工裝設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

于蘭萍，周　濤

（1.北京航天控制儀器研究所，北京100039；2.西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，西安710072）

工裝設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

于蘭萍1，周濤2

（1.北京航天控制儀器研究所，北京100039；2.西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，西安710072）

介紹了國(guó)內(nèi)外工裝設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的現(xiàn)狀，以高精尖的大型復(fù)雜裝備制造行業(yè)工裝為例，說(shuō)明了柔性工裝是工裝設(shè)計(jì)制造的趨勢(shì)；分析了工裝設(shè)計(jì)優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)，其中包括柔性化、模塊化、數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化等多個(gè)方面。

柔性工裝；設(shè)計(jì)優(yōu)化；模塊化；標(biāo)準(zhǔn)化；數(shù)字化

0　引言

工裝是工藝裝備的簡(jiǎn)稱。工藝裝備就是將零組件加工至設(shè)計(jì)圖樣要求所要具備的基本加工條件和手段［1］。工藝裝備包含加工設(shè)備、夾具、檢具、輔具和刀具等，是制造過(guò)程中所用的各種工具的總稱。工裝分為專用工裝、通用工裝和標(biāo)準(zhǔn)工裝（類似于標(biāo)準(zhǔn)件）。根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外情況的不完全統(tǒng)計(jì)，復(fù)雜零件生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)，是制約生產(chǎn)效率提高的主要因素之一，一般準(zhǔn)備時(shí)間達(dá)到整個(gè)生產(chǎn)周期的20%以上［2］。以我國(guó)航空航天科技工業(yè)為例，飛機(jī)裝配工裝的研制周期占飛機(jī)生產(chǎn)準(zhǔn)備周期的一半左右［3］，工裝成本占總成本的20%～30%左右。由于傳統(tǒng)工裝存在設(shè)計(jì)、制造工作量大，成本高，周期長(zhǎng)，一致性差等問(wèn)題，直接導(dǎo)致了產(chǎn)品的質(zhì)量不穩(wěn)定。隨著我國(guó)工業(yè)體系的發(fā)展和完善，工藝裝備尤其是高精尖行業(yè)的工裝得到了快速的發(fā)展，但工裝并未形成一個(gè)系統(tǒng)的體系。可以說(shuō)，工裝的研制能力和水平在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家的整體制造能力和水平。

1　工裝設(shè)計(jì)優(yōu)化的現(xiàn)狀

對(duì)于一些復(fù)雜產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、零件多、剛性小，最終的裝配質(zhì)量是由工裝來(lái)進(jìn)行保障的，所以制造過(guò)程中的工裝非常重要。尤其是在小批量、多品種的航空航天等國(guó)防軍工產(chǎn)業(yè)，工裝的研制嚴(yán)重制約著新產(chǎn)品的研制進(jìn)程，是企業(yè)實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)產(chǎn)和縮短新品開發(fā)周期的瓶頸。

工裝主要有剛性和柔性兩種結(jié)構(gòu)形式。剛性工裝設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng)，而且只能專用，無(wú)法滿足柔性制造的需求，而柔性工裝克服了剛性工裝的上述缺點(diǎn)，成為當(dāng)今工裝技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)，也是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。目前，以波音、空客等公司為代表的國(guó)外航空航天企業(yè)已經(jīng)開發(fā)并廣泛采用柔性工裝進(jìn)行裝配，而國(guó)內(nèi)還主要在應(yīng)用剛性工裝、專用工裝等［4］。從國(guó)外情況看，為了滿足工藝加工的要求，許多公司采用液壓工裝和數(shù)控工裝等新工裝技術(shù)，開發(fā)出可重配置、可調(diào)整柔性工裝，從而使零件生產(chǎn)過(guò)程減少了專用工裝，提高了生產(chǎn)效率。西班牙的M.TORRES公司、瑞典的MODIG公司開發(fā)的液壓數(shù)控工裝已經(jīng)大量應(yīng)用于飛機(jī)壁板、艙門等零件的制造，美國(guó)Electroimpact公司研制的高速鉚接系統(tǒng)柔性裝配型架，已經(jīng)在空客多型飛機(jī)機(jī)翼壁板的裝配中得到成功應(yīng)用，波音公司應(yīng)用柔性工裝較大地提高了飛機(jī)整體構(gòu)件制造的經(jīng)濟(jì)效益［5］。

