豐 飛 嚴思杰 丁 漢

（華中科技大學機械科學與工程學院，武漢，430074）

0 引言

作為風力發(fā)電機組的關(guān)鍵核心部件之一，風電葉片在能源行業(yè)有著廣泛應(yīng)用，其制造水平代表著國家制造業(yè)的核心競爭力。風電葉片大多采用玻璃纖維增強聚醋樹脂、玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂以及涂料等難以加工的復合材料，且設(shè)計為復雜的三維扭曲曲面，主要經(jīng)過陽模-翻陰模-鋪層-加熱固化-脫模-打磨表面-噴漆等加工工藝，制造周期長、難度大。風電葉片在脫模完成后，其型面及葉根處均需要打磨，但由于葉片尺寸很大且外形曲面復雜多變，所以迄今為止其表面打磨加工尚未實現(xiàn)自動化。

目前，我國風電葉片生產(chǎn)骨干企業(yè)對葉片表面打磨的工序主要以手工方式為主。這種操作過程復雜，具有人工定位隨機性大、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，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)、人工勞動強度大）、工作環(huán)境惡劣（粉塵危害嚴重，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）、成本費用高（人工成本、勞保用品、員工體檢等）等問題，這直接對風電葉片高效智能自動化加工方式提出了迫切需求。

隨著機器人技術(shù)的快速發(fā)展，機器人零部件磨拋技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。本文以機器人技術(shù)發(fā)展和智能制造為背景，開展基于柔順控制的風電葉片打磨機器人系統(tǒng)的研制及打磨工藝的研究，以期提升風電葉片自動化制造水平，降低對環(huán)境、從業(yè)者健康的影響及威脅。

1 國外風電葉片磨拋現(xiàn)狀

筆者以丹麥和德國為代表的風電應(yīng)用傳統(tǒng)國家為代表，開展大量的風電葉片自動化制造、風電葉片自動磨拋系統(tǒng)及工藝的研究工作，并取得顯著效果。

1.1 丹麥Eltronic A/S風電葉片打磨系統(tǒng)

丹麥Eltronic A/S是一家成立于2000年的公司，其主業(yè)是為風電行業(yè)的客戶提供定制的自動化及控制系統(tǒng)解決方案，客戶包括維斯塔斯（Vestas）等世界著名風機制造商。此外，該公司還為風電葉片的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，特別是葉片生產(chǎn)的后期處理階段， 提供行業(yè)領(lǐng)先的自動化處理設(shè)備。這些設(shè)備包括：葉片自動打磨機、葉根螺栓自動安裝機械臂和運輸狀態(tài)監(jiān)控儀等。

1.1.1 龍門式多機器人葉片磨拋方案

龍門式多機器人葉片磨拋方案為一種概念設(shè)計方案，如圖1所示。該方案的工作原理是：采用可移動龍門結(jié)構(gòu)懸掛打磨機器人，并且打磨機器人可以在動龍門立柱上面上下移動，以適應(yīng)風電葉片打磨的需求。其設(shè)計原理是：在動龍門的兩個立柱上分別安裝一套打磨機器人系統(tǒng)，每套系統(tǒng)均采用6自由度工業(yè)機器人，且機器人可以在立柱上實現(xiàn)上下移動，動龍門橫跨葉片放置，葉片采用前緣朝下、尾緣朝上的立臥放置方式，由于整個動龍門可以在葉片長度方向運動，因此采用葉片靜止，而機器人水平與豎直運動相結(jié)合的方式，通過葉片兩側(cè)的機器人實現(xiàn)葉片表面大部分區(qū)域的打磨操作。該方式可實現(xiàn)葉片的全自動打磨。

圖1 龍門式多機器人葉片磨拋方案設(shè)計示意圖

1.1.2 遙操作半自動化解決方案

如圖2所示，在遙操作半自動化解決方案中，機器人、除塵系統(tǒng)等均集成在移動打磨平臺上，平臺通過一系列安裝在地面的無線導航傳感器實現(xiàn)移動定位。此外，該裝置也集成了自動檢測和葉片形狀自動跟蹤掃描系統(tǒng)，可引導打磨頭實現(xiàn)對葉片曲面形狀的跟蹤和打磨。

遙操作半自動化風電葉片打磨系統(tǒng)的工作效率一般為2h/片（葉片長度為48m）[2-3]，可適用于打磨的風電葉片長度為25m-80m，葉片直徑為1m-5m，葉片高度為2m-5m，但對風電葉片有無預彎處理無限制。

