項目團(tuán)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(jī)構(gòu)、集成鉸鏈和6自由度支鏈構(gòu)成的混聯(lián)加工機(jī)器人新機(jī)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(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(wù)就是在流水線上重復(fù)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(fù)性強(qiáng)、學(xué)習(xí)性弱、危險性高的工作，已經(jīng)被工業(yè)機(jī)器人所取代。

用工業(yè)機(jī)器人替代機(jī)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械系教授劉海濤項目團(tuán)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(jī)構(gòu)、集成鉸鏈和6自由度支鏈構(gòu)成的混聯(lián)加工機(jī)器人新機(jī)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(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。日前，“高性能混聯(lián)加工機(jī)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(xué)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(lǐng)域，我們經(jīng)常能看到多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，這些都是工業(yè)機(jī)器人。

“串聯(lián)機(jī)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(jī)器人與串聯(lián)機(jī)器人相比，具有承載能力強(qiáng)、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(jī)器人就像一個手臂，由各個關(guān)節(jié)串聯(lián)在一起。而并聯(lián)機(jī)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(jī)器人雖然各有優(yōu)勢，但也都有其劣勢。“串聯(lián)機(jī)器人是‘孤掌難鳴’，一條手臂負(fù)載能力有限，其剛度和精度具有局限性。而并聯(lián)機(jī)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(jī)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(jī)器人目前已成為機(jī)器人加工技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。同時，由混聯(lián)機(jī)器人構(gòu)成的機(jī)器人化加工裝備（以下簡稱混聯(lián)加工機(jī)器人），也是我國航天航空等重點領(lǐng)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(jī)器人的研究，此時我國尚未建立起這類機(jī)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(lǐng)域的應(yīng)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(jī)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(yīng)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(hù)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(jī)器人。

混聯(lián)加工機(jī)器人研發(fā)生產(chǎn)難度大

然而混聯(lián)加工機(jī)器人并不是串聯(lián)和并聯(lián)機(jī)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(jī)器人的構(gòu)型，也就是骨架的設(shè)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(jī)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(shè)計出來的骨架大多數(shù)都不適用，沒有規(guī)律可循，設(shè)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(jī)的迭代開發(fā)，最終首創(chuàng)了一種由2自由度平面機(jī)構(gòu)、集成鉸鏈和6自由度支鏈構(gòu)成的混聯(lián)加工機(jī)器人新機(jī)構(gòu)。同時，通過將機(jī)器人學(xué)、機(jī)床動力學(xué)、數(shù)字樣機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，提出了主參數(shù)關(guān)聯(lián)設(shè)計和層次化設(shè)計策略，發(fā)明了尺度—結(jié)構(gòu)—驅(qū)動器集成設(shè)計新方法，突破了混聯(lián)加工機(jī)器人動態(tài)設(shè)計核心技術(shù)，保證了機(jī)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(bǔ)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(jī)器人末端的高精度運作。

為了提高機(jī)器人的靜動態(tài)精度，項目組將機(jī)器人學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、大數(shù)據(jù)分析有機(jī)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(bǔ)償、平滑與運動平穩(wěn)軌跡規(guī)劃、高效精準(zhǔn)視覺定位等一系列核心關(guān)鍵技術(shù)。

最后，從應(yīng)用的角度來看，混聯(lián)加工機(jī)器人會有很多應(yīng)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(jī)器人和裝備相適應(yīng)。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(jìn)給速度進(jìn)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(yīng)用也都有各自的工藝要求。

“只有把理論和最后應(yīng)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(jī)器人機(jī)構(gòu)創(chuàng)新、設(shè)計理論、精度調(diào)控中的難題，還突破了加工工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，打通了從自主設(shè)計到工程應(yīng)用的全鏈條。混聯(lián)加工機(jī)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(jī)和多機(jī)制造系統(tǒng)。

經(jīng)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測，項目組研發(fā)生產(chǎn)的混聯(lián)加工機(jī)器人性能指標(biāo)與國外同類產(chǎn)品技術(shù)水平相當(dāng)，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(jī)器人為核心的全向移動銑削、光學(xué)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(lǐng)域的工程應(yīng)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(jī)械加工都使用機(jī)床，機(jī)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(lǐng)域很多重要的工件都是由機(jī)床加工而成。然而隨著航天制造領(lǐng)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(jī)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(jī)床加工技術(shù)的要求越來越高。而且工件上下機(jī)床過程復(fù)雜，導(dǎo)致加工周期長。”劉海濤說，而使用混聯(lián)加工機(jī)器人可以實現(xiàn)原位加工，工件不動，機(jī)器人可以靈活“游走”，還能多機(jī)同時進(jìn)行操作，大大提高了生產(chǎn)效率。同時混聯(lián)加工機(jī)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(jī)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(rèn)證并出口英國。

劉海濤表示：“未來，面向我國高端制造領(lǐng)域?qū)C(jī)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(jī)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(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，為提升我國高性能加工機(jī)器人的技術(shù)水平、推進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展提供技術(shù)支撐。”