基于綜合工裝的盒式連接裝配型架快速配置方法

鄭聯(lián)語，劉清軍，張宏博，王建華，趙弘弘

（1.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191；2.上海飛機(jī)制造有限公司 工裝部，上海 200436）

0 引言

為保證飛機(jī)制造的準(zhǔn)確度和互換協(xié)調(diào)，制造過程中采用大量工藝裝備，其設(shè)計、制造和安裝成本占整體成本的10%～20%［1］。工裝高成本的原因在于它的定制性和不可重復(fù)利用，每個型號產(chǎn)品對應(yīng)一套工裝，在新型產(chǎn)品的生產(chǎn)中原有工裝將廢棄不用。隨著客戶對產(chǎn)品的個性化需求不斷增加，產(chǎn)品多樣化程度越來越高［2-3］。由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、裝配工序的增加和新一代飛機(jī)產(chǎn)品交貨期的縮短，給型號項(xiàng)目中的工裝準(zhǔn)備帶來越來越大的壓力，傳統(tǒng)的剛性專用工裝已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代飛機(jī)多品種、小批量生產(chǎn)的需要，成為制約國內(nèi)飛機(jī)裝配技術(shù)發(fā)展的主要因素之一［4］。因此，在飛機(jī)制造中推行可重構(gòu)柔性工裝技術(shù)十分必要?？芍貥?gòu)柔性工裝的中心思想是將工裝夾具做成模塊化標(biāo)準(zhǔn)件的形式，從而通過簡單改變夾具構(gòu)型，或者將一些或全部零組件重新裝配成另外一種構(gòu)型，使工裝能夠適應(yīng)一系列不同變型產(chǎn)品的需求?？芍貥?gòu)柔性工裝使得飛機(jī)裝配工裝的設(shè)計制造等準(zhǔn)備周期大大縮短，從而提高了工裝快速響應(yīng)產(chǎn)品變化的能力，同時工裝的“一架多用”功能可大幅度減少工裝數(shù)量，以及工裝存儲占地面積和工裝設(shè)計制造成本。

國內(nèi)外眾多學(xué)者對可重構(gòu)柔性工裝進(jìn)行了研究。Gandhi等提出的模塊化組合工裝由多個組件組合而成［5］，這些組件能夠以不同形式、不同相對位置進(jìn)行重組，從而適應(yīng)不同場合、不同尺寸的工裝需求。但是由于模塊化工裝的原理是將模塊化的思想應(yīng)用于工裝的設(shè)計中，其每一個模塊都與特定的功能相對應(yīng)，根據(jù)需求從模塊系列中選擇合適的模塊，從而快速形成工裝［6］，這種工裝只能在特定尺寸的幾種零件中使用。Lee和Yien設(shè)計的空客飛機(jī)壁板零件裝配的可重構(gòu)柔性工裝是一種單結(jié)構(gòu)可重構(gòu)柔性夾具［7］，由多個高度可調(diào)的支撐柱組成，根據(jù)壁板類零件的形狀調(diào)節(jié)支撐柱的高度，以實(shí)現(xiàn)對壁板零件的支撐與夾持。但是，這種工裝的結(jié)構(gòu)、功能比較單一，調(diào)節(jié)能力有限，不適合在其他工作場景中應(yīng)用?；谀K化Pogo柱單元的柔性工裝系統(tǒng)在波音和空客等飛機(jī)機(jī)身裝配上得到了應(yīng)用［8］，但它主要適用于壁板類組件裝配和大組件對接裝配。為克服傳統(tǒng)焊接工裝拆卸和重用困難、制造周期長、成本高和占地面積大等局限，同時使工裝能夠更好地適應(yīng)產(chǎn)品變型設(shè)計的要求，Kihlman等提出一種基于盒式連接結(jié)構(gòu)的低成本柔性工裝理念［9］。在這種理念中，型架是由一系列標(biāo)準(zhǔn)的梁和連接裝置通過螺栓拉緊固定的，以相互間的摩擦力保持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，整體結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)、可拆卸，適用于不同的飛機(jī)裝配工裝需求場合，可顯著提高飛機(jī)裝配工裝資源的利用率。盒式連接工裝在飛機(jī)的產(chǎn)品族大批量裝配、小批量裝配以及應(yīng)急裝配和飛機(jī)維修中具有廣泛的應(yīng)用前景［10］。盒式連接工裝的成功應(yīng)用需要研究突破快速設(shè)計與重用、穩(wěn)定性分析、可視性分析、安裝優(yōu)化、穩(wěn)定性驗(yàn)證與監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)［11］。其中快速設(shè)計與重用需要可以通過對工裝元組件的配置設(shè)計來實(shí)現(xiàn)，本文力圖通過建立和應(yīng)用綜合工裝，實(shí)現(xiàn)盒式連接裝配型架的快速配置。

