先进制造----中国科学院沈阳分院科技成果信息网

  团队信息




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     课题组名称：航空装备制造技术与工艺团队


    课题组网址：


    负责人：赵吉宾
    工作单位：中国科学院沈阳自动化研究所
    学科领域：复杂曲面数字化加工与精密检测、激光冲击强化、金属激光增材制造、视觉测量




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     课题组院地合作联络人员


    姓名：赵吉宾
    办公电话：83601069


    手机：13998809239
    E-mail：jbzhao@sia.cn






     科技处院地合作联络人员


    姓名：王铮
    办公电话：024－23970652


    手机：13072425488
    E-mail：wangzheng1@sia.cn




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  团队介绍




      装备制造技术研究室结合国家发展装备制造业的重大战略，主要从事面向航空航天、国防、汽车及能源等领域的先进制造装备基础理论研究及相关重大装备研发，在大型复杂曲面数字化加工工艺与装备、精密测量技术与装备、高性能激光先进制造工艺与装备、空间机器人化技术与装备等学科方向取得了丰硕成果，引领我国高端装备先进制造技术的发展。
      主要研究方向包括：
      一、复杂曲面精密加工
      ● 复杂曲面精密高效加工轨迹自动规划；
      ● 基于人工牵引力控制的机器人辅助装配技术;
      ● 大型复杂曲面机器人精密研磨抛光技术及装备；
      二、増材制造技术及装备
      ● 高性能金属激光增材制造装备及工艺开发；
      ● 金属激光增材制造技术研究;
      三、激光冲击波技术及应用
      ● 激光冲击强化装备；
      ● 激光清洗
      四、视觉测量技术
      ● 基于多目视觉的复杂弯管测量及评价技术；
      ● 基于数字相移的复杂曲面精密测量及评价技术；
      ● 数字近景工业摄影测量技术;
      ● 基于结构光的大型物体稠密扫描测量及评价技术；

  典型转移转化项目案例




       1. 复杂曲面精密加工
      （1）复杂曲面精密高效加工轨迹自动规划。
      大型复杂曲面类零件广泛应用于航空航天、国防、运载工具、动力、装备等各个领域，是国家极端制造能力和制造水平的体现，国民经济和国防安全的重要保障。加工轨迹规划的效果直接关系到零件的加工质量,而加工轨迹的几何特性与其运动特性间存在自然的联系，二者不是割裂的孤立的。主要适于精密高效加工的优良运动几何学性质的数控加工路径生成新原理和新方法，为高性能机械产品加工提供理论支持，提升我国在数控加工领域的研究创新能力。
      在多年研究的基础上提出了基于映射法的光滑加工轨迹规划方法，基于运动学性能的刀轴矢量的优化方法，高光滑等残高加工轨迹的水平集优化方法以及复杂型腔的子区域分割及高效连接方法
      （2）大型复杂曲面机器人精密研磨抛光技术及装备
      大型复杂曲面机器人精密研磨抛光装备主要由工业机器人、上位机、力传感器、研磨工具、软件系统、工艺系统等构成。开发了适用于不同研抛工艺的自动化研抛轨迹生成软件，实现了大型曲面研抛过程中的工业机器人力和位置混合控制，并且研究了精密研抛加工过程中的工艺参数最优化方法。


      目前，该技术应用于航天、航空、兵器等领域的大型部件机器人辅助装配及复杂曲面零件自动化精密研磨抛光，在多家航天生产企业获得了工程应用。如大型模具复杂曲面型面，发动机叶片表面、核一级主泵外表面、核主泵叶轮的研磨抛光等。
      （3）基于人工牵引力控制的机器人辅助装配技术。
      该项技术解决了大型部件在狭小空间内装配时人工托举易疲劳，观察不便，位姿调整困难且易发生磕碰等问题。系统由工业机器人、移动平台、工控机、末端执行器、六维力传感器、双目视觉传感器等组成。首先通过双目视觉传感器实现产品相对于机器人的相对位置关系测量，然后进行无碰撞机器人轨迹规划、仿真和离线编程，并引导机器人运行至装配位置。通过人工牵引力控制，实现被装配部件的局部调整和定位，最终完成机器人辅助装配过程。

