一、研究背景和意義

2022年中國汽車保有量3.19億輛，同比增長5.63%，市場規(guī)模1118.59億元。我國是世界汽車輪轂生產(chǎn)大國，每年產(chǎn)將近7~8億。

輪轂是汽車的重要零部件，直接關(guān)系到汽車的整體性能及外觀。為減輕重量，提高制造精度，減小慣性阻力，減少油耗，改善外觀，大多采用合金材質(zhì)輪轂，如鋁、鎂合金和鋼等。

汽車輪轂最終的外觀質(zhì)量“七分靠磨拋，三分靠電鍍”，表面磨拋是汽車輪轂生產(chǎn)過程中的一項重要工藝。

輪轂的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，品種、型式多樣，連續(xù)接觸式輪轂拋光自動化難度大。目前仍主要依賴于人工拋光：

工作環(huán)境差，危險性高；

拋光精度低，質(zhì)量不穩(wěn)定；

勞動強(qiáng)度高，拋光效率低；

生產(chǎn)成本高。

機(jī)器人化輪轂拋光具有如下優(yōu)點(diǎn)：

自動化作業(yè)、生產(chǎn)效率高；

拋光精度高、質(zhì)量穩(wěn)定性好；

靈活度高、適應(yīng)性好；

生產(chǎn)成本低。

影響國內(nèi)汽車輪轂?zāi)仚C(jī)器人系統(tǒng)推廣應(yīng)用的主要問題：

1.機(jī)器人磨拋工藝研究不足：缺乏系統(tǒng)性的研究方法和有效的材料去除率模型，磨拋工藝參數(shù)主要憑經(jīng)驗(yàn)選擇；

2.機(jī)器人的絕對定位精度偏低：傳統(tǒng)的幾何參數(shù)標(biāo)定方法難于有效提高機(jī)器人的絕對定位精度，影響了離線編程方法的應(yīng)用；

3.主動力控制技術(shù)不完善: 工業(yè)機(jī)器人多不具備力控功能，現(xiàn)有氣動力控末端執(zhí)行器動態(tài)響應(yīng)慢、靈活度差，難于保證輪轂?zāi)佡|(zhì)量一致性；

4.缺少輪轂?zāi)亴Ｓ秒x線編程系統(tǒng)與工藝軟件包：主要依賴商用CAD/CAM軟件，人工干預(yù)多，編程效率低。

二、關(guān)鍵問題與技術(shù)

三、研究成果及創(chuàng)新

成果1：手腕偏置磨拋機(jī)器人設(shè)計與控制

成果1.1 手腕偏置磨拋機(jī)器人設(shè)計

研究目標(biāo)：設(shè)計滿足輪轂?zāi)佇枨蟮耐蟛浚ǖ谖遢S）360°工業(yè)機(jī)器人。

解決方案：設(shè)計了側(cè)端偏置手腕結(jié)構(gòu)，優(yōu)化5、6軸系傳動與支撐；基于重心集中設(shè)計思想，所有關(guān)節(jié)與桿件結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化；基于剛?cè)狁詈夏Ｐ?/span>進(jìn)行機(jī)器人機(jī)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化，完成了機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計。

成果1.2 手腕偏置磨拋機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)建模

研究問題：磨拋機(jī)器人第五軸存在偏置，逆解解析解難以求取。

解決方案：基于手腕側(cè)端偏置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建了新型的非線性方程組，減少計算量；

提出了由粗到精的兩步法求解手腕偏置機(jī)器人逆解，收斂速度。

成果1.3 磨拋機(jī)器人末端姿態(tài)優(yōu)化和關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃

研究目標(biāo)：如何使機(jī)器人輪轂?zāi)伡庸r保持最佳工作姿態(tài)？

解決方案：建立了基于評價指標(biāo)的優(yōu)選工作空間機(jī)制，優(yōu)選出機(jī)器人高靈活性運(yùn)動空間；基于機(jī)器人末端位置和姿態(tài)變化閾值，提出了改進(jìn)的DP算法，優(yōu)選加工路徑點(diǎn)。

