摘要：中国科学院沈阳自动化研究所研制了一套集数字化测量、误差评价、自适应加工路径生成、磨削过程力/位置混合控制、自适应工艺参数优化为一体的复杂曲面零件机器人磨削智能化加工系统，解决了复杂曲面机器人精密研磨抛光工艺及装备中的一系列共性技术，实现了极限工况下强约束高性能精密复杂曲面部件的高效加工，具有重要的理论价值和应用前景。目前，该系统已在航空、航天、汽车、民用等领域得到了应用，为推动机器人先进制造技术用于生产实践的转变提供了技术支撑。发展出的面向复杂曲面精密高速加工的机器人自动加工新技术、新工艺和新方法，相对于传统人工操作方法，综合效率提升达50%以上，经济效益及社会效益显著。

项目背景

复杂曲面精密研磨抛光加工是航空、国防、能源、运载等领域产品制造中的精加工工序，对产品的加工质量及生产成本有着决定性作用。目前，国内制造企业大部分仍然采取落后的手工磨抛作业，采用去除→测量→再去除→再测量的试凑加工方式，加工质量高度依赖于操作工人的经验，不仅难以实现加工质量高、效率高，加工过程产生的噪声、粉尘等恶劣环境对工人的身体健康也有着极大地危害，已成为约束高质量复杂曲面高精制造技术发展的瓶颈。对于复杂曲面的磨抛加工，手工精加工工时在美国、日本和德国等发达工业国家小于总工时的1/3，而在我国则高达85%以上。鉴于机器人的构造和性能充分体现了自动化装置的优点，特别是体现了智能性、适应性、准确性以及在各种环境中完成作业的能力，采用工业机器人技术进行复杂曲面自动磨抛加工逐步替代手工操作是智能制造发展的必然趋势。

复杂曲面机器人精密研磨抛光装备主要由工业机器人、力传感器、磨抛工具、离线编程和在线监控软件系统、工艺数据系统等构成。中国科学院沈阳自动化研究所建立了较为完整的复杂曲面零件机器人高精度自适应磨抛加工技术体系，目前服务的主要领域包括航空、航天、能源、运载等高端制造业。攻克了复杂曲面机器人磨抛加工机理和表面完整性控制方法、复杂曲面机器人柔性磨抛的磨抛力预测及其稳定性控制、具有优良运动几何学性质和光滑动力学特性的柔性加工轨迹设计方法、复杂曲面零件磨抛表面高精度测量及加工误差分析方法、复杂曲面机器人研磨抛光离线编程和三维动态仿真软件系统等关键技术的研究与开发。

项目实施

（1）在航空大型复杂曲面零件制造领域实施情况——飞机座舱透明件机器人研磨抛光系统（如图1所示）
随着航空制造技术的发展，飞机飞行速度和高度的日益增加，座舱透明件结构也逐渐从结构简单、功能单一发展到大尺寸复杂结构、功能多样化的透明件系统。透明件属于易损零件，经常出现划伤、刻伤以及深度碰伤等表面缺陷，此外还会因板材或成型原因造成折光、波纹、亮点、耐热点等光学缺陷。该项目研制的飞机座舱透明件机器人研磨抛光系统成功应用于我国三代机、四代机座舱罩的研制生产任务，为飞机座舱透明件的生产效率提升起到了关键性作用。

图1 飞机座舱透明件机器人研磨抛光系统

（2）汽车制造领域实施情况——客车中涂漆智能打磨机器人（如图2所示）

项目目标是实现基于智能机器人技术的大客车表面中涂漆、腻子的高效率、高质量打磨，替代目前的人工打磨操作方法。该项目采用双轨道机器人布置方式，可以实现总长达14米的大客车车体中涂漆、腻子的高效机器人打磨。为适应大客车多品种、小批量的技术特点和车体制造误差大、生产节拍要求较快等技术难题，项目综合开发了客车车体打磨机器人离线编程软件系统、基于恒力执行器的机器人柔性控制、高精度车体快速定位技术以及基于线结构光和力传感的避障物检测及避障处理等技术。

图2 客车中涂漆智能打磨机器人

（3）在核工业制造领域的应用——核一级主泵

机器人智能磨削加工系统（如图3所示）采用工业机器人实现核一级主泵的自动化高精度打磨加工，显著提高工件打磨的表面粗糙度和平整度的一致性，机器人配合带移动的转台，可以实现主泵整个型面的打磨。

图3 核一级主泵机器人智能磨削加工系统

效益分析

本项目主要为制造装备业、先进机加工行业及航空企业提供高性能机器人自动高精加工关键技术，以系统集成装备和软件系统或对某些关键件生产单独解决方式服务于先进制造业。项目突破复杂曲面叶片自动化磨抛装备与工艺的多项关键技术，建立复杂曲面零件的机器人智能制造装备、控制、工艺及验证技术群，支撑复杂曲面零件加工与机器人智能制造的发展。形成了复杂曲面精密研磨抛光装备研发及一体化智能制造能力，建立基于力/位置混合控制及多传感融合特征的机器人曲面加工制造技术优势的创新制造体系，并在国内首次提出了面向感知、决策、加工一体化智能制造的机器人磨抛方案，实现了多机器人协同作业、智能分区、自适应路径规划等技术。实现了技术创新体系与产业体系互动发展，支撑了我国机器人先进制造工业发展，助力高端装备制造业转型升级。

本项目发展出的面向复杂曲面精密高速加工的机器人自动加工新技术新方法，较人工作业提高加工效率在50%以上。同时，也将解决极限工况下强约束高性能精密复杂曲面的高效加工问题，具有重要的理论价值和应用前景。项目成果可进一步推广应用到航天、兵器、船舶、核能、汽车、机车等领域，为促进我国装备制造业转型升级、实现中国制造2025起到支撑作用。

摘自《自动化博览》2019年4月刊