机床加工大尺寸工件“力不从心”？ 灵巧的混联机器人来了
项目团队经过20多年的研发，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，打破了国外的专利壁垒，在航天航空、轨道交通、船舶制造等领域具有广阔的应用前景。
看过电影《摩登时代》的人都还记得，喜剧大师卓别林饰演的工人查理每天唯一的任务就是在流水线上重复着同样的工作——扭紧六角螺帽。如今在现代智能制造工厂，查理这种重复性强、学习性弱、危险性高的工作，已经被工业机器人所取代。
用工业机器人替代机床实现高柔性、低成本加工正在成为智能制造装备技术的重要发展趋势。天津大学机械工程学院机械系教授刘海涛项目团队经过20多年的研发，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，打破了国外的专利壁垒，在航天航空、轨道交通、船舶制造等领域具有广阔的应用前景。日前，“高性能混联加工机器人”技术成果获得天津市技术发明一等奖。该项目还先后获国家发明专利33件、发表学术论文59篇。
高性能制造急需的核心装备
如今，在汽车、电子、物流等各个工业领域，我们经常能看到多关节机械手或多自由度的机器装置，这些都是工业机器人。
“串联机器人出现时间早，具有运动灵活、工作空间大等优点。而并联机器人与串联机器人相比，具有承载能力强、刚度大、精度高、动态特性优等特点。”刘海涛用了个比喻来解释，串联机器人就像一个手臂，由各个关节串联在一起。而并联机器人是一个闭环结构，就像把两只手握在一起，由两条手臂共同完成一件事。
串联和并联机器人虽然各有优势，但也都有其劣势。“串联机器人是‘孤掌难鸣’，一条手臂负载能力有限，其刚度和精度具有局限性。而并联机器人由于是两只手握在一起，运动灵活性下降，工作范围变小。”刘海涛介绍，混联机器人在一定的操作空间内拥有灵活多角度的操作，又能保证高速高精度的特性。
混联机器人目前已成为机器人加工技术的一个重要发展方向。同时，由混联机器人构成的机器人化加工装备（以下简称混联加工机器人），也是我国航天航空等重点领域实现高性能制造急需的核心装备。
2000年初，刘海涛所在课题组便开始投入对混联加工机器人的研究，此时我国尚未建立起这类机器人系统完整的研发体系，既无成熟产品，更无在高端领域的应用。
市场上，西班牙龙信和瑞典艾克斯康公司生产的混联加工机器人是世界上仅有的两款商业化的产品，通过专利壁垒长期独霸国际市场。
“应用国外产品价格高，而且整个系统包括工艺流程等都是封闭的，除了维护费用高以外，未来工艺改革等都受到一定限制。”刘海涛说，因此这种局面亟待突破，需要研发、生产我国自主可控的混联加工机器人。
混联加工机器人研发生产难度大
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。
“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。
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。
“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。
解决我国重大工程中的制造难题
目前，刘海涛项目组开发的以混联加工机器人为核心的全向移动铣削、光学元件超精密抛光、空间型线搅拌摩擦焊接、汽车模具抛磨等系列新型工艺装备，率先实现了在航天航空、新能源、汽车制造等领域的工程应用，解决了一批我国重大工程中的制造难题。
刘海涛举例说，传统的机械加工都使用机床，机床加工技术已有百年发展史，技术成熟且加工精度高，因此航天领域很多重要的工件都是由机床加工而成。然而随着航天制造领域需要加工的工件尺寸越来越大，像航天舱、火箭燃料贮箱等，使用机床完成局部加工就有些“力不从心”了。
“占地大、造价高，同时还要保证高精度，对机床加工技术的要求越来越高。而且工件上下机床过程复杂，导致加工周期长。”刘海涛说，而使用混联加工机器人可以实现原位加工，工件不动，机器人可以灵活“游走”，还能多机同时进行操作，大大提高了生产效率。同时混联加工机器人还可以与测量、传感技术集成，真正体现了制造业的“智慧”。
据悉，目前“高性能混联加工机器人”成果已经向广州数控等企业实施专利许可2项，获得欧盟CE安全认证并出口英国。
刘海涛表示：“未来，面向我国高端制造领域对机器人化加工装备的重大需求，项目组将持续深入地开展机器人—测控—工艺系统集成技术研究，努力拓展所研发的混联加工机器人的应用领域，为提升我国高性能加工机器人的技术水平、推进制造业创新驱动发展提供技术支撑。”