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摘 要： 摘要：大型復(fù)雜構(gòu)件是航空航天、能源、船舶等領(lǐng)域裝備的核心結(jié)構(gòu)件，此類構(gòu)件通常具有尺寸大、形狀復(fù)雜、剛性弱等特點(diǎn)。傳統(tǒng)分體離線加工-在線檢測模式存在工藝不穩(wěn)定、過程復(fù)雜、柔性差、周期長等問題，以龍門式多軸數(shù)控機(jī)床加工為代表的包容式加工模式，難
摘要：大型復(fù)雜構(gòu)件是航空航天、能源、船舶等領(lǐng)域裝備的核心結(jié)構(gòu)件，此類構(gòu)件通常具有尺寸大、形狀復(fù)雜、剛性弱等特點(diǎn)。傳統(tǒng)“分體離線加工-在線檢測”模式存在工藝不穩(wěn)定、過程復(fù)雜、柔性差、周期長等問題，以龍門式多軸數(shù)控機(jī)床加工為代表的“包容式”加工模式，難以適應(yīng)大型復(fù)雜構(gòu)件的高效高質(zhì)量加工制造需求。提出一種基于移動(dòng)式和吸附式機(jī)器人的多機(jī)協(xié)同原位加工新模式，通過多機(jī)器人系統(tǒng)自主尋位、精確定位加工與加工質(zhì)量原位檢測，實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜構(gòu)件多安裝面并行銑削、制孔與打磨等作業(yè)。多機(jī)器人系統(tǒng)包括移動(dòng)式混聯(lián)機(jī)器人、吸附式并聯(lián)機(jī)器人、移動(dòng)式串聯(lián)銑削機(jī)器人、移動(dòng)式雙臂加工機(jī)器人和移動(dòng)式打磨機(jī)器人。構(gòu)建多機(jī)協(xié)同原位加工模式，需要揭示多機(jī)器人協(xié)同原位加工行為與大型弱剛性結(jié)構(gòu)件質(zhì)量控制的交互機(jī)理，面臨著本體、測量、工藝和集成四個(gè)方面的挑戰(zhàn)，需要設(shè)計(jì)高靈活、高剛度的移動(dòng)式和吸附式加工機(jī)器人，解決移動(dòng)機(jī)器人自主準(zhǔn)確尋位和超大結(jié)構(gòu)件原位高精檢測難題，攻克加工變形誤差在線補(bǔ)償和振動(dòng)抑制技術(shù)，通過集成實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同高效高精加工，為大型復(fù)雜構(gòu)件的高效高質(zhì)量制造提供創(chuàng)新技術(shù)及裝備，并實(shí)現(xiàn)此類構(gòu)件制造核心技術(shù)及裝備自主可控。
關(guān)鍵詞：大型復(fù)雜構(gòu)件;多機(jī)協(xié)同原位加工;移動(dòng)式混聯(lián)機(jī)器人;吸附式并聯(lián)機(jī)器人
0前言
空間站航天器艙體、航空薄壁件、重型燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)架、船用螺旋槳等大型復(fù)雜構(gòu)件，是航空航天、能源、船舶等領(lǐng)域裝備的核心結(jié)構(gòu)件，在相關(guān)行業(yè)中有著廣泛應(yīng)用。此類構(gòu)件通常具有尺寸大、形狀復(fù)雜、位置精度和表面質(zhì)量要求高并伴有薄壁結(jié)構(gòu)等共性特征。大型復(fù)雜構(gòu)件的設(shè)計(jì)、制造、測量等關(guān)鍵技術(shù)是制造業(yè)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域的優(yōu)先主題。當(dāng)前，對航空航天領(lǐng)域大尺寸鋁合金和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的高效加工，衛(wèi)星、空間站等航天器總裝配體整體化加工能力的需求愈加旺盛，研究的重要性日漸凸顯。
根據(jù)國務(wù)院2016年印發(fā)的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》要求，我國要在2030年，綜合空間技術(shù)躋身世界航天強(qiáng)國。未來將在載人航天與探月工程、深空探測及空間飛行器在軌服務(wù)與維護(hù)、天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)等國家重大專項(xiàng)規(guī)劃的框架下，開展對大型、輕質(zhì)(薄壁)、復(fù)雜多功能航天器結(jié)構(gòu)的研制。大型航天器一般由多個(gè)鋁合金艙體類構(gòu)件組成，此類構(gòu)件具有尺寸大、剛性弱、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，加工中易變形、精度難以保證。以空間站核心艙為例，其直徑達(dá)到4.5m，單個(gè)艙段長達(dá)9m，整體壁板最薄2mm，且艙體上有1000多個(gè)具有相關(guān)性的安裝面需要加工，精度要求高。此類大型艙體構(gòu)件尺寸已大大超出現(xiàn)有機(jī)床的加工行程，而開發(fā)大型專用加工裝備，成本極高且利用率低，造成資源浪費(fèi)以及生產(chǎn)成本的劇增。
