發(fā)布時間：2021-03-23所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：大型復雜構件是航空航天、能源、船舶等領域裝備的核心結構件，此類構件通常具有尺寸大、形狀復雜、剛性弱等特點。傳統(tǒng)分體離線加工-在線檢測模式存在工藝不穩(wěn)定、過程復雜、柔性差、周期長等問題，以龍門式多軸數(shù)控機床加工為代表的包容式加工模式，難
摘要：大型復雜構件是航空航天、能源、船舶等領域裝備的核心結構件，此類構件通常具有尺寸大、形狀復雜、剛性弱等特點。傳統(tǒng)“分體離線加工-在線檢測”模式存在工藝不穩(wěn)定、過程復雜、柔性差、周期長等問題，以龍門式多軸數(shù)控機床加工為代表的“包容式”加工模式，難以適應大型復雜構件的高效高質量加工制造需求。提出一種基于移動式和吸附式機器人的多機協(xié)同原位加工新模式，通過多機器人系統(tǒng)自主尋位、精確定位加工與加工質量原位檢測，實現(xiàn)大型復雜構件多安裝面并行銑削、制孔與打磨等作業(yè)。多機器人系統(tǒng)包括移動式混聯(lián)機器人、吸附式并聯(lián)機器人、移動式串聯(lián)銑削機器人、移動式雙臂加工機器人和移動式打磨機器人。構建多機協(xié)同原位加工模式，需要揭示多機器人協(xié)同原位加工行為與大型弱剛性結構件質量控制的交互機理，面臨著本體、測量、工藝和集成四個方面的挑戰(zhàn)，需要設計高靈活、高剛度的移動式和吸附式加工機器人，解決移動機器人自主準確尋位和超大結構件原位高精檢測難題，攻克加工變形誤差在線補償和振動抑制技術，通過集成實現(xiàn)多機協(xié)同高效高精加工，為大型復雜構件的高效高質量制造提供創(chuàng)新技術及裝備，并實現(xiàn)此類構件制造核心技術及裝備自主可控。
關鍵詞：大型復雜構件;多機協(xié)同原位加工;移動式混聯(lián)機器人;吸附式并聯(lián)機器人
0前言
空間站航天器艙體、航空薄壁件、重型燃氣輪機構架、船用螺旋槳等大型復雜構件，是航空航天、能源、船舶等領域裝備的核心結構件，在相關行業(yè)中有著廣泛應用。此類構件通常具有尺寸大、形狀復雜、位置精度和表面質量要求高并伴有薄壁結構等共性特征。大型復雜構件的設計、制造、測量等關鍵技術是制造業(yè)重點發(fā)展領域的優(yōu)先主題。當前，對航空航天領域大尺寸鋁合金和復合材料結構件的高效加工，衛(wèi)星、空間站等航天器總裝配體整體化加工能力的需求愈加旺盛，研究的重要性日漸凸顯。
根據(jù)國務院2016年印發(fā)的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》要求，我國要在2030年，綜合空間技術躋身世界航天強國。未來將在載人航天與探月工程、深空探測及空間飛行器在軌服務與維護、天地一體化信息網(wǎng)絡等國家重大專項規(guī)劃的框架下，開展對大型、輕質(薄壁)、復雜多功能航天器結構的研制。大型航天器一般由多個鋁合金艙體類構件組成，此類構件具有尺寸大、剛性弱、結構復雜等特點，加工中易變形、精度難以保證。以空間站核心艙為例，其直徑達到4.5m，單個艙段長達9m，整體壁板最薄2mm，且艙體上有1000多個具有相關性的安裝面需要加工，精度要求高。此類大型艙體構件尺寸已大大超出現(xiàn)有機床的加工行程，而開發(fā)大型專用加工裝備，成本極高且利用率低，造成資源浪費以及生產(chǎn)成本的劇增。
針對此類大型艙體類構件的制造難題，目前的解決方案是：采用小型多軸數(shù)控機床離線分體切削加工，運送至裝配車間開展組裝，采用跟蹤儀進行在線檢測和測量調試。該方案工序多，至少需要經(jīng)歷1次初次安裝、測量，拆卸、運送，裝夾、鉆銑加工，轉運、復位安裝，測量、調整的過程，質量穩(wěn)定性不好保證，生產(chǎn)效率極低，1個小柱段需要4至6個月的生產(chǎn)周期，同時，工藝不穩(wěn)定也制約了加工精度的提高，嚴重影響航天生產(chǎn)任務進度。
