復(fù)雜葉片機(jī)器人磨拋加工工藝技術(shù)研究進(jìn)展

朱大虎，徐小虎，蔣誠(chéng)，李文龍,*

1. 武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院 現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070 2. 華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074

葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)中數(shù)量最多、直接參與能量轉(zhuǎn)換的核心動(dòng)力部件，其制造水平和性能直接關(guān)系到國(guó)防安全和國(guó)家制造業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力[1]。葉片大多采用合金化程度很高的熱強(qiáng)鋼、鈦合金以及高溫合金等難加工材料，設(shè)計(jì)為薄壁、彎扭曲結(jié)構(gòu)，屬于典型的難加工零件，且加工精度要求苛刻，加工品質(zhì)直接決定了動(dòng)力設(shè)備的效能與壽命，其高效智能加工技術(shù)是亟待攻克的難題。

葉片經(jīng)過(guò)精鍛、精鑄、冷軋或者機(jī)加工后，均需對(duì)其型面進(jìn)行磨拋加工，以此來(lái)保證輪廓精度和表面光潔度。針對(duì)葉片磨拋加工，手工磨拋和多軸數(shù)控機(jī)床砂帶磨拋是兩種主要范式，國(guó)內(nèi)科研院所(如西北工業(yè)大學(xué)[2-6]、重慶大學(xué)[7-10]、北京航空航天大學(xué)[11-14]等)和葉片生產(chǎn)骨干企業(yè)(如中國(guó)航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司、東方汽輪機(jī)有限公司、無(wú)錫透平葉片有限公司等)對(duì)此進(jìn)行了廣泛研究與應(yīng)用。相對(duì)于葉身型面，葉片進(jìn)排氣邊厚度薄(壓氣機(jī)葉片前后緣會(huì)達(dá)到R0.1 mm級(jí)別)、曲率及加工路徑姿態(tài)變化大，其精密磨拋加工被認(rèn)為是動(dòng)力葉片制造一大難題[6, 15-16]。由于手工磨拋過(guò)程中人工定位隨機(jī)性大、葉片邊緣去除余量和磨拋接觸力難以控制，易造成葉片波紋度和截面形狀精度差、葉片之間一致性差，以及葉片內(nèi)應(yīng)力超過(guò)設(shè)計(jì)要求等問(wèn)題。對(duì)于多軸數(shù)控機(jī)床磨拋，由于葉片裝夾定位誤差在數(shù)量級(jí)上和葉片前后緣變形誤差相當(dāng)，因此數(shù)控磨拋必須建立在對(duì)葉片裝夾狀態(tài)的準(zhǔn)確測(cè)量基礎(chǔ)上。此外，隨著葉片尺寸向大型化方向發(fā)展，高品質(zhì)磨拋亦對(duì)現(xiàn)有加工模式的可重構(gòu)性、加工靈活性提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[17]。

近年來(lái)，以機(jī)器人為裝備執(zhí)行體的機(jī)器人化智能加工逐漸成為葉片類(lèi)復(fù)雜零件高品質(zhì)制造的新趨勢(shì)。與同等操作空間的數(shù)控機(jī)床相比，加工型機(jī)器人的主要優(yōu)勢(shì)在于其低成本、操作靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)[18]。國(guó)家已陸續(xù)出臺(tái)“共融機(jī)器人基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”重大研究計(jì)劃[19]、“智能機(jī)器人”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)等，旨在推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。葉片機(jī)器人磨拋通常是利用機(jī)器人夾持葉片，通過(guò)在線(xiàn)測(cè)量、路徑規(guī)劃、離線(xiàn)編程等操作，與砂帶這種柔性涂附工具進(jìn)行接觸，進(jìn)而對(duì)葉片表面進(jìn)行磨削、拋光，具有柔性接觸和寬行加工兩大優(yōu)點(diǎn)[20]，特別適合長(zhǎng)度一米內(nèi)復(fù)雜葉片的小余量磨拋加工。美國(guó)GE公司、加拿大AV&R公司、新加坡GINTIC研究所等分別開(kāi)發(fā)了葉片專(zhuān)用的機(jī)器人磨拋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了航空葉片型面的自適應(yīng)加工和邊緣自適應(yīng)修整。

目前機(jī)器人磨拋加工葉片類(lèi)復(fù)雜零件的研究成果逐漸豐富，國(guó)內(nèi)已初步形成了以華中科技大學(xué)[21-25]、上海交通大學(xué)[26-29]、西北工業(yè)大學(xué)[30-31]、吉林大學(xué)[32-34]、北京航空航天大學(xué)[20,35-37]、中科院自動(dòng)化研究所[38-39]、華南理工大學(xué)[40-42]、武漢理工大學(xué)[16,43-44]等科研院所為代表的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)多集中在對(duì)磨拋可行性的認(rèn)證研究以及葉片表面質(zhì)量?jī)?yōu)化控制上。重慶大學(xué)黃云等[45]的最新綜述文章聚焦發(fā)動(dòng)機(jī)葉片機(jī)器人砂帶磨削，從加工系統(tǒng)組成、軌跡規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制等方面展開(kāi)了詳細(xì)分析。實(shí)際上，從工藝層面，如何將葉片磨拋工藝與機(jī)器人測(cè)量、操作技術(shù)相結(jié)合，是當(dāng)前磨拋加工智能化亟待解決的難題，并主要面臨兩個(gè)方面的挑戰(zhàn)[44]：

1) 精度控制。從測(cè)量的觀(guān)點(diǎn)看，葉片機(jī)器人磨拋加工的精準(zhǔn)度難以保證且加工效率低下的主要原因有兩個(gè)：一是機(jī)器人夾持葉片進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其定位精度難以保證；二是傳統(tǒng)匹配算法及其改進(jìn)算法仍然無(wú)法克服局部最優(yōu)問(wèn)題。因此準(zhǔn)確地標(biāo)定機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)，并提出點(diǎn)云匹配全局最優(yōu)解的定量判別方法是實(shí)現(xiàn)葉片高品質(zhì)加工的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

2) 柔順控制。葉片機(jī)器人磨拋智能化主要體現(xiàn)在兩個(gè)層面：一是能夠針對(duì)葉片幾何形狀自適應(yīng)規(guī)劃加工軌跡；二是實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器對(duì)復(fù)雜曲面的主動(dòng)順應(yīng)。機(jī)器人磨拋屬于典型的柔性接觸加工，因此軌跡規(guī)劃需充分考慮接觸動(dòng)力學(xué)影響。此外，通過(guò)去除余量/磨拋力映射關(guān)系，在力控法向上保證接觸力，在位控切向上保證軌跡跟蹤精度亦是實(shí)現(xiàn)葉片高品質(zhì)加工的關(guān)鍵。

因此，圍繞葉片機(jī)器人磨拋加工中所涉及的上述關(guān)鍵工藝技術(shù)難點(diǎn)，本文對(duì)已公開(kāi)發(fā)表的國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)展開(kāi)系統(tǒng)而全面的評(píng)價(jià)性分析，進(jìn)而通過(guò)分析指出未來(lái)極具潛力的研究方向，為基于機(jī)器人的智能制造發(fā)展提供思路。

1 機(jī)器人加工系統(tǒng)精確標(biāo)定

葉片機(jī)器人磨拋系統(tǒng)是結(jié)合機(jī)器人技術(shù)、信息技術(shù)與曲面加工技術(shù)的柔性加工系統(tǒng)[10]。為了保證磨拋系統(tǒng)加工精度，加工前需對(duì)加工系統(tǒng)進(jìn)行精確標(biāo)定以減少相對(duì)誤差。由于工具坐標(biāo)系標(biāo)定和機(jī)器人本體標(biāo)定技術(shù)方法發(fā)展較成熟，本文主要針對(duì)手眼標(biāo)定和工件坐標(biāo)系標(biāo)定展開(kāi)分析。

