智能制造、能源環(huán)保

作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵核心部件之一，風(fēng)電葉片在能源行業(yè)有著廣泛應(yīng)用，其制造水平也是國(guó)家制造業(yè)水平的體現(xiàn)。風(fēng)電葉片在脫模完成后，其型面及葉根處均需要打磨，但由于風(fēng)電葉片具有自由曲面型面、尺寸大（≥50m）、型面精度要求高（≤±0.05mm）、弱剛性的特點(diǎn)，所以迄今為止其表面打磨加工尚未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

目前，我國(guó)風(fēng)電葉片生產(chǎn)骨干企業(yè)對(duì)葉片表面打磨的工序主要以手工方式為主。這種操作過(guò)程復(fù)雜，具有人工定位隨機(jī)性大、葉片去除余量和打磨位置難以控制、葉尖區(qū)域打磨易回彈等特點(diǎn)，而且人工打磨存在生產(chǎn)效率低（需配置多名員工連續(xù)作業(yè)、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大）、工作環(huán)境惡劣（粉塵危害嚴(yán)重，需佩戴防毒面罩作業(yè)）、操作穩(wěn)定性差（打磨效果易受員工狀態(tài)、情緒、熟練程度等的影響）、成本費(fèi)用高（人工成本、勞保用品、員工體檢等）等問(wèn)題，這直接對(duì)風(fēng)電葉片高效智能自動(dòng)化加工方式提出了迫切需求。

為保證打磨質(zhì)量符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，型面過(guò)渡平滑、無(wú)氧化燒傷，需要研究“大型復(fù)雜曲面機(jī)器人高效磨拋加工的主動(dòng)順應(yīng)與協(xié)同控制”這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，該問(wèn)題的解決需要依賴于如下關(guān)鍵技術(shù)的突破：末端執(zhí)行器，尤其是磨拋法蘭的設(shè)計(jì)和力位自律跟蹤。

本成果提出了一種新型的移動(dòng)式磨拋加工機(jī)器人方案，實(shí)現(xiàn)了具有高轉(zhuǎn)動(dòng)輸出特性的并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計(jì)與尺寸參數(shù)優(yōu)化，建立了機(jī)器人整機(jī)高剛度高能效設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)了高能量密度關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)單元，搭建了開(kāi)放式機(jī)器人控制系統(tǒng)并研制了移動(dòng)式混聯(lián)磨拋機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)，攻克了機(jī)器人精度保證難題并實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器的準(zhǔn)確定位。

項(xiàng)目研究了曲面自適應(yīng)的主被動(dòng)耦合柔性磨拋法蘭，建立材料去除模型以研究進(jìn)給速度與接觸力同步耦合規(guī)劃方法、開(kāi)發(fā)了面向大型風(fēng)電葉片磨拋加工余量檢測(cè)的原位視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)行了面向大型風(fēng)電葉片磨拋的原位視覺(jué)測(cè)量-余量補(bǔ)償-力控加工的自適應(yīng)打磨與驗(yàn)證，為大型風(fēng)電葉片力控磨拋工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)手段。

并且項(xiàng)目研制基于玻璃鋼葉片高光反射表面三維激光掃描測(cè)頭，構(gòu)建了面向超大葉片的多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作型激光三維測(cè)量系統(tǒng)，并完成了大型風(fēng)電葉片測(cè)量軟件的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片高精度定位以及健壯、高效高精的多機(jī)器人協(xié)作測(cè)量與葉型分析。

圖1 電動(dòng)單自由度柔性法蘭

圖2 面結(jié)構(gòu)光方法測(cè)量精度驗(yàn)證試驗(yàn)

圖3 氣動(dòng)式柔性法蘭磨拋風(fēng)電葉片實(shí)驗(yàn)圖

本研發(fā)成果對(duì)于實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜曲面的順應(yīng)性力控磨拋具有重要的應(yīng)用價(jià)值。所研發(fā)的柔性磨拋法蘭具有柔性好、曲面順應(yīng)性強(qiáng)、力控精準(zhǔn)等優(yōu)勢(shì)，將力控制與位置控制解耦，更加方便在封閉式的商業(yè)工業(yè)機(jī)器人上進(jìn)行推廣，而無(wú)需對(duì)機(jī)器人底層進(jìn)行開(kāi)發(fā)和編程，因此，可以在大型復(fù)雜曲面零件的磨拋加工中得到大量應(yīng)用。較之傳統(tǒng)人工加工方式，機(jī)器人柔性法蘭磨拋方式最大限度地減少了粉塵對(duì)操作工人身體傷害,有效減少職業(yè)病的發(fā)病人數(shù)，具有明顯的社會(huì)效益。

本項(xiàng)目成果研究目前處于可量產(chǎn)階段。

打磨，是機(jī)械制造業(yè)、加工業(yè)、模具業(yè)等眾多行業(yè)中的重要工序之一。而機(jī)器人在這一制造工序中，有著極為廣闊的應(yīng)用，無(wú)論是打磨、拋光，還是去毛刺，現(xiàn)在都可以看到機(jī)器人繁忙的身影。傳統(tǒng)的人工打磨作業(yè)引發(fā)的各種安全隱患以及高強(qiáng)度的工作特性，人工作業(yè)顯然已不適合企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。打磨機(jī)器人能夠保持產(chǎn)品的一致性、提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)和安全的日益重視，以及進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求，打磨機(jī)器人也受到前所未有的關(guān)注。

目前機(jī)器人打磨技術(shù)在汽車零部件、五金衛(wèi)浴、3C電子、工業(yè)零件、醫(yī)療器械、航空航天和軌道交通等行業(yè)已經(jīng)有較為成熟的應(yīng)用。但相對(duì)焊接、噴涂、搬運(yùn)碼垛等機(jī)器人應(yīng)用來(lái)說(shuō)，打磨應(yīng)用規(guī)模還比較小，隨著人口紅利的消失、產(chǎn)品成本降低和產(chǎn)品質(zhì)量提高的要求，這一細(xì)分領(lǐng)域也蘊(yùn)涵著巨大的發(fā)展?jié)摿Α＝鼛啄?，我?guó)打磨機(jī)器人行業(yè)市場(chǎng)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，從2012年的15.58億元增長(zhǎng)到了2022年的96.1億元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到18%，未來(lái)隨著勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)的改變及智能制造的發(fā)展仍有開(kāi)拓增長(zhǎng)空間。

本成果已申請(qǐng)并授權(quán)多項(xiàng)中國(guó)發(fā)明專利，美國(guó)專利一篇，并取得了多項(xiàng)軟件著作權(quán)。

技術(shù)開(kāi)發(fā)、面談等。