針對這種情況，大型航天結構件、大型航天器艙體的多安裝面整體結構一體化加工、檢測已成為必然的選擇。與此同時，以龍門式多軸數(shù)控機床加工為代表的“包容式”加工模式，難以適應大型艙體類構件的高效高質量加工制造需求，急需變革性技術及裝備解決大型構件的高效制造難題。
1制造模式及裝備發(fā)展趨勢
1.1移動式加工裝備
從國內外發(fā)展現(xiàn)狀看，機器人技術的應用，革新了很多行業(yè)的生產(chǎn)模式[1-5]。近些年來，串聯(lián)移動式加工機器人在大型零部件的生產(chǎn)加工中得到應用，如：圖1a所示的采用AGV車實現(xiàn)移動功能的KUKA機器人葉片磨拋系統(tǒng)[6]，以及圖1b所示的由華中科技大學丁漢院士團隊在國內首次建立的大型葉片磨拋系統(tǒng)[7]，其采用直線軌道實現(xiàn)移動功能。移動加工方式的出現(xiàn)，克服了傳統(tǒng)龍門機床的不足，拓展了工作空間，降低了成本，提高了效率，也使得整個生產(chǎn)系統(tǒng)具備柔性[8-12]，形式靈活、多樣化，不但可以適應不同的加工對象，也可如圖1b一樣，進一步構建多機協(xié)同加工系統(tǒng)。
雖然以串聯(lián)機械臂為加工單元的移動式加工機器人成為加工大型構件的新選擇，在實際應用中卻面臨著很多限制。串聯(lián)機械臂剛度差，不能承受重載、交變載荷，所以此類“移動平臺+串聯(lián)機械臂+末端操作器”的移動機器人系統(tǒng)往往多應用于磨拋、噴涂、焊接、抓取等非接觸或小接觸力的工況。另一方面，機器人精度低(絕對精度僅為0.3mm，是機床的1/30)、本體剛度低(僅為1N/μm，是機床的1/50)且變化范圍大，在機器人兩臂之間夾角過大或者過小時，機構性能急速下降，能實際應用的工作空間有限[13-16]。
加工裝備的發(fā)展總是伴隨著機構原理構型的不斷創(chuàng)新，繼龍門機床、串聯(lián)移動加工機器人之后，以并/混聯(lián)機器人[17-20]為加工核心的移動式加工機器人成為了復雜構件制造裝備的一個發(fā)展趨勢。并/混聯(lián)機器人被譽為近20年來最具創(chuàng)新性的工程設計，與串聯(lián)機器人相比，具有結構緊湊、重量輕、剛度高、動態(tài)特性好等優(yōu)點[21-24]。結構緊湊和重量輕帶來的便攜特性意味著其便于現(xiàn)場運輸和具有可重組、高動態(tài)響應、低移動質量的特點，有助于提高定位精度和加工效率。并聯(lián)機器人能實現(xiàn)多軸運動、精度高、重量輕，容易實現(xiàn)模塊化，并且剛度大，能承受大負載，可以作為移動式加工裝備切削執(zhí)行單元[25-27]。并聯(lián)機器人在加工裝備中的應用，彌補了傳統(tǒng)龍門機床在響應速度、加速度和剛度質量比方面的劣勢，與串聯(lián)加工機器人相比，在剛度、加工效率方面具有明顯優(yōu)勢。
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自20世紀90年代中期首臺并聯(lián)機器人問世以來，瑞典、美國、德國、中國等國家的幾十家企業(yè)與研究機構在并/混聯(lián)加工機器人化裝備及其結構設計方面做了大量研發(fā)工作，有些產(chǎn)品已在工業(yè)界得到了成功應用，其中包括在業(yè)界比較有影響力的西班牙PkmtriceptSL公司生產(chǎn)的Tricept系列加工裝備(開發(fā)Tricept的原瑞典NeosRoboticsAB公司的一部分被西班牙PkmtriceptSL收購)，圖2所示即是基于Tricept五自由度混聯(lián)裝備[28]的移動式加工中心。Tricept的并聯(lián)模塊可以實現(xiàn)多軸運動，具有質量小(580kg)、精度高(0.02mm)的特點，同時，激光定位裝置實現(xiàn)了在加工過程中的定位檢測，滿足了高速、高剛度和高精度等加工要求，使得裝備整機的綜合性能更優(yōu)。
