发布时间：2021-03-23所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：大型复杂构件是航空航天、能源、船舶等领域装备的核心结构件，此类构件通常具有尺寸大、形状复杂、刚性弱等特点。传统分体离线加工-在线检测模式存在工艺不稳定、过程复杂、柔性差、周期长等问题，以龙门式多轴数控机床加工为代表的包容式加工模式，难
摘要：大型复杂构件是航空航天、能源、船舶等领域装备的核心结构件，此类构件通常具有尺寸大、形状复杂、刚性弱等特点。传统“分体离线加工-在线检测”模式存在工艺不稳定、过程复杂、柔性差、周期长等问题，以龙门式多轴数控机床加工为代表的“包容式”加工模式，难以适应大型复杂构件的高效高质量加工制造需求。提出一种基于移动式和吸附式机器人的多机协同原位加工新模式，通过多机器人系统自主寻位、精确定位加工与加工质量原位检测，实现大型复杂构件多安装面并行铣削、制孔与打磨等作业。多机器人系统包括移动式混联机器人、吸附式并联机器人、移动式串联铣削机器人、移动式双臂加工机器人和移动式打磨机器人。构建多机协同原位加工模式，需要揭示多机器人协同原位加工行为与大型弱刚性结构件质量控制的交互机理，面临着本体、测量、工艺和集成四个方面的挑战，需要设计高灵活、高刚度的移动式和吸附式加工机器人，解决移动机器人自主准确寻位和超大结构件原位高精检测难题，攻克加工变形误差在线补偿和振动抑制技术，通过集成实现多机协同高效高精加工，为大型复杂构件的高效高质量制造提供创新技术及装备，并实现此类构件制造核心技术及装备自主可控。
关键词：大型复杂构件;多机协同原位加工;移动式混联机器人;吸附式并联机器人
0前言
空间站航天器舱体、航空薄壁件、重型燃气轮机构架、船用螺旋桨等大型复杂构件，是航空航天、能源、船舶等领域装备的核心结构件，在相关行业中有着广泛应用。此类构件通常具有尺寸大、形状复杂、位置精度和表面质量要求高并伴有薄壁结构等共性特征。大型复杂构件的设计、制造、测量等关键技术是制造业重点发展领域的优先主题。当前，对航空航天领域大尺寸铝合金和复合材料结构件的高效加工，卫星、空间站等航天器总装配体整体化加工能力的需求愈加旺盛，研究的重要性日渐凸显。
根据国务院2016年印发的《“十三五”国家科技创新规划》要求，我国要在2030年，综合空间技术跻身世界航天强国。未来将在载人航天与探月工程、深空探测及空间飞行器在轨服务与维护、天地一体化信息网络等国家重大专项规划的框架下，开展对大型、轻质(薄壁)、复杂多功能航天器结构的研制。大型航天器一般由多个铝合金舱体类构件组成，此类构件具有尺寸大、刚性弱、结构复杂等特点，加工中易变形、精度难以保证。以空间站核心舱为例，其直径达到4.5m，单个舱段长达9m，整体壁板最薄2mm，且舱体上有1000多个具有相关性的安装面需要加工，精度要求高。此类大型舱体构件尺寸已大大超出现有机床的加工行程，而开发大型专用加工装备，成本极高且利用率低，造成资源浪费以及生产成本的剧增。
针对此类大型舱体类构件的制造难题，目前的解决方案是：采用小型多轴数控机床离线分体切削加工，运送至装配车间开展组装，采用跟踪仪进行在线检测和测量调试。该方案工序多，至少需要经历1次初次安装、测量，拆卸、运送，装夹、钻铣加工，转运、复位安装，测量、调整的过程，质量稳定性不好保证，生产效率极低，1个小柱段需要4至6个月的生产周期，同时，工艺不稳定也制约了加工精度的提高，严重影响航天生产任务进度。
针对这种情况，大型航天结构件、大型航天器舱体的多安装面整体结构一体化加工、检测已成为必然的选择。与此同时，以龙门式多轴数控机床加工为代表的“包容式”加工模式，难以适应大型舱体类构件的高效高质量加工制造需求，急需变革性技术及装备解决大型构件的高效制造难题。
1制造模式及装备发展趋势
1.1移动式加工装备
从国内外发展现状看，机器人技术的应用，革新了很多行业的生产模式[1-5]。近些年来，串联移动式加工机器人在大型零部件的生产加工中得到应用，如：图1a所示的采用AGV车实现移动功能的KUKA机器人叶片磨抛系统[6]，以及图1b所示的由华中科技大学丁汉院士团队在国内首次建立的大型叶片磨抛系统[7]，其采用直线轨道实现移动功能。移动加工方式的出现，克服了传统龙门机床的不足，拓展了工作空间，降低了成本，提高了效率，也使得整个生产系统具备柔性[8-12]，形式灵活、多样化，不但可以适应不同的加工对象，也可如图1b一样，进一步构建多机协同加工系统。
