“WIC奖”展播四：智能加工机器人技术及应用

  为进一步加快推进AI和制造业的融合发展，在第六届世界智能大会筹备期间，世界智能大会组委会首次与中国新一代人工智能发展战略研究院、天津市智能科技产业专家咨询委员会合作开展“WIC智能科学技术创新应用优秀案例”评选活动。

  本届评选面向“人机一体化智能系统”方向，围绕关键技术及核心基础部件、智能化装备和制作的完整过程智能化技术与系统（数字化工厂车间）三大领域，对全国征集到186个案例，覆盖全国21个省（直辖市），分布在27个行业。评选活动遵循公平、公正、客观、权威的原则，由30位智能科技领域中外知名专家组成评审委员会，从创新性和独特性、应用价值与实效性、实施难度与复杂性、市场影响与推广性等维度对申报案例进行评审，最终评选出10个优秀案例。我们将在未来一段时间通过官网、官微等平台陆续展播优秀案例，推动创新应用案例的推广和普及，进一步带动AI和实体经济的深度融合。

  本期为大家带来十大优秀案例之一、智能化装备领域入选案例智能加工机器人技术及应用，核心技术关键词为性能设计、工艺规划、多模式控制。

  “智能加工机器人技术及应用”项目由天津大学研发。项目针对跨尺度多材质铸造件磨切一体加工需求，从基础理论、装备创成和工程应用三个层面，攻克了机构发明、性能设计、工艺规划与智能控制等核心技术，研制成功3个系列10种规格新一代磨切一体智能加工机器人，已在航空航天、汽车船舶、轨道交通等领域应用150台/套，有效解决了铸造件磨切一体加工难题。

  项目授权中国专利49件，发表学术论文24篇，整体成果达到了“国际领先”水平，获得2020年天津市技术发明一等奖、中国好设计金奖等荣誉，并入选2021年中国人机一体化智能系统十大科技进展。项目突破了制约行业产能、安全生产和环境治理等方面的技术瓶颈，推动了铸造业转变发展方式与经济转型；经济与社会效益显著，对促进我国高端制造装备的自主创新具有重大意义。

  高端装备是国之重器，关键零部件是其基础和核心，从根本上决定了高端装备的功能与性能。具有复杂外形和内腔结构的关键零部件超过40%以铸造件为主，铸造件具有多类型、多材质、多尺度特点。铸造工艺必然出现数十至数百毫米级浇冒口、合模线等残留特征，其高效高质量磨切加工去除已成为世界性技术难题。超过95%铸造企业采用的人工磨切作业方式劳动强度大、工作效率低、产品一致性差、安全风险隐患高，采用自动化磨切装备取代人工方式已成为必然趋势。

  现有自动化磨切装备以日本Koyama串联机器人和意大利Maus串联机床为代表，前者灵活性高，但刚度和精度差，仅能实现小余量低效率的磨，后者刚度和精度高，但灵活性不足，仅能实现小空间存在限制方向的切，均难以满足复杂多样、跨尺度多材质铸造件高效高质量磨切一体加工的迫切需求。因此，亟需突破传统装备的串联结构及形式，充分的利用串联机器人和机床的各自优势，研发兼具灵活性和高刚度的新一代磨切一体智能加工机器人装备。

  “智能加工机器人技术及应用”项目有效推动了铸造件磨切加工领域的发展和转型，在实施应用过程中已解决的复杂难题主要集中于以下几个方面：

  1．针对铸造工艺引起的大型铸造毛坯件百毫米级浇冒口、合模线等残留特征位置随机、分布随机、形貌随机的特点，本项目采用多模式控制技术实现了该类铸造件的磨切加工，突破了当前同类设备的应用瓶颈。

  2．针对中小型铸造毛坯件磨切加工存在单机效率低、设备维护成本高、无法同时与上下游工序有效衔接、经营成本高等问题，本项目通过与客户共同开发了磨切加工生产线与智能工作站，降低了运维等成本，实现了批量化生产与示范性应用。

