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大构件重载高精加工机器人本体研制与性能提升关键技术 0 引言目前，国产工业机器人的性能停留在低速、轻载、低精度的水平，开发高速、重载、高精度的高性能机器人本体是我国工业机器人走向高端的必然选择。此外，国内机器人本体研发在本体设计、动力学建模、运动学和动力学控制等方面严重脱节，严重制约了国产工业机器人的发展。因此，需要通过研制重载高精机器人本体来构建超柔性大构件机器人化加工系统，从根本上降低航空大构件加工对高成本、柔性差且配置复杂的机床的依赖，并通过重载高精机器人本体设计及动力学控制相关基础理论和关键技术的研究，突破国产工业机器人控制器、伺服电机、减速器等关键核心部件以及控制算法等核心技术严重受制于国外的瓶颈，解决重载高精高性能机器人依赖进口的现状。龙门式机床的包络式加工是常用的大尺度构件加工方法，而机器人化加工则是近几年随着机器人技术的快速发展而出现的一种新型大尺度构件柔性加工手段。龙门式加工设备采用包络式加工方式，具有较高的加工精度和稳定性，但受加工零件外形尺寸的影响，设备的外形尺寸和重量很大，从而导致此类设备的制造、安装调试及运维成本较高。机器人化加工系统可克服龙门设备成本高、柔性和适应性不强等缺陷，可满足500μ0精度等级的大尺度构件加工要求，必将成为大尺度构件加工的重要手段。加工机器人通常有串联和并联两种，前者相较于后者虽然刚度和精度较差，但工作空间较大，更适合大尺度构件加工。因此，高精重载加工机器人本体的研制，应立足国产工业机器人重载、高精、高端化的发展趋势及航空大构件加工的迫切需求，探索以串联机器人为主体的满足大尺度构件加工需求的移动机器人化加工系统研制。然而，串联机器人受到自身几何误差和非几何误差等因素影响，定位精度和轨迹精度较差，而且开链式的串联结构造成本体刚度较低，从而使得刚度和精度与传统机床存在很大差距。另外为了提高机器人化加工系统的柔性，通常需要引入移动平台，而移动平台的引入虽然可以扩展机器人的工作空间，但会大幅度削弱系统的刚度。此外，加工工程中存在较大进给力、切削力与电主轴转动的复合作用，在机器人本体上引起复杂的随机振动，也将显著降低机器人的精度。因此，从机器人本体入手，通过本体构型及机构的创新设计，开发大工作空间、重载、高精度、高刚度的本体是机器人化加工必经之路此外，机器人运动学标定、动力学参数与模态辨识、刚度辨识与动态补偿、重力补偿、动力学控制及振动抑制、在线测量实时反馈控制等机器人精度提升方法，在提升机器人的绝对定位精度和轨迹跟踪精度方面有着显著的作用当前，面向大尺度构件的机器人加工需求，立足串联机器人本体载荷、刚度及精度性能提升，以大构件加工对重载高精机器人本体的迫切需求为牵引，侧重于重载、大臂展、高刚度、高精度机器人本体研制，打破国产机器人“高速就抖、重载就趴”且重载高精机器人严重依赖进口的现状，从机器人本体构型与机构优化设计基础理论和关键技术研究出发，结合运动学标定、位姿误差预测与补偿、动力学建模及振动控制、在线测量实时反馈控制、机器人轨迹优化等机器人运动学、动力学建模及控制理论研究，开发大工作空间、重载、高精度、高刚度的本体，是机器人化加工的必然选择，也是提升国产工业机器人性能和关键技术水平的必经之路。1 机器人化加工技术国内外研究现状与发展动态1.1国内外大尺度构件机器人化加工进展航空制造业一直是检验一个国家或者地区工业发展先进与否的标尺。进入新世纪，随着我国经济发展和国防需求，我国的航空业在获得了稳步快速发展，对高性能航空加工设备的需求也不断水涨船高，而相关加工设备进口则受到欧美日等装备制造强国严格禁运。民用和重载运输机的机身和机翼属于典型的大尺度构件，目前采用传统龙门机床包络式的加工方法，设备的尺度较大，且柔性较差需要随着型号的变更而不断更新设备，从而导致机翼和机身的加工成本急剧上升，如图1所示。因此，面对航空、航天等领域具有代表性的大尺度构件加工需求，国内外很多机器人制造/集成应用厂商以及机器人科研机构，都在开展机器人化加工系统关键技术和系统集成应用技术的研究工作。目前，以KUKA、ABB以及Fanuc、Yaskawa等四大家族为代表的工业机器人优势厂商，也在不断推陈出新，针对打磨、去毛刺、切割、雕刻等加工需求推出机器人加工系统，并开发了机器人控制系统与数控系统融合的专用机器人化加工操作系统。除此之外，国内外机器人研究相关的科研院所也在不遗余力的开展机器人化加工技术的研究工作，并且研制样机进行了大量深入的关键技术探讨性研究工作。由德国Fraunhofer的IFAM研究所倡导的ProsihP II研究项目，主要针对大型航空结构件的高效、高生产率和精密加工需求为导向，成功开发了一种移动式数控加工机器人系统。ProsihP II项目的目标是