同時(shí)，以往設(shè)計(jì)、工藝、制造串行的傳統(tǒng)工裝制造模式也逐漸被數(shù)字化制造技術(shù)所取代。工裝數(shù)字化制造技術(shù)在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、德國(guó)、日本被等已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。波音公司搭建了基于構(gòu)型控制的數(shù)字化制造信息管理系統(tǒng)（DCAC/MRM）用于波音737的研制，采用了全球協(xié)同環(huán) 境 （Global Collaboration Environment，GCE）用于787的研制，在同行業(yè)的航空企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中具有較強(qiáng)的數(shù)字化技術(shù)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)［6］，由于上述數(shù)字化技術(shù)平臺(tái)的應(yīng)用，2007年7月8日，波音787Dreamline如期下線的同時(shí)，波音公司宣布獲得了1100多億美元的707架波音787飛機(jī)訂單，為波音公司創(chuàng)造了巨大的收益。

近年來(lái)，我國(guó)許多大型的研究院所、科研院校以及制造企業(yè)在柔性工裝方面開展了大量的研究。這些研究主要集中在組件、部件級(jí)別的裝配方面，如清華大學(xué)針對(duì)薄壁件，設(shè)計(jì)了一種多點(diǎn)柔性智能工裝系統(tǒng)，一次裝夾可以實(shí)現(xiàn)多道工序的加工定位和維形工作［7-9］；中航工業(yè)公司針對(duì)飛機(jī)機(jī)身部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研發(fā)了機(jī)身部件數(shù)字化柔性裝配工裝［10］；吉林大學(xué)基于分層逐步成型原理，提出了加工小型板材三維零件的單點(diǎn)漸進(jìn)成型柔性化薄壁零件拉伸成型工裝［11］；以及沈飛研究并工程化的翼身整體結(jié)構(gòu)后段數(shù)字化柔性裝配系統(tǒng)［12］、西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的部件級(jí)數(shù)字化柔性工裝系統(tǒng)［13］、北京航空航天大學(xué)和沈飛合作設(shè)計(jì)的可重構(gòu)的調(diào)形單元［14］、西北工業(yè)大學(xué)研制的機(jī)身壁板類組件裝配工裝［15］、北京航空制造工程研究所［16-17］與浙江大學(xué)等研制的柔性對(duì)接工裝系統(tǒng)［18-19］等。從現(xiàn)有技術(shù)成果來(lái)看，國(guó)內(nèi)柔性工裝技術(shù)水平與國(guó)外技術(shù)相比差距還很大，大部分僅實(shí)現(xiàn)局部柔性化，工裝結(jié)構(gòu)比較單一，互換性不高，難以滿足柔性生產(chǎn)的需要。

而在工裝數(shù)字化制造方面，西北工業(yè)大學(xué)［20-22］建立了基于.NET和基于Web的工裝全生命周期管理系統(tǒng)，利用動(dòng)態(tài)服務(wù)器網(wǎng)頁(yè)技術(shù)，開發(fā)了基于瀏覽器/服務(wù)器三層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的工裝全生命周期管理系統(tǒng)。同時(shí)，航天企業(yè)利用基于AVDIM結(jié)構(gòu)管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)工藝裝備數(shù)據(jù)全生命周期管理［23］；航空企業(yè)在分析了民機(jī)研制中工藝裝備的作用、應(yīng)用情況和發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，制定了民機(jī)工藝裝備數(shù)字化制造標(biāo)準(zhǔn)的制定與實(shí)施解決方案［24］。國(guó)內(nèi)在工裝的虛擬設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)等方面也開展了大量研究。北京航空航天大學(xué)針對(duì)目前飛機(jī)制造工裝中典型配套結(jié)構(gòu)的關(guān)系梳理工作量大的問(wèn)題，引入了虛擬件概念，研究了自動(dòng)化模型配套方法［25］；南京航空航天大學(xué)針對(duì)飛機(jī)工裝協(xié)同設(shè)計(jì)難點(diǎn)和特點(diǎn)，分析了飛機(jī)工裝語(yǔ)義協(xié)同的必要性，提出了基于Team Center Engineering的飛機(jī)工裝語(yǔ)義協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)框架［26］。與國(guó)外相比，我國(guó)的工裝數(shù)字化制造還處于技術(shù)研發(fā)和初步使用階段，技術(shù)成熟度整體不高，數(shù)字化程度較低。