圖2 全型號風電葉片安全高效打磨系統(tǒng)

1.1.3 人工參與半自動解決方案

在人工參與半自動解決方案中，打磨系統(tǒng)采用電動叉車作為移動平臺，需要人工參與，而打磨頭的操作則采用自動打磨方式。

圖3 人工參與半自動解決方案

1.1.4 手動解決方案

Eltronic A/S公司除了為客戶提供全自動風電葉片打磨、遙操作半自動風電葉片打磨、人工參與半自動風電葉片打磨等解決方案之外，還提供人工打磨方案，如圖4所示。

圖4 手動解決方案及打磨工具

1.2 丹麥Vestas風電葉片自動化打磨系統(tǒng)

Vestas在中國天津的工廠采用自動化裝備實現(xiàn)風電葉片的打磨，如圖5所示。其主要設(shè)計原理如下：

采用龍門結(jié)構(gòu)（三軸），葉片水平放置不動，龍門通過齒輪齒條導軌沿葉片長度方向移動；龍門兩端各安置一個較寬的打磨頭，打磨頭為百葉輪形狀，包括兩層工作介質(zhì)，這兩層工作介質(zhì)在百葉輪圓周方向間隔均布，其中一層用于打磨，另一層用于表面清掃。此外，該系統(tǒng)還內(nèi)置強力吸塵裝置以及可設(shè)定打磨力閾值的氣動柔順控制單元。

該系統(tǒng)基本工作原理是：葉片打磨前，首先進行光學掃描、離線編程、路徑規(guī)劃等，然后再進行葉片打磨。整個系統(tǒng)打磨效率高，50m長的葉片約2h打磨完成。然而，由于該系統(tǒng)只能實現(xiàn)三軸運動，因此葉片前后緣局部區(qū)域尚無法實現(xiàn)自動化打磨加工。

圖5 Vestas風電葉片自動化打磨系統(tǒng)

1.3 德國KUKA移動機器人葉片打磨系統(tǒng)

KMR QUANTEC是KUKA公司的移動工業(yè)機器人系統(tǒng)，其將KUKA移動平臺技術(shù)和機器人技術(shù)集為一體，并在KUKA工業(yè)機器人末端安裝有主動柔順裝置（ACFActive Compliance Flange），從而采用主動柔順力控制的方式實現(xiàn)對葉片曲面的柔順接觸，以實現(xiàn)高質(zhì)量的打磨。此外，該移動打磨機器人的打磨頭上集成了測距和曲面掃描系統(tǒng)。其風電葉片磨拋系統(tǒng)工作場景如圖6所示[4]。

圖6 基于KUKA KMR QUANTEC移動機器人打磨系統(tǒng)

KMR QUANTEC系統(tǒng)具有高精度定位和自主導航等優(yōu)點，采用可全方向移動轉(zhuǎn)向的麥克拉姆輪作為移動平臺的驅(qū)動系統(tǒng)，可以在非常狹窄的空間內(nèi)安全、精確地移動到所需位置，定位精度可達±5mm，移動機器人的工作范圍為5m-150m。KUKA機器人的效率和可靠性首次通過該系統(tǒng)在加工大型工件方面得以體現(xiàn)。

該系統(tǒng)可實現(xiàn)自主移動，并且具有障礙規(guī)避功能，不會與周邊環(huán)境發(fā)生碰撞，移動機器人內(nèi)置激光掃描儀、導航和移動軟件、控制系統(tǒng)，保證該系統(tǒng)的可靠運動和定位要求。同時，自給式電源或高功率蓄電池，以及適合工業(yè)用途的無線技術(shù)使該系統(tǒng)不受電纜連接的限制，無線技術(shù)還實現(xiàn)了機器人系統(tǒng)的安全監(jiān)控。

2 風電葉片多機器人系統(tǒng)磨拋方案設(shè)計

根據(jù)葉片打磨過程中葉片和機器人之間的相對運動關(guān)系，筆者將風電葉片打磨劃分為三大類，再根據(jù)這三大類的具體實現(xiàn)方式開展初步方案設(shè)計，并對各方案優(yōu)缺點進行對比，在此基礎(chǔ)上結(jié)合風電葉片打磨機器人控制方式對葉片裝夾工裝、葉片運動機構(gòu)以及機器人運動機構(gòu)的要求，提出具體可行的風電葉片機器人打磨方案設(shè)計。風電葉片打磨機器人運動模式及實施方案如圖7所示。