      2. 増材制造技术及装备
      金属激光增材制造技术，是一项典型的数字化制造、绿色智能制造技术，在航空航天、国防军工、汽车、模具、生物医学等领域具有广泛的应用前景。中科院沈阳自动化所于2014年获批成立“激光3D打印工艺及装备重点实验室”，主要针对高性能激光增材装备设计制造方法、核心工艺开发方法、能量传递及材料快速熔凝作用机理、加工路径规划及软件开发方法等关键问题进行研究。激光高端增材制造成套装备为满足面向国内航空航天、国防军工、汽车、能源等领域的需求，以难加工金属材料为研究对象，采用突破基础问题，优化工艺方法，指导设备开发反复迭代的装备开发方法，开发具有高性能、高精度及高实用性特点的成套装备。
      激光高端增材制造成套装备开发，包括：送粉式、铺粉式和送丝式及激光热源、激光电弧复合热源等，在开发方法上采用模块化及核心部件动态耦合的方法，使其在刚度、稳定性、可靠性、精度等关键指标得到可靠性保证。成套装备中送粉头可配套各型号光纤及硬光路接口，完成扩束、准直、再聚焦等一系列光学和机械零部件的集合，具备冷却、送粉、同轴保护气等多重功能，具有较高的送粉精度和喷粉挺度。送粉器采用高精密刮板、载气送粉结构，同时具有粉末预热、搅拌等特有功能，送粉量精确、稳定，送粉量和载粉气流量连续可调。激光3D打印软件开发，软件可支持多种数值模型格式，具有完善的特征识别、分层计算及路径填充编辑功能，并可集成于各种数控系统及工业机器人系统，主要包括：整机及过程控制软件、路径规划软件、特征提取和识别软件、功能梯度材料设计及路径规划软件等。过程检测控制系统，以红外测温技术为基础，开发小视场、高精度的熔池温度检测控制系统，熔池温度控制精度为3%。同时，开发了难加工材料激光增材制造工艺技术。包括钛基、镍基、铁基、钴基等10余中难加工材料的成形工艺及后处理工艺，可获得力学性能不低于同类锻造标准，较高表面质量和形面精度的零件。

  激光高端增材制造成套装备

  导弹导引头异性框架零件

  导弹控制尾舵
      开发的高性能激光增材成套装备具有高性能、高精度、高实用性的特点，相关设备以广泛应用于国防、军工、航空航天等相关领域。通过项目合作、技术服务等形式已与沈飞公司、黎明航空发动机、航天五院、航天一院等多家单位合作。
      3. 激光冲击波技术及应用
      （1）激光冲击强化。
      激光冲击强化技术可有效的延长疲劳工件的寿命，是一种提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的高新技术，作为目前最先进、效果最好、效率最高的表面改性技术之一，激光冲击强化可广泛应用于航空航天、军事国防、汽车船舶、核工业、石油化工等领域。该套装备科实现工艺装备中的多机器人协同机制以及加工中的多自由度运动规划；可在多机器人协同环境下的激光冲击强化过程监控，保证加工质量；对工件冲击强化过程中，对工艺参数变化的控制，可确保激光头的实现轨迹，并保证零件的加工质量。


  整体叶盘激光冲击强化设备
      由中国科学院沈阳自动化研究所自主研发的国内首台首套航空发动机整体叶盘激光冲击强化自动化装备，成功的在黎明航空发动机公司示范应用，利用激光冲击强化技术可以有效的提高航空发动机整体叶盘抗异物损伤能力及使用寿命，其疲劳寿命提高3倍以上，获得中航工业领导的一致好评。
      （2）激光清洗技术
      激光清洗技术采用高能激光束照射在工件表面，使表面的污物、锈斑或者涂层发生瞬间蒸发或剥离，从而达到洁净化的工艺过程，该过程实际上是激光与物质相互作用的过程，包括一系列的化学物理效应，破坏掉污染物和物体之间的作用力，而不损坏物体本身。



