我國機器人加工研究現狀分析

裘鈞

（臺州學院智能制造學院，浙江 臺州 318000）

0 引言

在制造業的發展長河中，工業機器人是不可避免也是必將重點發展的重要技術。我國的工業機器人技術在機械加工、復合材料纏繞、焊接、物料運輸、汽車與飛機裝配、碼垛搬運及噴涂等場景的應用已日趨成熟[1-3]。但是與國外相比，其較弱的核心競爭力仍然是不可回避的問題，這對我們來說既是挑戰也是機遇[4-6]。

近年來，隨著高端制造業的快速發展，大型構件的加工需求越來越廣泛，并且大型構件的結構也趨向于復雜化[7]，零件的加工精度要求也越來越高，被稱為“工業母機”的數控機床在航空航天、消費電子、汽車及精密模具等行業發揮著重要的作用。但是，在新時代全球化、個性化、多樣化挑戰下，傳統數控機床還有很多技術瓶頸尚未突破。這些瓶頸主要包括以下幾個方面：結構龐大、無法搬運、不夠靈活，特別是在航空航天、船舶制造、風電設備制造和汽車零部件制造等領域，機床時常與零件復雜的結構細節產生干涉；加工成本高及加工局限性，對于一些小批量柔性生產的復雜工件，專用數控機床不僅通用性差，還增加了零件生產的成本；生產周期長，對于新型復雜零件有時需要設計專門的機床和刀具，大大增加了零件生產的時間成本；對操作人員要求高等。

與機床不同，機器人具有自由度多、靈活性高、工作空間大、成本較低等優勢，因此工業機器人已廣泛應用在航空航天、汽車制造等領域，一些大型構件的鉆或銑等大材料去除率金屬加工場景中也開始采用基于機器人的加工系統代替傳統數控機床。不僅如此，機器人技術還是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》和《中國制造2025》規劃的重點內容之一，目標為在機器人核心技術領域取得創新成果和突破，服務于我國制造業轉型升級和經濟建設，提升我國裝備制造業的國際競爭力。數字化信息化發展給制造業帶來了變革性的影響，新產品不斷涌現及產品迭代加速，市場需求趨勢正從長周期、大批量、自動化生產向短周期、小批量、定制化生產傾斜。工業機器人這種兼顧靈活性和效率的生產設備，在制造業中愈發受到重視，并在銑削、鏜孔、鉆削、磨削與拋光傳統工藝上得到廣泛的應用。

圖1 常見機器人加工工藝[8-11]

然而，工業機器人雖然有諸多優點，但由于其特殊的開鏈式多桿串聯結構，其系統存在一些固有的缺點，例如剛度較弱、重復定位精度差及加工精度差等加工問題[10]。此類問題一直困擾著生產部門的工程師，機器人加工與傳統數控機床的優缺點如圖2所示。針對以上問題，高校和企業從以下幾個方面展開了研究，其可以分為機器人系統剛度建模、運動軌跡、精度預測與誤差補償、加工顫振和在線監測系統5個方面。

圖2 工業機器人與數控機床的優缺點對比

鑒于此，本文對上述的問題展開梳理與總結，以期對我國的相關研究者提供理論借鑒和戰略思考。

1 機器人銑削

機器人銑削系統中，工業機器人結合末端執行器并作用于工件是最常見的系統。對于工業機器人而言，機器人系統結構剛度較低，在實際加工過程中較易產生顫振，從而對刀具或者加工表面造成傷害，影響加工精度或者加工效率。研究發現，振動是影響加工精度和表面質量的主要因素之一[12]。因此降低加工振動是機器人銑削迫切需要解決的問題。針對這一問題，代煜等[13]建立銑削過程中系統的振動模型，并根據該模型的微分方程描述了系統的受迫振動。除此之外，機器人的位姿關系也是影響系統剛度的重要環節。陳欽韜等[10]以銑削力橢圓平面的各向同性度為優化指標，使用虛功原理建立機器人剛度映射模型，并采用遺傳算法對機器人優化位姿進行求解，對比分析了位姿優化前后的整體剛度，為未來機器人加工的位姿選取提供理論支持。對于末端執行器，通常是依靠法蘭盤連接工業機器人。銑削末端執行器需要實現前后進給、水平移動和高速旋轉功能。其中，前后和水平移動模塊應當被全閉環控制[14]。

