导读
在工业机器人应用领域，工业软件长期被国外厂商垄断，严重制约了中国制造业的转型升级。由北京华航唯实机器人公司牵头、北京航空航天大学陶永副教授担任项目负责人的国家重点研发计划项目成功研发出具有完全自主知识产权的工业机器人工艺应用程序集成开发平台。该平台创新性地提出“工艺即服务”概念，实现了典型工艺覆盖、多品牌机器人兼容、工艺仿真规划及优化、高并发操作等功能，可兼容市场上主流90余个品牌、800多个型号的工业机器人，标志着我国在工业机器人核心软件领域实现关键突破！
该项目成功实现了焊接、喷涂、打磨、抛光、装配、钻铆、碳纤维铺覆等7种典型加工工艺的标准化和智能化，建立了焊接跟踪控制、力控磨抛和喷涂沉积等工艺模型。此外，该项目开发集成了基于DBN网络的工艺智能推荐算法、基于BLL残差预测算法、基于基于多模态和强化学习的装配优化算法，实现新产品的工艺推荐与优化。项目组汇集了国内顶尖的研发力量，包括华航唯实、北京航空航天大学、武汉国家数字化设计与制造创新中心、遨博（北京）智能科技公司、北京星航机电装备有限公司、中国商飞上海飞机制造有限公司、浙江省建工集团有限责任公司、深圳前海瑞集科技有限公司、大连理工大学、武汉科技大学等单位与高校。项目已搭建焊接、钻铆、喷涂、打磨、装配等8个场景的典型工艺集成工作站，并在航天、航空、新能源和新基建四大高端领域成功推广应用。
▍重点研发计划工业机器人项目年度总结会召开
日前，国家重点研发计划“工业机器人工艺应用程序集成开发平台(2022YFB4700400)”项目2024年度总结会暨项目指标测试方案专家评审会在北京举行。会议由北京华航唯实机器人公司牵头、北京航空航天大学陶永副教授担任项目负责人。项目责任专家、评审专家、项目负责人和项目组成员等共计三十余人出席这次重要会议。
会议现场
在工信部产业发展促进中心指导下，项目2024年度取得显著进展。会议总结了科研攻关、技术创新等进展情况，并对项目指标测试方案进行评审。项目责任专家，中科院自动化研究所王硕研究员主持了本次会议，他强调要严格按照任务书要求推进工作，确保项目目标实现。同时，项目组织了一个高水平的专家评审团队，包括中国机械工业联合会科技工作部副主任刘前军、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所副所长刘涛、北京理工大学智能机器人研究所所长余张国、航天科工二院研究员韩东晓、北京机械工业自动化研究所有限公司机器人事业部总经理赵宏剑等行业权威专家。
▍突破七大核心技术，典型加工工艺研究全面攻关
项目在典型加工工艺研究方面完成了多项关键工作：
在焊接工艺方面，构建了激光焊接和电弧焊接两种典型机器人应用工艺的焊缝跟踪控制模型。研究团队开展了铜与不锈钢激光填丝焊接、铝合金激光-电弧复合焊接、碳钢顶盖电弧堆焊工艺研究，并构建了相应的焊接工艺模型与数据集。针对打磨抛光工艺，构建了可控余量打磨和抛光两种典型机器人应用加工材料去除模型。完成了不锈钢水轮机叶片试板机器人打磨、铜合金船用螺旋桨叶片打磨工艺、非金属高压电缆试棒力控抛光研究，并构建了力控磨抛工艺模型与数据集。
在喷涂技术领域，构建了机器人喷涂多因素喷涂涂料沉积模型。开展航天某型结构件等离子喷涂实验研究，建立自动化等离子喷涂系统，通过PQ-Art离线编程软件实现喷涂房环境参数、等离子喷枪模型匹配及轨迹优化。项目还构建了大型飞机壁板钻铆工艺模型。开展大型飞机壁板钻铆实验研究，采用移动式AGV和双机器人自动钻铆系统，针对铝合金壁板进行工艺验证。