1.1 機(jī)器人手眼標(biāo)定

手眼標(biāo)定的實(shí)質(zhì)是建立機(jī)器人末端坐標(biāo)系和測(cè)量設(shè)備之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，進(jìn)而可以將測(cè)量數(shù)據(jù)向機(jī)器人末端進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)視覺(jué)設(shè)備與機(jī)器人安裝位置的不同，主要分為eye-in-hand(眼在手中)和eye-to-hand(眼在手外)。圖1為手眼標(biāo)定中的坐標(biāo)系與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，涉及基坐標(biāo)系Fb、機(jī)器人末端坐標(biāo)系Fe、測(cè)量設(shè)備坐標(biāo)系Fm等多個(gè)重要坐標(biāo)系。

目前適用于機(jī)器人測(cè)量的設(shè)備分為兩類(lèi)：一類(lèi)是主動(dòng)式測(cè)量設(shè)備，由測(cè)量設(shè)備發(fā)出光源并且由自身相機(jī)接收，采用編碼結(jié)構(gòu)光等相關(guān)算法處理測(cè)距；另一類(lèi)是非主動(dòng)式測(cè)量也稱(chēng)被動(dòng)測(cè)量，設(shè)備接收測(cè)量表面反射光，利用立體匹配等算法進(jìn)行測(cè)距。常用的主動(dòng)式測(cè)量設(shè)備有激光掃描儀、結(jié)構(gòu)光(藍(lán)光)掃描儀等，被動(dòng)式測(cè)量設(shè)備有CMOS相機(jī)、CCD工業(yè)相機(jī)等單目和多目視覺(jué)設(shè)備。一般而言，主動(dòng)式測(cè)量精度要比被動(dòng)式測(cè)量精度高1到2個(gè)數(shù)量級(jí)，因此基于被動(dòng)式測(cè)距的雙目視覺(jué)設(shè)備常被用于機(jī)器人抓取、激光焊接、移動(dòng)避障等領(lǐng)域，而掃描儀等常被用于精密測(cè)量、缺陷檢測(cè)等領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)關(guān)于手眼標(biāo)定技術(shù)的研究主要分為兩種：直接標(biāo)定法和間接標(biāo)定法。前者通過(guò)獲取測(cè)量設(shè)備(眼)和機(jī)器人末端(手)上公共點(diǎn)、線(xiàn)、面等特征，利用公共特性直接耦合得到轉(zhuǎn)換向量，標(biāo)定過(guò)程可以一步實(shí)現(xiàn)；后者一般分為兩步，即標(biāo)定旋轉(zhuǎn)分量和標(biāo)定平移分量，通過(guò)標(biāo)定工具與機(jī)器人之間存在固定幾何關(guān)系這一特性，通過(guò)重復(fù)多次測(cè)量，以消元的方法間接計(jì)算轉(zhuǎn)換向量。表1總結(jié)并比較了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外不同手眼標(biāo)定方法[46-52]。

表1 不同手眼標(biāo)定方法比較分析[46-52]

1.1.1 直接標(biāo)定法

國(guó)外學(xué)者Carlson等[46]在2015年提出了利用非平行平面的法向量耦合方式，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)激光掃描儀與機(jī)器人的手眼標(biāo)定，根據(jù)初始轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算測(cè)量數(shù)據(jù)誤差，對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行迭代，計(jì)算最小二乘解，該算法在對(duì)機(jī)器人焊接焊縫跟蹤應(yīng)用領(lǐng)域，具有良好的跟蹤效果。與此同時(shí)，張宗郁等[47]提出利用三坐標(biāo)儀和激光傳感器對(duì)工具末端進(jìn)行定位，標(biāo)定過(guò)程采用四點(diǎn)法，直接利用非共面的空間點(diǎn)重合的方程來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)換矩陣，完成對(duì)激光傳感器的標(biāo)定，標(biāo)定誤差保持在0.4 mm以?xún)?nèi)，可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)導(dǎo)管數(shù)字化焊接需求。張鐵等[48]提出了砂帶打磨系統(tǒng)的手眼標(biāo)定模型，利用線(xiàn)激光測(cè)量標(biāo)定工具尖點(diǎn)坐標(biāo)信息，提出基于測(cè)量誤差權(quán)重分配的奇異值分解，將平均誤差降低了45.9%，最大誤差降低了24%，在提升標(biāo)定方法穩(wěn)定性、魯棒性方面表現(xiàn)出良好效果。主動(dòng)式測(cè)量設(shè)備采用直接標(biāo)定法，其標(biāo)定思路和技術(shù)路線(xiàn)上相對(duì)簡(jiǎn)單。

1.1.2 間接標(biāo)定法

為了將建立坐標(biāo)系之間聯(lián)系的空間點(diǎn)進(jìn)行“放大”處理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始采用標(biāo)準(zhǔn)球、標(biāo)定盤(pán)、棋盤(pán)格等作為標(biāo)定工具進(jìn)行標(biāo)定(圖2)[50-51]。Li等[49]通過(guò)分析標(biāo)準(zhǔn)球-掃描儀標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，掃描精度與球體上的掃描區(qū)域有關(guān)，通過(guò)找到適當(dāng)?shù)膾呙鑵^(qū)域進(jìn)行掃描，可以提高標(biāo)準(zhǔn)球心的定位精度，并提出基于差分運(yùn)動(dòng)學(xué)的新型正交化算法標(biāo)定旋轉(zhuǎn)矩陣，最終將標(biāo)定精度提高至0.057 3 mm， 適用于各類(lèi)復(fù)雜葉片的機(jī)器人磨拋系統(tǒng)標(biāo)定。隨后，進(jìn)一步提出了一種基于標(biāo)準(zhǔn)球和工具中心點(diǎn)TCP(Tool Center Point)的手眼標(biāo)定方法[50]，采用設(shè)定的機(jī)器人末端平移和旋轉(zhuǎn)策略，分兩步確定平移、旋轉(zhuǎn)矩陣，將掃描儀平移誤差和旋轉(zhuǎn)誤差分別降低到0.132 mm和0.032 mm，球心擬合誤差降低至0.06 mm。2018年Chen等[51]提出利用半徑已知的標(biāo)定盤(pán)對(duì)激光器進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)平行移動(dòng)采集多線(xiàn)條數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算標(biāo)定盤(pán)中心的位置，利用盤(pán)面法向量和掃描平面幾何關(guān)系建立標(biāo)定盤(pán)中心和TCP點(diǎn)相對(duì)位置關(guān)系，重復(fù)多次，最終使得系統(tǒng)標(biāo)定精度達(dá)到0.208 mm，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.071 mm， 具有較好的魯棒性和穩(wěn)定性。Lee等[52]在相機(jī)內(nèi)外參數(shù)已知的情況下，結(jié)合二維標(biāo)記點(diǎn)建立棋盤(pán)格與機(jī)器人基坐標(biāo)系聯(lián)系，通過(guò)多視角棋盤(pán)三維信息，對(duì)雙目視覺(jué)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，平移誤差可以達(dá)到0.7 mm以?xún)?nèi)，旋轉(zhuǎn)誤差達(dá)到0.2° 以?xún)?nèi)，適合于移動(dòng)機(jī)器人抓取、避障等領(lǐng)域。