針對此類大型艙體類構(gòu)件的制造難題，目前的解決方案是：采用小型多軸數(shù)控機(jī)床離線分體切削加工，運(yùn)送至裝配車間開展組裝，采用跟蹤儀進(jìn)行在線檢測和測量調(diào)試。該方案工序多，至少需要經(jīng)歷1次初次安裝、測量，拆卸、運(yùn)送，裝夾、鉆銑加工，轉(zhuǎn)運(yùn)、復(fù)位安裝，測量、調(diào)整的過程，質(zhì)量穩(wěn)定性不好保證，生產(chǎn)效率極低，1個(gè)小柱段需要4至6個(gè)月的生產(chǎn)周期，同時(shí)，工藝不穩(wěn)定也制約了加工精度的提高，嚴(yán)重影響航天生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)度。
針對這種情況，大型航天結(jié)構(gòu)件、大型航天器艙體的多安裝面整體結(jié)構(gòu)一體化加工、檢測已成為必然的選擇。與此同時(shí)，以龍門式多軸數(shù)控機(jī)床加工為代表的“包容式”加工模式，難以適應(yīng)大型艙體類構(gòu)件的高效高質(zhì)量加工制造需求，急需變革性技術(shù)及裝備解決大型構(gòu)件的高效制造難題。
1制造模式及裝備發(fā)展趨勢
1.1移動(dòng)式加工裝備
從國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀看，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用，革新了很多行業(yè)的生產(chǎn)模式[1-5]。近些年來，串聯(lián)移動(dòng)式加工機(jī)器人在大型零部件的生產(chǎn)加工中得到應(yīng)用，如：圖1a所示的采用AGV車實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能的KUKA機(jī)器人葉片磨拋系統(tǒng)[6]，以及圖1b所示的由華中科技大學(xué)丁漢院士團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)首次建立的大型葉片磨拋系統(tǒng)[7]，其采用直線軌道實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能。移動(dòng)加工方式的出現(xiàn)，克服了傳統(tǒng)龍門機(jī)床的不足，拓展了工作空間，降低了成本，提高了效率，也使得整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)具備柔性[8-12]，形式靈活、多樣化，不但可以適應(yīng)不同的加工對象，也可如圖1b一樣，進(jìn)一步構(gòu)建多機(jī)協(xié)同加工系統(tǒng)。
雖然以串聯(lián)機(jī)械臂為加工單元的移動(dòng)式加工機(jī)器人成為加工大型構(gòu)件的新選擇，在實(shí)際應(yīng)用中卻面臨著很多限制。串聯(lián)機(jī)械臂剛度差，不能承受重載、交變載荷，所以此類“移動(dòng)平臺+串聯(lián)機(jī)械臂+末端操作器”的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)往往多應(yīng)用于磨拋、噴涂、焊接、抓取等非接觸或小接觸力的工況。另一方面，機(jī)器人精度低(絕對精度僅為0.3mm，是機(jī)床的1/30)、本體剛度低(僅為1N/μm，是機(jī)床的1/50)且變化范圍大，在機(jī)器人兩臂之間夾角過大或者過小時(shí)，機(jī)構(gòu)性能急速下降，能實(shí)際應(yīng)用的工作空間有限[13-16]。
加工裝備的發(fā)展總是伴隨著機(jī)構(gòu)原理構(gòu)型的不斷創(chuàng)新，繼龍門機(jī)床、串聯(lián)移動(dòng)加工機(jī)器人之后，以并/混聯(lián)機(jī)器人[17-20]為加工核心的移動(dòng)式加工機(jī)器人成為了復(fù)雜構(gòu)件制造裝備的一個(gè)發(fā)展趨勢。并/混聯(lián)機(jī)器人被譽(yù)為近20年來最具創(chuàng)新性的工程設(shè)計(jì)，與串聯(lián)機(jī)器人相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、剛度高、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)[21-24]。結(jié)構(gòu)緊湊和重量輕帶來的便攜特性意味著其便于現(xiàn)場運(yùn)輸和具有可重組、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、低移動(dòng)質(zhì)量的特點(diǎn)，有助于提高定位精度和加工效率。并聯(lián)機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動(dòng)、精度高、重量輕，容易實(shí)現(xiàn)模塊化，并且剛度大，能承受大負(fù)載，可以作為移動(dòng)式加工裝備切削執(zhí)行單元[25-27]。并聯(lián)機(jī)器人在加工裝備中的應(yīng)用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)龍門機(jī)床在響應(yīng)速度、加速度和剛度質(zhì)量比方面的劣勢，與串聯(lián)加工機(jī)器人相比，在剛度、加工效率方面具有明顯優(yōu)勢。