圖 7 風電葉片打磨機器人與葉片運動模式

2.1 葉片固定+機器人運動布置模式

2.1.1 葉片靜止+機器人豎直/水平運動方案

該方案如圖8所示，葉片靜止不動，打磨機器人系統(tǒng)的運動和定位平臺具有水平和豎直兩個方向的自由度，可實現(xiàn)機器人的水平和豎直運動。該方案的優(yōu)點是：葉片靜止而機器人運動，因此只需要比較小的工作場地；缺點是：機器人安裝基座的剛度相對較低，機械臂末端定位精度和軌跡跟蹤精度也較低，而且隨著機器人運動的自由度增加，控制難度增大。

圖8 機器人豎直和水平運動方案

2.1.2 動龍門機器人懸掛方案

動龍門機器人懸掛方案與Eltronic A/S動龍門打磨方案類似，區(qū)別在于：該方案將打磨機器人系統(tǒng)懸掛在動龍門的橫梁上，并采用目前相對比較成熟的桁架式機器人系統(tǒng)，而葉片則采用前緣朝左、尾緣朝右的橫臥裝夾方式。因此，該方案不需要機器人上下移動，葉片只需180°翻轉(zhuǎn)，即可實現(xiàn)對葉片兩側(cè)的交替打磨。該方案消除了機器人水平和豎直運動，提高了機器人的整體運動精度。

此外，也可以采用一個動龍門懸掛3套打磨機器人的方案，通過機器人在動龍門上的合理布置，保證動龍門兩側(cè)的機器人和橫梁上打磨機器人的配合，從而完成葉片表面的無死角打磨。即：葉片采用前緣朝下、尾緣朝上的立臥裝夾方式，橫梁上可左右移動的機器人負責葉片尾緣區(qū)域的打磨，而兩側(cè)的機器人則負責前緣部分的葉片打磨。

2.1.3 AGV搭載機器人方案

該方案與KUKA KMR QUANTEC風電葉片打磨機器人的工作原理一樣，主要是通過全向移動AGV搭載工業(yè)機器人系統(tǒng)，首先，AGV移動將機械臂定位到加工區(qū)域，然后，AGV固定，機器人完成打磨和拋光操作。該方案易于實現(xiàn)打磨單元的模塊化設(shè)計，便于推廣應(yīng)用，但是控制系統(tǒng)比較復雜，成本較高。

2.2 葉片和機器人協(xié)調(diào)運動布置模式

2.2.1 葉片水平運動+機器人豎直運動方案

該方案的工作原理是：葉片采用前緣朝下、尾緣朝上的立臥裝夾方式，裝夾在可水平移動的葉片工裝上，從而實現(xiàn)葉片的直線運動；豎直運動的打磨機器人放置于風電葉片兩側(cè)，分別對風電葉片兩側(cè)進行打磨，打磨機器人末端配置有集成除塵、測距、掃描等子模塊的打磨頭系統(tǒng)。該方案組成如圖9所示。

圖9 葉片水平運動+機器人豎直運動方案

2.2.2 葉片翻轉(zhuǎn)+機器人水平運動方案

該方案中，風電葉片采用具有夾持與轉(zhuǎn)動功能的三爪卡盤裝夾系統(tǒng)進行夾持，并通過摩擦輪工裝進行葉片輔助支撐。三爪卡盤葉片裝夾系統(tǒng)具有升降和轉(zhuǎn)動兩個自由度，可以實現(xiàn)葉片的高精度翻轉(zhuǎn)和上下升降運動。

該方案的優(yōu)點是：可以通過葉根處的工藝定位孔與三爪卡盤之間的精確定位，使葉片在翻轉(zhuǎn)時不用重新標定，從而實現(xiàn)葉片的精確裝夾。該方案組成如圖10所示。

圖10 葉片翻轉(zhuǎn)+機器人水平運動方案

此外，通過選擇適當?shù)膶к壐叨群蜋C器人型號，在保證覆蓋打磨區(qū)域的前提下，該方案還適用于葉片固定、機器人水平運動的葉片打磨方式。

2.2.3 葉片升降+機器人水平運動方案

該方案與葉片水平運動+機器人豎直運動方案基本一致，不同之處在于調(diào)整了葉片和機器人的運動方式，即：將原來方案中葉片的水平移動改為由機器人來實現(xiàn)，將機器人的升降運動轉(zhuǎn)換為葉片的上下移動，具體實施方案如圖11所示。