面向產(chǎn)品族的變型或改型產(chǎn)品的工裝配置與定制技術(shù)是未來可重構(gòu)柔性工裝技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一［12］。它是面向產(chǎn)品族與產(chǎn)品平臺開發(fā)的產(chǎn)品配置技術(shù)向生產(chǎn)制造階段的延伸，同樣適合于現(xiàn)代飛機(jī)產(chǎn)品族工裝的設(shè)計與制造。當(dāng)飛機(jī)進(jìn)行改型設(shè)計時，只需對已有裝配工裝進(jìn)行簡單的設(shè)計修改和重構(gòu)配置，就能滿足新型號組件對裝配工裝的要求，而不需要對每種改型的產(chǎn)品都開發(fā)專門的工裝，即可重構(gòu)工裝能夠被用在不同型號飛機(jī)相似組件的裝配中，從而顯著降低工裝成本，并解決工裝資源冗余、占地面積大和難于管理等一系列問題。

面向產(chǎn)品族的工裝設(shè)計一般采用工裝實(shí)例檢索、綜合工裝配置和模塊化設(shè)計相結(jié)合的系統(tǒng)化、規(guī)范化方法，主要步驟包括：①獲取工裝需求信息即工裝設(shè)計技術(shù)條件，作為工裝設(shè)計的基本依據(jù)；②檢索工裝實(shí)例庫，如有可重用的工裝實(shí)例則直接重用，否則執(zhí)行步驟③；③從綜合工裝庫中檢索是否存在同類產(chǎn)品族的綜合工裝，若存在則對綜合工裝進(jìn)行配置求解，若不存在則執(zhí)行步驟④；④由用戶以模塊庫和零組件庫為支撐，運(yùn)用模塊化設(shè)計方法建立新的工裝實(shí)例。在上述設(shè)計流程中，工裝實(shí)例檢索一般采用基于實(shí)例的推理，國內(nèi)外已有較多研究［13］，模塊化設(shè)計也是一種常用的工裝設(shè)計方法［14］。而對于基于綜合工裝的工裝快速設(shè)計即工裝配置方法，則缺乏深入研究與應(yīng)用。為支持產(chǎn)品族中變型產(chǎn)品的可重構(gòu)工裝快速開發(fā)，文獻(xiàn)［12］提出一種借鑒產(chǎn)品配置原理的工裝配置方法，但是研究對象限于機(jī)加夾具而非裝配工裝。潘志毅等提出一種基于飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更改的裝配工裝變型設(shè)計模型，提高了裝配工裝設(shè)計對飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更改的快速響應(yīng)和應(yīng)變能力［15］，Jonson等雖然開發(fā)了盒式連接裝配型架的配置軟件工具［16］，但本質(zhì)上是屬于交互方式的模塊化設(shè)計，不能更加有效地解決飛機(jī)產(chǎn)品族的裝配型架快速配置問題。為此，本文以盒式連接裝配型架為研究對象，在分析盒式連接裝配型架的組成及其可配置性的基礎(chǔ)上，提出一種基于綜合工裝的盒式連接裝配型架的快速配置方法，并予以實(shí)現(xiàn)和實(shí)例驗(yàn)證。

1 面向產(chǎn)品族工裝配置中綜合工裝的概念

產(chǎn)品配置技術(shù)能夠有效地解決產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變型設(shè)計問題。將產(chǎn)品配置相關(guān)理論及技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品工裝設(shè)計過程中，充分利用產(chǎn)品族特性，能夠?yàn)楣ぱb快速設(shè)計和管理提供有效支持。因此，產(chǎn)品族工裝配置技術(shù)就是為了解決產(chǎn)品變型引起的工裝變型帶來的工裝多樣性問題，通過重用和重構(gòu)技術(shù)達(dá)到工裝快速設(shè)計的目的［12］。工裝配置是一種基于知識的決策過程，其核心是為每個產(chǎn)品族建立一個內(nèi)含配置規(guī)則的綜合工裝。工裝配置中的綜合工裝借鑒了產(chǎn)品配置中通用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)或物料清單（General Bill of Material，GBOM）的概念。在產(chǎn)品設(shè)計中，物料清單（Bill of Material，BOM）用于表示產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息，它反映了零組件、原材料與產(chǎn)品之間的構(gòu)成關(guān)系、數(shù)量關(guān)系和裝配順序。但每一個產(chǎn)品都對應(yīng)一個BOM，當(dāng)產(chǎn)品品種增加時將導(dǎo)致BOM 結(jié)構(gòu)冗余，并帶來管理的低效［17］。為此，在產(chǎn)品配置中提出產(chǎn)品族GBOM 概念［18-19］，它是一個由零組件類組成的層次結(jié)構(gòu)，表示了產(chǎn)品系列中的通用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提供了一種用有限數(shù)據(jù)描述大量產(chǎn)品品種的方式，避免了結(jié)構(gòu)冗余，同時保持了BOM 的結(jié)構(gòu)信息。因?yàn)楣ぱb也可以看作一種特定產(chǎn)品，針對不同變型產(chǎn)品設(shè)計的工裝系列可以看作一個產(chǎn)品族，所以可以借鑒產(chǎn)品配置中GBOM 的思想，提出一種綜合的工裝BOM 結(jié)構(gòu)——即綜合工裝（Composite Tooling，CT）。

