机器人与智能制造59

机器人与智能制造技术丁汉华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室2015年11月1日提纲一．产业与技术背景二．中国制造2025三．机器人与智能制造技术四．创新载体建设五．结论23我国制造业核心竞争力国际差距与发展机遇我国制造业规模连续五年居世界第一，但仍“大而不强”，核心竞争力与美、德等发达国家存在较大差距；数字化智能化制造为我国制造业实施创新驱动发展战略，迈向制造强国提供了历史性机遇和挑战。全员劳动生产率创新能力关键技术自给率资源能源消耗（利用率）美国德国中国增加值率工业2.0：规模化工业3.0：数字化工业4.0：智能化产品设计创新制造技术创新产业模式创新同步发展战略创新驱动发展3制造业核心竞争力正在发生深刻变化1•能源和资源利用效率是竞争力的决定性因素•更短的创新周期•更为复杂的产品•更大的数据量•个性化大规模生产•快速变化的市场•更高的生产效率提升效率提升竞争力制造业变化的速度比以往更快23缩短生产周期提高柔性4中国制造业挑战与机遇产业升级压力劳动力成本上升中国制造业机遇：发展先进制造技术，实现产业升级能耗排放压力哥本哈根中国减排目标低附加值高附加值5中国制造2025：我国实现“制造强国”战略的必然选择2009年，中科院在“中国至2050年先进制造科技发展路线图”提出了“基于泛在信息的智能制造系统”；2010年中国机械工程学会启动“中国机械工程技术路线图”编制工作，其中“智能制造技术路线图”是六大专题之一；2011年国家发改委、财政部、工信部组织设立了“智能制造装备发展专项”；2015年国务院公布并推进实施“中国制造2025”规划，是实现制造业升级和“制造强国”战略的必然选择。世界工厂：中国中国制造中国智造6提纲一．产业与技术背景二．中国制造2025三．智能制造技术四．创新载体建设与进展五．结论7中国制造2025：三步走战略目标89中国制造2025：战略任务和重点“中国制造2025”是升级版的中国制造，体现为四大转变和一条主线，四大转变：一是由要素驱动向创新驱动转变二是由低成本竞争优势向质量效益竞争优势转变三是由资源消耗大、污染物排放多的粗放制造向绿色制造转变四是由生产型制造向服务型制造转变一条主线是两化融合，以体现信息技术与制造技术深度融合的智能制造——制造业数字化网络化智能化为主攻方向中国制造2025：五大工程1.国家制造业创新中心建设工程2.智能制造工程3.工业强基工程4.绿色制造工程5.高端装备创新工程10中国制造2025：五项方针创新驱动走创新驱动的发展道路质量为先走以质取胜的发展道路绿色发展走生态文明的发展道路结构优化走提质增效的发展道路人才为本走人才引领的发展道路11中国制造2025：十大重点行业领域12中国制造2025VS德国工业4.013中国制造2025以智能制造为主攻方向工业2.0—规模化高质量生产工业3.0—数控化工业4.0—智能化同步走。实现：全面突破局部超越14提纲一．产业与技术背景二．中国制造2025三．智能制造技术与应用四．创新载体建设五．结论1516智能制造：科学内涵智能制造旨在将人类智慧物化在制造活动中并组成人机合作系统，使得制造装备能进行感知、推理、决策和学习等智能活动，通过人与智能机器的合作共事，扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动，提高制造装备和系统的适应性与自治性。