2　工裝的設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)

2.1工裝設(shè)計(jì)柔性化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化

柔性化主要指工裝具有快速重構(gòu)調(diào)整的能力，一套工裝可用于多個(gè)產(chǎn)品的裝配工作，如圖1所示。柔性工裝是由多個(gè)可重構(gòu)模塊單元構(gòu)成，在工裝設(shè)計(jì)中，為每個(gè)模塊單元設(shè)計(jì)單獨(dú)的模塊集，用于實(shí)現(xiàn)工裝的特定功能。然后根據(jù)裝配要求，為每個(gè)模塊單元從裝配集中選出所需模塊，實(shí)現(xiàn)工裝的可重構(gòu)設(shè)計(jì)，也是實(shí)現(xiàn)工裝柔性化的一個(gè)方法。因此，工裝模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)是柔性工裝設(shè)計(jì)的一個(gè)重要技術(shù)。

圖1　柔性裝配工裝Fig.1　Flexible assembly tooling

波音、空客的工裝一般結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、輕巧，并采用模塊化設(shè)計(jì)，工裝往往具有一定的柔性?？湛凸驹?996年為A320生產(chǎn)開發(fā)了E4000翼板自動(dòng)化柔性裝配系統(tǒng)，1999年為A340生產(chǎn)投入使用了E4100的機(jī)翼壁板自動(dòng)化裝配系統(tǒng)；在波音777、F35級(jí)DSF 7x制造中，也不同程度地采用了柔性裝配技術(shù)。國(guó)內(nèi)的研究所和高校也基于多點(diǎn)技術(shù)的柔性工裝，為異形曲面薄壁件的制造提供了可適應(yīng)多種尺寸和型面的柔性化工裝。柔性裝配系統(tǒng)的核心是采用柔性裝配工裝，柔性裝配工裝是基于產(chǎn)品數(shù)字量尺寸協(xié)調(diào)體系的可重組的模塊化、自動(dòng)化裝配工裝系統(tǒng)，其目的是免除設(shè)計(jì)和制造各種產(chǎn)品裝配專用的傳統(tǒng)裝配型架或夾具，從而降低工裝制造成本，縮短工裝準(zhǔn)備周期。柔性化、模塊化工裝可快速調(diào)整，滿足不同裝配對(duì)象的裝配要求，節(jié)省大量的工裝制造周期和費(fèi)用，并減少生產(chǎn)用地。

為縮短工裝的設(shè)計(jì)制造周期，降低工裝的研制費(fèi)用，工裝應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)件的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前工裝標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋面還不夠全面，標(biāo)準(zhǔn)件的應(yīng)用范圍有限，要真正全面應(yīng)用還需要制定新的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)制定工裝標(biāo)準(zhǔn)件，設(shè)計(jì)中只要引用標(biāo)準(zhǔn)就能夠快速設(shè)計(jì)出適用的工裝，并節(jié)約制造時(shí)間，大大縮短工裝設(shè)計(jì)制造周期。隨著數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的發(fā)展，在工裝設(shè)計(jì)中引入數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，建立標(biāo)準(zhǔn)件的數(shù)據(jù)庫(kù)，工裝設(shè)計(jì)人員能根據(jù)需要從標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)之中引用相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，工裝的設(shè)計(jì)制造可得到較大程度的簡(jiǎn)化和規(guī)范。

