tuán)隊(duì)會(huì)繼續(xù)在大型復(fù)雜構(gòu)件機(jī)器人智能模塊加工方面進(jìn)行深入的研究，貢獻(xiàn)我們自己的力量，也為企業(yè)做好服務(wù)。

       無(wú)錫中車時(shí)代智能裝備有限公司

       無(wú)錫中車時(shí)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(jī)車研究所聯(lián)合華中科技大學(xué)無(wú)錫研究院產(chǎn)學(xué)研用深度合作成立的國(guó)有控股混合所有制高新技術(shù)企業(yè)。

       公司堅(jiān)持市場(chǎng)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(xué)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(tuán)隊(duì)。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(yàn)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(diǎn)領(lǐng)域，突破大型復(fù)雜構(gòu)件多機(jī)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(bǔ)了國(guó)內(nèi)多項(xiàng)技術(shù)空白，形成多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

       成立以來(lái)，公司實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步發(fā)展，先后服務(wù)中車株洲時(shí)代新材、中車株洲時(shí)代電動(dòng)客車、上海電氣等多個(gè)龍頭企業(yè)，獲一致好評(píng)，“大型風(fēng)電葉片機(jī)器人磨拋系統(tǒng)”被認(rèn)定為江蘇省重點(diǎn)推廣應(yīng)用的新技術(shù)新產(chǎn)品與江蘇省首臺(tái)（套）重大裝備產(chǎn)品，“大型構(gòu)件多機(jī)器人智能磨拋加工技術(shù)”獲評(píng)“2018中國(guó)智能制造十大科技進(jìn)展”與“2018中國(guó)好設(shè)計(jì)銀獎(jiǎng)”。