圖1a所示為某產(chǎn)品族中兩個產(chǎn)品對應(yīng)工裝實(shí)例的結(jié)構(gòu)樹模型，實(shí)線表示該零組件是工裝實(shí)例不可或缺的，虛線表示該零組件有多種選擇?？梢钥闯鏊鼈兘Y(jié)構(gòu)相似，不同之處有：①零件d1，d2，e1，e2以及由它們組成的組件a1和a2；②零件b在T2工裝實(shí)例中不存在；③零件c的選型在T1中為c0，在T2中為c1。將T1和T2模型中所用到的零組件集合最大化，并將相似的零組件歸為一類，稱為類零組件［20］，構(gòu)成一棵虛擬的工裝樹結(jié)構(gòu)，如圖1b所示，即T=T1∪T2。

CT 將多個工裝實(shí)例結(jié)構(gòu)集成在一個綜合結(jié)構(gòu)中表示，在該結(jié)構(gòu)中，所有工裝實(shí)例所包含的零組件都在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上體現(xiàn)出來，當(dāng)需要配置新的工裝時，通過一系列規(guī)則及參數(shù)的控制，實(shí)現(xiàn)多余零組件的去除、不同零組件的組合搭配以及特定零組件的選型等操作，最后形成一個滿足特定產(chǎn)品需求的唯一工裝實(shí)例。

可以看出，產(chǎn)品族中產(chǎn)品對應(yīng)的多個工裝實(shí)例可以用這種具有通用結(jié)構(gòu)的綜合工裝表達(dá)。根據(jù)以上分析可以看出，綜合工裝是從一系列功能和結(jié)構(gòu)相似的工裝中抽象出來的抽象工裝，它是這些相似工裝的屬性和結(jié)構(gòu)的最大集合，是進(jìn)行工裝配置的模板。CT 本身是一個預(yù)配置的通用化含配置規(guī)則的綜合結(jié)構(gòu)，但它并不是一個可用的工裝實(shí)例。建立CT 的關(guān)鍵在于分析構(gòu)成產(chǎn)品族工裝的零組件和可配置性，并建立配置規(guī)則。

2 盒式連接裝配型架及其可配置性

2.1 盒式連接裝配型架的原理與組成

盒式連接是一組模塊化的接頭形式，采用螺栓拉緊的連接板，通過摩擦力將不同走向的方梁連接在一起，不僅起到連接梁的作用，還可用作支撐定位器的平臺。盒式連接代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊接接頭，可使方梁和定位器等都可以靈活調(diào)整或拆卸，大大增強(qiáng)裝配工裝的可重構(gòu)性和可配置性。

如圖2所示，盒式接頭主要由被連接梁（1）、六角螺栓（2）、連接板（3）、被連接梁（4）和六角頭螺母（5）組成。連接板位于被連接梁兩側(cè)，用螺栓將它們連在一起，給螺栓施加一定的預(yù)緊力，利用連接板和梁之間的摩擦將梁連接起來，當(dāng)產(chǎn)品發(fā)生變型、需要調(diào)整工裝時，只需松動螺母、將梁移動到所需位置后再將螺母預(yù)緊，即可實(shí)現(xiàn)整個裝配型架的快速重構(gòu)。盒式連接型架與傳統(tǒng)的焊接型架典型結(jié)構(gòu)部分基本相同，主要包括盒式連接骨架、定位裝置和夾持裝置等部分。其中型架的骨架由標(biāo)準(zhǔn)化的梁和盒式接頭搭建組成，圖3給出了兩種常見的基于盒式連接飛機(jī)裝配型架的骨架。

2.2 盒式連接型架的可重構(gòu)、可配置性

盒式連接型架的可重構(gòu)可配置性體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）可配置的標(biāo)準(zhǔn)化零件

型架所用到的梁、盒式連接板、螺栓和螺母等都按照一定的規(guī)格系列做成標(biāo)準(zhǔn)件，存在標(biāo)準(zhǔn)件庫中。以盒式連接板為例，將連接板邊長及其上的螺栓孔參數(shù)化，建立連接板規(guī)格系列。當(dāng)安裝一個盒式連接型架時，只需要根據(jù)設(shè)計要求從標(biāo)準(zhǔn)件庫中選取所需零件進(jìn)行搭建，工裝使用完畢后可拆除并將零件回收入庫，以便下次使用。這種方法提高了零組件的重復(fù)利用率，減少了工裝資源冗余。

（2）可配置的盒式接頭

盒式接頭由盒式連接板及螺栓螺母組成，用于連接方形梁以構(gòu)成型架。連接板的系列化使得盒式接頭有豐富的規(guī)格系列，能夠適應(yīng)不同尺寸的方形梁。更重要的是連接板靈活的組合可以演變出不同結(jié)構(gòu)的盒式接頭，使其能夠適用空間共面、異面、正交和斜交等不同連接需求的型架。盒式接頭尺寸和結(jié)構(gòu)兩方面的可配置性大大增強(qiáng)了型架的可重構(gòu)性。表1總結(jié)了常用盒式接頭及其特征和用途。在型架配置設(shè)計時，可根據(jù)所要連接梁的數(shù)目和空間關(guān)系，自動確定應(yīng)該配置的盒式接頭。