在装配工艺方面，构建了相应的工艺模型。开展轴孔装配、机器人一体化关节装配实验研究，建立机器人装配工艺模型与数据集。对于碳纤维铺覆工艺，构建了工艺轨迹规划模型。针对自动铺丝轨迹规划，提出自适应变步长算法进行主轨迹规划，基于脊线式批量基准生成算法和引导线轨迹规划算法。开展航空器机翼复合材料翼肋的制备工艺研究和汽车车身碳纤维铺覆工艺参数优化研究。
项目还构建了机器人典型加工工艺数据库。围绕焊接、打磨、抛光、喷涂、钻铆、装配和碳纤维铺覆等七种典型机器人应用工艺，构建相应的工艺模型和数据集，为工业机器人高端行业应用提供基础工艺数据支撑。
▍典型工艺智能学习与优化算法研究创新突破
在项目负责人，北京航空航天大学陶永副教授的带领下，项目组重点围绕典型工艺智能学习与优化算法开展研发攻关，取得如下成果：
研究了基于规则库与知识图谱的工序模板推荐方法。这一创新使得过往工艺信息得到有效利用，实现了在复杂实际生产过程中完成工艺参数智能选取与推荐的目标。该技术显著减少了工艺编制过程的工作量，提高了工艺编制的效率和准确性。
针对钻铆与喷涂等典型工艺，项目完成了基于量子粒子群算法的机器人姿态推荐算法与基于改进NSGA-II算法的喷涂轨迹推荐算法，这些创新显著提升了相关工艺加工质量和制造水平。
项目研究了机器人典型工艺质量预测方法。项目针对装配、打磨与焊接等典型工艺，完成了多项创新研究，包括基于BLL残差预测算法的机器人混合逆动力学模型补偿、基于迭代积分和TIF曲面模型的打磨表面微观形貌预测研究，以及基于机器学习的熔池提取与焊缝熔深预测方法研究。这些技术为实际生产工艺的质量控制提供了有力支持。项目还研究了机器人典型工艺智能优化方法。针对装配与喷涂工艺，完成了基于多模态和强化学习的装配优化技术、喷涂工艺总体优化框架研究。通过这些技术创新，优化了相关工艺参数，实现了加工质量与效率的双重提升。
▍工艺服务云平台：构建数智化工艺资源共享与服务体系
在工艺服务平台方面，项目完成了智能工艺云平台的整体架构。平台研究了多源数据接口技术、数据清洗技术、主题域划分技术、数据标签处理技术，以及离线计算、实时计算及智能调度等技术。
研究了资源服务中心中机器人库、工具库、设备库、材料库、工艺库的存储与应用机制。工艺库用于存储学习引擎通过大量样本所学习的工艺模型，在业务中台触发实时工艺规划请求时，调用工艺模型进行工艺规划与工艺预测。同时研究了工艺路径规划服务中心中关于通用几何拓扑路径规划、特定工艺专用路径规划、避障检测与路径规划方法。
平台形成了机器人应用案例库，为PQArt提供丰富的应用案例库，并可实时更新应用案例。同时,平台开放给用户自主上传应用实例输出动画的功能，便于用户直观对比、参考，加速方案优化与决策进程。此外，研发了基于公有云的智能工艺云服务平台，对接云平台数据采集与工艺服务接口。
为实现数据上去、服务下来的目标，云平台一边对数据模型进行分析与采集工作，一边进行工艺数据的采集工作。这些接口一方面为典型工艺智能学习与优化技术提供数据支撑，为工艺智能模型学习提供基础数据；另一方面为工艺数据的推荐与筛选提供支持；对于未做过的工艺，则先通过工艺智能学习与优化技术计算数据，再采集推荐使用。
基于强大的数据采集功能，云平台开发了工艺服务接口与功能，并具有数据采集的功能。用户可以通过填写excel模板，或者根据自己的实际需求自定义属性信息，并手动上传数据，从而确保数据的多样性和准确性；此外，云平台开发了数据查询、数据清洗、数据转换与数据推送的接口与功能，为“服务下来”提供功能支撑这些工作为数据上云、服务下达奠定了坚实基础，推动了工业工艺向智能化、自动化、简单化、批量化方向发展。