圖2 不同的手眼標(biāo)定方式Fig.2 Different hand-eye calibration methods

從手眼標(biāo)定的研究現(xiàn)狀不難得出，直接標(biāo)定法標(biāo)定過(guò)程簡(jiǎn)單，但標(biāo)定精度一般較差；間接標(biāo)定法標(biāo)定精度較高，但標(biāo)定過(guò)程繁雜，容易造成誤差累積。考慮到機(jī)器人自身的絕對(duì)定位精度(1～2 mm) 要遠(yuǎn)低于機(jī)器人重復(fù)定位精度(0.1 mm級(jí)別)，因此在標(biāo)定過(guò)程中減少機(jī)器人絕對(duì)定位誤差的引入可以從源頭上保證機(jī)器人-視覺(jué)系統(tǒng)的標(biāo)定精度。針對(duì)這一問(wèn)題，結(jié)合拍照式藍(lán)光掃描儀的特性，彭真[53]最近提出了一種基于機(jī)器人“重定位”的eye-to-hand手眼標(biāo)定方法，如圖3所示，在極大程度上減少了機(jī)器人絕對(duì)定位誤差的引入。該方法通過(guò)兩坐標(biāo)系多空間點(diǎn)坐標(biāo)耦合，同時(shí)完成平移矩陣和旋轉(zhuǎn)矩陣的標(biāo)定，杜絕二次誤差的引入。對(duì)比文獻(xiàn)[54]標(biāo)定方法的標(biāo)準(zhǔn)球擬合誤差0.099 mm，該方法的標(biāo)定球擬合誤差為0.068 mm， 擬合精度提升約45%，而且標(biāo)定穩(wěn)定性更高。另外，相比文獻(xiàn)[55]線(xiàn)激光掃描葉片耗時(shí)40 s以上，該方法應(yīng)用拍照式結(jié)構(gòu)光掃描儀在對(duì)葉片進(jìn)行多角度點(diǎn)云掃描、拼接耗時(shí)僅為9.3 s，在掃描效率上優(yōu)勢(shì)明顯。

圖3 基于機(jī)器人重定位的eye-to-hand標(biāo)定方法[53]Fig.3 Eye-to-hand calibration method based on robot repositioning[53]

1.2 工件坐標(biāo)系標(biāo)定

葉片工件標(biāo)定的實(shí)質(zhì)是解決設(shè)計(jì)CAD坐標(biāo)系向虛擬工作站設(shè)定工件坐標(biāo)系耦合的問(wèn)題，保證規(guī)劃路徑點(diǎn)與實(shí)際加工點(diǎn)在位置、姿態(tài)上能夠高度一致。圖4為工件標(biāo)定中的坐標(biāo)系[53]，F(xiàn)e(tool0)為機(jī)器人末端坐標(biāo)系，F(xiàn)CAD為設(shè)計(jì)CAD模型坐標(biāo)系，Wobj1為用戶(hù)設(shè)定工件坐標(biāo)系，F(xiàn)tool為砂帶機(jī)工具坐標(biāo)系。其標(biāo)定方式主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是利用標(biāo)定桿、LVDT探針等標(biāo)定工具的接觸式測(cè)量，第二類(lèi)是利用視覺(jué)設(shè)備的非接觸式測(cè)量。

圖4 工件標(biāo)定中的坐標(biāo)系[53]Fig.4 Coordinate system in workpiece calibration[53]

1.2.1 接觸式標(biāo)定

早在2002年宋月娥等[56]針對(duì)圓形基準(zhǔn)工件提出了“四點(diǎn)法”的標(biāo)定思路。如圖5所示[55,57-58]，Sun等[57]率先提出利用標(biāo)準(zhǔn)球?qū)VDT探針進(jìn)行標(biāo)定，并設(shè)定CAD模型坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系，利用標(biāo)定探針跟蹤幾條葉片輪廓線(xiàn)，將離散的CAD輪廓線(xiàn)與探針的軌跡線(xiàn)進(jìn)行擬合，得到工件坐標(biāo)系，顯示出較好標(biāo)定精度。Leali等[58]提出利用標(biāo)定探針對(duì)孔洞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜零件進(jìn)行標(biāo)定。該方法將CAD模型作為參考坐標(biāo)系，選定至少2個(gè)孔洞作為標(biāo)定特征，利用標(biāo)定探針在實(shí)際工件模型中接觸對(duì)應(yīng)的孔洞并修正參考坐標(biāo)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)離線(xiàn)或在線(xiàn)標(biāo)定。Xu等[55]利用標(biāo)定探針設(shè)計(jì)了半自動(dòng)化標(biāo)定方案。該方法先在CAD模型中尋找特征點(diǎn)，再操縱機(jī)器人使探針接觸特征點(diǎn)，計(jì)算出粗標(biāo)定矩陣，隨后利用離線(xiàn)編程在CAD模型中規(guī)劃多個(gè)路徑點(diǎn)，運(yùn)行自動(dòng)標(biāo)定程序，使探針接觸工件表面路徑點(diǎn)，反復(fù)迭代多次，對(duì)粗標(biāo)定矩陣進(jìn)行修正，得到精標(biāo)定矩陣，相對(duì)誤差可以控制在0.1 mm以?xún)?nèi)。

圖5 工件坐標(biāo)系接觸式標(biāo)定方式Fig.5 Contact calibration methods for workpiece coordinate

1.2.2 非接觸式標(biāo)定

早在2005年張文增等[59]為了完成焊接機(jī)器人工件標(biāo)定，提出了一種無(wú)需其它設(shè)備的工件坐標(biāo)系標(biāo)定方法，利用機(jī)器人自身編碼值通過(guò)示教機(jī)器人TCP分別沿著工件坐標(biāo)系的Z軸和Y軸進(jìn)行兩次定位，根據(jù)機(jī)器人各軸角度值，結(jié)合機(jī)器人自身參數(shù)即可標(biāo)定出工件坐標(biāo)系，但操作難度大，過(guò)程較為復(fù)雜。為了提高標(biāo)定效率和自動(dòng)化程度，陳巍等[60]在2014年提出了將點(diǎn)云配準(zhǔn)應(yīng)用于工件標(biāo)定。如圖6所示，陳巍[61]首先利用三維激光掃描儀對(duì)工件進(jìn)行掃描，其次基于CAD模型與測(cè)量點(diǎn)云依次進(jìn)行主成分分析(PCA)初始配準(zhǔn)、迭代最近點(diǎn)(ICP)精配準(zhǔn)以獲取準(zhǔn)確的工件坐標(biāo)系，具有相對(duì)較好的標(biāo)定效率和精度，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片類(lèi)小型工件的標(biāo)定表現(xiàn)出較好的實(shí)用效果。為了解決大型工件的標(biāo)定問(wèn)題，胡晨晨[62]提出了利用激光位移傳感器(PSD)結(jié)合點(diǎn)云配準(zhǔn)方法對(duì)風(fēng)電葉片進(jìn)行標(biāo)定，首先使用九點(diǎn)擬合法測(cè)量葉片表面標(biāo)志點(diǎn)，進(jìn)行粗標(biāo)定，再利用ICP方法對(duì)局部點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片精標(biāo)定，將整體標(biāo)定平均誤差控制2 mm以?xún)?nèi)，可以滿(mǎn)足加工要求。

圖6 工件坐標(biāo)系非接觸式標(biāo)定方法Fig.6 Non-contact calibration methods for workpiece coordinate system

上述研究表明：雖然接觸式標(biāo)定成本低，但標(biāo)定精度相對(duì)較差，且自動(dòng)化程度低，不易實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；現(xiàn)有非接觸式標(biāo)定方法將視覺(jué)算法引入工件坐標(biāo)系標(biāo)定，但仍然存在算法通用性差、標(biāo)定效率不高的缺陷。為了解決葉片類(lèi)復(fù)雜零件快速標(biāo)定問(wèn)題，彭真等[53, 63]提出了一種基于特征匹配的點(diǎn)云粗配準(zhǔn)與BBF加速搜索優(yōu)化ICP算法精配準(zhǔn)相結(jié)合的工件標(biāo)定技術(shù)方法，如圖7所示。在工件標(biāo)定效率上，該方法使得20萬(wàn)數(shù)量級(jí)的葉片點(diǎn)云配準(zhǔn)總耗時(shí)僅為8.9 s，點(diǎn)云配準(zhǔn)誤差降低至0.26 mm，與文獻(xiàn)[55]、文獻(xiàn)[61]以及手動(dòng)標(biāo)定方法相比，分別提升了75%、88.3%和85.4%。在工件標(biāo)定精度上，該方法相比前述三種標(biāo)定方法分別提高了8.7%、5.8%和51.6%，而且標(biāo)定結(jié)果具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，顯著提升了葉片機(jī)器人磨拋加工系統(tǒng)自動(dòng)化程度。