表1 典型盒式接頭的特征及適用場合

續(xù)表1

（3）可配置的定位／夾持器

定位／夾持器是連接工裝骨架和工件的橋梁，是飛機(jī)裝配型架中廣泛采用的定位或夾緊裝置（模塊），主要用于支撐、定位和夾緊工件，保證所定位的工件處于正確、可靠的位置，以及各組件的互換和對接接頭的協(xié)調(diào)等。在盒式連接裝配型架中，可用的定位器主要有串聯(lián)定位器和并聯(lián)定位器兩類。表2總結(jié)了典型定位器及其特征和適用場合。其中，串聯(lián)定位器除了定位功能外還具有夾緊功能，夾緊方式有活動手柄壓緊螺釘及手柄螺母加構(gòu)型螺栓兩種。并聯(lián)定位器包括Hexapod和Octapod機(jī)構(gòu)，主要由上下兩塊動、靜平臺和中間的若干支鏈組成，支鏈與板之間通過球鉸連接。每根支鏈分為上下兩部分，這兩部分之間可以有相對移動和轉(zhuǎn)動。通過支鏈的伸縮與旋轉(zhuǎn)可以使動平臺具有6個自由度。串聯(lián)定位器包括LIU，Hyde和Torres等類型，它們具有相似的結(jié)構(gòu)，包括一個裝有Pogo 柱的支承架，Pogo柱的伸縮可以使其有較大的工作空間，Pogo柱的末端裝有球鉸鏈，提供3個旋轉(zhuǎn)自由度，通過球鉸與對應(yīng)的球形工藝接頭結(jié)合后，整個串聯(lián)定位器裝置具有6個自由度。并聯(lián)和串聯(lián)定位器都可以將被定位件調(diào)整到空間任一位姿。例如，六足（Hexapod）定位器具有較高的承載能力和較多的自由度，對型架骨架的精度要求較低。因此，當(dāng)裝配型架的骨架裝配精度較低且型架需要承受的載荷較大時，宜選用Hexpod定位器。構(gòu)成這些定位器的內(nèi)部模塊本身也具有互換性和可配置性，例如Pogo柱在不同串聯(lián)定位器中可以互換使用。定位器通過基本類型的盒式接頭固定在型架上，可以方便地安裝拆卸以及調(diào)整位置。

表2 常用定位器類型及特征

續(xù)表2

（4）可配置的框架模塊

在分析多種裝配型架的骨架特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文按照功能劃分出了一些典型的通用化程度較高的盒式連接骨架模塊，并根據(jù)配置的復(fù)雜程度，分為初級模塊、中級模塊和高級模塊。這些典型骨架模塊多是工裝配置與設(shè)計中比較通用的結(jié)構(gòu)，將其保存在數(shù)據(jù)庫中，方便隨時進(jìn)行調(diào)用，從而減少工裝設(shè)計工作量。在進(jìn)行新的型架設(shè)計時，不需要從零開始，而是從模塊庫中選取比較定型的骨架模塊和可重構(gòu)性比較高的元組件，對模塊進(jìn)行拼裝和重構(gòu)，像搭積木一樣迅速搭建出所需的型架。表3列出了系統(tǒng)資源庫中的部分骨架模塊及其主要信息。

表3 型架的骨架模塊（部分）

續(xù)表3

（5）其他可配置的模塊

完整的裝配型架還包括地面支承、數(shù)字靶標(biāo)和輔助零件等。這些模塊同樣可建立其特征參數(shù)和配置規(guī)則，以便根據(jù)工裝需求信息和用戶交互輸入的信息，實(shí)現(xiàn)自動選取或自動裝配。

隨著信息化技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計制造中的應(yīng)用，飛機(jī)系列化水平得到了快速發(fā)展，如美國著名的三代戰(zhàn)機(jī)F-15 系 列：F-15A，F(xiàn)-15B，F(xiàn)-15C，F(xiàn)-15D，F(xiàn)-15E；中國的殲-10系列殲-10A，殲-10B；波音公司最受歡迎的737系列：737-100，737-200，…，737-900，737MAX；歐洲空客的A320系列：A320-100，A320-200，A320 的縮小 版A319，A320 的加長 型A321等。當(dāng)這些產(chǎn)品系列型號改變時，由于盒式連接工裝的動態(tài)模塊可增加也可減少（拆除），加之每個動態(tài)模塊又具有一定的工作空間范圍，因此只需對同產(chǎn)品族（如升降舵、襟翼、副翼、地板梁、前緣等）的原有可重構(gòu)工裝進(jìn)行簡單的配置和重構(gòu)，就能滿足新型號對裝配工裝的要求，而不需要對每種改型的產(chǎn)品都開發(fā)專門的工裝，即可重構(gòu)工裝能夠被用在一個產(chǎn)品族中不同型號的相似組部件的裝配中［11］。類似這些機(jī)型系列化的發(fā)展，推動了可重構(gòu)柔性工裝的發(fā)展，而具有可配置、可重構(gòu)性能的盒式連接工裝也迎來了更大的發(fā)展與應(yīng)用機(jī)會。

