隨著國(guó)家對(duì)于工業(yè)化4.0目標(biāo)的建立與推進(jìn)，工業(yè)機(jī)器人在先進(jìn)制造技術(shù)中越來(lái)越扮演著重要的角色，也有越來(lái)越多的企業(yè)加入到這個(gè)潮流的推進(jìn)中，從串聯(lián)機(jī)器人、SCARA機(jī)器人、到DELTA、協(xié)作機(jī)器人、混聯(lián)機(jī)器人的陸續(xù)誕生，整個(gè)行業(yè)進(jìn)入百花齊放的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

　　天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械系教授劉海濤項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)20多年的研發(fā)，首創(chuàng)了一種由2自由度平面機(jī)構(gòu)、集成鉸鏈和6自由度支鏈構(gòu)成的混聯(lián)加工機(jī)器人新機(jī)構(gòu)，打破了國(guó)外的專利壁壘，在航天航空、軌道交通、船舶制造等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。日前，“高性能混聯(lián)加工機(jī)器人”技術(shù)成果獲得天津市技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。該項(xiàng)目還先后獲國(guó)家發(fā)明專利33件、發(fā)表學(xué)術(shù)論文59篇。

　　目前，劉海濤項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)的以混聯(lián)加工機(jī)器人為核心的全向移動(dòng)銑削、光學(xué)元件超精密拋光、空間型線攪拌摩擦焊接、汽車模具拋磨等系列新型工藝裝備，率先實(shí)現(xiàn)了在航天航空、新能源、汽車制造等領(lǐng)域的工程應(yīng)用，解決了一批我國(guó)重大工程中的制造難題。

　　1、關(guān)節(jié)機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)

　　關(guān)節(jié)機(jī)器人——用于機(jī)械加工機(jī)床上下料的關(guān)節(jié)機(jī)器人采用的軸數(shù)一般為6軸，重復(fù)定位精度為±0.06mm，常用的負(fù)載重量在10-50kg。機(jī)床上下料機(jī)器人一般分為一對(duì)一、一對(duì)二(機(jī)床面對(duì)面擺放)、一對(duì)三(機(jī)床擺成品字形)，如果想要1臺(tái)關(guān)節(jié)機(jī)器人對(duì)多臺(tái)機(jī)床上下料，需要加上地面軌道，可實(shí)現(xiàn)1臺(tái)關(guān)節(jié)機(jī)器人對(duì)多臺(tái)機(jī)床自動(dòng)上下料。

　　關(guān)節(jié)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)：

　　關(guān)節(jié)機(jī)器人最大的優(yōu)點(diǎn)就是靈活性強(qiáng)，不受機(jī)床結(jié)構(gòu)的限制，能適用很多機(jī)床?？蓱?yīng)用的范圍廣泛，除了用在機(jī)床上下料，關(guān)節(jié)機(jī)器人還可應(yīng)用于打磨、拋光、焊接、裝配、搬運(yùn)碼垛等領(lǐng)域。

　　關(guān)節(jié)機(jī)器人的缺點(diǎn)：

　　相對(duì)于桁架機(jī)械手而言，關(guān)節(jié)機(jī)器人占用的場(chǎng)地空間較大，它的臂展(工作范圍)有限，一臺(tái)機(jī)器想要工作范圍加大的話必須加裝它的行走軸，所以關(guān)節(jié)機(jī)器人的價(jià)格較高。

　　2、高性能制造急需的核心裝備

　　如今，在汽車、電子、物流等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，我們經(jīng)常能看到多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，這些都是工業(yè)機(jī)器人。

　　“串聯(lián)機(jī)器人出現(xiàn)時(shí)間早，具有運(yùn)動(dòng)靈活、工作空間大等優(yōu)點(diǎn)。而并聯(lián)機(jī)器人與串聯(lián)機(jī)器人相比，具有承載能力強(qiáng)、剛度大、精度高、動(dòng)態(tài)特性優(yōu)等特點(diǎn)。”劉海濤用了個(gè)比喻來(lái)解釋，串聯(lián)機(jī)器人就像一個(gè)手臂，由各個(gè)關(guān)節(jié)串聯(lián)在一起。而并聯(lián)機(jī)器人是一個(gè)閉環(huán)結(jié)構(gòu)，就像把兩只手握在一起，由兩條手臂共同完成一件事。

　　串聯(lián)和并聯(lián)機(jī)器人雖然各有優(yōu)勢(shì)，但也都有其劣勢(shì)?！按?lián)機(jī)器人是‘孤掌難鳴’，一條手臂負(fù)載能力有限，其剛度和精度具有局限性。而并聯(lián)機(jī)器人由于是兩只手握在一起，運(yùn)動(dòng)靈活性下降，工作范圍變小?！眲⒑榻B，混聯(lián)機(jī)器人在一定的操作空間內(nèi)擁有靈活多角度的操作，又能保證高速高精度的特性。

　　混聯(lián)機(jī)器人目前已成為機(jī)器人加工技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。同時(shí)，由混聯(lián)機(jī)器人構(gòu)成的機(jī)器人化加工裝備(以下簡(jiǎn)稱混聯(lián)加工機(jī)器人)，也是我國(guó)航天航空等重點(diǎn)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高性能制造急需的核心裝備。

　　3、混聯(lián)加工機(jī)器人研發(fā)生產(chǎn)難度大

　　然而混聯(lián)加工機(jī)器人并不是串聯(lián)和并聯(lián)機(jī)器人的1+1=2，其研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化難度非常大。

