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摘要：中國科學院沈陽自動化研究所研制了一套集數字化測量、誤差評價、自適應加工路徑生成、磨削過程力/位置混合控制、自適應工藝參數優化為一體的復雜曲面零件機器人磨削智能化加工系統，解決了復雜曲面機器人精密研磨拋光工藝及裝備中的一系列共性技術，實現了極限工況下強約束高性能精密復雜曲面部件的高效加工，具有重要的理論價值和應用前景。目前，該系統已在航空、航天、汽車、民用等領域得到了應用，為推動機器人先進制造技術用于生產實踐的轉變提供了技術支撐。發展出的面向復雜曲面精密高速加工的機器人自動加工新技術、新工藝和新方法，相對于傳統人工操作方法，綜合效率提升達50%以上，經濟效益及社會效益顯著。

項目背景

復雜曲面精密研磨拋光加工是航空、國防、能源、運載等領域產品制造中的精加工工序，對產品的加工質量及生產成本有著決定性作用。目前，國內制造企業大部分仍然采取落后的手工磨拋作業，采用去除→測量→再去除→再測量的試湊加工方式，加工質量高度依賴于操作工人的經驗，不僅難以實現加工質量高、效率高，加工過程產生的噪聲、粉塵等惡劣環境對工人的身體健康也有著極大地危害，已成為約束高質量復雜曲面高精制造技術發展的瓶頸。對于復雜曲面的磨拋加工，手工精加工工時在美國、日本和德國等發達工業國家小于總工時的1/3，而在我國則高達85%以上。鑒于機器人的構造和性能充分體現了自動化裝置的優點，特別是體現了智能性、適應性、準確性以及在各種環境中完成作業的能力，采用工業機器人技術進行復雜曲面自動磨拋加工逐步替代手工操作是智能制造發展的必然趨勢。

復雜曲面機器人精密研磨拋光裝備主要由工業機器人、力傳感器、磨拋工具、離線編程和在線監控軟件系統、工藝數據系統等構成。中國科學院沈陽自動化研究所建立了較為完整的復雜曲面零件機器人高精度自適應磨拋加工技術體系，目前服務的主要領域包括航空、航天、能源、運載等高端制造業。攻克了復雜曲面機器人磨拋加工機理和表面完整性控制方法、復雜曲面機器人柔性磨拋的磨拋力預測及其穩定性控制、具有優良運動幾何學性質和光滑動力學特性的柔性加工軌跡設計方法、復雜曲面零件磨拋表面高精度測量及加工誤差分析方法、復雜曲面機器人研磨拋光離線編程和三維動態仿真軟件系統等關鍵技術的研究與開發。

項目實施

（1）在航空大型復雜曲面零件制造領域實施情況——飛機座艙透明件機器人研磨拋光系統（如圖1所示）
隨著航空制造技術的發展，飛機飛行速度和高度的日益增加，座艙透明件結構也逐漸從結構簡單、功能單一發展到大尺寸復雜結構、功能多樣化的透明件系統。透明件屬于易損零件，經常出現劃傷、刻傷以及深度碰傷等表面缺陷，此外還會因板材或成型原因造成折光、波紋、亮點、耐熱點等光學缺陷。該項目研制的飛機座艙透明件機器人研磨拋光系統成功應用于我國三代機、四代機座艙罩的研制生產任務，為飛機座艙透明件的生產效率提升起到了關鍵性作用。

圖1 飛機座艙透明件機器人研磨拋光系統

（2）汽車制造領域實施情況——客車中涂漆智能打磨機器人（如圖2所示）

項目目標是實現基于智能機器人技術的大客車表面中涂漆、膩子的高效率、高質量打磨，替代目前的人工打磨操作方法。該項目采用雙軌道機器人布置方式，可以實現總長達14米的大客車車體中涂漆、膩子的高效機器人打磨。為適應大客車多品種、小批量的技術特點和車體制造誤差大、生產節拍要求較快等技術難題，項目綜合開發了客車車體打磨機器人離線編程軟件系統、基于恒力執行器的機器人柔性控制、高精度車體快速定位技術以及基于線結構光和力傳感的避障物檢測及避障處理等技術。

圖2 客車中涂漆智能打磨機器人

（3）在核工業制造領域的應用——核一級主泵

機器人智能磨削加工系統（如圖3所示）采用工業機器人實現核一級主泵的自動化高精度打磨加工，顯著提高工件打磨的表面粗糙度和平整度的一致性，機器人配合帶移動的轉臺，可以實現主泵整個型面的打磨。

圖3 核一級主泵機器人智能磨削加工系統

效益分析

本項目主要為制造裝備業、先進機加工行業及航空企業提供高性能機器人自動高精加工關鍵技術，以系統集成裝備和軟件系統或對某些關鍵件生產單獨解決方式服務于先進制造業。項目突破復雜曲面葉片自動化磨拋裝備與工藝的多項關鍵技術，建立復雜曲面零件的機器人智能制造裝備、控制、工藝及驗證技術群，支撐復雜曲面零件加工與機器人智能制造的發展。形成了復雜曲面精密研磨拋光裝備研發及一體化智能制造能力，建立基于力/位置混合控制及多傳感融合特征的機器人曲面加工制造技術優勢的創新制造體系，并在國內首次提出了面向感知、決策、加工一體化智能制造的機器人磨拋方案，實現了多機器人協同作業、智能分區、自適應路徑規劃等技術。實現了技術創新體系與產業體系互動發展，支撐了我國機器人先進制造工業發展，助力高端裝備制造業轉型升級。

本項目發展出的面向復雜曲面精密高速加工的機器人自動加工新技術新方法，較人工作業提高加工效率在50%以上。同時，也將解決極限工況下強約束高性能精密復雜曲面的高效加工問題，具有重要的理論價值和應用前景。項目成果可進一步推廣應用到航天、兵器、船舶、核能、汽車、機車等領域，為促進我國裝備制造業轉型升級、實現中國制造2025起到支撐作用。

摘自《自動化博覽》2019年4月刊