复杂曲面机器人精密研磨抛光技术及装备

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。
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。AP
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
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
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
图3 核一wk.baidu.com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。
50 Column 专栏 ■ 智慧机器人
复杂曲面机器人精密研磨抛光 技术及装备
中国科学院沈阳自动化研究所
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。
起到了关键性作用。
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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。