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    Cinque Terre

    成果資源

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    【成果推介|國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃】大型風(fēng)電葉片磨拋移動(dòng)式加工機(jī)器人系統(tǒng)

    來源:    作者:    發(fā)布時(shí)間:2023-06-29    閱讀量:


    【所屬領(lǐng)域】

    智能制造、能源環(huán)保


    【痛點(diǎn)問題】

    作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵核心部件之一,風(fēng)電葉片在能源行業(yè)有著廣泛應(yīng)用,其制造水平也是國家制造業(yè)水平的體現(xiàn)。風(fēng)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(fēng)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(diǎn),所以迄今為止其表面打磨加工尚未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

    目前,我國風(fēng)電葉片生產(chǎn)骨干企業(yè)對(duì)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(fù)雜,具有人工定位隨機(jī)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(diǎn),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(dòng)強(qiáng)度大)、工作環(huán)境惡劣(粉塵危害嚴(yán)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(fèi)用高(人工成本、勞保用品、員工體檢等)等問題,這直接對(duì)風(fēng)電葉片高效智能自動(dòng)化加工方式提出了迫切需求。

    為保證打磨質(zhì)量符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),型面過渡平滑、無氧化燒傷,需要研究“大型復(fù)雜曲面機(jī)器人高效磨拋加工的主動(dòng)順應(yīng)與協(xié)同控制”這一關(guān)鍵科學(xué)問題,該問題的解決需要依賴于如下關(guān)鍵技術(shù)的突破:末端執(zhí)行器,尤其是磨拋法蘭的設(shè)計(jì)和力位自律跟蹤。


    【成果介紹】

    本成果提出了一種新型的移動(dòng)式磨拋加工機(jī)器人方案,實(shí)現(xiàn)了具有高轉(zhuǎn)動(dòng)輸出特性的并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計(jì)與尺寸參數(shù)優(yōu)化,建立了機(jī)器人整機(jī)高剛度高能效設(shè)計(jì)方法,開發(fā)了高能量密度關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)單元,搭建了開放式機(jī)器人控制系統(tǒng)并研制了移動(dòng)式混聯(lián)磨拋機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī),攻克了機(jī)器人精度保證難題并實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器的準(zhǔn)確定位。

    項(xiàng)目研究了曲面自適應(yīng)的主被動(dòng)耦合柔性磨拋法蘭,建立材料去除模型以研究進(jìn)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(fēng)電葉片磨拋加工余量檢測的原位視覺測量系統(tǒng),進(jìn)行了面向大型風(fēng)電葉片磨拋的原位視覺測量-余量補(bǔ)償-力控加工的自適應(yīng)打磨與驗(yàn)證,為大型風(fēng)電葉片力控磨拋工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)手段。

    并且項(xiàng)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(gòu)建了面向超大葉片的多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作型激光三維測量系統(tǒng),并完成了大型風(fēng)電葉片測量軟件的開發(fā),實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片高精度定位以及健壯、高效高精的多機(jī)器人協(xié)作測量與葉型分析。

     

    1電動(dòng)單自由度柔性法蘭

    2面結(jié)構(gòu)光方法測量精度驗(yàn)證試驗(yàn)

    a)風(fēng)電葉片                                (b)氣動(dòng)式柔性磨拋法蘭

    c)藍(lán)光相機(jī)視覺測量系統(tǒng)

    3氣動(dòng)式柔性法蘭磨拋風(fēng)電葉片實(shí)驗(yàn)圖

    【技術(shù)優(yōu)勢(shì)】

    本研發(fā)成果對(duì)于實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜曲面的順應(yīng)性力控磨拋具有重要的應(yīng)用價(jià)值。所研發(fā)的柔性磨拋法蘭具有柔性好、曲面順應(yīng)性強(qiáng)、力控精準(zhǔn)等優(yōu)勢(shì),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(jī)器人上進(jìn)行推廣,而無需對(duì)機(jī)器人底層進(jìn)行開發(fā)和編程,因此,可以在大型復(fù)雜曲面零件的磨拋加工中得到大量應(yīng)用。較之傳統(tǒng)人工加工方式,機(jī)器人柔性法蘭磨拋方式最大限度地減少了粉塵對(duì)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(huì)效益。


    【技術(shù)指標(biāo)】

    序號(hào)

    主要內(nèi)容

    考核指標(biāo)