3 基于綜合工裝模型的裝配型架快速配置方法

3.1 綜合工裝模型

綜合工裝可以定義為一個四元組CT=（CComps，CLinks，CParams，CRules）。其中：

（1）CComps是組成某綜合工裝的一系列類零組件的集合，類零組件由管理信息和結(jié)構(gòu)信息等屬性進(jìn)行描述。設(shè)CT 結(jié)構(gòu)樹中的類零組件節(jié)點(diǎn)以N表示，則CComps=｛Ni｜i=1，2，…，n｝。其中：Ni為任一類零組件節(jié)點(diǎn)，n為零組件節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

（2）CLinks是綜合工裝中實(shí)現(xiàn)零組件裝配關(guān)系和位置關(guān)系的連接約束，分為以下2 類：①固定約束。存在于組件的三維模型中，用于控制組件中零件的相對位置保持不變的約束，如面貼合、軸對齊、固定等。這類連接約束在組件三維模型中事先創(chuàng)建好存在數(shù)據(jù)庫中，在工裝配置時作為一個整體而導(dǎo)入，其內(nèi)部的約束關(guān)系不再變動。以雙盒（doublebox）類型的盒式接頭為例（如表1），中間兩塊連接板的面貼合約束，螺栓與連接板上螺紋孔的軸對齊約束等都屬于固定約束。②活動約束。存在于組件中，用于約束組件中零件的相對位置在一定范圍內(nèi)活動，多為數(shù)值型約束，例如距離約束和角度約束。以串聯(lián)定位器為例（如表2），其定位面到底座的距離為一個距離約束，距離的數(shù)值由帶參數(shù)的公式得到一個滿足要求的值。

（3）CParams是一系列與配置有關(guān)的參數(shù)集。綜合工裝能夠進(jìn)行配置的機(jī)理在于其三維模型能夠根據(jù)隨裝配件信息、裝配精度要求、工裝設(shè)計規(guī)范等外部信息的變化而變化，這就要求零件模型具有易于修改的柔性。因此，類零組件的部分屬性是參數(shù)化的，一個類零組件的屬性變量集構(gòu)成它的參數(shù)集。對于任意一個類零組件節(jié)點(diǎn)Ni，其參數(shù)集用Par（Ni）表示，Par（Ni）=｛Parj（Ni）｜j=1，2，…，ni｝，其中ni表示第i個類零組件節(jié)點(diǎn)參數(shù)個數(shù)，每一個參數(shù)都是一組參數(shù)值的集合，用Val（Parj）表示參數(shù)集的集合，且Val（Parj）=｛Valk（Parj）｜k=1，2，…，nk｝，nk表示第j個參數(shù)Parj的參數(shù) 值個數(shù)。

（4）CRules是配置規(guī)則，包括映射規(guī)則、分支規(guī)則和存在規(guī)則。其中：①映射規(guī)則，將零組件的部分特征參數(shù)化，當(dāng)產(chǎn)品的尺寸發(fā)生變化時，可以通過改變參數(shù)驅(qū)動該零組件的三維模型發(fā)生變化；②分支規(guī)則，在對工裝某個組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇時，需要根據(jù)一定的條件進(jìn)行選擇，采用符合條件的零組件；③存在規(guī)則，工裝中某些零組件在某些情況下可能不需要，通過存在規(guī)則控制該零組件的存在與否。

映射規(guī)則的表達(dá)式為ParaChild=f（ParaFather）。其中：ParaFather是父節(jié)點(diǎn)參數(shù)集中的參數(shù)，ParaChild是子節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，f為從父節(jié)點(diǎn)參數(shù)到子節(jié)點(diǎn)參數(shù)建立的映射關(guān)系，即子節(jié)點(diǎn)的參數(shù)值取決于父節(jié)點(diǎn)。分支規(guī)則和存在規(guī)則采用產(chǎn)生式規(guī)則來表示，其表達(dá)式為：

其中Boolean（inputParam，valuei）是一個結(jié)果為布爾值的關(guān)系式，關(guān)系式操作符即Boolean共有7種，分別為=，！=，＜，＜=，＞，＞=，between（＜x＜=）。關(guān)系式左值inputParam 為零組件的屬性參數(shù)，右值valuei為預(yù)設(shè)值，當(dāng)Boolean關(guān)系結(jié)果為真時，執(zhí)行對應(yīng)的THEN 語句的內(nèi)容。

以上三種配置規(guī)則中，存在規(guī)則和映射規(guī)則嵌入在零組件節(jié)點(diǎn)內(nèi)部，通過改變類零組件參數(shù)集中的相應(yīng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)規(guī)則求解。分支規(guī)則表現(xiàn)為CT 結(jié)構(gòu)模型樹上的邏輯節(jié)點(diǎn)，但并不是實(shí)際工裝的組成部分，沒有任何結(jié)構(gòu)和屬性信息。在進(jìn)行CT 配置時，需要用滿足條件的分支上的零組件代替該分支節(jié)點(diǎn)的位置。

