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“廉颇老矣力不从心”?机床加工大尺寸工件新技术:混联机器人

更新时间:2022-08-29 11:38:20 作者:欧宝官方注册平台 来源:欧宝体育app登录

  以前3C采购在实地验厂时候,经常在电子厂的流水线上看着密密麻麻员工单调重复着同样的工作。而如今在现代智能制造工厂,这种重复性强、学习性弱的工作,已经被工业机器人所取代。

  用工业机器人替代机床实现高柔性、低成本加工正在成为智能制造装备技术的重要发展趋势。

  在汽车、电子、物流等各个工业领域,我们经常能看到多关节机械手或多自由度的机器装置,这些都是工业机器人。

  串联机器人出现时间早,具有运动灵活、工作空间大等优点。而并联机器人与串联机器人相比,具有承载能力强、刚度大、精度高、动态特性优等特点。串联和并联机器人虽然各有优势,但也都有其劣势。“串联机器人是‘孤掌难鸣’,一条手臂负载能力有限,其刚度和精度具有局限性。而并联机器人由于是两只手握在一起,运动灵活性下降,工作范围变小。”混联机器人在一定的操作空间内拥有灵活多角度的操作,又能保证高速高精度的特性。

  混联机器人目前已成为机器人加工技术的一个重要发展方向。同时,由混联机器人构成的机器人化加工装备(以下简称混联加工机器人),也是我国航天航空等重点领域实现高性能制造急需的核心装备。市场上,西班牙龙信和瑞典艾克斯康公司生产的混联加工机器人是世界上仅有的两款商业化的产品。

  然而混联加工机器人并不是串联和并联机器人的1+1=2,其研发和产业化难度非常大。首先,最大的难点就是混联加工机器人的构型,也就是骨架的设计,包括铰链类型、数量及其空间布置形式等。这么多构型最终只有极少数具有工程实用价值,结构是否简单、受力是否合理、可否低成本制造以及是否便于灵活布局等都是技术难点。此外,作为一个闭环结构,由于混联加工机器人是多轴联动的,因此如何实现高精度运动也是一个难点。

  天津大学机械工程学院机械系教授刘海涛项目团队经过20多年的研发,通过四代工程样机的迭代开发,首创了一种由2自由度平面机构、集成铰链和6自由度支链构成的混联加工机器人新机构,打破了国外的专利壁垒,在航天航空、轨道交通、船舶制造等领域具有广阔的应用前景。日前,“高性能混联加工机器人”技术成果获得天津市技术发明一等奖。该项目还先后获国家发明专利33件、美国和欧洲专利各1件,登记软件著作权9件,发表学术论文59篇。

  同时,项目组通过将机器人学、机床动力学、数字样机技术有机结合,提出了主参数关联设计和层次化设计策略,发明了尺度—结构—驱动器集成设计新方法,突破了混联加工机器人动态设计核心技术,保证了机器人兼具优良的运动灵活性、静刚度和动态特性。

  其次,产品不可能都处于理想状态,在零部件的加工和装配过程中,都会产生误差影响到精度。因此控制和补偿技术也十分重要,项目组可以通过这项技术调控装备的精度,从而保证机器人末端的高精度运作。

  为了提高机器人的静动态精度,项目组将机器人学、结构动力学、大数据分析有机结合,突破了高速高精度五轴联动控制、位姿误差综合补偿、平滑与运动平稳轨迹规划、高效精准视觉定位等一系列核心关键技术。

  最后,从应用的角度来看,混联加工机器人会有很多应用场景。不同的工艺有不同的生产需求,这都需要混联加工机器人和装备相适应。刘海涛举例说,比如铣削加工就有很多工艺参数,包括使用什么样的刀具,用多快的进给速度进行加工,刀具的转速是多少等,而打磨、焊接、抛光等不同的应用也都有各自的工艺要求。

  项目组不仅解决了混联加工机器人机构创新、设计理论、精度调控中的难题,还突破了加工工艺中的关键环节,打通了从自主设计到工程应用的全链条。混联加工机器人可搭建各类适用于铣削、制孔、焊接、抛磨、装配等作业的单机和多机制造系统。

  经检测,项目组研发生产的混联加工机器人的空间重复和定位精度为±0.01/0.05毫米、最大速度为90米/分、最大加速度为2G、主轴端侧向/轴向刚度优于20/170牛/微米、首阶固有频率高于25赫兹,性能指标与国外同类产品技术水平相当,实现了从追赶到并跑的技术跨越。

  目前,项目组开发的以混联加工机器人为核心的全向移动铣削、光学元件超精密抛光、空间型线搅拌摩擦焊接、汽车模具抛磨等系列新型工艺装备,率先实现了在航天航空、新能源、汽车制造等领域的工程应用,解决了一批重大工程中的制造难题。

  传统的机械加工都使用机床,机床加工技术已有百年发展史,技术成熟且加工精度高,因此航天领域很多重要的工件都是由机床加工而成。然而随着航天制造领域需要加工的工件尺寸越来越大,像航天舱、火箭燃料贮箱等,使用机床完成局部加工就有些“力不从心”了。

  占地大、造价高,同时还要保证高精度,对机床加工技术的要求越来越高。而且工件上下机床过程复杂,导致加工周期长。而使用混联加工机器人可以实现原位加工,工件不动,机器人可以灵活“游走”,还能多机同时进行操作,大大提高了生产效率。同时混联加工机器人还可以与测量、传感技术集成,真正体现了制造业的“智慧”。

  据悉,目前“高性能混联加工机器人”成果已经向广州数控等企业实施专利许可2项,获得欧盟CE安全认证并出口英国。