圖7 基于特征匹配的葉片坐標(biāo)系標(biāo)定方法[53]Fig.7 Calibration method of blade coordinate system based on feature matching[53]

2 測(cè)量點(diǎn)云高效匹配

葉片型面復(fù)雜，在線(xiàn)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)規(guī)模大(十萬(wàn)/百萬(wàn)級(jí))，且表面存在著強(qiáng)反光、半折射等不利測(cè)量因素，測(cè)量數(shù)據(jù)易出現(xiàn)孔洞、裂縫和噪聲等現(xiàn)象，批量化磨拋第一片葉片時(shí)點(diǎn)云匹配耗時(shí)較長(zhǎng)。因此，對(duì)大規(guī)模測(cè)量點(diǎn)云進(jìn)行高效處理與精準(zhǔn)匹配是實(shí)現(xiàn)葉片機(jī)器人磨拋的關(guān)鍵。

2.1 大規(guī)模點(diǎn)云高效處理

目前針對(duì)小規(guī)模點(diǎn)云的濾波去噪、光順平滑、孔洞修復(fù)和精簡(jiǎn)壓縮等預(yù)處理有較多的研究成果。在點(diǎn)云去噪平滑方面，Hu等[64]提出了一種基于三維均值漂移(Mean Shift)的點(diǎn)云幾何信息降噪算法，能在保持局部幾何特征的同時(shí)實(shí)現(xiàn)濾波，但算法耗時(shí)、對(duì)特征的識(shí)別率不高；張?chǎng)蔚萚65]在此基礎(chǔ)上提出了基于點(diǎn)法線(xiàn)、曲率和位置等幾何信息的濾波技術(shù)，節(jié)約了一定的計(jì)算時(shí)間；Moghari和Abolmaesumi[66]采用卡爾曼濾波的方法實(shí)現(xiàn)了含有高斯噪聲的非線(xiàn)性曲面濾波。在點(diǎn)云精簡(jiǎn)壓縮方面，Miao等[67]綜合使用自適應(yīng)均值漂移聚類(lèi)方法和點(diǎn)云的曲率信息，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)云降采樣及壓縮精簡(jiǎn)；Song和Feng[68]考慮了特征間的區(qū)別，提出了一種采用層次聚類(lèi)和PCA降采樣的點(diǎn)云精簡(jiǎn)方法；Zhang等[69]在聚類(lèi)的基礎(chǔ)上加入彩色點(diǎn)云離散余弦變換(DCT)，用RANSAC算法將同類(lèi)點(diǎn)云擬合為三維空間平面，使用2D DCT 變換實(shí)現(xiàn)N×N網(wǎng)格點(diǎn)云壓縮。

雖然上述方法在處理少量點(diǎn)云時(shí)，能做到快速精準(zhǔn)，但處理大規(guī)模高密度3D點(diǎn)云時(shí)，曲率計(jì)算量劇增，算法耗時(shí)長(zhǎng)。實(shí)際上，點(diǎn)云去噪平滑與壓縮精簡(jiǎn)的關(guān)鍵在于能否有效地保持模型特征的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效處理[70]。Jia等[71]的最新研究提出了一種快速且魯棒性強(qiáng)的3D點(diǎn)云過(guò)濾算法。該方法首先對(duì)映射圖像進(jìn)行分割，將RGB圖像修改為深度圖像，并根據(jù)分割結(jié)果提取目標(biāo)物體的點(diǎn)云，近3000個(gè)離群噪點(diǎn)均被過(guò)濾且過(guò)濾時(shí)間僅為0.6 s左右。Hu等[72]的最新研究提出了一種針對(duì)大規(guī)模三維點(diǎn)云場(chǎng)景的輕量級(jí)、高效點(diǎn)云語(yǔ)義分割新算法RandLA-Net，該算法采用一種簡(jiǎn)單高效的隨機(jī)采樣來(lái)顯著減少計(jì)算量以及內(nèi)存消耗，比基于圖的方法SPG 快了近200倍。通過(guò)假設(shè)由點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出的曲面法線(xiàn)相對(duì)于信號(hào)相關(guān)的圖拉普拉斯矩陣是分段平滑的，Dinesh等[73]設(shè)計(jì)了一個(gè)信號(hào)相關(guān)的特征圖拉普拉斯正則化器(SDFGLR)，實(shí)驗(yàn)表明該算法顯示較為優(yōu)異的降噪性能。

具體針對(duì)葉片測(cè)量點(diǎn)云，在對(duì)點(diǎn)云精簡(jiǎn)時(shí)，需綜合考慮曲面特性和采樣間距，以期在高曲率區(qū)域(前后緣和葉冠葉根)保留更多采樣點(diǎn)以保持曲面原始形狀，在平坦區(qū)域(葉盆和葉背)保留較少采樣點(diǎn)。相比于均勻采樣法、層次聚類(lèi)法，基于重聚類(lèi)測(cè)量的精簡(jiǎn)方法能有效解決航空薄壁葉片葉緣高曲率特征區(qū)域及點(diǎn)云稀疏區(qū)域取樣不足問(wèn)題[74]。由于光學(xué)檢測(cè)過(guò)程中，在線(xiàn)掃描葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)規(guī)模大且存在噪點(diǎn)，Li等[75]提出了一種系統(tǒng)的精簡(jiǎn)、光順以及參數(shù)提取方法。進(jìn)一步，在解決現(xiàn)有平滑方法的特征收縮問(wèn)題時(shí)，Li等[76]綜合考慮噪聲水平和表面特征，提出了一種圖8所示的點(diǎn)采樣葉片表面的自適應(yīng)雙邊平滑方法，其平滑誤差僅為0.010 9，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)平滑商業(yè)軟件Geomagic Studio的0.054 0，Imageware的0.461 3，以及高斯平滑方法的0.588 6、拉普拉斯平滑方法的0.079 7、雙邊平滑等方法的0.032 3。所提出的方法不需要表面三角剖分或復(fù)雜的特征提取，當(dāng)對(duì)象是3D點(diǎn)采樣表面時(shí)具有廣泛的適應(yīng)性。

圖8 自適應(yīng)雙邊平滑結(jié)果(兩次迭代)[76]Fig.8 Adaptive bilateral smoothing results (two iterations)[76]

2.2 點(diǎn)云-設(shè)計(jì)曲面三維匹配

機(jī)器人磨拋加工中，葉片為單端夾持，進(jìn)行批量加工時(shí)，必然會(huì)存在裝夾偏差，導(dǎo)致實(shí)際的工件坐標(biāo)系發(fā)生變化。將點(diǎn)云匹配技術(shù)應(yīng)用到機(jī)器人磨拋加工中，旨在解決以上問(wèn)題：獲取工件坐標(biāo)系、校正裝夾偏差并使磨拋量均勻[60]。目前，點(diǎn)云匹配一般分為兩個(gè)階段：粗匹配和精匹配。常用的點(diǎn)云粗匹配算法有PCA算法、四點(diǎn)一致集(4PCS)算法、三維正態(tài)分布變換(3D-NDT)算法、基于局部特征描述(如FPFH特征)算法等；而點(diǎn)云精匹配算法包括ICP、深度序列/樹(shù)匹配(SDM/TDM)、自適應(yīng)距離函數(shù)(ADF)、方差最小化(VMM)算法等，如表2所示[44，77]，其中以ICP算法應(yīng)用最廣，該算法對(duì)重疊率高、初始位置接近的點(diǎn)云配準(zhǔn)效果良好，但計(jì)算量大、迭代收斂速度緩慢?；诟倪M(jìn)的ICP算法在解決由于裝夾偏差所引起的余量非均勻問(wèn)題上發(fā)揮出一定作用。例如，Li和Song[78]將動(dòng)態(tài)調(diào)整因子引入ICP算法中，在不影響收斂方向的前提下，提高了迭代效率；Mavridis等[79]提出了一種高效稀疏ICP算法極大地提高了匹配中對(duì)噪聲、異常值的適應(yīng)能力；Yang等[80]提出了Go-ICP全局配準(zhǔn)算法，將分支界定法引入ICP算法，一定程度上可以防止陷入局部最優(yōu)。