Tricept的并聯(lián)模塊提供三個自由度的空間定位運動，需要在末端附加兩自由度串聯(lián)擺頭實現(xiàn)A/C擺動。然而，A/C關節(jié)擺頭有其局限性：首先，A/C關節(jié)擺頭在刀具轉動過象限時，已加工表面有時會被高速旋轉的刀具刮傷;同時，串聯(lián)A/C擺角頭是通過合成運動來實現(xiàn)二自由度轉動，響應速度慢，不利于加工速度的進一步提高。
為了克服這種傳統(tǒng)的擺叉式主軸頭結構的局限性，德國DS-Technologie公司按照飛機結構件加工工藝的特點，獨創(chuàng)性地推出了Ecospeed混聯(lián)加工中心[29]，其中采用了如圖3所示的SprintZ3型主軸頭，其獨特的結構使安裝在運動平臺上的電主軸可向任何方向作40°偏轉，實現(xiàn)了A/B軸主軸頭的耦合運動功能，且其偏轉定位速度可達到80°/s，加速度可達685°/s2。區(qū)別于串聯(lián)A/C擺頭用運動合成的方式實現(xiàn)二自由度轉動，Z3擺角頭的轉動是由姿態(tài)耦合運動的方式實現(xiàn)的。除了避免刮傷外，耦合運動實現(xiàn)姿態(tài)調整的擺角頭效率更高。中航工業(yè)成飛公司的生產(chǎn)實踐表明，一個典型飛機結構件，采用傳統(tǒng)五軸聯(lián)動加工中心需要9h，采用基于Z3的混聯(lián)加工中心只需2h，且無需二次打磨。然而，并聯(lián)Z3擺角頭同樣是三自由度機構，不能實現(xiàn)五軸聯(lián)動，其余自由度是以串聯(lián)導軌的形式補充的，這使得以并聯(lián)Z3擺角頭為核心的Ecospeed混聯(lián)加工中心重量大，難以實現(xiàn)輕量化移動式加工的功能。
圖4所示的設備是由德國Metrom公司開發(fā)的具有全并聯(lián)結構且能實現(xiàn)五軸聯(lián)動加工的機器人，可以實現(xiàn)移動式加工和姿態(tài)耦合運動，兼具輕量化的特點[30]，為移動式加工機器人的末端單元設計提供了新思路。國內在此類裝備的研發(fā)上仍處于空白狀態(tài)。另外，針對大型復雜構件的移動式加工應用，Metrom公司的產(chǎn)品在構型設計、系統(tǒng)構建上仍存在不足。
綜合考慮，融合移動式加工概念、并聯(lián)機構耦合調姿高效定向特點、五自由度并聯(lián)機構輕量化理念，基于實現(xiàn)姿態(tài)耦合運動的空間五自由度全并聯(lián)機構的移動式加工機器人將是實現(xiàn)大型復雜構件高效高質量加工的理想選擇。
1.2多機器人原位協(xié)同加工制造模式
相比于單機器人制造單元，多機器人系統(tǒng)配置靈活[31]，可根據(jù)加工對象進行重構，而且多機器人系統(tǒng)在時間和空間分布上更具優(yōu)越性，檢測傳感信息可有效互補、自適應實現(xiàn)多種加工需求、基于先進的協(xié)作架構和協(xié)同策略完成復雜加工任務[32]。例如，KUKA為波音公司研制了一套飛機蒙皮多機器人裝配系統(tǒng)[33](圖5);卡內基梅隆大學、CTC公司和美國空軍研究實驗室聯(lián)合開發(fā)的多機器人軍機表面涂層激光剝離系統(tǒng)[34](圖6);南京航空航天大學為航空工業(yè)洪都研制的雙機器人協(xié)同鉆鉚系統(tǒng)[35];以及如圖1b所示的由華中科技大學研制的多機器人磨拋系統(tǒng)。這種工件保持位置不動，多機器人移動協(xié)同的作業(yè)方式，增加了柔性，提高了效率。以上生產(chǎn)實踐證明，多機器人原位協(xié)同加工是解決大型結構件高效、高質量制造的有效途徑。
綜上所述，大型復雜構件制造模式正在由超大設備在位“包容式”加工向“小機床加工大工件”的移動式小型單元原位制造模式轉變，由單機器人制造向“螞蟻噬骨”式多機器人原位協(xié)同加工轉變。