相關(guān)期刊推薦：《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》是由中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主管、中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)主辦的學(xué)術(shù)性期刊。刊登：進(jìn)登機(jī)械工程方面的基礎(chǔ)理論、科研設(shè)計(jì)和制造工藝等方面的學(xué)術(shù)論文，報(bào)道自然科學(xué)基金項(xiàng)目論文和國外學(xué)者的論文反映本學(xué)科的最新發(fā)展和最新科研成果。
自20世紀(jì)90年代中期首臺并聯(lián)機(jī)器人問世以來，瑞典、美國、德國、中國等國家的幾十家企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)在并/混聯(lián)加工機(jī)器人化裝備及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面做了大量研發(fā)工作，有些產(chǎn)品已在工業(yè)界得到了成功應(yīng)用，其中包括在業(yè)界比較有影響力的西班牙PkmtriceptSL公司生產(chǎn)的Tricept系列加工裝備(開發(fā)Tricept的原瑞典NeosRoboticsAB公司的一部分被西班牙PkmtriceptSL收購)，圖2所示即是基于Tricept五自由度混聯(lián)裝備[28]的移動(dòng)式加工中心。Tricept的并聯(lián)模塊可以實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動(dòng)，具有質(zhì)量小(580kg)、精度高(0.02mm)的特點(diǎn)，同時(shí)，激光定位裝置實(shí)現(xiàn)了在加工過程中的定位檢測，滿足了高速、高剛度和高精度等加工要求，使得裝備整機(jī)的綜合性能更優(yōu)。
Tricept的并聯(lián)模塊提供三個(gè)自由度的空間定位運(yùn)動(dòng)，需要在末端附加兩自由度串聯(lián)擺頭實(shí)現(xiàn)A/C擺動(dòng)。然而，A/C關(guān)節(jié)擺頭有其局限性：首先，A/C關(guān)節(jié)擺頭在刀具轉(zhuǎn)動(dòng)過象限時(shí)，已加工表面有時(shí)會(huì)被高速旋轉(zhuǎn)的刀具刮傷;同時(shí)，串聯(lián)A/C擺角頭是通過合成運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)二自由度轉(zhuǎn)動(dòng)，響應(yīng)速度慢，不利于加工速度的進(jìn)一步提高。
為了克服這種傳統(tǒng)的擺叉式主軸頭結(jié)構(gòu)的局限性，德國DS-Technologie公司按照飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工工藝的特點(diǎn)，獨(dú)創(chuàng)性地推出了Ecospeed混聯(lián)加工中心[29]，其中采用了如圖3所示的SprintZ3型主軸頭，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使安裝在運(yùn)動(dòng)平臺上的電主軸可向任何方向作40°偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了A/B軸主軸頭的耦合運(yùn)動(dòng)功能，且其偏轉(zhuǎn)定位速度可達(dá)到80°/s，加速度可達(dá)685°/s2。區(qū)別于串聯(lián)A/C擺頭用運(yùn)動(dòng)合成的方式實(shí)現(xiàn)二自由度轉(zhuǎn)動(dòng)，Z3擺角頭的轉(zhuǎn)動(dòng)是由姿態(tài)耦合運(yùn)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)的。除了避免刮傷外，耦合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整的擺角頭效率更高。中航工業(yè)成飛公司的生產(chǎn)實(shí)踐表明，一個(gè)典型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，采用傳統(tǒng)五軸聯(lián)動(dòng)加工中心需要9h，采用基于Z3的混聯(lián)加工中心只需2h，且無需二次打磨。然而，并聯(lián)Z3擺角頭同樣是三自由度機(jī)構(gòu)，不能實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)，其余自由度是以串聯(lián)導(dǎo)軌的形式補(bǔ)充的，這使得以并聯(lián)Z3擺角頭為核心的Ecospeed混聯(lián)加工中心重量大，難以實(shí)現(xiàn)輕量化移動(dòng)式加工的功能。