智能制造=人工智能+机器人+数字制造17智能制造：研究范围工况感知与识别数字化智能化制造图形化建模与仿真智能人机交互自动工艺决策与NC编程智能化功能部件工艺知识与智能控制如同人脑如同人感官如同人四肢装备系统18智能制造：发展阶段2020智能化产品设计、制造过程中具有感知、分析、决策、执行功能20152011网络化利用自组织网络，动态配置资源，实现研究、设计、生产和销售各种资源重组数字化CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM/ERP/RE/RP智能制造核心特征19智能制造发展方向：产品智能化自主决策关键技术：•多功能感知•智能Agent•语音识别•信息融合关键技术：•工况识别感知•控制算法及策略自适应工况人机交互关键技术：•环境感知•路径规划•智能识别•自主决策无人机无人驾驶汽车回收信息原材料信息设计信息制造信息物流信息销售信息产品全生命周期个性化定制与服务20智能制造发展方向：装备智能化21智能制造发展方向：车间智能化22智能制造发展方向：工厂智能化智能化加工设备DNC智能化机械手智能刀具管理中央控制室现场Andon现场监视装置智能加工中心与生产线智能化仓储/运输与物流智能化生产执行过程管控智能化生产控制中心智能化工厂自动化立体仓库AGV智能小车公共资源定位系统高级计划排程执行过程调度数字化物流管控数字化质量检测23智能制造发展方向：供应链智能化–以江淮汽车为例：•零部件供应巢建设项目现已有澳大利亚和台湾、香港等7省区在内的260家企业签约入驻•目前江淮已实施了物料拉动平台大灯总成动力总成悬架总成底盘轮胎座椅仪表台总成主机厂与供应商：物理距离与信息距离主要方向：以主机厂为核心的全产业链质量控制24智能制造发展方向：智能制造模式25智能制造关键技术：数字化制造•数字化建模•虚拟设计•创新设计•数字样机设计•面向制造DFM•智能控制技术•高速高精度驱动•嵌入式数字制造•远程诊断•智能维护产品开发数字控制•控制传感技术•实时信息管理技术•数字化车间技术•制造系统建模•决策控制生产管理企业协作•高速通讯网络协议•信息集成技术•资料共享技术•信息安全技术26智能制造关键技术：机器人2012年中国工业机器人销量为2.7万台；我国达到世界水平时将有380亿工业机器人本体市场空间，1140亿工业机器人系统集成市场空间焊接、装配、喷漆、码垛、搬运世界工业机器人安装总量全球年增长率9%中国年增长率17%27智能制造关键技术：智能传感28智能制造应用：机器人技术应用喷涂精度要求较低工作环境恶劣搬运无严格精度要求负载大人工机器人特点焊接定位精度要求较高(亚微米级)要求快速平稳移动机加工精度要求高(微米级)负载大环境恶劣29智能制造应用：机器人作业系统防碰撞传感器送丝机焊接电源内部特殊接口内部PLC接口机器人伺服控制单元MRCu控制器伺服驱动器机器人本体用电机外部轴伺服控制单元伺服驱动器变位机翻转轴电机IN电机驱动电流I/O内部总线编码器脉冲内部信号内部总线内部总线电机驱动电流编码器脉冲三色灯限位开关零位开关等EmCORE-i312S7-226PLC伺服电机控制接口卡节线模块节线模块伺服驱动单元变位机旋转轴电机夹具气动阀操作控制台I/OI/OI/OI/OPCI04CAN-BUS位置脉冲指令＋控制信号编码器脉冲电机驱动电流编码器脉冲I/O周边环境机器人控制箱内部变位夹紧系统内部总线工业机器人作业系统30智能制造应用：机器人作业系统喷涂磨抛加工焊接特点：工作环境恶劣，精度要求较低1991年研制出我国第一套基于微机的机器人离线编程系统HOLPS应用于东风汽车公司喷漆自动线31智能制造应用：机器人作业系统特点：要求快速平稳移动，定位精度要求较高喷涂磨抛加工焊接2001年以来开发了20余套工业机器人焊接作业系统应用于于上汽集团的汽车零部件制造32智能制造应用：机器人作业系统特点：负载大，工作环境恶劣，精度要求高喷涂磨抛加工焊接2012年开发了机器人叶片磨抛系统应用于无锡叶片厂33航空/核电叶片磨抛舰船螺旋桨桨叶磨抛解决方案：开发叶片型面磨抛机器人“测量-操作-加工”一体化（3M）系统，实现大叶片的机器人磨抛批量化生产,替代了传统人工磨抛；技术优势：视觉定位、柔性接触、宽行加工典型案例：机器人磨抛技术34技术需求：磨削深度、砂轮半径、砂粒大小等对磨削力/温度影响大（型面质量和表面损伤），缺乏理论模型和工艺优化方法；解决方案：从恒力磨削和颤振抑制的角度，研究机器人-工艺交互作用规律及磨抛深度、砂带转速等优化方法。