本屆評選面向“智能制造”方向，圍繞關鍵技術及核心基礎部件、智能化裝備和制造過程智能化技術與系統(tǒng)（數字化工廠車間）三大領域，面向全國征集到186個案例，覆蓋全國21個?。ㄖ陛犑校植荚?7個行業(yè)。評選活動遵循公平、公正、客觀、權威的原則，由30位智能科技領域中外知名專家組成評審委員會，從創(chuàng)新性和獨特性、應用價值與實效性、實施難度與復雜性、市場影響與推廣性等維度對申報案例進行評審，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、官微等平臺陸續(xù)展播優(yōu)秀案例，推動創(chuàng)新應用案例的推廣和普及，進一步帶動人工智能和實體經濟的深度融合。

01本期案例概述

本期為大家?guī)硎髢?yōu)秀案例之一、智能化裝備領域入選案例——智能加工機器人技術及應用，核心技術關鍵詞為性能設計、工藝規(guī)劃、多模式控制。

“智能加工機器人技術及應用”項目由天津大學研發(fā)。項目針對跨尺度多材質鑄造件磨切一體加工需求，從基礎理論、裝備創(chuàng)成和工程應用三個層面，攻克了機構發(fā)明、性能設計、工藝規(guī)劃與智能控制等核心技術，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器人，已在航空航天、汽車船舶、軌道交通等領域應用150臺/套，有效解決了鑄造件磨切一體加工難題。

項目授權中國專利49件，發(fā)表學術論文24篇，整體成果達到了“國際領先”水平，獲得2020年天津市技術發(fā)明一等獎、中國好設計金獎等榮譽，并入選2021年中國智能制造十大科技進展。項目突破了制約行業(yè)產能、安全生產和環(huán)境治理等方面的技術瓶頸，推動了鑄造業(yè)轉型升級；經濟與社會效益顯著，對促進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，關鍵零部件是其基礎和核心，從根本上決定了高端裝備的功能與性能。具有復雜外形和內腔結構的關鍵零部件超過40%以鑄造件為主，鑄造件具有多類型、多材質、多尺度特點。鑄造工藝必然出現數十至數百毫米級澆冒口、合模線等殘留特征，其高效高質量磨切加工去除已成為世界性技術難題。超過95%鑄造企業(yè)采用的人工磨切作業(yè)方式勞動強度大、工作效率低、產品一致性差、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。

現有自動化磨切裝備以日本Koyama串聯(lián)機器人和意大利Maus串聯(lián)機床為代表，前者靈活性高，但剛度和精度差，僅能實現小余量低效率的磨，后者剛度和精度高，但靈活性不足，僅能實現小空間有限方向的切，均難以滿足復雜多樣、跨尺度多材質鑄造件高效高質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)結構形式，充分利用串聯(lián)機器人和機床的各自優(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器人裝備。

二、克服鑄造件磨切加工領域難題

“智能加工機器人技術及應用”項目有效推動了鑄造件磨切加工領域的發(fā)展和轉型，在實施應用過程中已解決的復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、分布隨機、形貌隨機的特點，本項目采用多模式控制技術實現了該類鑄造件的磨切加工，突破了當前同類設備的應用瓶頸。

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

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、負載檢測等技術，形成了智能工藝規(guī)劃與多模式控制成套技術與軟件，有效提升了磨切加工效率。

4．針對近三年疫情、經濟滑坡與政府監(jiān)管導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研發(fā)綜合部，經過兩年的努力，保持了經濟的持續(xù)增長。

三、促進高端制造裝備自主創(chuàng)新

“智能加工機器人技術及應用”項目圍繞復雜多樣鑄造件磨切一體加工技術，從基礎理論、裝備創(chuàng)成和工程應用三個層面，突破了機構發(fā)明、性能設計、控制工藝與系統(tǒng)集成等系列關鍵技術難題，研制成功具有完全自主知識產權的新一代磨切一體智能加工機器人系列化產品，解決了長期制約鑄造產業(yè)高質量發(fā)展的難題，在性價比、可重構性、剛度質量比、動態(tài)性能、磨切光潔度、定位精度等方面均優(yōu)于國內外同類產品。取得的代表性成果如下：

1．發(fā)明了機器人拓撲結構的解析化運算與代數化綜合新技術，綜合出數十種結構緊湊、剛度高且重構能力強的新型并混聯(lián)機構，提出了新一代磨切一體智能加工機器人方案，解決了傳統(tǒng)機床靈活性不足與串聯(lián)機器人剛度不高的難題。

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

3．發(fā)明了磨切一體加工機器人的多模式控制與智能工藝規(guī)劃新技術，提出了精準示教和主從人機交互控制新方法，開發(fā)出機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異形復雜鑄造件高效磨切一體加工的難題。

圖：機器人應用現場

圖：車用零件磨切加工

本項目共授權中國專利49件；發(fā)表國際高水平論文24篇。2020年獲得天津市技術發(fā)明一等獎、中國好設計金獎、高端裝備設計大賽金獎；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展。2020年，經由中國工程院院士鄧宗全教授為組長的專家組鑒定，整體成果達到了“國際領先”水平。

項目研制出的3個系列10種規(guī)格機器人產品，已在航空航天、汽車船舶等基礎零部件制造領域應用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)產能、安全生產和環(huán)境治理等方面的技術瓶頸，推動了鑄造業(yè)轉型升級；經濟與社會效益顯著。項目成果對促進我國高端制造裝備的自主創(chuàng)新具有重大意義。

四、鑄造產業(yè)綠色化改造前景廣闊

新一代磨切一體智能加工機器人在鑄造行業(yè)展現出良好的市場和應用前景，我國的鑄件總產量連續(xù)21年位居世界第一位，每年鑄件產量已達5000余萬噸。主要集中于工程機械、軌道交通、汽車工業(yè)、通用機械、農機、發(fā)電及電力設備等領域。根據《國家工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，傳統(tǒng)鑄造產業(yè)綠色化改造升級是重點，需進一步加大鑄造領域先進節(jié)能環(huán)保技術、工藝和裝備的應用，推進鑄造企業(yè)將綠色理念貫徹于鑄件生產全過程。因新一代磨切一體智能加工機器人具有提質增效、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，目前正面臨重要的機遇發(fā)展期。特別對于厘米級澆冒口磨切技術優(yōu)勢巨大，且技術具有排他性，對于特殊材質磨切市場目前不存在市場競爭。

按平均單臺設備80萬元測算，僅在汽車工業(yè)領域，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，考慮耗材及輔助設備將產生約100億左右的裝備制造產值。此外，采用該裝備可為鑄造企業(yè)帶來巨大的經濟效率，預計市場飽和后將實現年新增產值1000億左右，因減少用工為鑄造企業(yè)實現年節(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器人具有廣闊的市場應用前景，市場影響力與推廣性極高。