——2019中國打磨拋光機器人發展論壇演講  無錫中車時代智能裝備有限公司研發經理 張小儉

      尊敬的各位領導、各位專家，大家上午好！我來自華中科技大學，也在無錫中車時代智能裝備有限公司擔任研發經理。非常榮幸能參與這次論壇，由于丁漢老師和嚴思杰教授無法來現場，由我代表我們團隊向各位領導、專家匯報一下我們團隊在機器人打磨方向做的一些工作。

       我的匯報題目：大型復雜構件機器人智能磨拋加工技術與裝備，分五個方面：

       一、研究背景

       大型復雜構件，在電力裝備、軌道交通、航空航天，以及船舶等領域有了廣泛的應用，尤其是像我們熟知的風電葉片、新能源客車車體、高鐵地鐵車身、飛機蒙皮尾翼等零件，它們反映了我們國家重大戰略需求，這些構件的制造水平代表了國家制造業的核心競爭力。

       大型復雜構件制造過程中涉及多道磨拋工序，磨拋的品質直接影響產品的質量和生命周期。目前，國內大型復雜構件磨拋工藝均是以人工作業為主，人工作業會帶來環境惡劣、效率低下、一致性差，人們勞動強度比較大的問題。目前國外已經初步實現了人工助力半自動化，但是出現靈活性差、價格昂貴等等問題。

       大型復雜構件通常具有尺寸超大（風電葉片最長超過80m、高鐵白車身20多米、新能源客車車體6-12m），結構形狀復雜，結構呈現弱剛性，隨著打磨的過程，打磨不同的結構剛性也會有所變化，材料加工的特點。像高鐵白車身要么打磨平整度每米達到0.5個毫米以下，飛機蒙皮尾翼加工要控制在0.1毫米。所以說高效高精的表面質量控制，是大型復雜構件加工的一個關鍵的技術難題。

       圍繞上面的難題，我們總結了一下，在大型復雜構件加工過程中主要面臨著四個方面的挑戰：精度控制，最主要的是大型復雜構件的三維測量問題，首先要測得準，測得準之后才可以進行加工的精準定位，才有后面精準的控制。

       順應控制，雖然是同一批構件，但也會有很大的尺寸誤差。如何讓機器人末端可以順應工件的型面，進行主動的順應和自適應磨拋，這也是一大難題。

       大型復雜構件尺寸非常大，需要多臺機器人并行作業，涉及到協調作業，碰撞和干涉避免的問題，以及在協調控制中的同步加工來保證加工的效率。

       最后，效率提升問題，如何快速獲取加工過程中的信息，用這些信息來指導整個工藝系統的優化，來提升效益。

       二、核心技術突破

       圍繞以上難題，我們團隊在近幾年做了一些技術上的研發和突破。我們團隊主要在兩位丁院士的帶領下進行工作，丁榮軍院士是中車株洲所首席科學家，另外是華中科技大學的丁漢院士，是兩期國家“973”項目的科學家，長期從事數字化制造理論和方法，機器人理論和技術研究。

       關于技術突破，依賴于前期的理論基礎，復雜曲面數字化制造的理論和方法，形成了國家自然科學二等獎。另外一個是工業機器人作業系統的關鍵技術，我們獲得了國家科技進步二等獎；核心技術突破，依賴于我們前期從事的項目，團隊近五年承擔的國家重點項目有20項，國家重點項目、國家“973”項目，以及江蘇的一些項目。

       我簡要介紹一下團隊取得的一些突破性的技術：大型復雜構件高精全局三維形貌測量。因為大型復雜構件，它的尺寸非常大，現有的測量設備難以在單次測量中去覆蓋構件的整個型面。因此，我們需要多次測量。那么多次測量必定會導致點云數據大規模的情形，我們研究了非接觸式測量和大規模點云高效的方法，實現了點云的高效處理和精準匹配。另外，我們搭建了機器人單元測量組導軌和激光跟蹤儀集成的測試系統，也建立了相應的模型，可以實現大型復雜構件表面三維形貌的全局精準測量，這是我們在測量方面做的一些工作。