2大型復雜構件制造新模式及新裝備構思
隨著我國航空航天、能源、船舶等領域的事業(yè)不斷深入和突破，在從“大”到“強”逐漸轉變的過程中，對裝備核心部件(一般為大型復雜構件)的加工需求愈加旺盛和嚴苛。以航天事業(yè)為例，從神舟飛船到空間實驗室、貨運飛船，從空間站到載人探月與深空探測，任務難度不斷提升，為適應極端空間環(huán)境和實現(xiàn)可靠性服役，航天器的尺寸不斷增大、性能要求持續(xù)提升，從而對作為核心部件的大型復雜構件的加工要求也在不斷提高。大型復雜構件的尺寸更大、結構更加復雜，待加工面數(shù)量大、種類多，如：位置精度要求高的安裝面、位置精度要求較低一些的安裝面、粗糙度要求高的安裝面、懸臂梁結構的弱剛性安裝面、位于構件頂部的安裝面等。大型復雜構件尺寸已大大超出了現(xiàn)有機床的工作行程，其高效高精制造是亟待解決的難題，目前采用的“分體離線加工-在線檢測”模式，存在工藝不穩(wěn)定、過程復雜、柔性差、周期長等問題，難以實現(xiàn)高效制造，并且工藝不穩(wěn)定也會制約制造精度的進一步提升，嚴重影響生產(chǎn)任務的進度和質量。串聯(lián)移動式加工機器人雖然可以實現(xiàn)移動式柔性加工，并通過構建多機器人協(xié)同加工系統(tǒng)進一步提高作業(yè)效率，但是串聯(lián)機械臂剛度差、精度低，僅使用串聯(lián)移動式加工機器人無法滿足大型復雜構件上高精安裝面的加工需求。
針對大型復雜構件尺寸大、剛性弱、結構復雜的特點，融合移動式加工概念、并聯(lián)機構耦合調姿高效定向特點、五自由度并聯(lián)機構輕量化理念和多機器人協(xié)同加工作業(yè)方式，提出一種變革性制造模式——基于移動式和吸附式機器人的多機協(xié)同原位加工模式(圖7)，使用多機器人系統(tǒng)完成自主準確尋位、精確定位與加工作業(yè)、加工質量原位檢測，實現(xiàn)大型復雜構件的多安裝面并行銑削、制孔與打磨等加工。
多機器人系統(tǒng)包括移動式混聯(lián)機器人、移動式串聯(lián)銑削機器人、移動式雙臂加工機器人、移動式打磨機器人和吸附式并聯(lián)機器人。
裝備的精度會直接影響其作業(yè)性能，大型復雜構件的高精安裝面對形位公差和表面精度要求嚴格，串聯(lián)機械臂的精度和剛度難以勝任這類安裝面的加工任務。針對此類高精安裝面的加工需求，提出了基于“全向移動平臺+高剛度機械臂+輕量化五軸加工功能部件”的移動式混聯(lián)機器人(圖8)。全向移動平臺實現(xiàn)大范圍自主尋位，高剛度機械臂實現(xiàn)準確定位，輕量化五軸加工功能部件實現(xiàn)高精加工。
全向移動平臺由四個麥克納姆輪驅動，實現(xiàn)靈活的全向運動。在全向移動平臺的底部有三個電動機驅動的穩(wěn)定支撐裝置，在車體運動時穩(wěn)定支撐裝置收縮，在車體到達加工作業(yè)位置時，穩(wěn)定支撐裝置落下，如圖9所示，實現(xiàn)三點定位支撐，保證加工過程中車體的穩(wěn)定性。在全向移動平臺上配備有定位系統(tǒng)(如iGPS)，實現(xiàn)移動式混聯(lián)機器人在大場景下的定位和自主導航。
高剛度機械臂為二自由度機構，如圖10所示，通過平行四邊形機構的設計，保證在運動過程中末端實現(xiàn)姿態(tài)不變的二自由度平動。全向移動平臺到達工作位置并穩(wěn)定支撐后，高剛度機械臂將五軸加工功能部件定位到大型復雜構件的待加工面附近，并保證待加工面處于五軸加工功能部件的工作空間內。在五軸加工功能部件開展加工作業(yè)時，高剛度機械臂的驅動鎖定，與落下穩(wěn)定支撐裝置的全向移動平臺一起構成輕量化五軸加工功能部件的基座。——論文作者：謝福貴1,2,3梅斌1,2,3劉辛軍1,2,3張加波4樂毅4
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