  激光清洗设备开发
      激光清洗可广泛的应用于轮胎磨具表面去污、激光脱漆与除锈、微电子和光学精密元件清洗、管道残留物清洗、水面石油清除、净化太空垃圾以及古建筑和艺术品的清洗等。该项目成功为中国工程物理研究院激光聚变研究中心和苏州热工研究院设计开发两款激光清洗设备，针对不同的复杂环境，实现固定式和移动式激光清洗。
      4.视觉测量技术
      （1）复杂弯管测量及评定
      弯管是现代航空、航天、汽车等行业中复杂机电产品的重要组成部分，是整个机电产品的“血管系统”，负责将燃料、冷却剂等各类流体介质输送到产品的其他部位。弯管的快速精确测量是保证其精确装配和无应力安装的核心技术。本项目根据制造企业实际产品制造中的需求，以弯管三维外形数字化测量及评价为主要应用背景，针对目前弯管三维外形测量中存在的缺点，使用计算机视觉的方法，对复杂弯管三维外形测量进行研究。研究弯管的三维外形测量及评价技术，对于提升弯管制造的自动化水平，大幅提高弯管加工质量及生产效率具有十分重要的意义。


  基于多目视觉的复杂弯管三维外形测量

  弯管加工误差评价
      该技术应用于航空、航天、汽车、船舶制造等领域中的大尺寸、复杂弯管系统的三维外形的测量与误差评估。
      （2）复杂曲面精密测量
      复杂曲面类零件在机械、航空航天和国防等行业有着广泛的应用，对其加工质量进行精密测量与评价具有重要的意义。传统的测量方法多为接触式测量，效率低且难以满足测量要求，基于数字相移的视觉测量方法具有快速、高精度、非接触等优点，能够在数秒内快速地获得被测表面的稠密点云数据，通过对点云数据进行滤波去噪、曲面拟合、特征提取、特征分析等处理，从而实现复杂曲面的精密测量与评价。

  待测工件

  测量结果
      目前，该技术在逆向工程、质量检测、在线测量、机器视觉、文物保护等领域具有广泛的应用。
      （3）数字近景工业摄影测量技术
      在工业生产中，对大型无纹理或欠纹理等物体进行非接触式3D测量一直比较困难。数字近景工业摄影测量是通过在不同的位置和方向获取同一物体的2幅以上的数字图像，经特征提取、图像匹配、集束调整等处理及相关数学计算后得到待测点精确的3D坐标，其测量原理和经纬仪测量系统类似，均为三角形交会法。近景摄影是指测量范围小于100m。本技术只需要1台笔记本电脑、1台单反数码相机、1根标尺、1组标志点，由工人手持数码相机绕物体一周拍摄N幅图像，导入笔记本电脑，经软件系统可重建出物体的3D模型，进一步还可解算出物体的姿态、体积以及变形等参数。

  测量系统示意图

       测量系统实物图

  软件界面

  铁路罐车测量

  飞机表面测量

  大型铸件测量
      应用于铁路运载、航空等领域的大型物体自动化外形及特征测量，如轨道罐车容积检定，大型铸造件的特征测量、飞机表面变形测量等。目前，该项技术己经在中国铁道科学研究院、航天科工集团等研究院和生产企业获得了工程应用。
      （4）基于结构光的大型物体稠密扫描测量及评价技术
      本项目采用线结构光多目视觉测量技术，配合高精度运动控制和位置检测技术，实现大型物体外形及关键部位的自动化测量、数据评定分析和数据库管理功能。在高速列车及航空装备制造中，通过对物体进行稠密的几何测量获得物体整体或关键部位的特征参数。

  轨道车辆测量装置

  激光条纹

  航空产品的几何测量及特征评价

  轨道车辆整体轮廓
      该项目可应用于运载、航空等领域的大型车辆、机体自动化外形测量，如轨道列车表面，大中型导弹表面以及飞机表面等。目前，该项技术己经在中国中车集团、航天科工集团等生产企业获得了工程应用。