圖11 葉片升降+機器人水平運動方案

2.3 葉片運動+機器人固定布置模式

2.3.1 葉片運動+機器人固定方案

該方案采用機器人固定的方式，通過將機器人固定在合理的高度，并在葉片翻轉(zhuǎn)工裝和水平定位系統(tǒng)的輔助下實現(xiàn)葉片的定位和翻轉(zhuǎn)，從而完成整個葉片的打磨工作。

由于葉片的形狀曲面較為復雜，不是規(guī)則的圓柱體，因此，除了葉片根部翻轉(zhuǎn)可以采用摩擦輪的傳動方式，其余部位需要在葉片上安裝環(huán)形支撐工裝，才能夠?qū)崿F(xiàn)葉片的翻轉(zhuǎn)。

這種方案的打磨方式完全通過葉片的翻轉(zhuǎn)和水平運動來實現(xiàn)，因此需要對葉片進行多次翻轉(zhuǎn)和水平移動。

2.3.2 葉片水平運動+機器人龍門懸掛方案

該方案通過將打磨機器人倒掛在固定龍門結(jié)構(gòu)上，并在葉片水平移動和翻轉(zhuǎn)工裝的輔助下實現(xiàn)對葉片表面大范圍的打磨操作。該方案的優(yōu)點是：可兼容多規(guī)格的風電葉片打磨，且可以在龍門上布置多個打磨機器人單元，從而提升打磨效率和葉片打磨生產(chǎn)線的效益；缺點是：由于葉片在打磨過程中需要水平移動和翻轉(zhuǎn)，因此造成葉片的裝夾工裝也比較復雜，需要至少兩倍葉片長度的場地，而且固定龍門需要較高的剛度和強度，打磨成本較高。

綜上所述，通過綜合考慮成本、可行性難易程度、葉片裝夾次數(shù)、多葉片打磨工藝可重復性、打磨程序可移植性等因素，筆者選擇機器人水平移動、葉片采用現(xiàn)有人工打磨裝夾工裝實現(xiàn)葉片的裝夾和翻轉(zhuǎn)，作為多機器人協(xié)同風電葉片磨拋機器人系統(tǒng)的最終實施方案。

3 風電葉片多機器人協(xié)同磨拋系統(tǒng)測量及控制方式

3.1 風電葉片多機器人協(xié)同磨拋方式

風電葉片的外形測量與重構(gòu)是機器人實現(xiàn)自動打磨的基礎(chǔ)和前提，主要包括基于激光掃描和立體視覺的三維重構(gòu)，以及基于特征點標定的風電葉片三維重構(gòu)兩種方式。其中，基于激光掃描和立體視覺的三維重構(gòu)方式，首先需要通過高精度的激光掃描儀或立體視覺相機測量待加工工件，然后通過獲取大量的點云數(shù)據(jù)并經(jīng)過處理得到待加工件的點云三維模型，但這種方式的數(shù)據(jù)處理量較大，效率較低[5-7]；基于風電葉片和裝夾工裝來設(shè)計三維模型并進行打磨區(qū)域劃分，再結(jié)合葉片上對應(yīng)打磨區(qū)域的特征點標定，實現(xiàn)機器人坐標系與打磨區(qū)域坐標系的標定以滿足打磨要求，這種方式相對效率較高，但葉片上需要制造便于標定的特征工藝孔，而且打磨精度和打磨質(zhì)量受葉片變形量的影響較大[8]。

本文以控制磨拋機器人協(xié)同完成葉片表面95%的有效磨拋面積為目標，提出了基于視覺定位與距離/力傳感信息融合的打磨機器人控制方式，以及基于三維重構(gòu)與主動/被動柔順控制相結(jié)合的打磨機器人控制方式。