  3．针对跨尺度多类型铸造件形貌不一致使磨切加工效率低的难题，本项目集成视觉检测、主从控制、负载检验测试等技术，形成了智能工艺规划与多模式控制成套技术与软件，有效提升了磨切加工效率。

  4．针对近三年疫情、经济滑坡与政府监管导致的市场不景气的难题，本项目成立了大型铸造件磨切加工市场开拓与研发技术综合部，经过两年的努力，保持了经济的持续增长。

  “智能加工机器人技术及应用”项目围绕复杂多样铸造件磨切一体加工技术，从基础理论、装备创成和工程应用三个层面，突破了机构发明、性能设计、控制工艺与系统集成等系列关键技术难题，研制成功具有完全自主知识产权的新一代磨切一体智能加工机器人系列化产品，解决了长期制约铸造产业高水平发展的难题，在性价比、可重构性、刚度质量比、动态性能、磨切光洁度、定位精度等方面均优于国内外同种类型的产品。取得的代表性成果如下：

  1．发明了机器人拓扑结构的解析化运算与代数化综合新技术，综合出数十种结构紧密相连、刚度高且重构能力强的新型并混联机构，提出了新一代磨切一体智能加工机器人方案，解决了传统机床灵活性不足与串联机器人刚度不高的难题。

  2．发明了磨切一体加工机器人的一体化建模与综合性能匹配设计新技术，提出了多目标合作均衡的参数优选新方法，实现了混联机器人谱系化性能设计，解决了机器人质量、刚度和动态特性间的最优匹配设计难题。

  3．发明了磨切一体加工机器人的多模式控制与智能工艺规划新技术，提出了精准示教和主从人机交互控制新方法，开发出机器人智能控制与工艺规划系统软件，解决了跨尺度多材质异形复杂铸造件高效磨切一体加工的难题。

  本项目共授权中国专利49件；发表国际高水平论文24篇。2020年获得天津市技术发明一等奖、中国好设计金奖、高端装备设计大赛金奖；2019、2020连续两年获得全国铸造装备创新奖；2021年入选中国人机一体化智能系统十大科技进展。2020年，经由中国工程院院士邓宗全教授为组长的专家组鉴定，整体成果达到了“国际领先”水平。

  项目研制出的3个系列10种规格机器人产品，已在航空航天、汽车船舶等基础零部件制造领域应用150台/套，有效解决了中国重汽、潍柴动力等三十余家企业“小件干不快，中件干不好，大件干不了”的铸造件磨切一体加工难题。近三年，用户单位使用本项目成果新增销售额48.94亿元；新增利润2.83亿元；项目突破了制约行业产能、安全生产和环境治理等方面的技术瓶颈，推动了铸造业转变发展方式与经济转型；经济与社会效益显著。项目成果对促进我国高端制造装备的自主创新具有重大意义。

  新一代磨切一体智能加工机器人在铸造行业展现出良好的市场和应用前景，我国的铸件总产量连续21年位居世界第一位，每年铸件产量已达5000余万吨。大多分布在于工程机械、轨道交通、汽车工业、通用机械、农机、发电及电力设备等领域。根据《国家工业绿色发展规划（2016-2020年）》，传统铸造产业绿色化改造升级是重点，需进一步加大铸造领域先进节能环保技术、工艺和装备的应用，推进铸造企业将绿色理念贯彻于铸件生产全过程。因新一代磨切一体智能加工机器人具有提质增效、节能环保等优势，目前正面临重要的机遇发展期。特别对于厘米级浇冒口磨切技术优势巨大，且技术具有排他性，对于特殊材质磨切市场目前不存在市场竞争。

  按平均单台设备80万元测算，仅在汽车工业领域，将有3000台套的市场需求和24亿左右的市场空间。总体市场需求约10000台左右，考虑耗材及辅助设备将产生约100亿左右的装备制造产值。此外，采用该装备可为铸造公司能够带来巨大的经济效率，预计市场饱和后将实现年新增产值1000亿左右，因减少用工为铸造公司实现年节支50亿元左右。综上所述，本项目研发新一代磨切一体智能加工机器人具有广阔的市场应用前景，市场影响力与推广性极高。