成果2：機(jī)器人精度標(biāo)定與誤差補(bǔ)償

研究目標(biāo)：通過機(jī)器人精度標(biāo)定與誤差補(bǔ)償，提高機(jī)器人絕對定位精度。

解決方案：提出局部指數(shù)積公式建立機(jī)器人幾何誤差模型，采用最小二乘法對參數(shù)進(jìn)行辨識，并對誤差進(jìn)行補(bǔ)償；提出高斯學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人非幾何誤差模型建立與誤差補(bǔ)償。

成果3：力控末端執(zhí)行器與機(jī)器人力位混合控制

成果3.1 單自由度力控末端執(zhí)行器設(shè)計

研究目標(biāo)：研發(fā)一種新型精度高、響應(yīng)快、柔性好、質(zhì)量輕的單自由度氣電混合式力控末端執(zhí)行器，以實(shí)現(xiàn)高精度接觸力控制，滿足工業(yè)機(jī)器人拋光、打磨、去毛刺等連續(xù)接觸式作業(yè)。

解決方案：氣電混合并聯(lián)驅(qū)動，既提高力控精度，有效緩和沖擊與振動，提高力控穩(wěn)定性；電動部分采用音圈電機(jī)直驅(qū)，動態(tài)響應(yīng)快，力控精度高；增加拉伸彈簧，可有效補(bǔ)償重力，又提高了系統(tǒng)剛度和動態(tài)響應(yīng)。

成果3.2 基于雙力傳感器的單自由度力控末端執(zhí)行器力控方法

研究問題：基于動力學(xué)模型的控制方法，雖然可以提高響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度，由于物理建模與數(shù)據(jù)建模過程存在模型誤差和參數(shù)誤差，力控性能仍受限。

研究方法：基于雙力傳感器宏微系統(tǒng)解耦控制方法。

成果3.3 2R1T力控末端執(zhí)行器設(shè)計

研究目標(biāo)：研制具有兩轉(zhuǎn)動一平動(2R1T)自由度的力控末端執(zhí)行器，用于復(fù)雜曲面磨拋?zhàn)鳂I(yè)。具備簡潔的運(yùn)動學(xué)關(guān)系、低運(yùn)動質(zhì)量。

解決方案：采用結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高的3PPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)，基于“零扭轉(zhuǎn)”特性和改進(jìn)的姿態(tài)描述方法推導(dǎo)了解析且線性的位移正解，便于機(jī)構(gòu)設(shè)計與控制；柔性鉸鏈（導(dǎo)軌）剛?cè)峄旌显O(shè)計，低運(yùn)動質(zhì)量、無摩擦；主動關(guān)節(jié)采用音圈電機(jī)直驅(qū)，高動態(tài)響應(yīng)。

成果3.4 基于接觸點(diǎn)位姿補(bǔ)償?shù)?R1T末端執(zhí)行器力控方法

研究問題：傳統(tǒng)機(jī)器人應(yīng)用通常將末端執(zhí)行器視為剛體，難以補(bǔ)償2R1T力控末端執(zhí)行器傾角變化導(dǎo)致的接觸點(diǎn)偏移，降低了宏微機(jī)器人磨拋系統(tǒng)的力控精度。

解決方案：引入接觸點(diǎn)補(bǔ)償模型的混合姿態(tài)/力控制算法。

成果4：輪轂?zāi)伖に嚱Ｅc軟件包開發(fā)

4.1 面向端磨工藝的法向接觸力建模

研究問題：磨具與工件存在接觸傾角，如何預(yù)測法向接觸力隨接觸傾角和工件曲率的變化。

解決方案：通過微分幾何分析，得到以接觸傾角和工件曲率半徑為變量的接觸深度分布函數(shù)；基于非線性應(yīng)力-應(yīng)變模型，進(jìn)一步得到冪函數(shù)形式表達(dá)的法向接觸力半解析公式。

4.2 表面粗糙度分析與磨拋工藝參數(shù)優(yōu)化

研究目標(biāo)：建立以表面粗糙度為評價指標(biāo)的分析模型，并對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

解決方案：提出了以表面粗糙度為評價指標(biāo)的工藝參數(shù)分析模型，更適合機(jī)器人的拋光作業(yè)；基于多因素正交實(shí)驗(yàn)方法，確定最主要影響因素及各工藝參數(shù)的最優(yōu)值。

