大型复杂零件机器人加工理论与技术

It is a grave challenge for the manufacturing industry of China to achieve high-performance machining of large and complex components. There exist some fundamental shortcomings for machining of this kind of components by using multi-axis numerical control (NC) machines, such as the high cost, low flexibility and complex configuring. Combining the advantages of robots and digit manufacturing, this project aims to develop the robot based intelligent manufacturing theory and equipment by fusing the machining process knowledge, force and vision information. This project will establish the dynamics theory of the robotic machining processes and investigate the robot-process interaction mechanism. On this basis, the dynamics based machining parameter optimization method, motion planning method, dynamic-error compensation method will be proposed. Besides, the force/position control strategy and the contouring control strategy will be presented for the robotic belt grinding process and robot milling process, respectively. Furthermore, a robotic milling system and a robotic belt grinding system and their corresponding robotic machining softwares will be developed to accomplish robotic milling of a large and complex component used in an airplane (surface roughness≤Ra1.6, surface profile error≤0.1mm) and robotic belt grinding of large blades of a gas turbine (surface roughness≤Ra0.4, surface profile error at the blade edge≤50μm). These robot based machining theory, methods and systems will provide a complementary solution for NC machine based machining of the large and complex components, with the great theoretic and application significance for promoting the research of intelligent manufacturing.

如何实现大型复杂零件的高效高精加工是我国制造业面临的严峻挑战。本项目针对多轴数控加工存在成本高、柔性差、配置复杂等缺点，将数控和机器人技术相结合，以航空结构件铣削加工和大叶片磨抛加工为对象，开展融合工艺知识模型与力觉、视觉多传感信息的机器人智能加工理论与装备技术研究、开发与应用。研究内容包括机器人加工过程的动力学建模与分析、基于动力学模型的工艺参数优化、运动规划、精度补偿与控制等，旨在揭示机器人装备执行响应与工艺过程间的动态交互规律，形成高性能复杂零件智能加工的新原理和新技术，构建具有关键技术突破的装备原型样机和软件系统，实现大型航空结构件铣削加工（表面粗糙度≤Ra1.6，加工误差≤0.1mm）和燃气轮机叶片型面、进排气边磨抛加工（表面粗糙度≤Ra0.4，进排气边形位误差≤50μm）。项目预期将为基于数控机床的复杂零件加工技术提供互为补充的机器人加工解决方案，形成智能制造研究的新增长点。

大型复杂零件在三航（航空/航天/航海）、两机（航空发动机/燃气轮机）领域应用广泛，这类零件通常具有尺寸大、结构复杂、壁薄、精度要求高等特点。机器人得益于操作空间大、柔性好等优势，正成为大型复杂零件加工的重要载体。然而，高速重载条件下机器人刚度低、精度差，加工中易产生误差与振动，严重影响加工质量和效率。为此，本项目以大型复杂零件高效高精加工为目标，建立了机器人-工具-工件交互动力学与加工精度-效率保障理论体系，突破了机器人“测量-补偿-控制”大闭环加工技术，研制了机器人加工装备并在关键企业关重件上得到重要应用，具体进展如下：. (1) 建立了机器人多体动力学辨识方法和工具-工件交互动力学模型，提出了机器人系统几何参数辨识策略，实现了铣削加工稳定性的精确预报和机器人精度的显著改善，机器人位姿精度提高近10倍，无颤振加工效率提升375%。. (2) 提出了刚度性能最优的“机器人-工具-工件”布局与机器人位姿优化方法，建立了机器人综合运动约束的路径生成策略，实现了机器人工艺系统最优布局，加工精度提升约50%。. (3) 建立了机器人加工高精测量与误差补偿策略，提出了轮廓误差全局控制方法，研究了振动冲击抑制和高带宽力控制方法，实现了高精度位姿/力控制，位姿/力误差均降低80%以上。. (4) 研制了机器人铣削/磨抛加工软件、功能部件和装备，在中国航发、中航工业、中国中车等关键企业关重件上得到重要应用。. 项目团队在NSR、T-RO、ICRA等权威期刊和会议上发表论文88篇，其中SCI收录63篇、EI收录25篇。参与撰写出版著作2部。申请国家发明专利54项（其中授权32项），登记软件著作权8项，成果转让/许可3次，总计2800万元。组织大型学术会议8次（国际性4次、全国性4次），作大会特邀报告17人次。获得省部级一等奖2项，共融机器人挑战赛两届冠军，IROS云机器人挑战赛全球冠军（1/59）等。培养国家优青、教育部青年长江3人，培养博士后4人、博士生8人（2人获上银奖）、硕士生24人。