綜上所述，CT 可以定義為一個包含參數(shù)、公式和配置規(guī)則的三維裝配體，是一種含三維模型信息的知識模型，當(dāng)產(chǎn)品族中的產(chǎn)品發(fā)生變型導(dǎo)致其裝配需求、工裝設(shè)計規(guī)范等信息發(fā)生變化時，只要將上述信息作為輸入，綜合工裝就能夠通過對配置規(guī)則的自動求解來自動產(chǎn)生滿足變型產(chǎn)品裝配需求的特定工裝實(shí)例。CT 可以表示為一棵內(nèi)含約束和規(guī)則的多叉樹。本文采用面向?qū)ο蟮乃枷?，將類零組件標(biāo)識、類零組件參數(shù)集以及嵌入在類零組件內(nèi)的配置規(guī)則集封裝在一起，建立CT 模型樹的節(jié)點(diǎn)信息模型，如果某零組件不可配置，即該零組件的所有屬性值是常量，則其相應(yīng)節(jié)點(diǎn)參數(shù)集和配置規(guī)則集都為空。

根據(jù)以上定義及節(jié)點(diǎn)信息模型，可以建立CT模型。圖4為某機(jī)型機(jī)身地板梁裝配型架的綜合工裝模型，它是基于盒式連接的工裝，梁之間通過盒式接頭相連，整個工裝骨架部分沒有焊接?？膳渲玫牟糠钟校孩俟羌艿目傞L、總高、總寬可以根據(jù)被裝配的地板梁的尺寸進(jìn)行參數(shù)化調(diào)整；②安裝定位器的方梁截面尺寸可以根據(jù)地板梁的重量進(jìn)行選擇；③加強(qiáng)筋根據(jù)骨架立柱的長細(xì)比決定存在與否；④定位器可根據(jù)被裝配件的定位要求進(jìn)行選擇等。限于篇幅，模型樹上僅列出部分零組件及其參數(shù)集和配置規(guī)則。

3.2 基于綜合工裝的配置求解

基于綜合工裝的工裝配置采用基于規(guī)則推理的工作模式，其流程如圖5所示，主要步驟如下：

步驟1 獲取工裝需求信息，為配置規(guī)則的求解運(yùn)算做數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。這一步可以直接利用工裝檢索模塊中獲取的工裝需求信息，包括產(chǎn)品的名稱、類型、標(biāo)識、材料、結(jié)構(gòu)類型以及相應(yīng)的關(guān)鍵形狀尺寸信息。其中：產(chǎn)品標(biāo)識、材料和部分的關(guān)鍵形狀尺寸信息可以從飛機(jī)產(chǎn)品的模型樹中直接獲取，重量信息可以通過材料和體積信息自動計算得到。產(chǎn)品名稱、類型和標(biāo)識等信息可以作為檢索條件，查詢已有工裝庫中是否存在能匹配該飛機(jī)產(chǎn)品的綜合工裝。

步驟2 遍歷綜合工裝中零組件節(jié)點(diǎn)包含的所有配置規(guī)則，得到規(guī)則總數(shù)N，并根據(jù)配置規(guī)則內(nèi)容和工裝需求信息中的相關(guān)信息（如飛機(jī)產(chǎn)品關(guān)鍵形狀尺寸信息和重量信息），為下一步規(guī)則執(zhí)行實(shí)現(xiàn)綜合工裝的變型奠定基礎(chǔ)。

步驟3 逐條執(zhí)行所有配置規(guī)則，對于第i條配置規(guī)則，首先判定其類型，分三種情況處理：①若為存在規(guī)則，則結(jié)果為“存在”或“不存在”。若結(jié)果為“存在”，則CT 中對應(yīng)節(jié)點(diǎn)保留，否則從CT 中刪除該節(jié)點(diǎn)。②若為分支規(guī)則，則只有滿足條件的分支會被執(zhí)行，該分支可以是組件或零件，也可以是“不存在”和“待設(shè)計”。由于一條分支規(guī)則可能存在多個分支，首先統(tǒng)計分支數(shù)M，再將工裝需求信息與M個分支中的規(guī)則前件進(jìn)行匹配，若第j分支的條件為真，則用第i條規(guī)則中第j分支中then部分的參數(shù)，驅(qū)動CT 中相關(guān)零組件的三維模型，更新CT。③若為映射規(guī)則，則用第i條規(guī)則中的參數(shù)驅(qū)動CT中相關(guān)零組件的三維模型，更新CT。若以上三種類型都無法處理，則用第i條規(guī)則default部分的內(nèi)容更新操作CT。

