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 ——2019中国打磨抛光机器人发展论坛演讲内容大放送 张小俭

      尊敬的各位领导、各位专家，大家上午好！我来自华中科技大学，也在无锡中车时代智能装备有限公司担任研发经理。非常荣幸能参与这次论坛，由于丁汉老师和严思杰教授无法来现场，由我代表我们团队向各位领导、专家汇报一下我们团队在机器人打磨方向做的一些工作。

       我的汇报题目：大型复杂构件机器人智能磨抛加工技术与装备，分五个方面：

       一、研究背景

       大型复杂构件，在电力装备、轨道交通、航空航天，以及船舶等领域有了广泛的应用，尤其是像我们熟知的风电叶片、新能源客车车体、高铁地铁车身、飞机蒙皮尾翼等零件，它们反映了我们国家重大战略需求，这些构件的制造水平代表了国家制造业的核心竞争力。

       大型复杂构件制造过程中涉及多道磨抛工序，磨抛的品质直接影响产品的质量和生命周期。目前，国内大型复杂构件磨抛工艺均是以人工作业为主，人工作业会带来环境恶劣、效率低下、一致性差，人们劳动强度比较大的问题。目前国外已经初步实现了人工助力半自动化，但是出现灵活性差、价格昂贵等等问题。

       大型复杂构件通常具有尺寸超大（风电叶片最长超过80m、高铁白车身20多米、新能源客车车体6-12m），结构形状复杂，结构呈现弱刚性，随着打磨的过程，打磨不同的结构刚性也会有所变化，材料加工的特点。像高铁白车身要么打磨平整度每米达到0.5个毫米以下，飞机蒙皮尾翼加工要控制在0.1毫米。所以说高效高精的表面质量控制，是大型复杂构件加工的一个关键的技术难题。

       围绕上面的难题，我们总结了一下，在大型复杂构件加工过程中主要面临着四个方面的挑战：精度控制，最主要的是大型复杂构件的三维测量问题，首先要测得准，测得准之后才可以进行加工的精准定位，才有后面精准的控制。

       顺应控制，虽然是同一批构件，但也会有很大的尺寸误差。如何让机器人末端可以顺应工件的型面，进行主动的顺应和自适应磨抛，这也是一大难题。

       大型复杂构件尺寸非常大，需要多台机器人并行作业，涉及到协调作业，碰撞和干涉避免的问题，以及在协调控制中的同步加工来保证加工的效率。

       最后，效率提升问题，如何快速获取加工过程中的信息，用这些信息来指导整个工艺系统的优化，来提升效益。

       二、核心技术突破

       围绕以上难题，我们团队在近几年做了一些技术上的研发和突破。我们团队主要在两位丁院士的带领下进行工作，丁荣军院士是中车株洲所首席科学家，另外是华中科技大学的丁汉院士，是两期国家“973”项目的科学家，长期从事数字化制造理论和方法，机器人理论和技术研究。

       关于技术突破，依赖于前期的理论基础，复杂曲面数字化制造的理论和方法，形成了国家自然科学二等奖。另外一个是工业机器人作业系统的关键技术，我们获得了国家科技进步二等奖；核心技术突破，依赖于我们前期从事的项目，团队近五年承担的国家重点项目有20项，国家重点项目、国家“973”项目，以及江苏的一些项目。

       我简要介绍一下团队取得的一些突破性的技术：大型复杂构件高精全局三维形貌测量。因为大型复杂构件，它的尺寸非常大，现有的测量设备难以在单次测量中去覆盖构件的整个型面。因此，我们需要多次测量。那么多次测量必定会导致点云数据大规模的情形，我们研究了非接触式测量和大规模点云高效的方法，实现了点云的高效处理和精准匹配。另外，我们搭建了机器人单元测量组导轨和激光跟踪仪集成的测试系统，也建立了相应的模型，可以实现大型复杂构件表面三维形貌的全局精准测量，这是我们在测量方面做的一些工作。

       技术突破二：开展高精度恒力控制和自适应加工，自己开发了几款装置，集磨抛、吸尘、力控、测量于一体的机器人末端执行器，可以自动补偿加工轨迹和工件之间的位置偏差来保证加工质量。

       技术突破三：区域优化算法和多机器人轨迹规划技术。因为大型复杂构件的尺寸很大，我们肯定要分区域规划，让多台机器人同时进行加工，涉及到区域划分和算法的优化。我们提出新型多机器人加工轨迹的快速规划方法，能够解决轨迹规划效率低、自动编程难的问题。

       技术突破四：磨抛工艺优化技术，针对磨抛过程中存在的边缘区域的问题，我们采用高点打磨和整体打磨相结合的方法，可以保证构件表面的平整度。另外，我们在打磨过程中进行数据的采集，来构建工艺数据库，实现加工前自动参数的调取和故障的预测。另外，我们自己进行结构优化设计，实现了耗材的快速更换。

       我们团队近五年形成了10多项原创性的授权成果，专利30余项，下面是列举的一些专利。

       三、产品服务应用

       应用在大型风电叶片打磨上，合作的企业是中车时代新材，时代新材原来的叶片打磨完全是人工打磨的，可以看到环境非常恶劣，粉尘污染很大，对人体的伤害也很大。我们团队跟他们企业进行了一个深入交流，多次沟通，在无锡，自己搭建了风电叶片的打磨实验平台，在这个平台上验证机器人打磨的整体工艺方案和相关的核心技术，以及相应的技术路线，验证通过之后，我们再给客户提供最终的产品，就是打磨生产线。

