机器人与智能制造

,机器人与智能制造技术,提纲,产业与技术背景中国制造2025机器人与智能制造技术创新载体建设结论,3,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。,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,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,2,3,缩短生产周期,提高柔性,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,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,提纲,产业与技术背景中国制造2025智能制造技术创新载体建设与进展结论,中国制造2025：三步走战略目标,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,国家制造业创新中心建设工程智能制造工程工业强基工程绿色制造工程高端装备创新工程,中国制造2025：五项方针,中国制造2025：十大重点行业领域,中国制造2025VS德国工业4.0,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,提纲,产业与技术背景中国制造2025智能制造技术与应用创新载体建设结论,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,智能制造：研究范围,工况感知与识别,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,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,2015,2011,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,development,智能制造核心特征,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,智能制造发展方向：装备智能化,智能制造发展方向：车间智能化,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,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,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,智能制造发展方向：智能制造模式,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,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,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,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%,智能制造关键技术：智能传感,智能制造应用：机器人技术应用,人工,机器人,特点,智能制造应用：机器人作业系统,工业机器人作业系统,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,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,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,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,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,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。,激光扫描仪,标准球,静坐标系,动坐标系,关键技术2“手眼”标定,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,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,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,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,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,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：,机器人磨抛与人工磨抛效果对比,提纲,产业与技术背景中国制造2025智能制造技术与应用创新载体建设结论,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。,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,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,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力,科研与生产向结合，汲取工艺不足确保无锡研究院的机床使用率,服务对象与影响力,1.两机零部件高端制造公共技术服务平台,华中科技大学无锡研究院：平台建设,2.机器人应用技术公共技术服务平台,华中科技大学无锡研究院：平台建设,3.光电应用技术公共技术服务平台,华中科技大学无锡研究院：技术研发,一、整体叶轮、叶盘加工技术,采用侧铣工艺代替层铣工艺，利用刀具全刃铣削，减少底部侧刃磨损量，均化刀具局部受力状态，有效提升了叶盘、叶轮加工质量和效率。形成13项国家发明专利及11项软件著作权，制造工艺覆盖各式整体叶盘，极大提高制造效率，为多家航空企业提供工艺支持。,实施效果,大运航空发动机叶片JA012C,无锡透平叶片有限公司材料：TC4锻件叶片长度：407mm厚度：4.5mm宽度：158mm,粗铣：变进给率加工精铣：稳定域分析597rpm477rpm,加工时间：16小时13.5小时,(刀损)换刀次数：3次1次,刀片耗损由10片减至3片，产量由2片/天提升为3片/天，单片节省加工成本约1000元，成套工艺应用于风扇叶片小批量生产,成本减少：1000元（每片),实施效果,美国通用电气（GE）,GANX2B-2S01OGV(风扇出口导流叶片),GeneralElectricNext-generation波音787客机、空中客车A350客机,1.结构复杂、工序多、精度高,200多个尺寸要求，很难一次加工成型,制造难点：,2.大悬伸长薄壁结构，易振动,减重槽壁厚0.9mm，加工过程极易振动、难以保证表面质量,3.应力释放不均，易变形,末端变形量达到6mm,GEnx,OGV叶片材料：航空锻铝叶片尺寸：620mm*80mm*270mm减重槽壁厚：0.9mm,国内尚未掌握其制造工艺，无锡透平叶片厂花费两年仅60项指标合格,实施效果,通过了6片叶片重复性实验，实现200余尺寸的全部合格，得到GE公司3万片订单,美国通用电气（GE）,GANX2B-2S01OGV(风扇出口导流叶片),气动仿形,阻尼填充,叶冠加工,精铣喷丸,叶形加工,叶根加工,华中科技大学无锡研究院：技术研发,二、大型风电叶片机器人打磨系统,针对大型风电叶片生产效率低，工作环境差，成本高等问题，开发了风电叶片多机器人协调自动打磨系统，应用到长45米、复合材料的风电叶片中，具有广阔的市场前景。,导轨,隔离罩,机器人,打磨轮&测量头,风电叶片,基于特征点标定的叶片三维重构技术,打磨接触力的主动柔顺控制,叶片打磨工艺及机理研究,打磨工具集成及打磨耗损材料快换技术,攻克技术难点,动画视频,提纲,产业与技术背景中国制造2025智能制造技术与应用创新载体建设结论,德国弗朗霍夫研究所,德国联邦政府,德国弗朗霍夫研究所,高校（亚琛工业大学等）,58个研究所,智能分析和信息系统研究所等,