       技術突破二：開展高精度恒力控制和自適應加工，自己開發了幾款裝置，集磨拋、吸塵、力控、測量于一體的機器人末端執行器，可以自動補償加工軌跡和工件之間的位置偏差來保證加工質量。

       技術突破三：區域優化算法和多機器人軌跡規劃技術。因為大型復雜構件的尺寸很大，我們肯定要分區域規劃，讓多臺機器人同時進行加工，涉及到區域劃分和算法的優化。我們提出新型多機器人加工軌跡的快速規劃方法，能夠解決軌跡規劃效率低、自動編程難的問題。

       技術突破四：磨拋工藝優化技術，針對磨拋過程中存在的邊緣區域的問題，我們采用高點打磨和整體打磨相結合的方法，可以保證構件表面的平整度。另外，我們在打磨過程中進行數據的采集，來構建工藝數據庫，實現加工前自動參數的調取和故障的預測。另外，我們自己進行結構優化設計，實現了耗材的快速更換。

       我們團隊近五年形成了10多項原創性的授權成果，專利30余項，下面是列舉的一些專利。

       三、產品服務應用

       應用在大型風電葉片打磨上，合作的企業是中車時代新材，時代新材原來的葉片打磨完全是人工打磨的，可以看到環境非常惡劣，粉塵污染很大，對人體的傷害也很大。我們團隊跟他們企業進行了一個深入交流，多次溝通，在無錫，自己搭建了風電葉片的打磨實驗平臺，在這個平臺上驗證機器人打磨的整體工藝方案和相關的核心技術，以及相應的技術路線，驗證通過之后，我們再給客戶提供最終的產品，就是打磨生產線。

       這是第一代產品，運用在株洲時代新材光明基地，這個產品主要適用60米以下的長度風電葉片，這是原來人工打磨，粉塵污染很嚴重。我們給他們搭建了這樣一個打磨生產線，把葉片吊裝過來，葉片兩側有兩條導軌，每條導軌上都有兩臺機器人，四臺機器人協同作業，機器人可以自動去裝打磨頭，如果打磨頭有損耗的話，它可以自動去換。這個打磨頭是我們自主設計的，這種方式可以將打磨過程中90%以上的粉塵吸走，可以降低車間粉塵的濃度。這是我們在現場車間拍攝的視頻，和人工相比，機器人除了最大的優勢，表面的質量一致性非常好，打磨頭側邊是有位移傳感器的，打磨過程中實時檢測位置信息。這是我們開發的中控集成系統，并且可以遠程檢測整段作業，可以實時反饋給客戶。如果他們遇到問題的話，我們可以實時替他們解決。

       這是第二代產品，運用于中車株洲時代新材新馬基地，與第一代產品相比適用范圍更大，適用于70米以下的長度，硬件成本與第一代產品也大大降低了，因為采用的導軌不一樣，功能上也更加豐富。由于葉片的長度增加了，一側的兩臺機器人變成了三臺機器人，這樣的打磨效率更高。

       新能源客車中涂打磨，客車原來的打磨方式，唯一的方式是人工打磨，我們通過跟時代電動進行多次的前期技術交流，在無錫也搭建了打磨實驗線，成功之后，把總體的工藝方案和技術路線驗證成功之后，再在他們的企業打磨生產線，看一下視頻。

       電動客車跟風電葉片不一樣，它是多品種小批量，特征非常多。針對每一個品種的車型，你都要重新去編制打磨的途徑。因此，它非常繁瑣，針對這個問題，采用了模塊化的編程方案，可以大大減少編程的時間。在打磨過程中，我們有激光位移傳感器，可以實時的檢測，旁邊的紅點是激光點。