    評(píng)測手段/方法

    完成情況

    1

    柔性法蘭力控精度

    ≥±1N

    第三方檢測機(jī)構(gòu)驗(yàn)證

    ±0.7N

    2

    柔性法蘭帶寬

    ≥1KHz

    第三方檢測機(jī)構(gòu)驗(yàn)證

    10.0KHz

    3

    主被動(dòng)耦合柔性法蘭

    完成柔性法蘭的設(shè)計(jì)和加工,為力控磨拋提供技術(shù)支撐

    第三方檢測機(jī)構(gòu)驗(yàn)證

    已完成

    4

    機(jī)器人曲面跟蹤姿態(tài)誤差

    ≤0.1°

    第三方檢測機(jī)構(gòu)驗(yàn)證

    0.09°

    5

    材料去除量計(jì)算周期

    ≤1ms

    第三方檢測機(jī)構(gòu)驗(yàn)證

    0.3ms

    6

    視覺原位測量精度

    ≥0.1mm

    第三方檢測機(jī)構(gòu)驗(yàn)證

    0.08mm

    7

    效率提升

    高于人工1.5倍

    第三方檢測機(jī)構(gòu)驗(yàn)證

    高于人工1.56倍

    8

    磨拋粗糙度一致性

    Ra2~3μm

    第三方檢測機(jī)構(gòu)驗(yàn)證

    Ra2~3μm,平均Ra2.44μm

    9

    分段分區(qū)域型面尺寸偏差(相對(duì)于平均尺寸)

    ≤±0.05mm

    第三方檢測機(jī)構(gòu)驗(yàn)證

    0.046mm

    10

    磨拋質(zhì)量

    型面過渡平滑、無氧化燒傷

    第三方檢測機(jī)構(gòu)驗(yàn)證

    型面過渡平滑、無氧化燒傷

    11

    柔性法蘭的質(zhì)量與負(fù)載力(最大接觸正壓力)

    質(zhì)量≤10Kg最大負(fù)載力≥50N

    第三方檢測機(jī)構(gòu)驗(yàn)證

    質(zhì)量≤10Kg最大負(fù)載力≥50N

    12

    機(jī)器人自由度數(shù)

    ≥5個(gè)

    第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測及申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng)

    第三方檢測結(jié)果表明機(jī)器人自由度數(shù)為8個(gè);授權(quán)國家發(fā)明專利2項(xiàng)

    13

    聯(lián)動(dòng)軸數(shù)

    ≥5個(gè)

    第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測

    第三方檢測結(jié)果表明機(jī)器人聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為8個(gè)

    14

    機(jī)器人移動(dòng)加工行程

    ≥58m

    第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測及申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng)

    第三方檢測結(jié)果表明機(jī)器人移動(dòng)加工行程>58m;授權(quán)國家發(fā)明專利2項(xiàng)

    15

    機(jī)器人承載能力

    機(jī)器人運(yùn)動(dòng)臂承載≥200kg,機(jī)器人終端承載≥20kg

    第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測

    第三方檢測結(jié)果表明機(jī)器人機(jī)械臂承載>212kg,機(jī)器人終端平臺(tái)承載>23.3kg

    16

    機(jī)器人高能量密度驅(qū)動(dòng)功能部件扭矩和轉(zhuǎn)速

    扭矩≥20N.m,轉(zhuǎn)速≥2000r/min

    第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測

    第三方檢測結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)單元額定轉(zhuǎn)矩 22N.m,額定轉(zhuǎn)速3000r/min

    17

    基于功率傳遞效率的運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)

    建立完善的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,獲得一套最優(yōu)化機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)

    1篇以上高水平論文

    建立了以功率傳遞效率為核心的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并獲得了一套最優(yōu)化機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù),相關(guān)方法發(fā)表SCI檢索期刊論文1篇

    18

    整機(jī)輕量化及慣量優(yōu)化匹配的高能效設(shè)計(jì)

    完成一套整機(jī)輕量化設(shè)計(jì)方案,獲得一套慣量優(yōu)化參數(shù)

    1篇以上高水平論文

    采用最差工況辨識(shí)算法,完成了整機(jī)輕量化設(shè)計(jì),獲得了一套慣量優(yōu)化參數(shù),相關(guān)方法發(fā)表EI檢索會(huì)議論文1篇

    19

    高精度運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定方法

    實(shí)現(xiàn)并聯(lián)模塊的便捷、高效標(biāo)定和誤差補(bǔ)償

    1篇以上高水平論文

    建立了剛?cè)狁詈险`差參數(shù)辨識(shí)方法,實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)模塊的便捷、高效標(biāo)定和誤差補(bǔ)償,相關(guān)方法發(fā)表EI檢索會(huì)議論文1篇