2.2工裝研制數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化

機(jī)器人系統(tǒng)在制造中的大量采用，使工裝裝配自動(dòng)化成為工裝設(shè)計(jì)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。工裝采用模塊化設(shè)計(jì)后，可由機(jī)器人完成動(dòng)態(tài)模塊的定位，在大范圍內(nèi)完成工件結(jié)構(gòu)配置，可以自動(dòng)完成工裝模塊準(zhǔn)備、調(diào)整及變化，實(shí)現(xiàn)裝配自動(dòng)化。

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)、CAD、SolidWorks、CATIA等三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用和數(shù)控加工技術(shù)在大型復(fù)雜裝備制造中應(yīng)用前景廣闊，并已取得了良好的效果。例如，數(shù)字化制造技術(shù)在飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用，縮短了新機(jī)研制周期，降低了研制成本。在工裝制造方面，對(duì)形狀和協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜的組合件的標(biāo)準(zhǔn)樣件可以采用數(shù)控加工和數(shù)控測(cè)量技術(shù)。對(duì)于工裝數(shù)控加工所需數(shù)據(jù)，可以直接從工裝數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行提取。從而大大提高工裝制造和協(xié)調(diào)的準(zhǔn)確度，提高加工效率，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。

美國(guó)波音公司的波音777飛機(jī)是世界上首架以無(wú)圖方式研發(fā)及制造的飛機(jī)，其設(shè)計(jì)、裝配、性能評(píng)價(jià)及分析就是采用了數(shù)字化制造技術(shù)，不但使研發(fā)周期大大縮短、研發(fā)成本大大降低，而且確保了最終產(chǎn)品一次性接裝成功。其模具的數(shù)字化制造使設(shè)計(jì)精度提高了10倍，降低研制成本50%，制造周期減少了50%?？湛虯380在研制中采用了并行設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)制造，大幅度縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。由于其工裝的設(shè)計(jì)依據(jù)來(lái)源于飛機(jī)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，要在最終產(chǎn)品數(shù)據(jù)還未確定的情況下進(jìn)行并行設(shè)計(jì)，工裝的部分結(jié)構(gòu)必須獨(dú)立于產(chǎn)品數(shù)據(jù)。同時(shí)，在數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化后，工裝控制系統(tǒng)能通過(guò)局域網(wǎng)與機(jī)床進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)控工裝系統(tǒng)的避讓控制。以網(wǎng)絡(luò)為橋梁，數(shù)控工裝系統(tǒng)可與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)交換，從而不再是一個(gè)孤立的封閉系統(tǒng)。如西門子公司的840D和NUM1000系列等國(guó)際知名數(shù)控系統(tǒng)都能夠?qū)崟r(shí)接入網(wǎng)絡(luò)，對(duì)工裝過(guò)程進(jìn)行編程控制。而且在零件進(jìn)行數(shù)控加工前，系統(tǒng)能夠全過(guò)程進(jìn)行仿真，顯示加工軌跡，模擬零件生產(chǎn)的情況，避免因編程失誤造成的損失。

我國(guó)正在大力推動(dòng)產(chǎn)品的數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用，中國(guó)航空工業(yè)將基于“數(shù)字樣機(jī)”作為新一代航空產(chǎn)品研制模式轉(zhuǎn)變的突破口，數(shù)字化制造應(yīng)用取得較快進(jìn)展。改變了傳統(tǒng)以工程圖紙為主，三維實(shí)體模型數(shù)據(jù)為輔的制造方法，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)研制生產(chǎn)從模擬量傳遞到數(shù)字量傳遞、物理樣機(jī)協(xié)調(diào)到數(shù)字化制造協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)變。但距離作為在產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中舉足輕重的工裝產(chǎn)品數(shù)字化制造，還有一定差距。目前工裝設(shè)計(jì)制造基本僅實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，工裝設(shè)計(jì)的依據(jù)不完全來(lái)自數(shù)字樣機(jī)和產(chǎn)品的數(shù)模，設(shè)計(jì)過(guò)程中CAE的應(yīng)用還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