虽然以串联机械臂为加工单元的移动式加工机器人成为加工大型构件的新选择，在实际应用中却面临着很多限制。串联机械臂刚度差，不能承受重载、交变载荷，所以此类“移动平台+串联机械臂+末端操作器”的移动机器人系统往往多应用于磨抛、喷涂、焊接、抓取等非接触或小接触力的工况。另一方面，机器人精度低(绝对精度仅为0.3mm，是机床的1/30)、本体刚度低(仅为1N/μm，是机床的1/50)且变化范围大，在机器人两臂之间夹角过大或者过小时，机构性能急速下降，能实际应用的工作空间有限[13-16]。
加工装备的发展总是伴随着机构原理构型的不断创新，继龙门机床、串联移动加工机器人之后，以并/混联机器人[17-20]为加工核心的移动式加工机器人成为了复杂构件制造装备的一个发展趋势。并/混联机器人被誉为近20年来最具创新性的工程设计，与串联机器人相比，具有结构紧凑、重量轻、刚度高、动态特性好等优点[21-24]。结构紧凑和重量轻带来的便携特性意味着其便于现场运输和具有可重组、高动态响应、低移动质量的特点，有助于提高定位精度和加工效率。并联机器人能实现多轴运动、精度高、重量轻，容易实现模块化，并且刚度大，能承受大负载，可以作为移动式加工装备切削执行单元[25-27]。并联机器人在加工装备中的应用，弥补了传统龙门机床在响应速度、加速度和刚度质量比方面的劣势，与串联加工机器人相比，在刚度、加工效率方面具有明显优势。
相关期刊推荐：《机械工程学报》是由中国科学技术协会主管、中国机械工程学会主办的学术性期刊。刊登：进登机械工程方面的基础理论、科研设计和制造工艺等方面的学术论文，报道自然科学基金项目论文和国外学者的论文反映本学科的最新发展和最新科研成果。
自20世纪90年代中期首台并联机器人问世以来，瑞典、美国、德国、中国等国家的几十家企业与研究机构在并/混联加工机器人化装备及其结构设计方面做了大量研发工作，有些产品已在工业界得到了成功应用，其中包括在业界比较有影响力的西班牙PkmtriceptSL公司生产的Tricept系列加工装备(开发Tricept的原瑞典NeosRoboticsAB公司的一部分被西班牙PkmtriceptSL收购)，图2所示即是基于Tricept五自由度混联装备[28]的移动式加工中心。Tricept的并联模块可以实现多轴运动，具有质量小(580kg)、精度高(0.02mm)的特点，同时，激光定位装置实现了在加工过程中的定位检测，满足了高速、高刚度和高精度等加工要求，使得装备整机的综合性能更优。
Tricept的并联模块提供三个自由度的空间定位运动，需要在末端附加两自由度串联摆头实现A/C摆动。然而，A/C关节摆头有其局限性：首先，A/C关节摆头在刀具转动过象限时，已加工表面有时会被高速旋转的刀具刮伤;同时，串联A/C摆角头是通过合成运动来实现二自由度转动，响应速度慢，不利于加工速度的进一步提高。
为了克服这种传统的摆叉式主轴头结构的局限性，德国DS-Technologie公司按照飞机结构件加工工艺的特点，独创性地推出了Ecospeed混联加工中心[29]，其中采用了如图3所示的SprintZ3型主轴头，其独特的结构使安装在运动平台上的电主轴可向任何方向作40°偏转，实现了A/B轴主轴头的耦合运动功能，且其偏转定位速度可达到80°/s，加速度可达685°/s2。区别于串联A/C摆头用运动合成的方式实现二自由度转动，Z3摆角头的转动是由姿态耦合运动的方式实现的。除了避免刮伤外，耦合运动实现姿态调整的摆角头效率更高。中航工业成飞公司的生产实践表明，一个典型飞机结构件，采用传统五轴联动加工中心需要9h，采用基于Z3的混联加工中心只需2h，且无需二次打磨。然而，并联Z3摆角头同样是三自由度机构，不能实现五轴联动，其余自由度是以串联导轨的形式补充的，这使得以并联Z3摆角头为核心的Ecospeed混联加工中心重量大，难以实现轻量化移动式加工的功能。
图4所示的设备是由德国Metrom公司开发的具有全并联结构且能实现五轴联动加工的机器人，可以实现移动式加工和姿态耦合运动，兼具轻量化的特点[30]，为移动式加工机器人的末端单元设计提供了新思路。国内在此类装备的研发上仍处于空白状态。另外，针对大型复杂构件的移动式加工应用，Metrom公司的产品在构型设计、系统构建上仍存在不足。
综合考虑，融合移动式加工概念、并联机构耦合调姿高效定向特点、五自由度并联机构轻量化理念，基于实现姿态耦合运动的空间五自由度全并联机构的移动式加工机器人将是实现大型复杂构件高效高质量加工的理想选择。