3.1.1 基于視覺定位與距離/力傳感信息融合的打磨機器人方式

基于視覺定位與距離/力傳感器信息融合的打磨機器人控制方式工作原理如下：首先，基于葉片和打磨裝夾工裝等設(shè)計三維模型，并進行機器人的打磨區(qū)域劃分和打磨軌跡規(guī)劃，然后，基于視覺引導實現(xiàn)打磨頭的初步定位，當打磨頭運動到相應(yīng)位置與風電葉片接觸后，切換到力/位混合控制模式，即根據(jù)末端激光測距傳感器和力矩傳感器的信息融合，通過測距傳感器保證力傳感器控制機器人對打磨軌跡跟蹤精度的要求，并通過力矩傳感器檢測打磨接觸力，以保證打磨工具與根據(jù)打磨工藝確定的機器人的法向打磨接觸力，控制機器人打磨頭與風電葉片按照期望的打磨工藝接觸力進行打磨，以補償由于葉片在實際制造、裝夾以及彈性變形而導致與三維模型的誤差，從而完成期望的葉片磨拋操作。這與人工手動打磨的方式比較類似，具有效率高，數(shù)據(jù)處理量少等優(yōu)勢[9-11]。

此外，在該方案中同樣可以采用主動柔順裝置（Active Contact Flange）作為輔助，以提升打磨機器人與工件接觸的柔順性，保證打磨質(zhì)量及機器人安全性[12-14]。其控制流程如圖12所示。

圖12 視覺引導+柔順力控打磨流程

3.1.2 基于三維重構(gòu)和主動/被動柔順控制相結(jié)合的機器人打磨方式

葉片的三維重構(gòu)是機器人打磨區(qū)域規(guī)劃、軌跡規(guī)劃和機器人控制的基礎(chǔ)，主要有基于激光掃描三維重構(gòu)和基于特征點標定的三維重構(gòu)兩種方式。

1）基于激光掃描三維重構(gòu)的機器人打磨方式。

激光掃描三維重構(gòu)是利用三維激光掃描儀對裝夾后的葉片實施掃描以獲得點云數(shù)據(jù)，再對點云數(shù)據(jù)進行處理，從而得到葉片的三維模型，并進行葉片、機器人和工具坐標系標定，最終基于三維重構(gòu)模型及坐標系標定結(jié)果，進行葉片的打磨區(qū)域劃分和機器人打磨軌跡規(guī)劃?；诩す鈷呙璧娜S重構(gòu)葉片打磨步驟如圖13所示。

圖13 基于激光掃描的三維重構(gòu)葉片打磨步驟

2）基于特征點標定三維重構(gòu)的機器人打磨方式。

基于特征點標定三維重構(gòu)的機器人打磨方式主要是通過葉片的區(qū)域劃分來定義每個區(qū)域?qū)?yīng)的特征點，當葉片裝夾完成后，首先標定葉片的基準點和區(qū)域特征點，再根據(jù)標定結(jié)果，獲取裝夾后的葉片與葉片三維模型之間的形狀和坐標系差異，然后基于標定結(jié)果的差異進行實際葉片的位置和外形的擬合重構(gòu)，從而得到滿足機器人軌跡規(guī)劃的風電葉片三維模型[15-16]。

基于特征點標定的三維重構(gòu)機器人打磨步驟及原理如圖14所示。

圖14 機器人特征點標定步驟及原理基準

特征點標定三維重構(gòu)的基本原理如下：在理論模型中，ABCD特征點確定的區(qū)域，可以通過A、B、C、D四點相對基準點之間的坐標關(guān)系確定。但由于葉片在裝夾過程中發(fā)生變形，則需要通過標定實際裝夾后該區(qū)域的特征點A’、B’、C’、D’相對基準點之間的位置關(guān)系，確定打磨區(qū)域相對工裝坐標系的位置關(guān)系，并通過多個區(qū)域的劃分獲得葉片打磨軌跡規(guī)劃曲面，再基于劃分后的打磨曲面進行打磨軌跡離線規(guī)劃，從而得到滿足打磨軌跡規(guī)劃要求的風電葉片三維模型。

該方式的基本步驟如下：首先基于理論的三維模型進行打磨區(qū)域劃分，并確定每個打磨區(qū)域的邊界特征點，當葉片裝夾完成之后，通過標定打磨區(qū)域的邊界特征點相對基準點之間的位置關(guān)系，找到打磨區(qū)域相對機器人坐標系之間的位置關(guān)系，然后再根據(jù)標定后的實際打磨區(qū)域相對機器人坐標系之間的位置關(guān)系，對基于理論模型的打磨軌跡進行修正，以滿足打磨要求。

