混联加工机器人研发生产难度大
810-186753-002 然而混联加工机器人并不是串联和并联机器人的1+1=2,其研发和产业化难度非常大。
首先,最大的难点就是混联加工机器人的构型,也就是骨架的设计,包括铰链类型、数量及其空间布置形式等。“能实现同样运动的构型浩如烟海,就好比人和鱼的骨架虽然不同,但都能在水里游。”刘海涛说,这么多构型最终只有极少数具有工程实用价值,结构是否简单、受力是否合理、可否低成本制造以及是否便于灵活布局等都是技术难点。此外,作为一个闭环结构,由于混联加工机器人是多轴联动的,因此如何实现高精度运动也是一个难点。
810-186753-002 “构型虽然有理论方法,但是设计出来的骨架大多数都不适用,没有规律可循,设计需要一定的灵感。”刘海涛说,“灵感其实也是来源于工程的实践中。”
项目组通过四代工程样机的迭代开发,最终首创了一种由2自由度平面机构、集成铰链和6自由度支链构成的混联加工机器人新机构。同时,通过将机器人学、机床动力学、数字样机技术有机结合,提出了主参数关联设计和层次化设计策略,发明了尺度—结构—驱动器集成设计新方法,突破了混联加工机器人动态设计核心技术,保证了机器人兼具优良的运动灵活性、静刚度和动态特性。
其次,产品不可能都处于理想状态,在零部件的加工和装配过程中,都会产生误差影响到精度。因此控制和补偿技术也十分重要,项目组可以通过这项技术调控装备的精度,从而保证机器人末端的高精度运作。
810-186753-002 为了提高机器人的静动态精度,项目组将机器人学、结构动力学、大数据分析有机结合,突破了高速高精度五轴联动控制、位姿误差综合补偿、平滑与运动平稳轨迹规划、高效精准视觉定位等一系列核心关键技术。
最后,从应用的角度来看,混联加工机器人会有很多应用场景。不同的工艺有不同的生产需求,这都需要混联加工机器人和装备相适应。刘海涛举例说,比如铣削加工就有很多工艺参数,包括使用什么样的刀具,用多快的进给速度进行加工,刀具的转速是多少等,而打磨、焊接、抛光等不同的应用也都有各自的工艺要求。
810-186753-002 “只有把理论和最后应用需要形成一套完整的体系才能实现产业化。”刘海涛说。
项目组不仅解决了混联加工机器人机构创新、设计理论、精度调控中的难题,还突破了加工工艺中的关键环节,打通了从自主设计到工程应用的全链条。混联加工机器人可搭建各类适用于铣削、制孔、焊接、抛磨、装配等作业的单机和多机制造系统。
经第三方权威机构检测,项目组研发生产的混联加工机器人性能指标与国外同类产品技术水平相当,实现了从追赶到并跑的技术跨越。