1.2多机器人原位协同加工制造模式
相比于单机器人制造单元，多机器人系统配置灵活[31]，可根据加工对象进行重构，而且多机器人系统在时间和空间分布上更具优越性，检测传感信息可有效互补、自适应实现多种加工需求、基于先进的协作架构和协同策略完成复杂加工任务[32]。例如，KUKA为波音公司研制了一套飞机蒙皮多机器人装配系统[33](图5);卡内基梅隆大学、CTC公司和美国空军研究实验室联合开发的多机器人军机表面涂层激光剥离系统[34](图6);南京航空航天大学为航空工业洪都研制的双机器人协同钻铆系统[35];以及如图1b所示的由华中科技大学研制的多机器人磨抛系统。这种工件保持位置不动，多机器人移动协同的作业方式，增加了柔性，提高了效率。以上生产实践证明，多机器人原位协同加工是解决大型结构件高效、高质量制造的有效途径。
综上所述，大型复杂构件制造模式正在由超大设备在位“包容式”加工向“小机床加工大工件”的移动式小型单元原位制造模式转变，由单机器人制造向“蚂蚁噬骨”式多机器人原位协同加工转变。
2大型复杂构件制造新模式及新装备构思
随着我国航空航天、能源、船舶等领域的事业不断深入和突破，在从“大”到“强”逐渐转变的过程中，对装备核心部件(一般为大型复杂构件)的加工需求愈加旺盛和严苛。以航天事业为例，从神舟飞船到空间实验室、货运飞船，从空间站到载人探月与深空探测，任务难度不断提升，为适应极端空间环境和实现可靠性服役，航天器的尺寸不断增大、性能要求持续提升，从而对作为核心部件的大型复杂构件的加工要求也在不断提高。大型复杂构件的尺寸更大、结构更加复杂，待加工面数量大、种类多，如：位置精度要求高的安装面、位置精度要求较低一些的安装面、粗糙度要求高的安装面、悬臂梁结构的弱刚性安装面、位于构件顶部的安装面等。大型复杂构件尺寸已大大超出了现有机床的工作行程，其高效高精制造是亟待解决的难题，目前采用的“分体离线加工-在线检测”模式，存在工艺不稳定、过程复杂、柔性差、周期长等问题，难以实现高效制造，并且工艺不稳定也会制约制造精度的进一步提升，严重影响生产任务的进度和质量。串联移动式加工机器人虽然可以实现移动式柔性加工，并通过构建多机器人协同加工系统进一步提高作业效率，但是串联机械臂刚度差、精度低，仅使用串联移动式加工机器人无法满足大型复杂构件上高精安装面的加工需求。
针对大型复杂构件尺寸大、刚性弱、结构复杂的特点，融合移动式加工概念、并联机构耦合调姿高效定向特点、五自由度并联机构轻量化理念和多机器人协同加工作业方式，提出一种变革性制造模式——基于移动式和吸附式机器人的多机协同原位加工模式(图7)，使用多机器人系统完成自主准确寻位、精确定位与加工作业、加工质量原位检测，实现大型复杂构件的多安装面并行铣削、制孔与打磨等加工。
多机器人系统包括移动式混联机器人、移动式串联铣削机器人、移动式双臂加工机器人、移动式打磨机器人和吸附式并联机器人。
装备的精度会直接影响其作业性能，大型复杂构件的高精安装面对形位公差和表面精度要求严格，串联机械臂的精度和刚度难以胜任这类安装面的加工任务。针对此类高精安装面的加工需求，提出了基于“全向移动平台+高刚度机械臂+轻量化五轴加工功能部件”的移动式混联机器人(图8)。全向移动平台实现大范围自主寻位，高刚度机械臂实现准确定位，轻量化五轴加工功能部件实现高精加工。
全向移动平台由四个麦克纳姆轮驱动，实现灵活的全向运动。在全向移动平台的底部有三个电动机驱动的稳定支撑装置，在车体运动时稳定支撑装置收缩，在车体到达加工作业位置时，稳定支撑装置落下，如图9所示，实现三点定位支撑，保证加工过程中车体的稳定性。在全向移动平台上配备有定位系统(如iGPS)，实现移动式混联机器人在大场景下的定位和自主导航。
高刚度机械臂为二自由度机构，如图10所示，通过平行四边形机构的设计，保证在运动过程中末端实现姿态不变的二自由度平动。全向移动平台到达工作位置并稳定支撑后，高刚度机械臂将五轴加工功能部件定位到大型复杂构件的待加工面附近，并保证待加工面处于五轴加工功能部件的工作空间内。在五轴加工功能部件开展加工作业时，高刚度机械臂的驱动锁定，与落下稳定支撑装置的全向移动平台一起构成轻量化五轴加工功能部件的基座。——论文作者：谢福贵1,2,3梅斌1,2,3刘辛军1,2,3张加波4乐毅4
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