       高鐵白車身機器人打磨，合作單位主要是中車集團下面的幾個主要機車廠，高鐵的白車身是焊接成型的。那么焊接之后，表面的形狀不是那么規則和理想，因此需要進行秘制的人工刮涂，人工刮涂的時候，型面精度無法保證，在凝結之后要進行打磨。原來是人工打磨，整個型面精度難以保證，作業環境也非常差。因此，我們跟中車下面的機車公司進行合作，我們先對整個高鐵白車身的外型進行掃描，獲得它的點云數據之后，我們對這個型面采用高點打磨和整體打磨的方法，可以保證整個高鐵白車身表面的平整度，而且能夠保證它的輪廓精度。

       這是我們在無錫公司搭建的1：1的實驗平臺，基本上也做完了整體的工藝方案和相關的核心技術的突破，即將交付給青島四方。

       這是我們機車轉向架機器人噴涂系統，它跟打磨的方法比較類似，主要是在編程方面用到了一線編程和視角相結合的方法。另外，在定位上，原來是用機械的方式來定位，我們采用非接觸式測量的方法來進行定位。

       下一代產品-大型復雜構件機器人移動加工，這種移動加工方法總體的步驟，先對整體進行掃描，然后進行自動的打磨路徑的編程，最后再進行打磨，打磨之后再進行測量。這種移動式打磨的柔性度非常大，對場地的占用要求不高，場地用完之后，你可以及時換掉做其他用途。

       四、經濟和社會效應

       我們團隊的大型構建多機器人協同制造技術以2000多萬元的金額轉讓給了中車株洲所，無錫研究院與中車株洲所聯合成立了無錫中車時代智能裝備有限公司，公司是2016年成立的，是中車集團下屬國有控股混合制的高科技企業。我們公司主要從事大型復雜構件智能制造裝備的研發制造、銷售和服務，目前正式員工46人，碩士以上學歷13人。

       我們公司開發出首套大型風電葉片機器人磨拋系統，獲評江蘇省首臺套重大裝備產品，也被鑒定委員會達到了國內領先國際先進的水平。“2018年中國智能制造十大科技進展”與“2018好設計銀獎”。中車集團下的無錫中車新能源等重點項目紛紛在當地落戶，形成了百億級規模的產業，推動了當地的經濟發展。

       五、展望和總結

       我們團隊做的這些技術，為大型復雜構件高效高精加工提供了新的技術手段，提供了我國新的高鐵白車身、風電葉片、航空結構等大型復雜的構件能力。

       我們團隊一直沿用的是丁漢老師提倡的模式，和學校結合、企業結合，從理論創新，再到技術突破，再到企業的工程應用，最后到產業引領的創新模式。

       我們團隊會繼續在大型復雜構件機器人智能模塊加工方面進行深入的研究，貢獻我們自己的力量，也為企業做好服務。

       無錫中車時代智能裝備有限公司

       無錫中車時代智能裝備有限公司成立于2016年11月，是一家由中車株洲電力機車研究所聯合華中科技大學無錫研究院產學研用深度合作成立的國有控股混合所有制高新技術企業。

       公司堅持市場化高端人才戰略，現有全職員工46人，其中研發技術人員32人，碩士及以上學歷13人，形成了一支教授和博士等高端人才為核心骨干的專業創新團隊。公司擁有大型儀器設備十余套，并規劃建設12000平米高端裝備試驗示范區。

       公司牢牢把握核心技術生命線，聚焦電力能源、軌道交通、航天航空、船舶等重點領域，突破大型復雜構件多機器人協同加工關鍵技術，提供整體智能制造解決方案，填補了國內多項技術空白，形成多項自主知識產權。

       成立以來，公司實現穩步發展，先后服務中車株洲時代新材、中車株洲時代電動客車、上海電氣等多個龍頭企業，獲一致好評，“大型風電葉片機器人磨拋系統”被認定為江蘇省重點推廣應用的新技術新產品與江蘇省首臺（套）重大裝備產品，“大型構件多機器人智能磨拋加工技術”獲評“2018中國智能制造十大科技進展”與“2018中國好設計銀獎”。