圖4所示的設(shè)備是由德國Metrom公司開發(fā)的具有全并聯(lián)結(jié)構(gòu)且能實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)加工的機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式加工和姿態(tài)耦合運(yùn)動(dòng)，兼具輕量化的特點(diǎn)[30]，為移動(dòng)式加工機(jī)器人的末端單元設(shè)計(jì)提供了新思路。國內(nèi)在此類裝備的研發(fā)上仍處于空白狀態(tài)。另外，針對大型復(fù)雜構(gòu)件的移動(dòng)式加工應(yīng)用，Metrom公司的產(chǎn)品在構(gòu)型設(shè)計(jì)、系統(tǒng)構(gòu)建上仍存在不足。
綜合考慮，融合移動(dòng)式加工概念、并聯(lián)機(jī)構(gòu)耦合調(diào)姿高效定向特點(diǎn)、五自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)輕量化理念，基于實(shí)現(xiàn)姿態(tài)耦合運(yùn)動(dòng)的空間五自由度全并聯(lián)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)式加工機(jī)器人將是實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜構(gòu)件高效高質(zhì)量加工的理想選擇。
1.2多機(jī)器人原位協(xié)同加工制造模式
相比于單機(jī)器人制造單元，多機(jī)器人系統(tǒng)配置靈活[31]，可根據(jù)加工對象進(jìn)行重構(gòu)，而且多機(jī)器人系統(tǒng)在時(shí)間和空間分布上更具優(yōu)越性，檢測傳感信息可有效互補(bǔ)、自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)多種加工需求、基于先進(jìn)的協(xié)作架構(gòu)和協(xié)同策略完成復(fù)雜加工任務(wù)[32]。例如，KUKA為波音公司研制了一套飛機(jī)蒙皮多機(jī)器人裝配系統(tǒng)[33](圖5);卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、CTC公司和美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)的多機(jī)器人軍機(jī)表面涂層激光剝離系統(tǒng)[34](圖6);南京航空航天大學(xué)為航空工業(yè)洪都研制的雙機(jī)器人協(xié)同鉆鉚系統(tǒng)[35];以及如圖1b所示的由華中科技大學(xué)研制的多機(jī)器人磨拋系統(tǒng)。這種工件保持位置不動(dòng)，多機(jī)器人移動(dòng)協(xié)同的作業(yè)方式，增加了柔性，提高了效率。以上生產(chǎn)實(shí)踐證明，多機(jī)器人原位協(xié)同加工是解決大型結(jié)構(gòu)件高效、高質(zhì)量制造的有效途徑。
綜上所述，大型復(fù)雜構(gòu)件制造模式正在由超大設(shè)備在位“包容式”加工向“小機(jī)床加工大工件”的移動(dòng)式小型單元原位制造模式轉(zhuǎn)變，由單機(jī)器人制造向“螞蟻噬骨”式多機(jī)器人原位協(xié)同加工轉(zhuǎn)變。
2大型復(fù)雜構(gòu)件制造新模式及新裝備構(gòu)思
隨著我國航空航天、能源、船舶等領(lǐng)域的事業(yè)不斷深入和突破，在從“大”到“強(qiáng)”逐漸轉(zhuǎn)變的過程中，對裝備核心部件(一般為大型復(fù)雜構(gòu)件)的加工需求愈加旺盛和嚴(yán)苛。以航天事業(yè)為例，從神舟飛船到空間實(shí)驗(yàn)室、貨運(yùn)飛船，從空間站到載人探月與深空探測，任務(wù)難度不斷提升，為適應(yīng)極端空間環(huán)境和實(shí)現(xiàn)可靠性服役，航天器的尺寸不斷增大、性能要求持續(xù)提升，從而對作為核心部件的大型復(fù)雜構(gòu)件的加工要求也在不斷提高。大型復(fù)雜構(gòu)件的尺寸更大、結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，待加工面數(shù)量大、種類多，如：位置精度要求高的安裝面、位置精度要求較低一些的安裝面、粗糙度要求高的安裝面、懸臂梁結(jié)構(gòu)的弱剛性安裝面、位于構(gòu)件頂部的安裝面等。