4.3 機(jī)器人離線編程系統(tǒng)

研究問題：汽車輪轂種類繁多、形狀復(fù)雜，導(dǎo)致機(jī)器人編程工作量大、效率低

解決方案：由工件三維數(shù)模直接生成機(jī)器人程序，大幅度提高了復(fù)雜空間曲面的離線編程效率；提出了工具軌跡優(yōu)化方法，工件曲面的UV線-軌跡/輪廓偏差-優(yōu)化，加工平順性和加工質(zhì)量；實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人離線運(yùn)動仿真，仿真后的數(shù)據(jù)可直接導(dǎo)出為機(jī)器人程序。

4.4 輪轂?zāi)伖に囓浖?/span>

研究目標(biāo)：研發(fā)面向輪轂機(jī)器人磨拋的工藝數(shù)據(jù)庫與工藝軟件包。

解決方案：建立了磨拋工具庫與工藝數(shù)據(jù)庫，定義了不同型號，不同區(qū)域的拋光工具及工藝參數(shù)；開發(fā)了輪轂?zāi)亴Ｓ霉に囓浖?，推薦優(yōu)化工藝參數(shù)與工具，提高磨拋效率與質(zhì)量

成果5：輪轂智能磨拋系統(tǒng)集成與示范應(yīng)用

5.1 輪轂智能磨拋系統(tǒng)集成

5.2 輪轂智能磨拋系統(tǒng)示范應(yīng)用

四、結(jié)論與應(yīng)用

針對輪轂?zāi)佇枨螅邪l(fā)了6款力控末端執(zhí)行器、1款磨拋機(jī)器人（腕端運(yùn)動范圍360°）和2個應(yīng)用示范單元（小尺寸簡單輪轂?zāi)伜痛蟪叽鐝?fù)雜輪轂?zāi)仯?o:p style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">

結(jié)論

1.輪轂?zāi)伣Ｅc工藝參數(shù)優(yōu)化：提出了磨拋過程的半解析接觸力模型；提出了輪轂表面粗糙度模型的工藝參數(shù)優(yōu)化方法。

2.機(jī)器人系統(tǒng)研制與參數(shù)標(biāo)定：研發(fā)了腕端360°轉(zhuǎn)動的磨拋機(jī)器人系統(tǒng)，提出了兩步法逆解求取方法；提出了機(jī)器人幾何與非幾何誤差參數(shù)辨識與誤差補(bǔ)償方法。

3.力控末端執(zhí)行器與機(jī)器人力位混合控制：研發(fā)了6款力控末端執(zhí)行器，滿足不同磨拋應(yīng)用需求；提出了基于雙力矩傳感器和接觸點(diǎn)位姿補(bǔ)償?shù)臋C(jī)器人力控方法。

4.離線編程系統(tǒng)與工藝軟件包開發(fā)：開發(fā)了輪轂?zāi)仚C(jī)器人離線編程系統(tǒng)，開發(fā)了輪轂?zāi)伖に囓浖?o:p style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">

5.產(chǎn)教融合：場景認(rèn)知-主動學(xué)習(xí)；目標(biāo)導(dǎo)向-引領(lǐng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)；學(xué)科交叉，科研促進(jìn)教學(xué)。

復(fù)雜表面檢測與修型機(jī)器人系統(tǒng)

面向復(fù)雜彈性表面處理需求，開發(fā)了集智能檢測與機(jī)器人修補(bǔ)工藝結(jié)合的重載復(fù)合機(jī)器人系統(tǒng)。

應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化——蕪湖英視邁智能科技有限公司

輪轂加工去毛刺工藝，目前以人工為主，粉塵和勞動強(qiáng)度是最大挑戰(zhàn)，團(tuán)隊已完成輪轂自動去毛刺機(jī)器人開發(fā)工作，形成了輪轂自動去毛刺工作站。借助輪轂2D圖紙/3D模型自動規(guī)劃窗口去毛刺路徑，通過高精度2D相機(jī)識別與定位，實(shí)現(xiàn)輪轂自動化混線去毛刺加工。