本屆評選面向“智能制造”方向，圍繞關(guān)鍵技術(shù)及核心基礎(chǔ)部件、智能化裝備和制造過程智能化技術(shù)與系統(tǒng)（數(shù)字化工廠車間）三大領(lǐng)域，面向全國征集到186個案例，覆蓋全國21個省（直轄市），分布在27個行業(yè)。評選活動遵循公平、公正、客觀、權(quán)威的原則，由30位智能科技領(lǐng)域中外知名專家組成評審委員會，從創(chuàng)新性和獨(dú)特性、應(yīng)用價值與實效性、實施難度與復(fù)雜性、市場影響與推廣性等維度對申報案例進(jìn)行評審，最終評選出10個優(yōu)秀案例。我們將在未來一段時間通過官網(wǎng)、官微等平臺陸續(xù)展播優(yōu)秀案例，推動創(chuàng)新應(yīng)用案例的推廣和普及，進(jìn)一步帶動人工智能和實體經(jīng)濟(jì)的深度融合。

01本期案例概述

本期為大家?guī)硎髢?yōu)秀案例之一、智能化裝備領(lǐng)域入選案例——智能加工機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用，核心技術(shù)關(guān)鍵詞為性能設(shè)計、工藝規(guī)劃、多模式控制。

“智能加工機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用”項目由天津大學(xué)研發(fā)。項目針對跨尺度多材質(zhì)鑄造件磨切一體加工需求，從基礎(chǔ)理論、裝備創(chuàng)成和工程應(yīng)用三個層面，攻克了機(jī)構(gòu)發(fā)明、性能設(shè)計、工藝規(guī)劃與智能控制等核心技術(shù)，研制成功3個系列10種規(guī)格新一代磨切一體智能加工機(jī)器人，已在航空航天、汽車船舶、軌道交通等領(lǐng)域應(yīng)用150臺/套，有效解決了鑄造件磨切一體加工難題。

項目授權(quán)中國專利49件，發(fā)表學(xué)術(shù)論文24篇，整體成果達(dá)到了“國際領(lǐng)先”水平，獲得2020年天津市技術(shù)發(fā)明一等獎、中國好設(shè)計金獎等榮譽(yù)，并入選2021年中國智能制造十大科技進(jìn)展。項目突破了制約行業(yè)產(chǎn)能、安全生產(chǎn)和環(huán)境治理等方面的技術(shù)瓶頸，推動了鑄造業(yè)轉(zhuǎn)型升級；經(jīng)濟(jì)與社會效益顯著，對促進(jìn)我國高端制造裝備的自主創(chuàng)新具有重大意義。

02本期案例詳解

一、自動化模切裝備已成必然趨勢

高端裝備是國之重器，關(guān)鍵零部件是其基礎(chǔ)和核心，從根本上決定了高端裝備的功能與性能。具有復(fù)雜外形和內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵零部件超過40%以鑄造件為主，鑄造件具有多類型、多材質(zhì)、多尺度特點(diǎn)。鑄造工藝必然出現(xiàn)數(shù)十至數(shù)百毫米級澆冒口、合模線等殘留特征，其高效高質(zhì)量磨切加工去除已成為世界性技術(shù)難題。超過95%鑄造企業(yè)采用的人工磨切作業(yè)方式勞動強(qiáng)度大、工作效率低、產(chǎn)品一致性差、安全隱患高，采用自動化磨切裝備取代人工方式已成為必然趨勢。

現(xiàn)有自動化磨切裝備以日本Koyama串聯(lián)機(jī)器人和意大利Maus串聯(lián)機(jī)床為代表，前者靈活性高，但剛度和精度差，僅能實現(xiàn)小余量低效率的磨，后者剛度和精度高，但靈活性不足，僅能實現(xiàn)小空間有限方向的切，均難以滿足復(fù)雜多樣、跨尺度多材質(zhì)鑄造件高效高質(zhì)量磨切一體加工的迫切需求。因此，亟需突破傳統(tǒng)裝備的串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，充分利用串聯(lián)機(jī)器人和機(jī)床的各自優(yōu)勢，研發(fā)兼具靈活性和高剛度的新一代磨切一體智能加工機(jī)器人裝備。

二、克服鑄造件磨切加工領(lǐng)域難題

“智能加工機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用”項目有效推動了鑄造件磨切加工領(lǐng)域的發(fā)展和轉(zhuǎn)型，在實施應(yīng)用過程中已解決的復(fù)雜難題主要集中于以下幾個方面：

1．針對鑄造工藝引起的大型鑄造毛坯件百毫米級澆冒口、合模線等殘留特征位置隨機(jī)、分布隨機(jī)、形貌隨機(jī)的特點(diǎn)，本項目采用多模式控制技術(shù)實現(xiàn)了該類鑄造件的磨切加工，突破了當(dāng)前同類設(shè)備的應(yīng)用瓶頸。

2．針對中小型鑄造毛坯件磨切加工存在單機(jī)效率低、設(shè)備維護(hù)成本高、無法同時與上下游工序有效銜接、運(yùn)營成本高等問題，本項目通過與客戶共同開發(fā)了磨切加工生產(chǎn)線與智能工作站，降低了運(yùn)維等成本，實現(xiàn)了批量化生產(chǎn)與示范性應(yīng)用。

3．針對跨尺度多類型鑄造件形貌不一致使磨切加工效率低的難題，本項目集成視覺檢測、主從控制、負(fù)載檢測等技術(shù)，形成了智能工藝規(guī)劃與多模式控制成套技術(shù)與軟件，有效提升了磨切加工效率。