步驟4 所有配置規(guī)則執(zhí)行完成后，生成一個工裝實(shí)例。如果出現(xiàn)“待設(shè)計”，則設(shè)計該零組件。在對“待設(shè)計”的零組件進(jìn)行了設(shè)計，即對該綜合工裝進(jìn)行了擴(kuò)充和更新后，需重新保存該綜合工裝。

步驟5 將生成的工裝實(shí)例存入工裝實(shí)例庫。

4 實(shí)例驗(yàn)證

以某機(jī)型機(jī)身地板梁為例驗(yàn)證本方法。圖6為該地板梁的三維模型，它由10根縱梁和5根橫梁組成，總長3 700mm，總高2 000mm，總重80kg，縱梁間距和橫梁間距均為400 mm，圖7 為最終配置結(jié)果。本文的快速配置方法在所開發(fā)的盒式連接可重構(gòu)柔性工裝快速設(shè)計與分析系統(tǒng)中予以實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)采用CATIA 二次開發(fā)平臺的組件應(yīng)用架構(gòu)（Component Application Architecture，CAA）進(jìn)行開發(fā)，主要功能模塊包括工裝資源管理、工裝快速設(shè)計、工裝性能分析和工裝安裝過程規(guī)劃。以上四大功能模塊中，工裝快速設(shè)計是核心模塊，通過工裝檢索、綜合工裝配置和模塊化設(shè)計三種途徑綜合實(shí)現(xiàn)，其主界面如圖8a所示，包括導(dǎo)入被裝配件、自動配置、交互配置和常用操作四組功能。

將該地板梁三維模型導(dǎo)入CATIA（如圖8b），首先進(jìn)入工裝檢索界面（如圖8c），該界面包括產(chǎn)品信息獲取、設(shè)置檢索條件、顯示檢索結(jié)果、顯示工裝信息和顯示工裝三維模型等區(qū)域。當(dāng)用戶選擇被裝配件后，系統(tǒng)能夠從數(shù)據(jù)庫中及產(chǎn)品三維模型上自動提取該產(chǎn)品的信息并在相應(yīng)區(qū)域顯示。在“設(shè)置檢索條件”區(qū)域內(nèi)使用事先指定的幾個關(guān)鍵字，組合形成檢索條件，點(diǎn)擊“檢索”按鈕顯示檢索結(jié)果。檢索結(jié)果會出現(xiàn)3種情況：①僅有可用的工裝實(shí)例；②僅有可用的綜合工裝；③沒有任何可用的工裝實(shí)例或綜合工裝。對于前兩種情況，系統(tǒng)會將檢索到結(jié)果的詳細(xì)信息顯示在界面上供用戶查看，如果檢索到可用的工裝實(shí)例則直接導(dǎo)入重用。對于本實(shí)例，檢索結(jié)果為存在可用的綜合工裝，故進(jìn)入綜合工裝配置界面，對其進(jìn)行配置，如圖8d所示。所需的工裝需求信息仍然來自被裝配件信息，點(diǎn)擊“配置”按鈕后將自動執(zhí)行配置過程，無需人為干預(yù)。本文選取機(jī)身地板梁為產(chǎn)品族對象建立地板梁類產(chǎn)品的綜合工裝（如圖4），該綜合工裝中所有配置規(guī)則求解過程如表4所示。例如，根據(jù)被裝配件總高經(jīng)映射規(guī)則推導(dǎo)出裝配型架總高為2 400mm，根據(jù)被裝配件總重經(jīng)分支規(guī)則決策出所選方梁的截面寬度為100mm，由推導(dǎo)出的型架總高和方梁截面寬度得出型架立柱的細(xì)長比為24，根據(jù)存在規(guī)則決策出型架的加強(qiáng)筋存在。根據(jù)圖4所示綜合工裝和圖5所示產(chǎn)品信息，表4所有配置規(guī)則執(zhí)行完畢后得到該地板梁的裝配型架實(shí)例（如圖7）。

如果檢索結(jié)果為沒有任何可用的工裝實(shí)例或綜合工裝，則用戶需要在交互配置功能向?qū)?，基于模塊化設(shè)計方法，利用工裝資源庫中已有模塊設(shè)計所需工裝。

表4 配置規(guī)則求解過程

5 結(jié)束語

本文提出的綜合工裝模型，是一個蘊(yùn)含特征參數(shù)、經(jīng)驗(yàn)公式和配置規(guī)則并具有連接約束的工裝設(shè)計知識模型，能夠有效、綜合地表達(dá)產(chǎn)品族的工裝設(shè)計知識，為實(shí)現(xiàn)工裝的快速配置和重構(gòu)奠定了理論基礎(chǔ)。該綜合工裝模型既適用于盒式連接裝配型架，也適用于其他飛機(jī)工裝。基于綜合工裝模型建立了一種盒式連接裝配型架的自動配置方法，開發(fā)了盒式連接可重構(gòu)工裝快速設(shè)計與分析系統(tǒng)，并以某機(jī)型飛機(jī)地板梁裝配型架為例進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，該方法能夠快速重用、配置產(chǎn)品族的系列化工裝，有效地解決因飛機(jī)結(jié)構(gòu)頻繁變型、改型帶來的工裝多樣性、工裝準(zhǔn)備效率低和周期長等問題。

［1］BONE G M，CAPSON D.Vision-guided fixtureless assembly of automotive components［J］.Robotics and Computer Integrated Manufacturing，2003，19（1）：79-87.