上述兩種方法所得到的葉片三維模型僅用于葉片的打磨區(qū)域劃分和打磨軌跡規(guī)劃。由于葉片缺少必要的工藝特征點，在多個葉片工件中很難找到基準點以及與基準點坐標一致性較好的特征點，因此，在實際應(yīng)用中選擇基于激光測距的葉片型面掃描方式，作為葉片打磨三維重構(gòu)的實施方案。由于激光掃描精度使重構(gòu)后葉片的三維模型與實際葉片存在誤差，從而導致機器人實際軌跡與基于葉片三維重構(gòu)模型的離線軌跡規(guī)劃所生成的軌跡之間也存在誤差，因此需要通過機器人的力控制模塊進行補償，即：在機器人打磨過程中需要增加力控制模塊，并通過力控制模塊對軌跡跟蹤誤差進行補償，從而保證打磨質(zhì)量。

力控制模塊主要是實現(xiàn)打磨工具與葉片之間的柔順恒力接觸，即使實際打磨軌跡與理論軌跡之間存在誤差，也能夠保證高質(zhì)量的葉片磨拋。柔順接觸主要有兩種實施方式，一種是被動柔順，另一種是主動柔順。前者通過特殊的打磨工具設(shè)計，通過在打磨工具上增加被動柔順裝置，例如采用遠端柔順中心（RCC-Remote Compliance Center）或者自身比較柔順的百葉輪打磨工具；后者則需要在機器人末端安裝六維力矩傳感器或者主動柔順法蘭ACF裝置，并在機器人控制中采用力/位混合、阻抗控制等主動柔順控制算法，實現(xiàn)恒力接觸控制。

此外，為了獲得較高的曲面標定精度，曲面的劃分需要根據(jù)葉片實際加工情況和葉片幾何特征等因素綜合考慮，理論上，劃分區(qū)域越小，精度越高。

基于激光掃描三維重構(gòu)和柔順力控的葉片打磨系統(tǒng)組成及流程如圖15所示。三維打磨包括三維重構(gòu)、打磨區(qū)域劃分及軌跡規(guī)劃、打磨軌跡虛擬仿真驗證，葉片、機器人、末端工具坐標系標定，柔順力控模塊以及除塵、第七軸機器人定位、打磨質(zhì)量檢測等輔助功能，各子模塊的硬件集成在打磨機器人末端，而控制系統(tǒng)與機器人系統(tǒng)則集成在葉片打磨生產(chǎn)線的中控系統(tǒng)中。

圖15 基于激光掃描三維重構(gòu)和柔順力控的葉片打磨流程

3.2 打磨機器人離線軌跡規(guī)劃方法

打磨機器人離線編程采用成熟的商用軟件進行，目前市面上多采用ABB機器人，因此本文采用ABB的RobotStudio軟件機器人的理想編程軟件。RobotStudio以ABB VirtualController為基礎(chǔ)開發(fā)，可執(zhí)行十分逼真的模擬，與機器人在實際生產(chǎn)中運行的軟件完全一致，其所編制的機器人程序和配置文件均可直接用于生產(chǎn)現(xiàn)場，其編程界面如圖16所示。

圖16 RobotStudio離線編程界面

3.3 風電葉片多機器人協(xié)同磨拋系統(tǒng)控制方式

風電葉片多機器人協(xié)同智能磨拋系統(tǒng)控制電氣網(wǎng)絡(luò)如圖17所示，該系統(tǒng)使用分布式控制技術(shù)，采用高速以太網(wǎng)（Ethernet）總線通信方式，所有上位機、客戶端、控制器等都可方便地接入；車間以太網(wǎng)可與工廠局域網(wǎng)/英特網(wǎng)相連，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控及接入ERP、MES系統(tǒng)等；在電氣系統(tǒng)中，各級子系統(tǒng)、單元設(shè)備都采用模塊化設(shè)計，配置靈活，允許差異化組網(wǎng)，擴展方便；每臺打磨機器人末端都集成了力控模塊、吸塵裝置、打磨機及測距傳感器等，在Multi-Move模式下，每臺ABB機器人控制器IRC5（Control Module）最多可控制4臺機器人；每套機器人第七軸的運動平臺都有獨立的S7-200 Smart PLC控制器進行控制，以實現(xiàn)打磨機器人移動自由度的模塊化集成，并且根據(jù)系統(tǒng)中機器人的數(shù)量在每套機器人第七軸上配置相應(yīng)數(shù)量的運動平臺。

