我国机器人加工研究现状分析

裘钧

（台州学院智能制造学院，浙江 台州 318000）

0 引言

在制造业的发展长河中，工业机器人是不可避免也是必将重点发展的重要技术。我国的工业机器人技术在机械加工、复合材料缠绕、焊接、物料运输、汽车与飞机装配、码垛搬运及喷涂等场景的应用已日趋成熟[1-3]。但是与国外相比，其较弱的核心竞争力仍然是不可回避的问题，这对我们来说既是挑战也是机遇[4-6]。

近年来，随着高端制造业的快速发展，大型构件的加工需求越来越广泛，并且大型构件的结构也趋向于复杂化[7]，零件的加工精度要求也越来越高，被称为“工业母机”的数控机床在航空航天、消费电子、汽车及精密模具等行业发挥着重要的作用。但是，在新时代全球化、个性化、多样化挑战下，传统数控机床还有很多技术瓶颈尚未突破。这些瓶颈主要包括以下几个方面：结构庞大、无法搬运、不够灵活，特别是在航空航天、船舶制造、风电设备制造和汽车零部件制造等领域，机床时常与零件复杂的结构细节产生干涉；加工成本高及加工局限性，对于一些小批量柔性生产的复杂工件，专用数控机床不仅通用性差，还增加了零件生产的成本；生产周期长，对于新型复杂零件有时需要设计专门的机床和刀具，大大增加了零件生产的时间成本；对操作人员要求高等。

与机床不同，机器人具有自由度多、灵活性高、工作空间大、成本较低等优势，因此工业机器人已广泛应用在航空航天、汽车制造等领域，一些大型构件的钻或铣等大材料去除率金属加工场景中也开始采用基于机器人的加工系统代替传统数控机床。不仅如此，机器人技术还是《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》和《中国制造2025》规划的重点内容之一，目标为在机器人核心技术领域取得创新成果和突破，服务于我国制造业转型升级和经济建设，提升我国装备制造业的国际竞争力。数字化信息化发展给制造业带来了变革性的影响，新产品不断涌现及产品迭代加速，市场需求趋势正从长周期、大批量、自动化生产向短周期、小批量、定制化生产倾斜。工业机器人这种兼顾灵活性和效率的生产设备，在制造业中愈发受到重视，并在铣削、镗孔、钻削、磨削与抛光传统工艺上得到广泛的应用。

图1 常见机器人加工工艺[8-11]

然而，工业机器人虽然有诸多优点，但由于其特殊的开链式多杆串联结构，其系统存在一些固有的缺点，例如刚度较弱、重复定位精度差及加工精度差等加工问题[10]。此类问题一直困扰着生产部门的工程师，机器人加工与传统数控机床的优缺点如图2所示。针对以上问题，高校和企业从以下几个方面展开了研究，其可以分为机器人系统刚度建模、运动轨迹、精度预测与误差补偿、加工颤振和在线监测系统5个方面。

图2 工业机器人与数控机床的优缺点对比

鉴于此，本文对上述的问题展开梳理与总结，以期对我国的相关研究者提供理论借鉴和战略思考。

1 机器人铣削

机器人铣削系统中，工业机器人结合末端执行器并作用于工件是最常见的系统。对于工业机器人而言，机器人系统结构刚度较低，在实际加工过程中较易产生颤振，从而对刀具或者加工表面造成伤害，影响加工精度或者加工效率。研究发现，振动是影响加工精度和表面质量的主要因素之一[12]。因此降低加工振动是机器人铣削迫切需要解决的问题。针对这一问题，代煜等[13]建立铣削过程中系统的振动模型，并根据该模型的微分方程描述了系统的受迫振动。除此之外，机器人的位姿关系也是影响系统刚度的重要环节。陈钦韬等[10]以铣削力椭圆平面的各向同性度为优化指标，使用虚功原理建立机器人刚度映射模型，并采用遗传算法对机器人优化位姿进行求解，对比分析了位姿优化前后的整体刚度，为未来机器人加工的位姿选取提供理论支持。对于末端执行器，通常是依靠法兰盘连接工业机器人。铣削末端执行器需要实现前后进给、水平移动和高速旋转功能。其中，前后和水平移动模块应当被全闭环控制[14]。

