【技術領域】

智能制造、能源環(huán)保

【痛點問題】

作為風力發(fā)電機組的關鍵核心部件之一，風電葉片在能源行業(yè)有著廣泛應用，其制造水平也是國家制造業(yè)水平的體現(xiàn)。風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，所以迄今為止其表面打磨加工尚未實現(xiàn)自動化。

目前，我國風電葉片生產(chǎn)骨干企業(yè)對葉片表面打磨的工序主要以手工方式為主。這種操作過程復雜，具有人工定位隨機性大、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，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)、人工勞動強度大）、工作環(huán)境惡劣（粉塵危害嚴重，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）、成本費用高（人工成本、勞保用品、員工體檢等）等問題，這直接對風電葉片高效智能自動化加工方式提出了迫切需求。

為保證打磨質量符合行業(yè)標準，型面過渡平滑、無氧化燒傷，需要研究“大型復雜曲面機器人高效磨拋加工的主動順應與協(xié)同控制”這一關鍵科學問題，該問題的解決需要依賴于如下關鍵技術的突破：末端執(zhí)行器，尤其是磨拋法蘭的設計和力位自律跟蹤。

【成果介紹】

本成果提出了一種新型的移動式磨拋加工機器人方案，實現(xiàn)了具有高轉動輸出特性的并聯(lián)機構構型創(chuàng)新設計與尺寸參數(shù)優(yōu)化，建立了機器人整機高剛度高能效設計方法，開發(fā)了高能量密度關鍵驅動單元，搭建了開放式機器人控制系統(tǒng)并研制了移動式混聯(lián)磨拋機器人系統(tǒng)樣機，攻克了機器人精度保證難題并實現(xiàn)了末端執(zhí)行器的準確定位。

項目研究了曲面自適應的主被動耦合柔性磨拋法蘭，建立材料去除模型以研究進給速度與接觸力同步耦合規(guī)劃方法、開發(fā)了面向大型風電葉片磨拋加工余量檢測的原位視覺測量系統(tǒng)，進行了面向大型風電葉片磨拋的原位視覺測量-余量補償-力控加工的自適應打磨與驗證，為大型風電葉片力控磨拋工藝系統(tǒng)設計提供了理論基礎和實現(xiàn)手段。

并且項目研制基于玻璃鋼葉片高光反射表面三維激光掃描測頭，構建了面向超大葉片的多移動機器人協(xié)作型激光三維測量系統(tǒng)，并完成了大型風電葉片測量軟件的開發(fā)，實現(xiàn)風電葉片高精度定位以及健壯、高效高精的多機器人協(xié)作測量與葉型分析。

【技術優(yōu)勢】

本研發(fā)成果對于實現(xiàn)大型復雜曲面的順應性力控磨拋具有重要的應用價值。所研發(fā)的柔性磨拋法蘭具有柔性好、曲面順應性強、力控精準等優(yōu)勢，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)機器人上進行推廣，而無需對機器人底層進行開發(fā)和編程，因此，可以在大型復雜曲面零件的磨拋加工中得到大量應用。較之傳統(tǒng)人工加工方式，機器人柔性法蘭磨拋方式最大限度地減少了粉塵對操作工人身體傷害,有效減少職業(yè)病的發(fā)病人數(shù)，具有明顯的社會效益。

【技術成熟度】

本項目成果研究目前處于可量產(chǎn)階段。

【應用場景】

打磨，是機械制造業(yè)、加工業(yè)、模具業(yè)等眾多行業(yè)中的重要工序之一。而機器人在這一制造工序中，有著極為廣闊的應用，無論是打磨、拋光，還是去毛刺，現(xiàn)在都可以看到機器人繁忙的身影。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度的工作特性，人工作業(yè)顯然已不適合企業(yè)的長遠發(fā)展。打磨機器人能夠保持產(chǎn)品的一致性、提高產(chǎn)品的質量和生產(chǎn)效率，隨著對環(huán)境保護和安全的日益重視，以及進一步提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率的要求，打磨機器人也受到前所未有的關注。

【市場前景】

目前機器人打磨技術在汽車零部件、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)有較為成熟的應用。但相對焊接、噴涂、搬運碼垛等機器人應用來說，打磨應用規(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)品質量提高的要求，這一細分領域也蘊涵著巨大的發(fā)展?jié)摿?。近幾年，我國打磨機器人行業(yè)市場規(guī)?？焖僭鲩L，從2012年的15.58億元增長到了2022年的96.1億元，年均復合增長率達到18%，未來隨著勞動力結構的改變及智能制造的發(fā)展仍有開拓增長空間。

【知識產(chǎn)權】

本成果已申請并授權多項中國發(fā)明專利，美國專利一篇，并取得了多項軟件著作權。