學(xué)習(xí)德國工業(yè)4.0、中國智能制造講座(連載四)

學(xué)習(xí)德國工業(yè)4.0、中國智能制造講座(連載四)

王至堯

(中國空間技術(shù)研究院)

5.4移動(dòng)機(jī)械臂及移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)

5.4.1移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

移動(dòng)機(jī)器人是指由移動(dòng)平臺(tái)和安裝在平臺(tái)上的機(jī)器人組成的系統(tǒng)，如圖5-26所示。移動(dòng)機(jī)器人相比傳統(tǒng)機(jī)器人具備顯著優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為同時(shí)具有機(jī)械臂的操作靈活性與工作空間的廣闊性，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用前景。在工業(yè)場合，移動(dòng)機(jī)械臂可以在生產(chǎn)車間的流水線和庫房中靈活移動(dòng)，對(duì)工件進(jìn)行抓取、搬運(yùn)和加工等操作。

圖5-26　典型的移動(dòng)機(jī)械臂樣機(jī)

在研究移動(dòng)機(jī)器人方面，國外已經(jīng)取得了一定的成果。美國在2003年發(fā)射的2輛火星探測車“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)分別于2004年在火星的不同區(qū)域安全著陸，并完成了90個(gè)火星日的科研工作。日本TMSUK公司開發(fā)的搶險(xiǎn)救生機(jī)器人“T-52-援龍”屬于雙臂式油壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，通過履帶移動(dòng)，雙臂有22個(gè)自由度，可在事故現(xiàn)場完成數(shù)倍于人力的工作以及救援人員無法接近的危險(xiǎn)區(qū)救援等。配備9臺(tái)有效像素68萬的CCD相機(jī)，可向遠(yuǎn)程操作裝置傳送圖像。此外，美國出售的專供高校進(jìn)行研究的機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)都配備了機(jī)械臂，可以在其上開展許多有價(jià)值的研究。比較著名的有iRobot公司出品的Magellan Pro系列機(jī)器人和ActiveMedia公司的Pioneer系列機(jī)器人。

近年來，國內(nèi)在移動(dòng)機(jī)械臂控制方面也開展了一些研究工作。清華大學(xué)設(shè)計(jì)了基于Lyanpov穩(wěn)定性理論的魯棒控制器，此外還分別給出了系統(tǒng)慣性參數(shù)不精確已知和系統(tǒng)受到摩擦力、外部擾動(dòng)、參數(shù)不確定性這2種情況的魯棒控制器設(shè)計(jì)方法，保證全部狀態(tài)能夠漸近跟蹤期望軌跡。上海交通大學(xué)在家庭服務(wù)機(jī)器人方面進(jìn)行了大量研究，研發(fā)出了具有機(jī)械臂的智能移動(dòng)輪椅，可以幫助老年人代步，完成取藥和開門等日常事務(wù)。中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所對(duì)移動(dòng)機(jī)械臂的視覺定位、導(dǎo)航和冗余度運(yùn)動(dòng)分析進(jìn)行了研究。北京科技大學(xué)的余達(dá)太教授考慮了移動(dòng)載體、機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)代價(jià)以及機(jī)械臂偏離優(yōu)化位姿式所需的運(yùn)動(dòng)代價(jià)，提出了優(yōu)化準(zhǔn)則，并利用遺傳算法進(jìn)行了求解。航天科技集團(tuán)北京控制工程研究所利用六自由度工業(yè)機(jī)械臂以及自主研發(fā)支持研制的第1代七自由度機(jī)械臂，分別完成了基于漂浮基座和慢旋動(dòng)目標(biāo)的空間操作物理仿真驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非合作慢旋目標(biāo)10 N推力器、對(duì)接環(huán)的自主識(shí)別、測量和抓捕操作。

5.4.2多機(jī)器人移動(dòng)協(xié)作技術(shù)

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。在這些新的應(yīng)用領(lǐng)域中，許多任務(wù)本身是很復(fù)雜的(如搬運(yùn)大型物體)，單個(gè)機(jī)器人難以完成；而對(duì)于多個(gè)機(jī)器人，由于其內(nèi)在分布特性，通過共享資源(信息、知識(shí)和物理裝置等)可彌補(bǔ)單個(gè)機(jī)器人能力的不足，擴(kuò)大能力范圍，往往就可以獲得滿意效果。目前，多機(jī)器人協(xié)作研究已引起普遍重視。