表2 不同點(diǎn)云匹配算法比較[44, 77]

實(shí)際生產(chǎn)中，由于葉片坐標(biāo)系和機(jī)器人末端坐標(biāo)系的偏移量較大或葉片自身余量分布極不均勻，直接用ICP算法進(jìn)行匹配容易達(dá)到局部最優(yōu)，需要經(jīng)過(guò)粗匹配之后再進(jìn)行精匹配，這對(duì)現(xiàn)有點(diǎn)云匹配算法提出了改進(jìn)需求。Li等[22,81-83]提出了一種VMM算法用于顯著提升葉片類(lèi)復(fù)雜零件匹配精度，其基本思想是將目標(biāo)函數(shù)定義為從每個(gè)測(cè)量點(diǎn)到設(shè)計(jì)模型的最近距離的方差，并通過(guò)將平均距離項(xiàng)合并到目標(biāo)函數(shù)中來(lái)考慮測(cè)量缺陷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法的匹配誤差由傳統(tǒng)ICP算法、TDM算法的0.045 mm和0.052 mm降低至0.011 mm，如圖9所示，其中內(nèi)部黑線(xiàn)為設(shè)計(jì)模型，外部線(xiàn)為測(cè)量點(diǎn)截面，po為測(cè)量點(diǎn)不完整度。

圖9 截面色譜[83]Fig.9 Section chromatogram[83]

3 加工軌跡自適應(yīng)規(guī)劃

葉片類(lèi)復(fù)雜零件機(jī)器人自適應(yīng)加工主要以機(jī)器人進(jìn)給速度或加工對(duì)象的幾何形狀為調(diào)整目標(biāo)，其研究重點(diǎn)關(guān)注加工軌跡智能規(guī)劃。因此，合理而有效的軌跡規(guī)劃方法直接決定了葉片加工的可行性以及加工質(zhì)量和效率。

3.1 葉片砂帶磨拋軌跡規(guī)劃

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)葉片類(lèi)自由曲面的砂帶磨拋加工軌跡規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行了大量研究。砂帶磨拋加工中，最重要的是要保證接觸輪與工件曲面局部貼合，因此曲面曲率是磨拋路徑生成的主要因素之一[35, 84]?，F(xiàn)有文獻(xiàn)利用自由曲面的最小主曲率方向與砂帶接觸輪軸線(xiàn)方向重合的方式，或基于接觸輪曲率特征，應(yīng)用無(wú)干涉原則、有效空間原則以及切寬最大原則來(lái)進(jìn)行軌跡規(guī)劃，或根據(jù)曲線(xiàn)當(dāng)前位置的曲率特性進(jìn)行基于曲率的最大速度限定，并分別開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究，提高了磨拋效率和加工質(zhì)量。

針對(duì)航空葉片砂帶磨拋加工中部分區(qū)域誤差可能超過(guò)設(shè)計(jì)允差進(jìn)而形成誤差區(qū)域這一顯著問(wèn)題，Yang等[85]提出了一種路徑規(guī)劃方法用于精確確定葉片表面誤差區(qū)域。該方法首先構(gòu)建不規(guī)則誤差區(qū)域的磨拋曲線(xiàn)，然后確定磨拋加工的初始輪路徑和最后路徑，最后確定磨拋輪的軌跡位置。Wang等[86]從動(dòng)力學(xué)角度開(kāi)展了對(duì)六軸數(shù)控砂帶磨拋葉片進(jìn)給速率優(yōu)化的研究，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)程序可直接用于后置處理。Huang等[87]提出了一種基于加工精度控制的軌跡規(guī)劃方法來(lái)提高自由曲面的砂帶磨拋效率和精度，同時(shí)提出了一種避免接觸輪與工件干涉的接觸輪尺寸優(yōu)化方法。在具體的曲面路徑算法上，大部分已有成果多是把曲面的法曲率看作一個(gè)接觸運(yùn)動(dòng)的幾何約束條件，在滿(mǎn)足該約束條件的情況下，才能正確地磨拋工件。由此容易導(dǎo)致在葉片前后緣曲率變化較大處，磨拋點(diǎn)密度低，進(jìn)而出現(xiàn)弦高誤差超差情況，產(chǎn)生過(guò)切現(xiàn)象，影響加工質(zhì)量。

3.2 機(jī)器人磨拋軌跡自適應(yīng)規(guī)劃

復(fù)雜零件機(jī)器人加工軌跡規(guī)劃類(lèi)似于移動(dòng)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中尋找一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的無(wú)碰撞路徑，規(guī)劃方法需適應(yīng)復(fù)雜零件特征區(qū)域形狀與尺寸不確定情形。早在2002年葉片機(jī)器人磨拋技術(shù)興起時(shí)，Huang等[88]開(kāi)發(fā)出一種結(jié)合自適應(yīng)路徑生成的被動(dòng)柔順工具(PCT)，用于解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)刀路生成方法在加工表面質(zhì)量和尺寸精度方面的不足。如圖10所示，為了實(shí)現(xiàn)所需的葉片輪廓平滑度，對(duì)自適應(yīng)規(guī)劃的刀路角度進(jìn)行了微調(diào)，以去除葉片釬焊區(qū)和非釬焊區(qū)之間的過(guò)渡線(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)了平滑的翼型輪廓。實(shí)際上，利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件高效精密加工的另一個(gè)目的在于如何通過(guò)刀路規(guī)劃來(lái)盡可能覆蓋整個(gè)加工表面。為解決此問(wèn)題，Chaves-Jacob等[89]利用擺線(xiàn)、黑桃和三角等三種基本的圖形模式對(duì)刀具路徑進(jìn)行優(yōu)化，顯著改善了刀具的磨損和表面覆蓋率，并有效提高復(fù)雜零件的拋光表面質(zhì)量。然而由于拋光軌跡是復(fù)雜的并且需要重復(fù)多次，因此加工效率無(wú)法得到保證。

圖10 機(jī)器人路徑優(yōu)化以去除橫向過(guò)渡線(xiàn)[88]Fig.10 Robot path optimization for removing transverse transition lines[88]

通過(guò)考慮砂帶磨拋時(shí)柔性接觸和寬行加工的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合經(jīng)典的截面法和優(yōu)化后的步長(zhǎng)計(jì)算方法，Wang和Yun[20]提出了一種新的機(jī)器人砂帶磨拋路徑規(guī)劃算法。該方法對(duì)于曲率較小的局部表面，相鄰刀位點(diǎn)之間的曲線(xiàn)長(zhǎng)度變長(zhǎng)以保證加工效率，而對(duì)于曲率較大的局部區(qū)域，曲線(xiàn)長(zhǎng)度變短以確保加工精度。通過(guò)組合笛卡爾空間樣條曲線(xiàn)和關(guān)節(jié)空間B樣條曲線(xiàn)，Liu等[90]提出了一種時(shí)間最優(yōu)、Jerk連續(xù)的機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法，獲得了高平滑的跟蹤性能。Zhou等[91]的最新研究表明，使用一種時(shí)變等壓面(TVIS)方法用于虛擬機(jī)器人磨拋時(shí)產(chǎn)生的恒力，通過(guò)構(gòu)造TVIS網(wǎng)格來(lái)替換弱剛性工件的原始幾何形狀，可以智能規(guī)劃磨拋路徑。該方法通過(guò)三組加工實(shí)驗(yàn)，對(duì)工件類(lèi)型和加工工藝顯示出較好魯棒性?；诩?xì)化算法，Ma等[92]提出了一種針對(duì)復(fù)雜表面機(jī)器人砂帶磨拋的路徑規(guī)劃方法。如圖11所示，該方法通過(guò)三個(gè)步驟分別求解機(jī)器人的磨拋位置和方向，并以水龍頭為研究對(duì)象開(kāi)展仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表面粗糙度值達(dá)到0.086 μm，能有效避免“過(guò)切”風(fēng)險(xiǎn)。