    20

    面向高光反射曲面的三維激光掃描測頭實(shí)物

    實(shí)物樣機(jī)1套

    實(shí)物展示

    研制實(shí)物樣機(jī)2套

    21

    面向高光反射曲面的三維激光掃描測頭的功能實(shí)現(xiàn)

    可實(shí)現(xiàn)玻璃鋼葉片的激光掃描測量

    實(shí)物展示

    經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,成功實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片健壯、高效、高精的曲面測量功能

    22

    三維激光掃描測頭X方向測量范圍

    300mm

    第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測

    通過無錫市計(jì)量測試院檢測(X范圍300mm),符合指標(biāo)要求

    23

    三維激光掃描測頭Y方向測量范圍

    200mm

    第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測

    通過無錫市計(jì)量測試院檢測(Y范圍200mm),符合指標(biāo)要求

    24

    三維激光掃描測頭單條激光采集點(diǎn)數(shù)

    800個(gè)

    第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測

    通過無錫市計(jì)量測試院檢測(大于等于800個(gè)),符合指標(biāo)要求

    25

    三維激光掃描測頭重復(fù)測量精度

    ±0.05mm

    第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測

    通過無錫市計(jì)量測試院檢測(最大示值誤差小于等于0.02mm),符合指標(biāo)要求

    26

    三維激光掃描測頭單幅面測量時(shí)間

    12秒

    第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測

    通過無錫市計(jì)量測試院檢測(小于等于12秒),符合指標(biāo)要求

    27

    激光在玻璃鋼葉片上的高光濾除和抑制

    為激光特征提取算法設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐

    申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng)

    提出高光噪聲剔除方法,申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng),發(fā)表論文1篇

    28

    線激光特征的健壯性提取

    為激光特征提取算法設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐

    發(fā)表論文1篇

    提出激光光條中心自適應(yīng)提取方法,發(fā)表論文1篇,申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng)

    29

    多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作型激光三維測量系統(tǒng)實(shí)物

    實(shí)物1套

    實(shí)物展示

    搭建實(shí)物樣機(jī)1套,申請(qǐng)專利2項(xiàng)

    30

    多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作型激光三維測量系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

    可實(shí)現(xiàn)超大葉片定位與葉型特征分析

    實(shí)物展示

    提出超大尺寸測量系統(tǒng)的高精度校準(zhǔn)技術(shù),發(fā)表論文1篇,通過武漢國家創(chuàng)新中心實(shí)地測試

    31

    葉片截面線參數(shù)測量精度(前緣型面,后緣厚度)

    ≤±0.05mm

    第三方檢測報(bào)告;發(fā)表論文1篇

    通過國家機(jī)器人質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(重慶)檢測(最大示值誤差小于0.05mm),符合指標(biāo)要求;發(fā)表論文1篇

    32

    大型風(fēng)電葉片測量軟件

    具備測量規(guī)劃,激光掃描測頭控制與三維計(jì)算,點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理,葉片定位,葉片截面特征分析等功能

    發(fā)表論文2篇;申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng);申請(qǐng)軟件著作權(quán)1項(xiàng)

    實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了測量系統(tǒng)的自主導(dǎo)航定位、視點(diǎn)規(guī)劃、三維測量、數(shù)據(jù)融合和葉片分析等軟件功能;發(fā)表論文2篇;申請(qǐng)發(fā)明專利2項(xiàng);登記軟件著作權(quán)2項(xiàng)

    33

    機(jī)器人加工行程

    ≥58m

    第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測

    已完成。通過第三方檢測,機(jī)器人加工行程可達(dá)65.73m

    34

    磨拋質(zhì)量

    型面過渡平滑、無氧化燒傷

    第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測

    已完成。通過第三方檢測,型面過渡平滑、無氧化燒傷

    35

    效率提升

    高于人工1.5 倍

    第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測

    已完成。通過第三方檢測,相比人工效率提升1.56倍

    36

    機(jī)器人末端位置誤差

    ±0.2mm

    第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測

    已完成。通過第三方檢測,機(jī)器人末端位置誤差僅為0.101mm

    37

    機(jī)器人加工方式

    雙機(jī)器人對(duì)側(cè)協(xié)同加工且互為支撐

    第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測,申請(qǐng)發(fā)明專利2項(xiàng)