國外研究者Ashitey、Trebi-ollennu和Hari Dasnayar對(duì)火星漫游者協(xié)作搬運(yùn)1個(gè)長物體(見圖5-27)進(jìn)行了研究。協(xié)調(diào)中的機(jī)械臂具有4個(gè)自由度，有4個(gè)電位計(jì)設(shè)備(滾針、定調(diào)、偏航和橫移)，手腕有六維力傳感器，機(jī)械臂具有很大的協(xié)作靈活性，可以在4個(gè)方向上做出調(diào)整。

圖5-27　2個(gè)火星車協(xié)作搬運(yùn)1個(gè)長物體

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究者Jonathan D．Brookshire研究了基于視覺的多機(jī)器人協(xié)作裝配(見圖5-28)。機(jī)器人與橫梁上都作了一定顏色的標(biāo)記，這些標(biāo)記作為裝配的基準(zhǔn)，機(jī)器人通過視覺識(shí)別這些基準(zhǔn)從而確定它們的相對(duì)關(guān)系。對(duì)于重要物體，也可以通過標(biāo)記確定它的姿態(tài)，機(jī)器人可實(shí)時(shí)跟蹤操作點(diǎn)。日本研究者Hirata、Kume和Wang研究了2個(gè)機(jī)器人與1個(gè)人合作搬運(yùn)物體(見圖5-29)，基于分布式控制策略控制機(jī)器人與人協(xié)作搬運(yùn)物體；同時(shí)，該研究組還進(jìn)行了基于具有萬向輪動(dòng)力學(xué)特性的多移動(dòng)機(jī)器人搬抬物體的研究。國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究工作很少，只有少數(shù)的研究所和大學(xué)在進(jìn)行相關(guān)的研究，且大部分的研究工作仍然停留在仿真和實(shí)驗(yàn)室階段，并不強(qiáng)調(diào)實(shí)際的物理實(shí)現(xiàn)。

圖5-28　基于視覺的多機(jī)器　　圖5-29　協(xié)作搬運(yùn)　人協(xié)作裝配系統(tǒng)　機(jī)器人

北京中科院自動(dòng)化所研究了基于多機(jī)器人協(xié)調(diào)的船體分段對(duì)接系統(tǒng)，主要研究分段對(duì)接系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和對(duì)接精度問題；但是研究中的機(jī)器人是在固定軌道上移動(dòng)的。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的趙杰團(tuán)隊(duì)分析了雙機(jī)器人搬運(yùn)協(xié)作過程中的位置約束、速度約束以及力約束條件，基于傳感器信息反饋設(shè)計(jì)主從式協(xié)作控制策略，并采用模糊控制方法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整，建立了機(jī)器人協(xié)作搬運(yùn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了機(jī)器人力反饋及導(dǎo)航與保持隊(duì)形的實(shí)驗(yàn)研究，取得了一定的成果。

5.4.3移動(dòng)機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

在國外航空、航天等領(lǐng)域，以波音B787和空客A380為代表的新型大型民用飛機(jī)的研制集中體現(xiàn)了大型飛機(jī)先進(jìn)裝配技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

巴西Aeronautics Institute of Technology和巴西航空工業(yè)公司在小型客機(jī)自動(dòng)裝配中采用2臺(tái)重型工業(yè)機(jī)器人配合IGPS測量系統(tǒng)、攝影測量系統(tǒng)和激光雷達(dá)協(xié)助完成機(jī)身裝配，如圖5-30所示。美國波音公司在最新的787總裝中，采用具有 IGPS測量系統(tǒng)的軌道裝配設(shè)備定位飛機(jī)部件，這種精確的定位過程保證了飛機(jī)的平滑裝配，使得787機(jī)身對(duì)接裝配由幾天縮短為幾個(gè)小時(shí)。圖5-31所示為美國波音公司787飛機(jī)數(shù)字化裝配對(duì)接示意圖。德國KUKA公司為西門子公司研制的全向移動(dòng)裝配機(jī)器人設(shè)備(見圖5-32)，可用于大型電力發(fā)電機(jī)的智能精密裝配。德國KUKA公司為空中客車公司研制全向移動(dòng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配設(shè)備(見圖5-33)，可用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配。