［2］ElMARAGHY H，SCHUH G.Managing variations in products，processes and manufacturing systems［J］.Manufacturing Technology，2009，58（1）：441-446.

［3］HU S J，KO J，WEYAND L，et al.Assembly system design and operations for product variety［J］.Manufacturing Technology，2011，60（2）：715-733.

［4］GUO Hongjie，KANG Xiaofeng，WANG Liang，et al.Research on flexible tooling technology for digital assembly of aircraft fuselage［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2011（22）：94-97（in Chinese）.［郭洪杰，康曉峰，王 亮，等.飛機(jī)組件裝配數(shù)字化柔性工裝技術(shù)研究［J］.航空制造技術(shù)，2011（22）：94-97.］

［5］GANDHI M V，THOMPSON B S.Automated design of modular fixture for flexible manufacturing systems［J］.Journal of Manufacturing Systems，1986，5（4）：243-252.

［6］LEI W.FIX-DES：a computer aided modular fixture configuration design system［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，1998，14（1）：21-22.

［7］LEE K，YIEN C.Design and control of a prototype platform manipulator for workholding and workhandling applications［J］.Journal of Mechanical Working Technology，1989，20：305-314.

［8］XU G K.Automatic assembly technology for large aircraft［J］.Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica，2008，29（3）：734-740（in Chinese）.［許國康.大型飛機(jī)自動化裝配技術(shù)［J］.航空學(xué)報，2008，29（3）：734-740.］

［9］HELGOSSON P，OSSBAHR G，TOMLINSON D.Modular and configurable steel structure for assembly fixtures［C］／／Proceedings of SAE 2010Aerospace Manufacturing and Automated Fastening Conference &Exhibition.DOI：10.42711.2010-01-1873.

［10］KIHLMAN H.Affordable automation for airframe assemblydevelopment of key enabling technologies［D］.Linkoping，Sweden：Linkoping University，2005.

［11］ZHENG Lianyu，WANG Jianhua.Development and application prospect of boxjoint-based reconfigurable and flexible tooling technology［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2013（18）：26-31（in Chinese）.［鄭聯(lián)語，王建華.盒式連接可重構(gòu)柔性工裝技術(shù)及應(yīng)用展望［J］.航空制造技術(shù)，2013（18）：26-31.］

［12］ZHENG Lianyu，JI Lu.Research and implementation of tooling configuration for product family［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems，2011，17（3）：585-594（in Chinese）.［鄭聯(lián)語，紀(jì) 錄.產(chǎn)品族工裝配置技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［J］.計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2011，17（3）：585-594.］

［13］ZHAO Yanwei，SU Nan，ZHANG Feng，et al.Configuration design method for product family based on extension case reasoning［J］.Journal of Mechanical Engineering，2010，46（15）：146-154（in Chinese）.［趙燕偉，蘇 楠，張 峰，等.基于可拓實(shí)例推理的產(chǎn)品族配置設(shè)計方法［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2010，46（15）：146-154.］

［14］GENG Qiya，WANG Zhongqi，KANG Yongqiang，et al.Research on modular design for aircraft assembly fixtures product［J］.Modern Manufacturing Engineering，2009（10）：65-68（in Chinese）.［耿其亞，王仲奇，康永強(qiáng)，等.飛機(jī)工藝裝備模塊化設(shè)計系統(tǒng)技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2009（10）：65-68.］

［15］PAN Zhiyi，HUANG Xiang，LI Yingguang.Variant design method for assembly tooling design based on aircraft product structure change［J］.Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica，2009，30（5）：959-965（in Chinese）.［潘志毅，黃 翔，李迎光.基于飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更改的裝配工裝變型設(shè)計方法［J］.航空學(xué)報，2009，30（5）：959-965.］

［16］JONSSON M，KIHLMAN H.Fixture design using configurators［EB／OL］.［2013-06-03］.www.bibliopedant.com／zkm4y9MXOKF11TEhIOFg.

［17］LI Yonggang.Product configuration based on CBR and GBOM［J］.Logistics Sci-Tech，.2011（7）：141-144（in Chinese）.［李永剛.基于CBR 和GBOM 的產(chǎn)品配置方法［J］.物流科技，2011（7）：141-144.］

［18］HEGGE H M H，WORTMANN J C.Generic bill of material：a new product model［J］.International Journal of Production Economics，1991，23（1／2／3）：117-128.

［19］VEE V E A.Modeling product structure by genetic bill of materials［M］.Amsterdam，the Nethlands：Elsevier Science Publishers，1992.

［20］FENG Tao，DAN Bin.Product family structure and configuration management for mass customization［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems，2003，9（3）：210-213（in Chinese）.［馮 韜，但 斌.面向大規(guī)模定制的產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)與配置管理［J］.計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2003，9（3）：210-213.］