大型復(fù)雜構(gòu)件尺寸已大大超出了現(xiàn)有機(jī)床的工作行程，其高效高精制造是亟待解決的難題，目前采用的“分體離線加工-在線檢測”模式，存在工藝不穩(wěn)定、過程復(fù)雜、柔性差、周期長等問題，難以實(shí)現(xiàn)高效制造，并且工藝不穩(wěn)定也會(huì)制約制造精度的進(jìn)一步提升，嚴(yán)重影響生產(chǎn)任務(wù)的進(jìn)度和質(zhì)量。串聯(lián)移動(dòng)式加工機(jī)器人雖然可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式柔性加工，并通過構(gòu)建多機(jī)器人協(xié)同加工系統(tǒng)進(jìn)一步提高作業(yè)效率，但是串聯(lián)機(jī)械臂剛度差、精度低，僅使用串聯(lián)移動(dòng)式加工機(jī)器人無法滿足大型復(fù)雜構(gòu)件上高精安裝面的加工需求。
針對大型復(fù)雜構(gòu)件尺寸大、剛性弱、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，融合移動(dòng)式加工概念、并聯(lián)機(jī)構(gòu)耦合調(diào)姿高效定向特點(diǎn)、五自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)輕量化理念和多機(jī)器人協(xié)同加工作業(yè)方式，提出一種變革性制造模式——基于移動(dòng)式和吸附式機(jī)器人的多機(jī)協(xié)同原位加工模式(圖7)，使用多機(jī)器人系統(tǒng)完成自主準(zhǔn)確尋位、精確定位與加工作業(yè)、加工質(zhì)量原位檢測，實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜構(gòu)件的多安裝面并行銑削、制孔與打磨等加工。
多機(jī)器人系統(tǒng)包括移動(dòng)式混聯(lián)機(jī)器人、移動(dòng)式串聯(lián)銑削機(jī)器人、移動(dòng)式雙臂加工機(jī)器人、移動(dòng)式打磨機(jī)器人和吸附式并聯(lián)機(jī)器人。
裝備的精度會(huì)直接影響其作業(yè)性能，大型復(fù)雜構(gòu)件的高精安裝面對形位公差和表面精度要求嚴(yán)格，串聯(lián)機(jī)械臂的精度和剛度難以勝任這類安裝面的加工任務(wù)。針對此類高精安裝面的加工需求，提出了基于“全向移動(dòng)平臺+高剛度機(jī)械臂+輕量化五軸加工功能部件”的移動(dòng)式混聯(lián)機(jī)器人(圖8)。全向移動(dòng)平臺實(shí)現(xiàn)大范圍自主尋位，高剛度機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，輕量化五軸加工功能部件實(shí)現(xiàn)高精加工。
全向移動(dòng)平臺由四個(gè)麥克納姆輪驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)靈活的全向運(yùn)動(dòng)。在全向移動(dòng)平臺的底部有三個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定支撐裝置，在車體運(yùn)動(dòng)時(shí)穩(wěn)定支撐裝置收縮，在車體到達(dá)加工作業(yè)位置時(shí)，穩(wěn)定支撐裝置落下，如圖9所示，實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)定位支撐，保證加工過程中車體的穩(wěn)定性。在全向移動(dòng)平臺上配備有定位系統(tǒng)(如iGPS)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式混聯(lián)機(jī)器人在大場景下的定位和自主導(dǎo)航。
高剛度機(jī)械臂為二自由度機(jī)構(gòu)，如圖10所示，通過平行四邊形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，保證在運(yùn)動(dòng)過程中末端實(shí)現(xiàn)姿態(tài)不變的二自由度平動(dòng)。全向移動(dòng)平臺到達(dá)工作位置并穩(wěn)定支撐后，高剛度機(jī)械臂將五軸加工功能部件定位到大型復(fù)雜構(gòu)件的待加工面附近，并保證待加工面處于五軸加工功能部件的工作空間內(nèi)。在五軸加工功能部件開展加工作業(yè)時(shí)，高剛度機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)鎖定，與落下穩(wěn)定支撐裝置的全向移動(dòng)平臺一起構(gòu)成輕量化五軸加工功能部件的基座。——論文作者：謝福貴1,2,3梅斌1,2,3劉辛軍1,2,3張加波4樂毅4