2.3工裝的快速裝配和系統(tǒng)集成技術(shù)

快速裝配技術(shù)是工裝發(fā)展的一個(gè)重要方向，近年來(lái)得到了行業(yè)內(nèi)的高度關(guān)注。隨著現(xiàn)代化制造技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品的研制周期越來(lái)越短，對(duì)柔性工裝的快速裝配技術(shù)提出了強(qiáng)烈需求?？焖傺b配是研制柔性工裝的要求之一，工藝設(shè)計(jì)、裝備設(shè)計(jì)的思路與傳統(tǒng)工裝設(shè)計(jì)有所不同。在這方面，建模仿真技術(shù)、工裝模型定義技術(shù)、工程-工藝-工裝集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)技術(shù)等在柔性工裝快速裝配技術(shù)上充分顯現(xiàn)出其積極的作用。

在飛機(jī)、火車等大型復(fù)雜裝備的裝配，需要結(jié)合測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等綜合使用，才能高效地完成整個(gè)裝配工作。單一的機(jī)械工裝是無(wú)法實(shí)現(xiàn)柔性裝配的，只有有效集成各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，才能發(fā)揮柔性工裝的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如圖2所示。

圖2　F-35的機(jī)翼裝配Fig.2　Assembly of F-35 wing

3　結(jié)論

作為未來(lái)工裝系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，柔性工藝裝備因具有模塊化、可重構(gòu)、數(shù)字化、自動(dòng)化等特點(diǎn)，一定會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。隨著需求的增加和應(yīng)用范圍的越來(lái)越廣，柔性工裝發(fā)展的一個(gè)重要條件是低成本。近年來(lái)提出的“可負(fù)擔(dān)得起的柔性工裝”概念，是通過(guò)低成本工業(yè)機(jī)器人來(lái)調(diào)整配置工裝裝備，把主動(dòng)調(diào)整的柔性工裝變?yōu)楸粍?dòng)式調(diào)整，簡(jiǎn)化了工裝的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，從而降低工裝成本。隨著對(duì)工裝性能要求的提高，現(xiàn)代的柔性工裝已經(jīng)演變?yōu)橐粋€(gè)集成了數(shù)字化測(cè)量設(shè)備，配備專門控制系統(tǒng)和各種軟件的綜合系統(tǒng)。傳統(tǒng)的以數(shù)字量為主、輔助量為輔的協(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，基于模型的設(shè)計(jì) （Model Based Design，MBD）工裝三維數(shù)模將取代二維圖紙，成為產(chǎn)品研制的唯一制造依據(jù)，企業(yè)在產(chǎn)品制造過(guò)程中傳遞和采集的信息將是數(shù)字的，先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)將貫穿工裝研制的整個(gè)生命周期，并在全過(guò)程中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源一致的信息共享、流程優(yōu)化的過(guò)程協(xié)同?，F(xiàn)代工裝與各輔助系統(tǒng)緊密集成，將各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)有機(jī)集成起來(lái)，形成了綜合工裝系統(tǒng)，能夠協(xié)同高效工作。只有在與系統(tǒng)高度集成之后，柔性工裝才能得到更好地實(shí)施應(yīng)用，這是柔性工裝未來(lái)發(fā)展需要解決的重要問(wèn)題。

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The Present Situation and Development Trends of Tooling Optimization Design

YU Lan-ping1，ZHOU Tao2
（1.Beijing Institute ofAerospace Control Devices，Beijing 100039；2.College ofAutomation，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072）

The present situation of tooling optimization design at home and abroad is introduced.The study on the large and complex equipment tooling design of the superior，refined and advanced technology manufacture industry as an example shows that the development trends of tooling design and manufacturing is the flexible tooling.The key technology of tooling optimization design is analyzed，which includes the flexibility，modularization，standardization，digitization，automation，etc.

flexible tooling；optimization design；modularization；standardization；digitization

U666.1

A

1674-5558（2016）07-01208

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.02.004

2015-11-02

于蘭萍，女，機(jī)械制造專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣に嚰夹g(shù)。