圖5-30　巴西小型客機(jī)　　　圖5-31　B787數(shù)字化裝　工業(yè)機(jī)器人智　配對(duì)接示意圖　能對(duì)接系統(tǒng)

圖5-32　全向移動(dòng)裝配　　圖5-33　全向移動(dòng)飛機(jī)發(fā)　機(jī)器人設(shè)備　動(dòng)機(jī)裝配設(shè)備

5.4.4工業(yè)機(jī)器人發(fā)展

2014年，受全球汽車及電子行業(yè)需求的帶動(dòng)，特別是中國和韓國，工業(yè)機(jī)器人銷量增長了27%。 國際機(jī)器人協(xié)會(huì)(IFR)稱，2014年工業(yè)機(jī)器人銷量約為22.5萬臺(tái)，其中在亞洲的銷量幾乎占到2/3，而中國市場的工業(yè)機(jī)器人銷量增長了54%，達(dá)到約5.6萬臺(tái)。目前，全球工業(yè)機(jī)器人年銷售額約為95億美元。該協(xié)會(huì)并稱，在中國市場的工業(yè)機(jī)器人銷量中，本土供應(yīng)商的銷量為1.6萬臺(tái)，其他則來自瑞士ABB、德國Kuka、日本安川電機(jī)及發(fā)那科等海外供應(yīng)商。IFR指出，去年緊隨中國之后的較大市場分別是韓國、日本、美國和德國，這五大市場的銷量占全球工業(yè)機(jī)器人總銷量的3/4。我國機(jī)器人擁有量相對(duì)比較少，如圖5-34所示。

圖5-34　國際上機(jī)器人密度對(duì)比

2013年,工業(yè)信息化部《關(guān)于推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》表示工業(yè)機(jī)器人代表著未來智能裝備的發(fā)展方向，并指出到2020年，形成較為完善的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)體系，培育3～5家具有國際競爭力的龍頭企業(yè)和8～10個(gè)配套產(chǎn)業(yè)集群；高端產(chǎn)品市場占有率提高45%以上，機(jī)器人密度(每萬名員工使用機(jī)器人臺(tái)數(shù))達(dá)到100以上，基本滿足國防建設(shè)、國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展需要。

5.4.5機(jī)器人發(fā)展趨勢——八大技術(shù)

目前,國際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究。機(jī)器人發(fā)展的八大技術(shù)如下。

1)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。例如，關(guān)節(jié)模塊中的伺服電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)和檢測系統(tǒng)三位一體化。

2)機(jī)器人控制系統(tǒng)。重點(diǎn)研究開放式、模塊化控制系統(tǒng)。向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的6軸機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。

3)機(jī)器人傳感技術(shù)。機(jī)器人還應(yīng)用了激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器，遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺和觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制。

4)網(wǎng)絡(luò)通信功能。機(jī)器人控制器已實(shí)現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機(jī)器人由過去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用發(fā)展，也使機(jī)器人由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展。

5)機(jī)器人遙控和監(jiān)控技術(shù)。在一些諸如核輻射、深水和有毒等高危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行焊接或其他作業(yè)，需要有遙控的機(jī)器人代替人去工作。多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，可通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。

6)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)?；诙鄠鞲衅?、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬操作和人機(jī)交互。

7)機(jī)器人性能價(jià)格比。性能不斷提高，而單機(jī)價(jià)格不斷下降。過去機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性MTBF一般為幾千小時(shí)，而現(xiàn)在已達(dá)到5萬h，可以滿足任何場合的需求。

8)多智能體調(diào)控技術(shù)。這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理、感知與學(xué)習(xí)方法、建模和規(guī)劃以及群體行為控制等方面進(jìn)行研究。

5.5智能制造

數(shù)字化制造技術(shù)作為智能制造的基礎(chǔ)技術(shù)，是基礎(chǔ)共性技術(shù)，如傳感技術(shù)、先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)、系統(tǒng)協(xié)同技術(shù)與特種工藝及精密制造技術(shù)等的集合，通過測控裝置及部件的總成，形成智能制造成套裝備，在智能制造裝備、自動(dòng)化成套生產(chǎn)線等重點(diǎn)領(lǐng)域可以形成快速發(fā)展與突破。智能制造系統(tǒng)用數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)將制造工藝、技術(shù)和裝備串起來，通過系統(tǒng)集成，重點(diǎn)解決“線”的問題，從而形成企業(yè)核心競爭力。