120#砂带抛光带磨损砂带磨损形式•磨耗磨损•粘接磨损•氧化磨损进排气边型面精度磨损影响低摩擦小接触力控制控制策略关键技术1—磨抛工艺机理35技术需求：现有方法通过激光跟踪仪进行系统参数标定，价格昂贵（200万以上）、操作过程复杂（现场操作）；解决方案：建立了基于标准球的30维参数（24个连杆运动参数、6个位姿参数）标定数学模型，实现了机器人末端执行器（手{E}）—激光扫描仪（眼{S}）的现场快速标定。SSoxzyETBEoBoxyzxyzxyzTo激光扫描仪标准球6111SSSSiiEEBBiiiTTTTTT21PartPart静坐标系动坐标系关键技术2—“手—眼”标定36技术需求：大叶片型面复杂、安装位置具有任意性，传统匹配方法（ICP）易陷入局部最优，无法保证磨抛余量均匀性；解决方案：定义点-曲面最近距离的新度量—自适应距离函数，保证叶片点云匹配收敛速度和收敛稳定性的最优化，已成功应用于机器人磨抛大叶片视觉定位与余量控制。匹配实际测量叶片局部轮廓设计模型激光扫描仪测量核电大叶片22()()()2ADFjijjijdg,QTTnpqtpq自适应距离ADF：描述移动点到不动点最近距离法向距离切向距离关键技术3—三维匹配与视觉定位37技术需求：现有软件体系繁琐、复杂，接口不统一等问题；解决方案：开发机器人离线编程软件，改进软件系统操作方便、智能化，同等硬件配置下，加工周期由4.5小时提升到0.5小时。离线编程软件界面改进软件功能：•磨抛软件界面；•RobotStudio；•三维扫描仪配套软件RobotStudio:WDT关键技术4—离线编程38技术需求：叶片在机器人磨抛（磨抛力不均）、强力锻造（锤击力不均、模具磨损、热应力释放）过程发生变形，型面检测与变形矫正技术是提高叶片制造精度的关键之一；解决方案：系统研究磨抛型面误差（中弧线等）、锻造型面误差（横行/纵向位移、最大厚度）的快速计算方法。锻造毛坯整体误差中弧线误差光学测量关键技术5—叶片型面误差检测39技术需求：磨抛视觉定位、叶片检测、变形矫正面临共性问题：商业化Geomagic软件不具备特定功能需求、需繁琐的人工交互、与UG/ProE/Delcam等通用软件接口不统一；解决方案：在VC++/OpenGL平台，开发具备光学扫描、点云精简、三维匹配、色谱图显示、ASC/PLY/IGES输出等功能模块，成功应用到机器人磨抛定位与叶片型面检测等。iCloud3D的操作界面点云精简、三维匹配及色谱图显示等关键技术6—在线检测软件开发40传统手工磨抛机器人磨抛600mm长某型钛合金模锻叶片磨抛对比：手工磨抛机器人磨抛加工时间45min25min型面精度±0.15mm±0.1mm表面粗糙度Ra1.6Ra0.8加工一致性差好机器人磨抛—与人工磨抛效果对比41提纲一．产业与技术背景二．中国制造2025三．智能制造技术与应用四．创新载体建设五．结论4243华中科技大学无锡研究院：基本情况2012年10月，由华中科技大学与无锡市惠山区人民政府签署共建协议，研究院注册为自收自支事业法人单位，是面向产业技术研发和服务、科技成果转化、高科技企业孵化的高端“政产学研”合作平台。2015年7月，建筑面积2.4万平方米，总投资1.25亿元的独立研发大楼正式投入使用。44华中科技大学无锡研究院：发展规划2013年2014年2015年布局发展提升45华中科技大学无锡研究院：研发方向面向航空、航天、海洋工程装备等行业对智能制造技术、高端装备与测控系统的市场需求，开发数字化、智能化装备与技术，致力于增强自主创新能力，发展先进的产业技术，提供企业技术服务。高效高精加工工艺技术装备智能化控制技术智能制造自动化系统技术46华中科技大学无锡研究院：平台建设以新产品制造工艺研究为主，效益放大到批量生产以小批量代加工为辅，帮助解决企业产能不足无锡研究院航空发动机零部件高端制造平台提供新零件交钥匙工程的快速响应优化现有制造工艺，提高零件加工效率，降低成本拓展企业高端机床加工潜