每個打磨機器人的控制系統(tǒng)采用模塊化集成設(shè)計，且每個打磨機器人都是一個功能完整的獨立單元，機器人末端集成了打磨頭、吸塵接口、測距傳感器、六維力矩傳感器（ACF）力控裝置等。這種模塊化打磨機器人單元的設(shè)計便于實現(xiàn)打磨系統(tǒng)的快速集成、快速推廣和應(yīng)用示范。

圖17 風電葉片多機器人協(xié)同智能磨拋系統(tǒng)控制圖

風電葉片智能磨拋系統(tǒng)機器人單元需要對機器人末端位姿、打磨軌跡及打磨接觸力等主要功能模塊進行控制。此外，打磨機器人單元還具有第七軸定位、打磨除塵、視覺監(jiān)控等輔助功能。因此，機器人中控系統(tǒng)還要實現(xiàn)對機器人第七軸水平運動定位、打磨除塵和視覺監(jiān)控系統(tǒng)的控制。風電葉片智能磨拋系統(tǒng)機器人單元的基本組成及控制參數(shù)如圖18所示。

圖18 風電葉片智能磨拋系統(tǒng)機器人單元控制圖

多機器人協(xié)同風電葉片磨拋系統(tǒng)如圖19所示，該系統(tǒng)包括兩套機器人第七軸，且每套機器人第七軸上均安裝有兩套磨拋機器人單元，分別在各自一側(cè)的葉根和葉尖部分的葉片表面進行磨拋。

圖19 多機器人協(xié)同風電葉片磨拋系統(tǒng)

風電葉片人工打磨與機器人打磨效果對比如圖20所示。從圖中可以看出，機器人打磨的葉片表面粗糙度比較均勻，粗糙度Ra介于25～50μm之間，而且機器人打磨效率較人工打磨效率高。此外，風電葉片機器人磨拋現(xiàn)場粉塵較少，這是因為葉片磨拋機器人單元集成了除塵模塊，該模塊增強了葉片磨拋過程中的揚塵防護，有利于保護葉片生產(chǎn)周邊環(huán)境及保障操作人員的身體健康。

圖20 風電葉片人工打磨及機器人打磨效果對比

4 結(jié)論

本文以提高風電葉片打磨效率，提升葉片打磨質(zhì)量，降低打磨過程中的粉塵排放為目標，開展大型風電葉片多機器人協(xié)同磨拋系統(tǒng)方案設(shè)計、打磨機器人軌跡規(guī)劃及控制技術(shù)、多機器人協(xié)同風電葉片磨拋系統(tǒng)集成技術(shù)研究，并建立標準化風電葉片多機器人協(xié)同磨拋系統(tǒng)研制技術(shù)，通過開展風電葉片多機器人協(xié)同磨拋系統(tǒng)在風電制造行業(yè)的推廣及示范應(yīng)用，提升葉片磨拋的自動化及智能化水平。

風電葉片打磨質(zhì)量和打磨效率是風電葉片機器人打磨系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標。因此，本文通過調(diào)研現(xiàn)有風電葉片自動化磨拋及人工磨拋的現(xiàn)狀，完成多種風電葉片多機器人磨拋系統(tǒng)的方案設(shè)計，并基于成本最低、可行性最高、對現(xiàn)有人工打磨工裝改動最小且完全通用的基礎(chǔ)上，完成了葉片翻轉(zhuǎn)機器人水平移動的多機器人打磨系統(tǒng)設(shè)計；以機器人軌跡規(guī)劃和機器人控制為需求，提出了基于視覺定位與距離/力傳感信息融合的打磨機器人控制方式以及基于三維重構(gòu)與主動柔順控制相結(jié)合的機器人控制方式，完成了基于特征點與設(shè)計三維模型數(shù)據(jù)融合的葉片三維重構(gòu)方法，并基于該方法獲取葉片實際模型，采用ABB機器人系統(tǒng)的RobotStudio軟件完成機器人打磨軌跡的自動規(guī)劃，同時借助人工進行手動優(yōu)化，完成了葉片打磨機器人的控制；為保證風電葉片裝夾和定位的一致性，開發(fā)出一種葉片打磨的三維重構(gòu)方法，該方法可實現(xiàn)對多次、多片同型號葉片的自動打磨，從而提高了分點葉片磨拋的效率和質(zhì)量，并且通過系統(tǒng)集成，對每套機器人打磨單元都增加了除塵系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了打磨過程中粉塵排放的最小化。