    已完成。通過第三方檢測,實(shí)現(xiàn)了雙機(jī)器人對(duì)側(cè)協(xié)同加工且互為支撐,并申報(bào)專利2項(xiàng)

    38

    雙機(jī)協(xié)同碰撞檢測與規(guī)避方法

    實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地多機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)碰撞檢測與規(guī)避

    高水平論文1篇,申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng)

    已完成。發(fā)表論文1篇,申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng)

    39

    雙機(jī)快速標(biāo)定方法

    標(biāo)定時(shí)間:

    1min

    標(biāo)定精度:

    ±2mm

    高水平論文1篇,申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng),第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測;

    已完成。通過第三方檢測,標(biāo)定時(shí)間12.11s,標(biāo)定精度±0.6mm

    40

    復(fù)雜約束下雙機(jī)器人跟蹤軌跡規(guī)劃方法

    實(shí)現(xiàn)基于工藝參數(shù)與工件幾何模型等多重約束條件下的路徑規(guī)劃

    高水平論文1篇,申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng);申請(qǐng)軟件著作權(quán)1項(xiàng)

    已完成。開發(fā)了基于工藝與工件幾何模型的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃軟件,申請(qǐng)軟件著作權(quán)1項(xiàng);申請(qǐng)發(fā)明專利2項(xiàng),發(fā)表論文1篇

    41

    葉片長度

    ≥58米

    第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測

    通過第三方檢測,新材葉片長度63.9米;中材葉片長度80.9米

    42

    單次裝夾打磨區(qū)域大于葉片面積

    ≥90%

    第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測

    通過第三方檢測,新材和中材產(chǎn)線單次裝夾打磨區(qū)域分別相當(dāng)于葉片面積90.2%和90.3%

    43

    磨拋質(zhì)量

    型面過渡平滑、無氧化燒傷

    第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測

    通過第三方檢測,型面過渡平滑、無氧化燒傷

    44

    效率提升

    高于人工1.5倍

    第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測

    通過第三方檢測,新材和中材產(chǎn)線相比人工效率分別提升1.56倍和2.6倍

    45

    分段分區(qū)域型面尺寸偏差(相對(duì)于平均尺寸)

    ≤±0.05mm

    第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測

    通過第三方檢測,新材和中材產(chǎn)線分段分區(qū)域型面尺寸偏差最大值分別為0.041mm和0.044mm

    46

    膩?zhàn)悠秸?/span>

    優(yōu)于0.1mm

    第三方檢測機(jī)構(gòu)檢測

    通過第三方檢測,新材和中材產(chǎn)線區(qū)域內(nèi)膩?zhàn)悠秸茸畲笾捣謩e為0.04mm和0.06mm

    47

    風(fēng)電葉片打磨結(jié)果評(píng)價(jià)及應(yīng)用證明

    2份

    企業(yè)證明(2個(gè)應(yīng)用企業(yè),每個(gè)企業(yè)1份)

    已完成,形成中材、新材兩份企業(yè)應(yīng)用證明



    【技術(shù)成熟度】

    本項(xiàng)目成果研究目前處于可量產(chǎn)階段。


    【應(yīng)用場景】

    打磨,是機(jī)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(jī)器人在這一制造工序中,有著極為廣闊的應(yīng)用,無論是打磨、拋光,還是去毛刺,現(xiàn)在都可以看到機(jī)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(qiáng)度的工作特性,人工作業(yè)顯然已不適合企業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。打磨機(jī)器人能夠保持產(chǎn)品的一致性、提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率,隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)和安全的日益重視,以及進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求,打磨機(jī)器人也受到前所未有的關(guān)注。


    【市場前景】

    目前機(jī)器人打磨技術(shù)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(yīng)用。但相對(duì)焊接、噴涂、搬運(yùn)碼垛等機(jī)器人應(yīng)用來說,打磨應(yīng)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(zhì)量提高的要求,這一細(xì)分領(lǐng)域也蘊(yùn)涵著巨大的發(fā)展?jié)摿Α=鼛啄辏覈蚰C(jī)器人行業(yè)市場規(guī)模快速增長,從2012年的15.58億元增長到了2022年的96.1億元,年均復(fù)合增長率達(dá)到18%,未來隨著勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)的改變及智能制造的發(fā)展仍有開拓增長空間。


    【知識(shí)產(chǎn)權(quán)】

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


    【合作方式】

    技術(shù)開發(fā)、面談等。


    【聯(lián)系方式】




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