4．針對近三年疫情、經(jīng)濟(jì)滑坡與政府監(jiān)管導(dǎo)致的市場不景氣的難題，本項目成立了大型鑄造件磨切加工市場開拓與技術(shù)研發(fā)綜合部，經(jīng)過兩年的努力，保持了經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長。

三、促進(jìn)高端制造裝備自主創(chuàng)新

“智能加工機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用”項目圍繞復(fù)雜多樣鑄造件磨切一體加工技術(shù)，從基礎(chǔ)理論、裝備創(chuàng)成和工程應(yīng)用三個層面，突破了機(jī)構(gòu)發(fā)明、性能設(shè)計、控制工藝與系統(tǒng)集成等系列關(guān)鍵技術(shù)難題，研制成功具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代磨切一體智能加工機(jī)器人系列化產(chǎn)品，解決了長期制約鑄造產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的難題，在性價比、可重構(gòu)性、剛度質(zhì)量比、動態(tài)性能、磨切光潔度、定位精度等方面均優(yōu)于國內(nèi)外同類產(chǎn)品。取得的代表性成果如下：

1．發(fā)明了機(jī)器人拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的解析化運(yùn)算與代數(shù)化綜合新技術(shù)，綜合出數(shù)十種結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高且重構(gòu)能力強(qiáng)的新型并混聯(lián)機(jī)構(gòu)，提出了新一代磨切一體智能加工機(jī)器人方案，解決了傳統(tǒng)機(jī)床靈活性不足與串聯(lián)機(jī)器人剛度不高的難題。

2．發(fā)明了磨切一體加工機(jī)器人的一體化建模與綜合性能匹配設(shè)計新技術(shù)，提出了多目標(biāo)合作均衡的參數(shù)優(yōu)選新方法，實現(xiàn)了混聯(lián)機(jī)器人譜系化性能設(shè)計，解決了機(jī)器人質(zhì)量、剛度和動態(tài)特性間的最優(yōu)匹配設(shè)計難題。

3．發(fā)明了磨切一體加工機(jī)器人的多模式控制與智能工藝規(guī)劃新技術(shù)，提出了精準(zhǔn)示教和主從人機(jī)交互控制新方法，開發(fā)出機(jī)器人智能控制與工藝規(guī)劃系統(tǒng)軟件，解決了跨尺度多材質(zhì)異形復(fù)雜鑄造件高效磨切一體加工的難題。

圖：機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)場

圖：車用零件磨切加工

本項目共授權(quán)中國專利49件；發(fā)表國際高水平論文24篇。2020年獲得天津市技術(shù)發(fā)明一等獎、中國好設(shè)計金獎、高端裝備設(shè)計大賽金獎；2019、2020連續(xù)兩年獲得全國鑄造裝備創(chuàng)新獎；2021年入選中國智能制造十大科技進(jìn)展。2020年，經(jīng)由中國工程院院士鄧宗全教授為組長的專家組鑒定，整體成果達(dá)到了“國際領(lǐng)先”水平。

項目研制出的3個系列10種規(guī)格機(jī)器人產(chǎn)品，已在航空航天、汽車船舶等基礎(chǔ)零部件制造領(lǐng)域應(yīng)用150臺/套，有效解決了中國重汽、濰柴動力等三十余家企業(yè)“小件干不快，中件干不好，大件干不了”的鑄造件磨切一體加工難題。近三年，用戶單位使用本項目成果新增銷售額48.94億元；新增利潤2.83億元；項目突破了制約行業(yè)產(chǎn)能、安全生產(chǎn)和環(huán)境治理等方面的技術(shù)瓶頸，推動了鑄造業(yè)轉(zhuǎn)型升級；經(jīng)濟(jì)與社會效益顯著。項目成果對促進(jìn)我國高端制造裝備的自主創(chuàng)新具有重大意義。

四、鑄造產(chǎn)業(yè)綠色化改造前景廣闊

新一代磨切一體智能加工機(jī)器人在鑄造行業(yè)展現(xiàn)出良好的市場和應(yīng)用前景，我國的鑄件總產(chǎn)量連續(xù)21年位居世界第一位，每年鑄件產(chǎn)量已達(dá)5000余萬噸。主要集中于工程機(jī)械、軌道交通、汽車工業(yè)、通用機(jī)械、農(nóng)機(jī)、發(fā)電及電力設(shè)備等領(lǐng)域。根據(jù)《國家工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，傳統(tǒng)鑄造產(chǎn)業(yè)綠色化改造升級是重點(diǎn)，需進(jìn)一步加大鑄造領(lǐng)域先進(jìn)節(jié)能環(huán)保技術(shù)、工藝和裝備的應(yīng)用，推進(jìn)鑄造企業(yè)將綠色理念貫徹于鑄件生產(chǎn)全過程。因新一代磨切一體智能加工機(jī)器人具有提質(zhì)增效、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，目前正面臨重要的機(jī)遇發(fā)展期。特別對于厘米級澆冒口磨切技術(shù)優(yōu)勢巨大，且技術(shù)具有排他性，對于特殊材質(zhì)磨切市場目前不存在市場競爭。

按平均單臺設(shè)備80萬元測算，僅在汽車工業(yè)領(lǐng)域，將有3000臺套的市場需求和24億左右的市場空間。總體市場需求約10000臺左右，考慮耗材及輔助設(shè)備將產(chǎn)生約100億左右的裝備制造產(chǎn)值。此外，采用該裝備可為鑄造企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效率，預(yù)計市場飽和后將實現(xiàn)年新增產(chǎn)值1000億左右，因減少用工為鑄造企業(yè)實現(xiàn)年節(jié)支50億元左右。綜上所述，本項目研發(fā)新一代磨切一體智能加工機(jī)器人具有廣闊的市場應(yīng)用前景，市場影響力與推廣性極高。