對于工件材料，除了難加工的金屬材料（如鈦合金、航空鋁合金）、石雕、復合材料（如碳纖維增強復合材料），以及生物材料（如骨骼，如圖3所示）。以金屬材料為例，鄭侃等[15]針對機器人金屬銑削因剛度弱而發生顫振現象，提出了一種超聲縱扭復合振動銑削，銑削穩定域較之于一維單向振動提升了46.7%，切削力平均降低了24.7%。以復合材料為例，秦旭達等[16]發現在混聯機器人銑削單向碳纖維復合材料后會形成兩種類型的毛刺，如圖4所示。第一種為Ⅰ型毛刺，其由纖維在切削平面的彎曲變形引起；另一種為Ⅱ型毛刺，其由纖維在切削平面和垂直于切削平面的彎曲變形引起。以骨骼為例，王景港等[17]提出了基于振動觸覺的骨曲面銑削控制方法，未引入和引入夾角控制方法時的骨曲面銑削深度的均值和標準差分別為（0.455±0.046）mm和（0.499±0.028）mm，顯著地提高機器人骨曲面銑削的加工精度。

圖3 骨加工曲面銑削示意圖[17]

圖4 兩種典型毛刺類型示意圖[16]

2 機器人鉆削

鉆孔同樣是機器人加工領域的重要應用之一，早在21世紀之初，德國寶捷（BROETJE-Auomation）、美國GEMCOR、E（ElecroimPact）、意大利柯瑪（COMAU）等知名公司就展開了大量的工業研發與工程應用，并已經廣泛地應用于航空飛行器等重要零部件（如飛機的垂尾壁板、梁腹板、機翼壁板、機艙壁板）的制孔工藝上。機器人制孔系統（以筒類零件為例）同樣由圖5所示的模塊構成，其中末端執行器是關鍵一環，其設計模塊需要考慮框架、壓緊、制孔和法向檢測這幾個部分[18]。在國內，孫海龍等[19]針對飛機小曲率翼面的部件，設計了專用機器人制孔系統，并應用于航空工業成都飛機工業（集團）有限責任公司的實際生產，如圖6所示。

圖5 機器人制孔系統組成[18]

圖6 機器人制孔系統總體設計圖

針對鉆孔材料，目前的研究主要集中在金屬及復合材料，同時在一些特殊領域如巖土[20]、骨股[21]等材料也有應用。其中針對金屬材料的機器人制孔是應用較為成熟的[22]。而對于其他各向異性材料，邢浩等[23]在五自由度機器人平臺上搭建了自動鉆銑系統，并搭建了無線監控系統，重點關注了機器人加工中，碳纖維增強復合材料的毛刺、纖維撕裂、燒傷和分層缺陷等問題。余淑榮等[24]對骨制孔機器人的研究現狀進行了歸納總結，并提出對機器人末端中的鉆頭狀態進行準確監控是手術制孔機器人的重要環節。

3 機器人打磨與拋光

機器人打磨技術在風機葉片、焊縫缺陷修整、汽車、毛刺去除等大型結構件加工制造方面已有廣泛應用。其中大型鑄件最為常見，因為空間受限，傳統數控機床難以應用于大型鑄件的打磨，因而經常采用人工打磨的方式。人工打磨無疑會大大降低生產效率，與此同時，打磨質量也無法統一控制。因此，大型鑄件的自動打磨技術顯得尤為重要。姬鵬飛等[25]結合了圖像處理技術，對機器人打磨系統的傳動結構和視覺系統進行設計，如圖7所示。打磨后工件表面粗糙度值小于Ra 6.3 μm。

圖7 大型鑄件自動化打磨系統整體布局方案[25]

相比打磨，機器人拋光主要應用于更為精密的光學器件、自由曲面、手機外殼等零部件，其主要研究也集中于拋光力控制、拋光去除量、拋光路徑規劃與離線編程、剛度改進與優化精度補償這幾個方面[26]。其中，拋光去除量模型是學者關注的重點，余熠等[27]在機器人拋光的材料去除率模型上，采用深度學習算法，提出了精度提高策略，且預測模型精度可靠，如圖8所示。

4 結語

本文對機器人銑削、鉆孔、磨削拋光3個常見的機器人加工工藝展開歸納和總結，并分析了應用場景、加工材料及加工常見問題。

1）機器人加工常應用于大型零件和復雜曲面，以彌補傳統機床空間受限及人工效率低的缺點。2）加工材料除了常見金屬外，復合材料、生物材料、巖土等材料均有應用。3）從目前的研究來看，機器人加工的優勢可以加速我國智能化制造與多樣化生產的進程。同時，機器人加工存在的問題也不容忽視。其中，剛性差、精度低等加工問題也是目前發展的瓶頸。針對剛性弱的問題，除了對機器人系統位姿優化、加工參數優化、在末端考慮減振系統等思路外，一些先進的制造技術（如超聲振動輔助加工）有望為機器人加工的發展提供新的解決方案。