圖11 基于不同方法的水龍頭目標(biāo)點(diǎn)生成仿真[92]Fig.11 Target points simulation with faucet generated by different methods[92]

現(xiàn)有機(jī)器人加工軌跡規(guī)劃方法主要是基于現(xiàn)有模型的刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)或商業(yè)CAD/CAM軟件包，其研究普遍將軌跡規(guī)劃視為一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何問(wèn)題，缺少對(duì)機(jī)器人加工中動(dòng)力學(xué)的考量，從而影響加工精度[93]。與剛性機(jī)床不同，具有柔性接觸的機(jī)器人砂帶磨拋加工可能會(huì)導(dǎo)致加工精度產(chǎn)生偏差，同時(shí)影響加工效率。尤其針對(duì)薄壁葉片磨拋加工，關(guān)于法曲率對(duì)葉片進(jìn)排氣邊緣磨拋路徑的工藝要求暫未進(jìn)行深入研究。早期文獻(xiàn)[94]提出利用如圖12所示的曲率梳來(lái)表征葉片前后緣曲率大部位的磨拋路徑，并建議使用較長(zhǎng)的離散時(shí)間以解決葉片邊緣光滑連續(xù)的機(jī)器人磨拋加工，而使用較小的離散時(shí)間來(lái)提升葉片加工效率。

圖12 葉片機(jī)器人磨拋路徑曲線(xiàn)的曲率梳圖[94]Fig.12 Curvature comb plot of blisk robotic grinding path curve[94]

最近，Lv等[16]通過(guò)考慮加工彈性變形和曲率變化的綜合影響，提出了一種適合葉片前后緣機(jī)器人砂帶磨拋加工的軌跡規(guī)劃算法。該算法主要分為三個(gè)步驟：首先，輸入工件與接觸輪的材料物理特性參數(shù)、工藝參數(shù)以及刀具幾何參數(shù)；其次，開(kāi)發(fā)基于材料去除廓形(MRP)模型的等殘留高度算法和改進(jìn)的等弦高誤差算法，以分別生成刀具路徑和磨拋點(diǎn)，前者充分考慮彈性變形的影響，可以根據(jù)工藝參數(shù)的變化進(jìn)行合理的路徑間隔規(guī)劃，而后者可以自適應(yīng)地增加曲率變化較大的路徑上的磨拋點(diǎn)，防止出現(xiàn)“過(guò)切”現(xiàn)象；最后，基于OpenCASCADE生成加工軌跡規(guī)劃軟件，根據(jù)磨拋點(diǎn)數(shù)據(jù)生成機(jī)器人的操作指令，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的自適應(yīng)機(jī)器人砂帶磨拋軌跡規(guī)劃算法的可行性，分別如圖13和圖14所示。

圖13 改進(jìn)前后軌跡規(guī)劃仿真結(jié)果對(duì)比[16]Fig.13 Comparison of trajectory planning results before and after improvement[16]

圖14 基于不同軌跡規(guī)劃算法的葉片前后緣磨拋效果[16]Fig.14 Grinding effects at blade leading and trailing edges by different trajectory planning algorithms[16]

4 柔順力精密控制

接觸力是實(shí)現(xiàn)余量控制的有效手段，其精密控制是發(fā)揮機(jī)器人高性能加工能力的關(guān)鍵[95]。目前，主要通過(guò)外部機(jī)構(gòu)或傳感器來(lái)感知并控制接觸力，從而獲得理想的加工表面質(zhì)量和型面精度。接觸力控制可分為主動(dòng)柔順力控制和被動(dòng)柔順力控制[96]。

4.1 主動(dòng)柔順力控制

主動(dòng)柔順力控制主要依靠外部多維力傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程的精確力控制。目前，大量的主動(dòng)力控制研究從不同角度對(duì)未知環(huán)境進(jìn)行力估計(jì)，主要分為傳統(tǒng)控制算法和現(xiàn)代智能控制算法。前者主要包含PID控制、阻抗控制、力位混合控制、自適應(yīng)控制等[42,96-98]；后者主要包含模糊控制、模糊PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法控制、導(dǎo)納控制等[39, 99]。

在傳統(tǒng)控制算法方面：Duan等[100]針對(duì)機(jī)器人外部加工環(huán)境的不確定性提出了一種自適應(yīng)變阻抗控制方法，通過(guò)在線(xiàn)調(diào)整阻抗參數(shù)來(lái)獲得期望力和預(yù)計(jì)加工效果。Chaudhary等[101]在一個(gè)6自由度的PUMA機(jī)器人上構(gòu)造了一個(gè)ANFISI -PD +I模型，通過(guò)力位混合控制策略可以減少外部環(huán)境擾動(dòng)。Kong等[102]通過(guò)仿真動(dòng)態(tài)環(huán)境的復(fù)雜特性設(shè)計(jì)了優(yōu)化的PID控制器，使液壓驅(qū)動(dòng)單元獲得了更好的力控性能。

在現(xiàn)代智能控制算法方面：Chen等[103]對(duì)比分析了開(kāi)環(huán)和模糊PID控制算法，提出了一種模糊滑?？刂品椒?，減小了振蕩周期，達(dá)到預(yù)期的控制效果。Khalick Mohammad等[104]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NNW)和遺傳算法(GA)對(duì)性能參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了材料精確去除。Lee 和 Newman[105]采用混合導(dǎo)納位置控制算法將約束運(yùn)動(dòng)空間劃分為兩個(gè)正交的子空間，實(shí)現(xiàn)了柔性控制。

傳統(tǒng)控制算法實(shí)現(xiàn)容易，效果較好，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人磨拋加工過(guò)程中，但對(duì)于復(fù)雜未知場(chǎng)景控制效果不佳；現(xiàn)代智能控制算法操作過(guò)程簡(jiǎn)單，不局限于加工環(huán)境，具有較高的估計(jì)精度，但離實(shí)際應(yīng)用還有一定的發(fā)展空間。表3列舉了近年來(lái)力控制算法在復(fù)雜零件機(jī)器人磨拋加工中的應(yīng)用情況[39，106-109]。

表3 不同主動(dòng)力控制算法對(duì)比[39，106-109]Table 3 Comparison of different force control algorithms[39，106-109]

雖然目前尚無(wú)針對(duì)復(fù)雜零件機(jī)器人磨拋力控精度的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或準(zhǔn)則，但可以看出，不同對(duì)象所需要的力精密控制精度的目標(biāo)值各異。特別地，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片小余量去除，其力控精度普遍要求不高于1 N，已公開(kāi)報(bào)道的剛?cè)狁詈系娜珨?shù)字式力控砂帶磨拋單元的打磨力控精度能達(dá)到±0.5 N[110]。劉樹(shù)生[111]認(rèn)為對(duì)于R0.1 mm 級(jí)的進(jìn)排氣邊磨削成型和拋光，接觸力可能會(huì)小于2 N，考慮到磨削質(zhì)量，接觸力的分辨率不會(huì)高于0.5 N，最好能控制在0.1 N 級(jí)別，這對(duì)現(xiàn)有的力控傳感器和砂帶機(jī)構(gòu)導(dǎo)向裝置提出了極大挑戰(zhàn)。