5.5.1數(shù)字化設(shè)計(jì)制造新模式

波音777飛機(jī)是世界上第1個(gè)采用全數(shù)字化定義和無圖樣生產(chǎn)技術(shù)的大型工程項(xiàng)目，波音基于三維模型的設(shè)計(jì)制造如圖5-35所示。波音公司在以波音787為代表的新型客機(jī)研制過程中，全面采用了MBD (Mode1 Based Definition)技術(shù)，將三維產(chǎn)品制造信息與三維設(shè)計(jì)信息共同定義到產(chǎn)品的三維模型中，建立了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化集成應(yīng)用體系，開創(chuàng)了飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的嶄新模式，確保了波音787客機(jī)的研制周期和質(zhì)量。

圖5-35　波音基于三維模型的設(shè)計(jì)制造

美國“海狼號(hào)”攻擊型核潛艇是世界上第1個(gè)采用全三維模塊化設(shè)計(jì)、制造的潛艇，它是各系統(tǒng)高度集成的典型示范，而且體現(xiàn)了極高的生產(chǎn)效率?！昂＠翘?hào)”運(yùn)用三維數(shù)字化預(yù)裝配，預(yù)先解決了許多在建造中才能發(fā)現(xiàn)的碰撞、振動(dòng)間隙和通道可用性等問題。在生產(chǎn)過程中，通過共享三維模型直接生成加工指令，驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床、數(shù)控彎管機(jī)和數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行加工，通過網(wǎng)絡(luò)將生產(chǎn)過程中的問題直接反饋給設(shè)計(jì)和管理部門，從而縮短了產(chǎn)品周期，提高了產(chǎn)品的可靠性和維修性，降低了成本。

在國內(nèi)，基于產(chǎn)品全三維模型的設(shè)計(jì)、制造以及設(shè)計(jì)制造集成研制模式也取得了較大進(jìn)展。如成都飛機(jī)設(shè)計(jì)所初步建立了數(shù)字化技術(shù)體系，主要包括數(shù)字化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的部分規(guī)范。在梟龍飛機(jī)和ARJ21飛機(jī)機(jī)頭的制造過程中，傳統(tǒng)的以數(shù)字量為主、模擬量為輔的協(xié)調(diào)工作法開始被全數(shù)字量傳遞的協(xié)調(diào)工作法代替，并取得了一些階段性成果。2011年1月，由成都飛機(jī)設(shè)計(jì)所研制的第4代隱身重型殲擊機(jī)殲20首飛成功，實(shí)現(xiàn)了全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造。北京衛(wèi)星制造廠在載人三期型號(hào)背景下推出的“三維模型受控下廠”，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)型號(hào)的三維設(shè)計(jì)制造協(xié)同、三維結(jié)構(gòu)化工藝應(yīng)用及現(xiàn)場三維可視化。

5.5.2車間管理的數(shù)字化和自動(dòng)化

車間管理的一個(gè)很重要內(nèi)容就是產(chǎn)品的實(shí)物狀態(tài)控制和制造資源管理。生產(chǎn)過程中實(shí)物數(shù)據(jù)的采集主要經(jīng)歷了手工采集、條形碼方式的數(shù)據(jù)采集技術(shù)、磁卡技術(shù)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)和現(xiàn)在研究較多的RFID技術(shù)。RFID技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過RF信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)。通過在工廠車間層逐步采用RFID技術(shù)，制造商可以無縫且不間斷地獲取從RFID捕獲的信息并鏈接到現(xiàn)有的、已驗(yàn)證和工業(yè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，與配置RFID功能的供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)，從而達(dá)到不需要更新已有的制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)和制造信息系統(tǒng)(MIS)，就可以發(fā)送準(zhǔn)確、可靠的實(shí)時(shí)信息流，從而創(chuàng)造附加值，提高生產(chǎn)率，大幅度節(jié)省投資。