       这是第一代产品，运用在株洲时代新材光明基地，这个产品主要适用60米以下的长度风电叶片，这是原来人工打磨，粉尘污染很严重。我们给他们搭建了这样一个打磨生产线，把叶片吊装过来，叶片两侧有两条导轨，每条导轨上都有两台机器人，四台机器人协同作业，机器人可以自动去装打磨头，如果打磨头有损耗的话，它可以自动去换。这个打磨头是我们自主设计的，这种方式可以将打磨过程中90%以上的粉尘吸走，可以降低车间粉尘的浓度。这是我们在现场车间拍摄的视频，和人工相比，机器人除了最大的优势，表面的质量一致性非常好，打磨头侧边是有位移传感器的，打磨过程中实时检测位置信息。这是我们开发的中控集成系统，并且可以远程检测整段作业，可以实时反馈给客户。如果他们遇到问题的话，我们可以实时替他们解决。

       这是第二代产品，运用于中车株洲时代新材新马基地，与第一代产品相比适用范围更大，适用于70米以下的长度，硬件成本与第一代产品也大大降低了，因为采用的导轨不一样，功能上也更加丰富。由于叶片的长度增加了，一侧的两台机器人变成了三台机器人，这样的打磨效率更高。

       新能源客车中涂打磨，客车原来的打磨方式，唯一的方式是人工打磨，我们通过跟时代电动进行多次的前期技术交流，在无锡也搭建了打磨实验线，成功之后，把总体的工艺方案和技术路线验证成功之后，再在他们的企业打磨生产线，看一下视频。

       电动客车跟风电叶片不一样，它是多品种小批量，特征非常多。针对每一个品种的车型，你都要重新去编制打磨的途径。因此，它非常繁琐，针对这个问题，采用了模块化的编程方案，可以大大减少编程的时间。在打磨过程中，我们有激光位移传感器，可以实时的检测，旁边的红点是激光点。

       高铁白车身机器人打磨，合作单位主要是中车集团下面的几个主要机车厂，高铁的白车身是焊接成型的。那么焊接之后，表面的形状不是那么规则和理想，因此需要进行秘制的人工刮涂，人工刮涂的时候，型面精度无法保证，在凝结之后要进行打磨。原来是人工打磨，整个型面精度难以保证，作业环境也非常差。因此，我们跟中车下面的机车公司进行合作，我们先对整个高铁白车身的外型进行扫描，获得它的点云数据之后，我们对这个型面采用高点打磨和整体打磨的方法，可以保证整个高铁白车身表面的平整度，而且能够保证它的轮廓精度。

       这是我们在无锡公司搭建的1：1的实验平台，基本上也做完了整体的工艺方案和相关的核心技术的突破，即将交付给青岛四方。

       这是我们机车转向架机器人喷涂系统，它跟打磨的方法比较类似，主要是在编程方面用到了一线编程和视角相结合的方法。另外，在定位上，原来是用机械的方式来定位，我们采用非接触式测量的方法来进行定位。

       下一代产品-大型复杂构件机器人移动加工，这种移动加工方法总体的步骤，先对整体进行扫描，然后进行自动的打磨路径的编程，最后再进行打磨，打磨之后再进行测量。这种移动式打磨的柔性度非常大，对场地的占用要求不高，场地用完之后，你可以及时换掉做其他用途。

       四、经济和社会效应

       我们团队的大型构建多机器人协同制造技术以2000多万元的金额转让给了中车株洲所，无锡研究院与中车株洲所联合成立了无锡中车时代智能装备有限公司，公司是2016年成立的，是中车集团下属国有控股混合制的高科技企业。我们公司主要从事大型复杂构件智能制造装备的研发制造、销售和服务，目前正式员工46人，硕士以上学历13人。

       我们公司开发出首套大型风电叶片机器人磨抛系统，获评江苏省首台套重大装备产品，也被鉴定委员会达到了国内领先国际先进的水平。“2018年中国智能制造十大科技进展”与“2018好设计银奖”。中车集团下的无锡中车新能源等重点项目纷纷在当地落户，形成了百亿级规模的产业，推动了当地的经济发展。

       五、展望和总结

       我们团队做的这些技术，为大型复杂构件高效高精加工提供了新的技术手段，提供了我国新的高铁白车身、风电叶片、航空结构等大型复杂的构件能力。

       我们团队一直沿用的是丁汉老师提倡的模式，和学校结合、企业结合，从理论创新，再到技术突破，再到企业的工程应用，最后到产业引领的创新模式。

       我们团队会继续在大型复杂构件机器人智能模块加工方面进行深入的研究，贡献我们自己的力量，也为企业做好服务。

       无锡中车时代智能装备有限公司

       无锡中车时代智能装备有限公司成立于2016年11月，是一家由中车株洲电力机车研究所联合华中科技大学无锡研究院产学研用深度合作成立的国有控股混合所有制高新技术企业。

       公司坚持市场化高端人才战略，现有全职员工46人，其中研发技术人员32人，硕士及以上学历13人，形成了一支教授和博士等高端人才为核心骨干的专业创新团队。公司拥有大型仪器设备十余套，并规划建设12000平米高端装备试验示范区。

       公司牢牢把握核心技术生命线，聚焦电力能源、轨道交通、航天航空、船舶等重点领域，突破大型复杂构件多机器人协同加工关键技术，提供整体智能制造解决方案，填补了国内多项技术空白，形成多项自主知识产权。

       成立以来，公司实现稳步发展，先后服务中车株洲时代新材、中车株洲时代电动客车、上海电气等多个龙头企业，获一致好评，“大型风电叶片机器人磨抛系统”被认定为江苏省重点推广应用的新技术新产品与江苏省首台（套）重大装备产品，“大型构件多机器人智能磨抛加工技术”获评“2018中国智能制造十大科技进展”与“2018中国好设计银奖”。