　　首先，最大的難點(diǎn)就是混聯(lián)加工機(jī)器人的構(gòu)型，也就是骨架的設(shè)計(jì)，包括鉸鏈類型、數(shù)量及其空間布置形式等?！澳軐?shí)現(xiàn)同樣運(yùn)動(dòng)的構(gòu)型浩如煙海，就好比人和魚(yú)的骨架雖然不同，但都能在水里游?！眲⒑f(shuō)，這么多構(gòu)型最終只有極少數(shù)具有工程實(shí)用價(jià)值，結(jié)構(gòu)是否簡(jiǎn)單、受力是否合理、可否低成本制造以及是否便于靈活布局等都是技術(shù)難點(diǎn)。

　　此外，作為一個(gè)閉環(huán)結(jié)構(gòu)，由于混聯(lián)加工機(jī)器人是多軸聯(lián)動(dòng)的，因此如何實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)也是一個(gè)難點(diǎn)。

　　“構(gòu)型雖然有理論方法，但是設(shè)計(jì)出來(lái)的骨架大多數(shù)都不適用，沒(méi)有規(guī)律可循，設(shè)計(jì)需要一定的靈感?！眲⒑f(shuō)，“靈感其實(shí)也是來(lái)源于工程的實(shí)踐中。”

　　項(xiàng)目組通過(guò)四代工程樣機(jī)的迭代開(kāi)發(fā)，最終首創(chuàng)了一種由2自由度平面機(jī)構(gòu)、集成鉸鏈和6自由度支鏈構(gòu)成的混聯(lián)加工機(jī)器人新機(jī)構(gòu)。同時(shí)，通過(guò)將機(jī)器人學(xué)、機(jī)床動(dòng)力學(xué)、數(shù)字樣機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，提出了主參數(shù)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)和層次化設(shè)計(jì)策略，發(fā)明了尺度—結(jié)構(gòu)—驅(qū)動(dòng)器集成設(shè)計(jì)新方法，突破了混聯(lián)加工機(jī)器人動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)核心技術(shù)，保證了機(jī)器人兼具優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)靈活性、靜剛度和動(dòng)態(tài)特性。

　　其次，產(chǎn)品不可能都處于理想狀態(tài)，在零部件的加工和裝配過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生誤差影響到精度。因此控制和補(bǔ)償技術(shù)也十分重要，項(xiàng)目組可以通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)調(diào)控裝備的精度，從而保證機(jī)器人末端的高精度運(yùn)作。

　　為了提高機(jī)器人的靜動(dòng)態(tài)精度，項(xiàng)目組將機(jī)器人學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、大數(shù)據(jù)分析有機(jī)結(jié)合，突破了高速高精度五軸聯(lián)動(dòng)控制、位姿誤差綜合補(bǔ)償、平滑與運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)軌跡規(guī)劃、高效精準(zhǔn)視覺(jué)定位等一系列核心關(guān)鍵技術(shù)。

　　最后，從應(yīng)用的角度來(lái)看，混聯(lián)加工機(jī)器人會(huì)有很多應(yīng)用場(chǎng)景。不同的工藝有不同的生產(chǎn)需求，這都需要混聯(lián)加工機(jī)器人和裝備相適應(yīng)。劉海濤舉例說(shuō)，比如銑削加工就有很多工藝參數(shù)，包括使用什么樣的刀具，用多快的進(jìn)給速度進(jìn)行加工，刀具的轉(zhuǎn)速是多少等，而打磨、焊接、拋光等不同的應(yīng)用也都有各自的工藝要求。

　　“只有把理論和最后應(yīng)用需要形成一套完整的體系才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化?！眲⒑f(shuō)。

　　項(xiàng)目組不僅解決了混聯(lián)加工機(jī)器人機(jī)構(gòu)創(chuàng)新、設(shè)計(jì)理論、精度調(diào)控中的難題，還突破了加工工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，打通了從自主設(shè)計(jì)到工程應(yīng)用的全鏈條。混聯(lián)加工機(jī)器人可搭建各類適用于銑削、制孔、焊接、拋磨、裝配等作業(yè)的單機(jī)和多機(jī)制造系統(tǒng)。

　　經(jīng)第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測(cè)，項(xiàng)目組研發(fā)生產(chǎn)的混聯(lián)加工機(jī)器人性能指標(biāo)與國(guó)外同類產(chǎn)品技術(shù)水平相當(dāng)，實(shí)現(xiàn)了從追趕到并跑的技術(shù)跨越。

　　結(jié)語(yǔ)：

　　據(jù)介紹，目前，世界范圍內(nèi)僅有少數(shù)國(guó)家企業(yè)能夠生產(chǎn)混聯(lián)加工機(jī)器人商業(yè)化產(chǎn)品，通過(guò)專利壁壘長(zhǎng)期獨(dú)霸國(guó)際市場(chǎng)。劉海濤團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目首創(chuàng)了一種由2自由度平面機(jī)構(gòu)、集成鉸鏈和6自由度支鏈構(gòu)成的混聯(lián)加工機(jī)器人新機(jī)構(gòu)，打破了國(guó)外的專利壁壘，可搭建各類適用于銑削、制孔、焊接、拋磨、裝配等作業(yè)的單機(jī)和多機(jī)制造系統(tǒng)，在航天航空、軌道交通、船舶制造等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　“面向我國(guó)高端制造領(lǐng)域?qū)C(jī)器人化加工裝備的重大需求，課題組將持續(xù)深入地開(kāi)展機(jī)器人-測(cè)控-工藝系統(tǒng)集成技術(shù)研究，努力拓展所研發(fā)的混聯(lián)加工機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，為提升我國(guó)高性能加工機(jī)器人的技術(shù)水平、推進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展提供技術(shù)支撐。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人劉海濤說(shuō)。