對(duì)現(xiàn)場采集的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和工況進(jìn)行可視化，可以幫助管理者對(duì)車間設(shè)備的狀態(tài)、工況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而快速高效地解決設(shè)備故障，做出設(shè)備維護(hù)決策和及時(shí)的維護(hù)行動(dòng)，并成為車間實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)環(huán)境智能化生產(chǎn)調(diào)度的重要輔助手段?？梢暬O(jiān)控系統(tǒng)除了能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)顯示下層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供的各類設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和工況外，還應(yīng)擁有創(chuàng)建報(bào)表、查詢和處理信息的能力，比如可以對(duì)報(bào)警故障點(diǎn)的信息生成故障報(bào)警表，對(duì)設(shè)備的工作時(shí)間、零件狀態(tài)等進(jìn)行歸檔。

制造資源是企業(yè)順利實(shí)施制造的基礎(chǔ)，是所有生產(chǎn)制造活動(dòng)所涉及到的物理元素的總稱，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)，有效的制造資源管理對(duì)于縮短產(chǎn)品研制周期、提高制造質(zhì)量、節(jié)約生產(chǎn)成本以及增強(qiáng)企業(yè)競爭力等都有著十分重要的意義。在工業(yè)技術(shù)先進(jìn)國家，制造資源管理技術(shù)已經(jīng)成為提高企業(yè)和產(chǎn)品競爭力的重要手段，美國通用汽車公司應(yīng)用數(shù)字制造技術(shù)，將轎車的開發(fā)周期由原來的48個(gè)月縮短到了24個(gè)月，碰撞實(shí)驗(yàn)的次數(shù)由原來的幾百次降到幾十次，應(yīng)用電子商務(wù)技術(shù)降低銷售成本10%；美國ExonMobile石油公司采用先進(jìn)綜合的自動(dòng)化技術(shù)后，使企業(yè)效益提高了5%～10%；

在國內(nèi)，一汽大眾和航空航天領(lǐng)域的多家單位都在作積極的嘗試，已經(jīng)取得了部分成果；但在制造資源信息管理精細(xì)度、集成粒度和靈活性等方面仍需提高，整體水平與國外同行相比仍存在較在大差距。由于國外公司的研究歷史較長，投入較大，國內(nèi)要想在短期內(nèi)趕上國外的水平還比較困難。

目前，北京衛(wèi)星制造廠已基于條形碼技術(shù)建立了型號(hào)產(chǎn)品數(shù)字化標(biāo)識(shí)(Product Digital ID，PDI)管理系統(tǒng)，對(duì)型號(hào)產(chǎn)品及生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行管理。系統(tǒng)結(jié)合產(chǎn)品制造全過程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的建設(shè)，建立型號(hào)產(chǎn)品的數(shù)字化標(biāo)識(shí)。一方面，便于產(chǎn)品在生產(chǎn)現(xiàn)場的信息采集、反饋和監(jiān)控，及至產(chǎn)品交付后的跟蹤、追溯，滿足航天器研制與批量生產(chǎn)的要求；另一方面，完善了企業(yè)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并以此為紐帶，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品制造全過程的數(shù)據(jù)管理。企業(yè)系統(tǒng)集成技術(shù)框架如圖5-36所示。

圖5-36　企業(yè)系統(tǒng)集成技術(shù)框架

5.5.3虛擬樣機(jī)工程支撐平臺(tái)COSIM

北京仿真中心自主研發(fā)的復(fù)雜產(chǎn)品虛擬樣機(jī)工程平臺(tái) COSIM，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了面向復(fù)雜產(chǎn)品集成制造工程全生命周期的完整CAE解決方案，并建立了智能多屬性、定性定量集成、人機(jī)結(jié)合的復(fù)雜產(chǎn)品仿真決策與評(píng)估方法，以及產(chǎn)品工程研制進(jìn)度/費(fèi)用/風(fēng)險(xiǎn)/流程的系統(tǒng)化建模仿真分析方法，有力支撐了復(fù)雜產(chǎn)品制造CAE全過程，目前已成功應(yīng)用于航空航天、船舶和車輛等行業(yè)。