▍超大规模机器人适配：离线编程虚拟仿真平台突破工艺壁垒
值得一提的是，项目开发的离线编程虚拟仿真平台已完成五种重要工艺包的搭建，包括焊接、喷涂、打磨、抛光和钻铆工艺。该平台具有显著的技术优势：首先，实现了对市场主流90余个品牌及800多个型号工业机器人的适配，大大提升了系统的兼容性；其次，通过不同机器人工艺的高效动态挂载，显著降低了自定义开发的难度和工艺人员的使用门槛；第三，依托云平台的数据支持，具备最优参数推荐功能，能够推荐相关的加工参数，有效提升生产效率和工艺精度。
▍破局高端制造：七大工艺创新驱动四大领域示范应用突破
总结来说，项目提出了创新性的“工艺即服务”概念，实现了典型工艺覆盖、多品牌机器人兼容、工艺仿真规划及优化、高并发操作等功能。通过深入研究机器人焊接、喷涂、打磨、抛光、装配、钻铆、碳纤维铺覆7种典型加工工艺，建立了焊接跟踪控制、力控磨抛和喷涂沉积等工艺模型，并采集了相关的工艺数据，构建了工艺优化数据集；开发集成了基于DBN网络的工艺智能推荐算法、基于BLL残差预测算法、基于基于多模态和强化学习的装配优化算法，实现新产品的工艺推荐与优化；搭建了焊接、钻铆、喷涂、打磨、装配等8个场景的典型工艺集成工作站，完成了航天、航空、新能源和新基建4个高端领域的推广应用。通过该项目的研发，将提升我国工业机器人工艺优化与迁移水平，促进机器人所需工业软件产业的发展，为工业机器人在高端行业的应用和推广提供坚实的技术支撑。
在市场推广方面，项目取得了实质性进展，显示出良好的市场认可度。这些示范应用的成功实施，不仅验证了项目研发成果的实用性和可靠性，更为我国高端制造业的智能化转型提供了可复制、可推广的技术方案。通过在这些重点企业的示范应用，项目建立了一套完整的工业机器人工艺应用解决方案，为制造业的智能化升级探索出了切实可行的实施路径。
在项目管理方面，项目负责人，北京航空航天大学陶永副教授与牵头单位北京华航唯实机器人科技股份有限公司发挥了重要作用。陶永副教授与郭瑞军副总经理表示，牵头单位与各参研单位保持紧密配合，严格按照规章制度对项目进行管理，确保项目保质保量完成各项任务。
本项目也体现了产学研协同创新的优势，由华航唯实、北京航空航天大学、武汉国家数字化设计与制造创新中心、遨博（北京）智能科技公司、北京星航机电装备有限公司、中国商飞上海飞机制造有限公司、浙江省建工集团有限责任公司、深圳前海瑞集科技有限公司、大连理工大学、武汉科技大学等单位与高校联合参与，协同开展联合攻关，形成了强大的创新合力。
▍引领行业发展 开创智能制造新局面
该项目的成功实施，不仅推动了我国工业机器人工艺应用技术的突破，更为制造业转型升级提供了可靠的技术支撑。国家重点研发计划“工业机器人工艺应用程序集成开发平台”项目2024年度总结会暨项目指标测试方案专家评审会最后由项目责任专家王硕研究员进行总结。王硕研究员肯定了该项目2024年度取得的各项进展和成果，希望项目组能一直坚持下去，国产工业机器人工艺优化与应用集成开发平台进行深入攻关，并开展航空航天等高端领域的示范应用，提升工业机器人工艺优化和迁移部署能力，促进国产工业机器人装备在高端制造领域的大规模、高质量产业化推广应用。
在全球制造业加速向智能化、数字化转型的背景下，该项目的突破性进展展现了中国制造向中国智造跨越的坚实步伐。通过持续的技术创新和产业实践，我国工业机器人产业正在以自主创新实力铸就智能制造新高度，为中国智造注入强劲动能！
（文：机器人大讲堂）