对于工件材料，除了难加工的金属材料（如钛合金、航空铝合金）、石雕、复合材料（如碳纤维增强复合材料），以及生物材料（如骨骼，如图3所示）。以金属材料为例，郑侃等[15]针对机器人金属铣削因刚度弱而发生颤振现象，提出了一种超声纵扭复合振动铣削，铣削稳定域较之于一维单向振动提升了46.7%，切削力平均降低了24.7%。以复合材料为例，秦旭达等[16]发现在混联机器人铣削单向碳纤维复合材料后会形成两种类型的毛刺，如图4所示。第一种为Ⅰ型毛刺，其由纤维在切削平面的弯曲变形引起；另一种为Ⅱ型毛刺，其由纤维在切削平面和垂直于切削平面的弯曲变形引起。以骨骼为例，王景港等[17]提出了基于振动触觉的骨曲面铣削控制方法，未引入和引入夹角控制方法时的骨曲面铣削深度的均值和标准差分别为（0.455±0.046）mm和（0.499±0.028）mm，显著地提高机器人骨曲面铣削的加工精度。

图3 骨加工曲面铣削示意图[17]

图4 两种典型毛刺类型示意图[16]

2 机器人钻削

钻孔同样是机器人加工领域的重要应用之一，早在21世纪之初，德国宝捷（BROETJE-Auomation）、美国GEMCOR、E（ElecroimPact）、意大利柯玛（COMAU）等知名公司就展开了大量的工业研发与工程应用，并已经广泛地应用于航空飞行器等重要零部件（如飞机的垂尾壁板、梁腹板、机翼壁板、机舱壁板）的制孔工艺上。机器人制孔系统（以筒类零件为例）同样由图5所示的模块构成，其中末端执行器是关键一环，其设计模块需要考虑框架、压紧、制孔和法向检测这几个部分[18]。在国内，孙海龙等[19]针对飞机小曲率翼面的部件，设计了专用机器人制孔系统，并应用于航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司的实际生产，如图6所示。

图5 机器人制孔系统组成[18]

图6 机器人制孔系统总体设计图

针对钻孔材料，目前的研究主要集中在金属及复合材料，同时在一些特殊领域如岩土[20]、骨股[21]等材料也有应用。其中针对金属材料的机器人制孔是应用较为成熟的[22]。而对于其他各向异性材料，邢浩等[23]在五自由度机器人平台上搭建了自动钻铣系统，并搭建了无线监控系统，重点关注了机器人加工中，碳纤维增强复合材料的毛刺、纤维撕裂、烧伤和分层缺陷等问题。余淑荣等[24]对骨制孔机器人的研究现状进行了归纳总结，并提出对机器人末端中的钻头状态进行准确监控是手术制孔机器人的重要环节。

3 机器人打磨与抛光

机器人打磨技术在风机叶片、焊缝缺陷修整、汽车、毛刺去除等大型结构件加工制造方面已有广泛应用。其中大型铸件最为常见，因为空间受限，传统数控机床难以应用于大型铸件的打磨，因而经常采用人工打磨的方式。人工打磨无疑会大大降低生产效率，与此同时，打磨质量也无法统一控制。因此，大型铸件的自动打磨技术显得尤为重要。姬鹏飞等[25]结合了图像处理技术，对机器人打磨系统的传动结构和视觉系统进行设计，如图7所示。打磨后工件表面粗糙度值小于Ra 6.3 μm。

图7 大型铸件自动化打磨系统整体布局方案[25]

相比打磨，机器人抛光主要应用于更为精密的光学器件、自由曲面、手机外壳等零部件，其主要研究也集中于抛光力控制、抛光去除量、抛光路径规划与离线编程、刚度改进与优化精度补偿这几个方面[26]。其中，抛光去除量模型是学者关注的重点，余熠等[27]在机器人抛光的材料去除率模型上，采用深度学习算法，提出了精度提高策略，且预测模型精度可靠，如图8所示。

4 结语

本文对机器人铣削、钻孔、磨削抛光3个常见的机器人加工工艺展开归纳和总结，并分析了应用场景、加工材料及加工常见问题。

1）机器人加工常应用于大型零件和复杂曲面，以弥补传统机床空间受限及人工效率低的缺点。2）加工材料除了常见金属外，复合材料、生物材料、岩土等材料均有应用。3）从目前的研究来看，机器人加工的优势可以加速我国智能化制造与多样化生产的进程。同时，机器人加工存在的问题也不容忽视。其中，刚性差、精度低等加工问题也是目前发展的瓶颈。针对刚性弱的问题，除了对机器人系统位姿优化、加工参数优化、在末端考虑减振系统等思路外，一些先进的制造技术（如超声振动辅助加工）有望为机器人加工的发展提供新的解决方案。