4.2 被動(dòng)柔順力控制

被動(dòng)柔順力控制主要借助于安裝在機(jī)器人末端或者接觸空間上具有柔順功能的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)程力的被動(dòng)調(diào)節(jié)控制。根據(jù)其功能主要分為兩類(lèi)：柔順?lè)ㄌm和柔順磨拋裝置。這兩種裝置都具有補(bǔ)償位置誤差、型面跟蹤、吸收振動(dòng)能量等優(yōu)勢(shì)，能夠避免機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)誤差所造成的干擾，在葉片類(lèi)復(fù)雜零件機(jī)器人精密磨拋加工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

美國(guó) MIT Draper 實(shí)驗(yàn)室[112]率先設(shè)計(jì)了一種被動(dòng)柔順裝置(Remote Center Compliance)，在一定范圍內(nèi)能夠進(jìn)行被動(dòng)柔順控制。奧地利的FerRobotics Compliant Robot Technology GmbH 公司開(kāi)發(fā)了一款柔順?lè)ㄌmACF(圖15(a))，通過(guò)安裝在機(jī)器人末端能夠?qū)崿F(xiàn)柔順打磨。但這種方式需要與打磨頭高度精密結(jié)合，因此后來(lái)又研發(fā)出了集被動(dòng)柔順功能與自動(dòng)磨拋功能于一體的AOK(圖15(b))，適用于風(fēng)電葉片、高鐵白車(chē)身、電動(dòng)客車(chē)等大型零部件的加工。此外，該公司還設(shè)計(jì)了一種ABG被動(dòng)柔順磨拋機(jī)(圖15(c))，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整接觸輪的位置來(lái)在線(xiàn)精準(zhǔn)控制過(guò)程力，尤其適用于葉片進(jìn)出氣邊等特殊部位的加工。雖然FerRobotics等公司的被動(dòng)柔順裝置已經(jīng)發(fā)展較為成熟，并且成功應(yīng)用于機(jī)器人加工中，但是針對(duì)機(jī)器人加工過(guò)程中的振動(dòng)抑制、型面精度控制等問(wèn)題沒(méi)有深入研究。因此，Lin等[113]建立了一個(gè)包含柔順?lè)ㄌm和電子壓力調(diào)節(jié)器的被動(dòng)柔順控制系統(tǒng)，通過(guò)采用阻抗控制使系統(tǒng)具有更好的響應(yīng)性能和穩(wěn)定性。華中科技大學(xué)趙源[114]設(shè)計(jì)了針對(duì)可調(diào)距螺旋槳的被動(dòng)柔順機(jī)構(gòu)(圖16)，并且基于相位整定增益設(shè)計(jì)了NPD 控制器，通過(guò)采用阻抗控制算法提高了系統(tǒng)抗干擾能力和穩(wěn)定性。Chen等[24-25]設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于機(jī)器人磨拋加工葉盤(pán)的新型被動(dòng)柔順機(jī)構(gòu)(圖17)，集成了兩種新型的渦流阻尼器，能夠改善動(dòng)力學(xué)性能并抑制振動(dòng)。通過(guò)采用力位混合控制算法(圖18)，機(jī)器人磨拋葉盤(pán)的過(guò)程力波動(dòng)從8 N減小到1 N，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人加工的動(dòng)態(tài)力波動(dòng)≤1 N，平均表面粗糙度從0.535 μm減小到0.194 μm。圖19為葉盤(pán)機(jī)器人磨拋加工效果對(duì)比?？梢钥闯霾捎盟O(shè)計(jì)的被動(dòng)柔順機(jī)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的被動(dòng)力控制方法后，葉盤(pán)表面的加工振紋消失，表面光滑柔順，能夠滿(mǎn)足加工需求。

圖15 奧地利FerRobotics的被動(dòng)柔順裝置Fig.15 Passive compliant control mechanisms of FerRobotics Company

圖16 針對(duì)可調(diào)距螺旋槳的被動(dòng)柔順機(jī)構(gòu)[114]Fig.16 Passive compliant control mechanism of controllable pitch propeller[114]

圖17 應(yīng)用于葉盤(pán)加工的被動(dòng)柔順裝置[24]Fig.17 Passive compliant control mechanisms applied to blisk polishing[24]

圖18 被動(dòng)柔順力控制算法[25]Fig.18 Passive compliant control force algorithm[25]

圖19 機(jī)器人磨拋加工葉盤(pán)效果對(duì)比[25]Fig.19 Comparison of effect by robotic polishing of blisk[25]

5 葉片機(jī)器人磨拋工程應(yīng)用

5.1 汽輪機(jī)葉片磨拋加工

以無(wú)錫透平葉片有限公司為代表的葉片制造企業(yè)是國(guó)內(nèi)率先將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到汽輪機(jī)葉片磨拋加工生產(chǎn)中的骨干企業(yè)。圖20為長(zhǎng)度740 mm 的某型核電葉片機(jī)器人砂帶磨拋現(xiàn)場(chǎng)。加工采用ABB IRB6650S-125/3.5工業(yè)機(jī)器人，其末端負(fù)載125 kg，工作范圍3.5 m，重復(fù)定位精度0.11 mm；葉片粗磨和精磨分別使用磨粒粒度P120和P240的陶瓷砂帶，拋光采用尼龍帶；大、小接觸輪的線(xiàn)速度分別為18.3 m/s和5.6 m/s，接觸輪支撐氣缸壓力設(shè)置為0.15 MPa。加工完成后，分別測(cè)量葉片的輪廓精度和表面粗糙度，用于評(píng)價(jià)葉片整體加工效果。檢測(cè)結(jié)果表明(圖21[22]和圖22[22])：加工后的葉片型面輪廓均處于葉片加工所要求的公差帶(±0.19 mm)范圍內(nèi)；葉片平均表面粗糙度0.287，遠(yuǎn)低于工藝要求的0.8。不同型號(hào)汽輪機(jī)葉片機(jī)器人砂帶磨拋效果如圖23[61]所示，3種不同的葉片磨拋方式效果對(duì)比見(jiàn)表4[61]。

圖20 汽輪機(jī)葉片機(jī)器人砂帶磨拋現(xiàn)場(chǎng)[22]Fig.20 Robotic belt grinding of steam turbine blade[22]

圖21 基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的葉片型面檢測(cè)[22]Fig.21 Profile inspection using CMM[22]

圖22 葉片表面粗糙度檢測(cè)點(diǎn)[22]Fig.22 Point layout for roughness inspection[22]

圖23 不同型號(hào)汽輪機(jī)葉片機(jī)器人砂帶磨拋效果[61]Fig.23 Grinding effects of different types of steam turbine blades[61]

表4 汽輪機(jī)葉片不同磨拋方式效果對(duì)比[61]

5.2 發(fā)動(dòng)機(jī)葉片磨拋加工

圖24為某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片機(jī)器人砂帶磨拋現(xiàn)場(chǎng)[115]。加工采用ABB IRB4400-60/1.96型工業(yè)機(jī)器人，其末端負(fù)載60 kg，工作范圍1.96 m，重復(fù)定位精度0.19 mm；砂帶(型號(hào)GXK51-P)平均磨粒尺寸80 μm；接觸輪線(xiàn)速度12.56 m/s，工件進(jìn)給速度60 mm/s。加工前后的葉片表面形貌如圖25所示，其內(nèi)外弧面平均輪廓精度±0.15 mm，平均表面粗糙度0.32(圖26)，滿(mǎn)足該葉片加工需求。同時(shí)，對(duì)比人工磨拋，機(jī)器人磨拋加工效率提高50%以上。

圖24 某型壓氣機(jī)葉片機(jī)器人砂帶磨拋現(xiàn)場(chǎng)[115]Fig.24 Robotic belt grinding of compressor blade[115]

圖25 葉片機(jī)器人砂帶磨拋前后磨拋效果對(duì)比[55]Fig.25 Comparison of grinding effects before and after robotic belt grinding of blade[55]