5.5.4虛擬裝配過程建模與仿真方法用于導(dǎo)彈和衛(wèi)星的裝配

在復(fù)雜機(jī)電結(jié)構(gòu)精密裝配方面，北京理工大學(xué)結(jié)合導(dǎo)彈和衛(wèi)星的裝配，從系統(tǒng)性出發(fā)，提出了一種集精度、物理特性以及結(jié)構(gòu)件與線纜管路仿真分析一體化的虛擬裝配過程建模與仿真方法。該方法從生產(chǎn)的實(shí)際問題出發(fā)，建立面向現(xiàn)場的真實(shí)感環(huán)境，并通過綜合考慮工裝夾具、裝配精度和物理特性(質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、穩(wěn)定性、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真等) 、線纜和管路及結(jié)構(gòu)件交叉裝配等一體化的虛擬裝配過程仿真與分析，實(shí)現(xiàn)在實(shí)物試裝前預(yù)知產(chǎn)品最終的裝配性能。其開發(fā)的導(dǎo)彈裝配精度預(yù)分析軟件模塊，利用極值法、均方根法和正態(tài)分布法，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈艙段設(shè)計(jì)尺寸和公差建模、艙段結(jié)合面連接精度(包括扭轉(zhuǎn)、 錯(cuò)移和彎折精度)自動(dòng)計(jì)算、導(dǎo)彈任意艙段端面(包括導(dǎo)彈頂點(diǎn))間相對(duì)偏差計(jì)算以及計(jì)算結(jié)果的自動(dòng)輸出。

5.5.5制造執(zhí)行系統(tǒng)的實(shí)施應(yīng)用

在國防軍工制造業(yè)“千臺(tái)數(shù)控機(jī)床增效工程”二期工程實(shí)施中，國防科工局倡導(dǎo)數(shù)字化集成管理技術(shù)以及生產(chǎn)執(zhí)行控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，以昌飛公司數(shù)控車間為示范點(diǎn)，開展了制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)建設(shè)項(xiàng)目的開發(fā)和實(shí)施。昌飛公司結(jié)合數(shù)控車間制造執(zhí)行的實(shí)際特點(diǎn)與作業(yè)流程，在公司信息化建設(shè)和數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的總體構(gòu)架下，進(jìn)一步開發(fā)和實(shí)施了MES。在實(shí)現(xiàn)車間加工制造與工藝數(shù)據(jù)無縫對(duì)接的基礎(chǔ)之上，使信息功能向制造執(zhí)行功能端延伸，做到了包含庫房管理、生產(chǎn)準(zhǔn)備、物流配送、現(xiàn)場終端執(zhí)行、生產(chǎn)管控和質(zhì)量控制等的信息集成和流程控制，有效提高了數(shù)控車間的整體運(yùn)行效能，實(shí)現(xiàn)了“系統(tǒng)集成增效”的目標(biāo)。

5.5.6造船企業(yè)信息化水平不斷提高

武昌船舶重工有限責(zé)任公司的企業(yè)信息化空間工程(WS-EISE)是以其整體為對(duì)象，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化信息空間中，利用信息技術(shù)構(gòu)造基礎(chǔ)軟件平臺(tái)，通過企業(yè)的現(xiàn)實(shí)空間向數(shù)字化信息空間的本質(zhì)映射，建立智能化的并行協(xié)同工作模型，形成企業(yè)的信息層次。通過企業(yè)的信息空間和現(xiàn)實(shí)空間的互動(dòng)過程，變革企業(yè)行為模式，全面提升企業(yè)的核心競爭能力。滬東中華在積累30余年CAD、CAM開發(fā)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，完成了具有獨(dú)立自主版權(quán)的造船三維 CAD/CAM 設(shè)計(jì)系統(tǒng)，即船舶產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)(Ship Product Design，SPD)。SPD 系統(tǒng)經(jīng)過不斷優(yōu)化完善，其船舶模型設(shè)計(jì)智能操作、系統(tǒng)適用范圍等部分功能已經(jīng)超過國外同類系統(tǒng)，達(dá)到國際先進(jìn)水平；同時(shí)具有自主版權(quán)，打破國外軟件商的壟斷，并且在黃埔船廠、招商重工等200余家船舶制造企業(yè)、設(shè)計(jì)院所和大專院校得到廣泛應(yīng)用。

5.5.7開創(chuàng)“全程序不干預(yù)”數(shù)控加工方式

中航工業(yè)黎明發(fā)揮高新設(shè)備自動(dòng)化程度高、功能強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢，經(jīng)過不斷的嘗試、攻關(guān)和總結(jié)，于2012年成功開發(fā)出了“全程序不干預(yù)”數(shù)控加工方法。此創(chuàng)新方法的提出，使質(zhì)量和效率雙雙取得新突破?！叭绦虿桓深A(yù)”加工方法是加工產(chǎn)品安裝在數(shù)控機(jī)床后，在無人干預(yù)的狀態(tài)下，一次程序啟動(dòng)完成加工、檢測的過程。它將過去產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率依賴于操作人員技能水平的傳統(tǒng)加工形式，轉(zhuǎn)變?yōu)橛扇绦虿桓深A(yù)加工控制和設(shè)備功能進(jìn)行保證的新形式。此方法能預(yù)置防錯(cuò)、糾錯(cuò)功能，消除加工過程中的隨機(jī)誤差，增強(qiáng)操作系統(tǒng)的可靠性；同時(shí)還能挖掘出潛在的設(shè)備功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)刀、在線測量和自動(dòng)加工補(bǔ)償；并能提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少加工中間環(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)單人多機(jī)操作，提升了生產(chǎn)效率，降低了制造成本和人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

通過對(duì)25項(xiàng)產(chǎn)品、34道工序的統(tǒng)計(jì)，運(yùn)用“全程序不干預(yù)”加工方法，平均縮短單道工序加工時(shí)間3.5 h，提高加工效率23%，產(chǎn)品合格率達(dá)100%。該方法是對(duì)新型數(shù)控機(jī)床創(chuàng)新應(yīng)用的一次探索，它突破了傳統(tǒng)加工觀念的束縛，創(chuàng)新了數(shù)控加工方式，為數(shù)控加工開辟出了一條廣闊的發(fā)展之路。

5.5.8智能化生產(chǎn)監(jiān)測、檢測和監(jiān)控設(shè)備

北京航空航天大學(xué)以數(shù)字化裝配定位為對(duì)象，研究了基于激光跟蹤測量系統(tǒng)的飛機(jī)部件對(duì)接數(shù)字化柔性裝配技術(shù)和原理。在激光跟蹤儀的二次開發(fā)軟件包的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種激光跟蹤測量原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了以位置控制為目的的機(jī)械隨動(dòng)伺服控制。

浙江大學(xué)邱寶貴等研制了大型飛機(jī)機(jī)身調(diào)姿與對(duì)接試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由試驗(yàn)機(jī)身、三坐標(biāo)數(shù)控定位器、激光跟蹤儀和配套軟件等組成。試驗(yàn)系統(tǒng)能夠有效地模擬飛機(jī)機(jī)身段大部件調(diào)姿與對(duì)接的全過程，所提出的基于4個(gè)數(shù)控定位器支承的飛機(jī)大部件調(diào)姿與對(duì)接原理及其對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型正確，其位姿調(diào)整精度能夠滿足飛機(jī)裝配準(zhǔn)確度的要求，大幅度提高了飛機(jī)裝配的質(zhì)量和效率。

浙江大學(xué)與中航工業(yè)西飛公司研制的某型飛機(jī)大部件對(duì)接柔性工裝系統(tǒng)，針對(duì)飛機(jī)數(shù)字化裝配中大部件調(diào)姿與對(duì)接問題，設(shè)計(jì)了一種三坐標(biāo) POGO 柱，在此基礎(chǔ)之上,提出了一種基于三坐標(biāo) POGO 柱三點(diǎn)支承的姿態(tài)調(diào)整方法，并對(duì) POGO 柱的調(diào)姿特性進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)。研究表明，基于3 個(gè) POGO 柱的大部件調(diào)姿方法具有穩(wěn)定、可靠和高效的優(yōu)點(diǎn)，通過簡單的重組可以推廣到四點(diǎn)支承，以便適應(yīng)各類大型部件姿態(tài)調(diào)整的需要。

西北工業(yè)大學(xué)與中航工業(yè)西飛公司基于壁板組件預(yù)裝配、壁板組件自動(dòng)鉆鉚和壁板拼接的集成思想，研制了用于某型飛機(jī)壁板組件預(yù)裝配柔性工裝(見圖5-37)。柔性工裝的長桁夾持機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)以及繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，其中繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過長桁夾持機(jī)構(gòu)導(dǎo)板上的導(dǎo)向槽實(shí)現(xiàn)的，從而使長桁與不同曲率蒙皮貼合，完成某型飛機(jī)蒙皮、長桁和剪切片的預(yù)裝配，提高了裝配質(zhì)量，減少了占地面積。

圖5-37　壁板組件預(yù)裝配柔性工裝

(待續(xù))