圖26 葉片加工后內(nèi)外弧面表面粗糙度對(duì)比[55]Fig.26 Surface roughness of concave and convex of aero-engine blade[55]

進(jìn)一步對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)葉片前后緣進(jìn)行機(jī)器人砂帶磨拋加工。加工采用ABB IRB6700-200/2.6型工業(yè)機(jī)器人，其末端負(fù)載200 kg，工作范圍2.6 m， 重復(fù)定位精度0.05 mm；葉片尺寸200 mm×120 mm×75 mm，其材料為T(mén)C4鈦合金；砂帶磨粒材質(zhì)為3M 384F AA-240氧化鋁陶瓷，磨粒粒度P240；加工采用如圖27所示的變過(guò)程參數(shù)策略，接觸輪線(xiàn)速度12.56 m/s，葉片內(nèi)外弧面的進(jìn)給速度20 mm/s，預(yù)設(shè)法向力20 N，葉片前后緣的進(jìn)給速度40 mm/s，預(yù)設(shè)法向力7 N。

圖27 葉片機(jī)器人砂帶磨拋?zhàn)冞^(guò)程參數(shù)策略[16]Fig.27 Variable process parameter strategy for robotic belt grinding of complex blade[16]

加工后的葉片前緣和后緣的平均輪廓精度誤差分別為0.031 9 mm和0.034 2 mm(圖28)，平均值為0.033 mm，遠(yuǎn)小于葉片所允許的0.08 mm公差范圍；與文獻(xiàn)[15]報(bào)道的0.058 mm相比，加工輪廓精度提升42.9%。

圖28 機(jī)器人砂帶磨拋后葉片3條截面的型面誤差[16]Fig.28 Blade profile errors on three sections after robotic belt grinding[16]

6 未來(lái)研究方向

1) 方向1：葉片特殊部位一體化磨拋加工

當(dāng)前已公開(kāi)的葉片機(jī)器人磨拋文獻(xiàn)主要是針對(duì)葉片內(nèi)外弧面以及前后緣進(jìn)行余量精密去除[16, 25, 108]。實(shí)際上，葉片除了內(nèi)外弧面和前后緣，還有榫頭R轉(zhuǎn)角、榫頭底座等特殊部位，對(duì)于尺寸較大的葉片甚至?xí)谄鋬?nèi)外弧面的中部設(shè)計(jì)阻尼凸臺(tái)以增強(qiáng)剛性并防止顫振。徐小虎[115]突破多項(xiàng)機(jī)器人磨拋關(guān)鍵技術(shù)，理論上某型壓氣機(jī)葉片加工表面覆蓋率可達(dá)到90%以上，但仍存在無(wú)法加工的部位需要后續(xù)人工輔助完成。因此，根據(jù)葉片特有的曲面特性，如何在盡可能減少裝夾次數(shù)的前提下通過(guò)集成不同的加工工具完成葉片特殊部位的一體化機(jī)器人磨拋加工，提升葉片加工表面覆蓋率是后續(xù)仍需解決的問(wèn)題之一。

2) 方向2：葉片機(jī)器人磨拋顫振機(jī)理及控制

現(xiàn)有的關(guān)于機(jī)器人加工顫振文獻(xiàn)主要圍繞機(jī)器人銑削展開(kāi)[116-119]，而較少關(guān)注機(jī)器人磨拋。實(shí)際上，對(duì)于磨拋加工余量分配不均勻的葉片，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)精鍛葉片，由于前后緣加工余量分配不均以及加工帶寬過(guò)窄，葉片邊緣區(qū)域可能出現(xiàn)“空跑現(xiàn)象”和受力不均加劇磨拋顫振(與機(jī)器人-夾具-葉片系統(tǒng)剛度亦有關(guān))。雖然現(xiàn)有的主動(dòng)力控制策略能有效保持加工過(guò)程力穩(wěn)定，但在加工起始和結(jié)束階段仍不可避免帶來(lái)振動(dòng)，影響加工質(zhì)量[120-121]。因此，如何將機(jī)器人依賴(lài)于位姿的剛性關(guān)系與磨拋過(guò)程中的顫振抑制相結(jié)合，通過(guò)加工系統(tǒng)剛性?xún)?yōu)化、加工過(guò)程參數(shù)優(yōu)化以及加工路徑順應(yīng)等手段，實(shí)現(xiàn)薄壁葉片機(jī)器人磨拋加工顫振抑制仍值得深入研究。

3) 方向3：葉片機(jī)器人磨拋表面完整性控制

當(dāng)前對(duì)于葉片機(jī)器人磨拋加工效果的評(píng)價(jià)多關(guān)注于加工后的表面粗糙度和輪廓精度[43, 108]，而對(duì)于加工表面完整性的研究較少，僅有的文獻(xiàn)來(lái)源于Wang等[26]對(duì)鎳基合金機(jī)器人砂帶磨拋的綜合性分析。實(shí)際上，為了提升機(jī)器人磨拋加工后的表面完整性，需要綜合分析機(jī)器人-刀具-工件之間的交互機(jī)理[122]。一方面，精確控制機(jī)器人磨拋過(guò)程中的材料去除量是柔性加工中的一項(xiàng)公開(kāi)難題，其核心是材料去除率建模[28, 120, 123-124]。另一方面，機(jī)器人磨拋加工中的變形、溫升、刀具磨損亦被認(rèn)為是引起加工精度偏差，進(jìn)而影響加工表面質(zhì)量的重要因素[125-128]。因此，如何從宏微觀(guān)層面探究葉片機(jī)器人磨拋加工后的表面完整性問(wèn)題值得深入分析。

4) 方向4：葉片機(jī)器人增減材混合制造工藝。

在使用機(jī)器人進(jìn)行復(fù)雜零件加工時(shí)，組合兩種及以上工藝步驟是發(fā)揮機(jī)器人高柔性和大操作空間特點(diǎn)的基礎(chǔ)[18]。葉片損傷修復(fù)技術(shù)旨在通過(guò)增材和減材相結(jié)合的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)損傷葉片的修復(fù)再制造，且修復(fù)后葉片的機(jī)械物理性能，如抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度不低于母材，能有效延長(zhǎng)葉片服役周期[129]。目前航空工業(yè)、Chromalloy、MTU等公司已初步開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研究，但仍然面臨“缺陷識(shí)別難、修復(fù)工藝難、磨拋智能化難”等難題。如何創(chuàng)新現(xiàn)有加工手段，開(kāi)發(fā)基于機(jī)器人的葉片修復(fù)/磨拋一體化智能加工系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)葉片增減材混合型加工制造是降低發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期成本的關(guān)鍵，值得進(jìn)一步探究。

7 結(jié) 論

面向機(jī)器人加工的動(dòng)力制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展是順應(yīng)國(guó)家形勢(shì)的高端制造。雖然近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在諸如機(jī)器人加工系統(tǒng)精確標(biāo)定、測(cè)量點(diǎn)云高效匹配、加工軌跡自適應(yīng)規(guī)劃，以及柔順力精密控制等工藝技術(shù)方面取得重要進(jìn)展，但研究仍處于探索階段，已開(kāi)展的各類(lèi)復(fù)雜葉片機(jī)器人磨拋加工也僅停留在工程驗(yàn)證階段，尚未形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。究其原因，葉片機(jī)器人磨拋加工技術(shù)涉及多學(xué)科交叉融合，一方面亟待加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，突破現(xiàn)有工藝技術(shù)在材料、加工原理、質(zhì)量保障等方面的瓶頸；另一方面需要注重核心技術(shù)攻關(guān)，掌握成套工藝方法，研發(fā)智能化加工裝備，確實(shí)提升復(fù)雜葉片加工效率與品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)葉片類(lèi)復(fù)雜曲面零件的智能制造。

致 謝

感謝武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院研究生呂遠(yuǎn)健、彭真在全文撰寫(xiě)過(guò)程中所提供的幫助。