多工序制造系統(tǒng)的裝夾工藝規(guī)劃研究綜述

張國政，周元枝，楊磊

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000)

0 前言

多工序制造系統(tǒng)是涉及數(shù)控加工設(shè)備、夾具裝置、刀具、測量裝置等復(fù)雜的系統(tǒng)，從信息的角度出發(fā)，如何合理利用柔性化資源，針對某類大規(guī)模定制和大批量生產(chǎn)模式下進(jìn)行工藝規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，是當(dāng)前計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要研究內(nèi)容。面對自動化生產(chǎn)線需求，在多工序制造系統(tǒng)自動工藝規(guī)劃方案中，裝夾規(guī)劃方法和現(xiàn)代自適應(yīng)性高的柔性夾具設(shè)計(jì)是核心研究內(nèi)容，也是當(dāng)前智能制造和云制造發(fā)展亟待解決的技術(shù)難題之一。

多工序制造系統(tǒng)的自動規(guī)劃工藝方法有很多，最終的目標(biāo)是能夠運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助手段代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工經(jīng)驗(yàn)累積式的方式來優(yōu)化規(guī)劃工藝路線，但零部件的形狀、結(jié)構(gòu)、類別也是多樣的，采用計(jì)算機(jī)輔助自動規(guī)劃工藝固然可以替代人工，但仍然局限于人工經(jīng)驗(yàn)的積累。計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃的方法多從GT技術(shù)、CBR技術(shù)和ES技術(shù)等開展研究，在這些研究中，對回轉(zhuǎn)體采用復(fù)合零件法和對非回轉(zhuǎn)體采用的復(fù)合路線法，均可采用零件分類編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃，但受限于零件種類繁多，需要編制各種類型代碼實(shí)現(xiàn)工藝的自動規(guī)劃，故只能滿足單一品種或相似類型的產(chǎn)品零件進(jìn)行自動工藝規(guī)劃。ES技術(shù)是一種最為理想的工藝自動規(guī)劃技術(shù)，但所需信息量巨大，目前很難實(shí)現(xiàn)，但云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用必將完善ES技術(shù)，為未來云制造的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。為此，考慮到裝夾是工藝劃分的重要影響要素，近年來裝夾工藝也逐步受到重視。作者從零部件數(shù)字信息模型建立、特征工藝設(shè)定、制造資源能力分析、裝夾工藝規(guī)程生成等方面對裝夾規(guī)劃和柔性夾具設(shè)計(jì)研究成果進(jìn)行綜述，為未來制造技術(shù)應(yīng)用研究提供參考。

1 裝夾工藝規(guī)劃研究

1.1 零件數(shù)字信息模型建立

二維零件是傳統(tǒng)多工序加工工藝規(guī)劃研究的主要對象，對于復(fù)雜零件來說，尤其是多工位零件具有孔、倒角、溝槽、型腔、凸臺、曲面等特征，利用二維零件圖難以直觀地表達(dá)零件的工位信息。為此，三維工件模型作為多工序工藝規(guī)劃的載體越來越受到研究人員的重視。三維工件模型信息不僅能直觀反映其結(jié)構(gòu)形狀，還包括幾何尺寸信息和精度信息，常用三維建模軟件有CATIA、UG、Pro/E、SolidWorks等。建立零件三維模型關(guān)鍵是識別其工藝特征，為其工藝規(guī)劃提供信息。MBD(Model Based Definition)技術(shù)是一種將三維零件設(shè)計(jì)定義、工藝描述等信息進(jìn)行數(shù)字化定義，為零件三維數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為工藝規(guī)劃依據(jù)提供一種有效技術(shù)途徑。曾紅、崔學(xué)淼采用UG/Open API及NX Open相結(jié)合的UG二次開發(fā)方式，開發(fā)了 MBD工藝輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。大多成熟三維CAD軟件都具備二次開發(fā)接口，可實(shí)現(xiàn)此類功能。在企業(yè)實(shí)際應(yīng)用中，武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司應(yīng)用MBD和NX UG實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)制造技術(shù)應(yīng)用。北京航空航天大學(xué)喬立紅等基于MBD技術(shù)，提出一種能全面描述和表達(dá)工藝信息的三維工藝模型MPM(Manufacturing Process Model)。上海交通大學(xué)周新杰等提出運(yùn)用MBD等多種技術(shù)構(gòu)建了基于模型、數(shù)據(jù)、知識的設(shè)計(jì)與制造協(xié)同集成模型。為此，MBD成為零件和產(chǎn)品三維數(shù)字信息模型建立的關(guān)鍵技術(shù)，尤其在汽車設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，在飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造、運(yùn)載火箭、機(jī)器人等高科技領(lǐng)域也得到應(yīng)用。

在計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃中，基于MBD技術(shù)的零件三維工序模型建立成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。早期學(xué)者JAIN、KUMAR在CAPP系統(tǒng)中初步建立三維工序模型，隨著計(jì)算機(jī)智能算法的推廣及應(yīng)用，諸如遺傳、模擬退火、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、蟻群搜索等算法，使CAPP系統(tǒng)開發(fā)逐步趨于成熟，在大型企業(yè)的汽車制造、船舶制造、飛機(jī)研制等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。零件制造的智能化，起源還是零件數(shù)字模型，諸如零件生產(chǎn)類型、加工面特征、屬性(包括材料、結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸精度、形位精度、表面精度、技術(shù)要求等)等信息，MBD技術(shù)可以將設(shè)計(jì)與制造集成，還融合了過程模擬和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范等。在三維CAPP系統(tǒng)開發(fā)中，可以運(yùn)用MBD技術(shù)實(shí)現(xiàn)零件制造特征體、加工元體及屬性鄰接圖相關(guān)聯(lián)，生成三維中間工序模型，由零件三維設(shè)計(jì)模型生成三維工序模型。

但在裝夾工藝規(guī)劃中，影響裝夾規(guī)劃的重要因素還有零件工位。工位通常被定義為工件與夾具或設(shè)備的可轉(zhuǎn)動部位(如旋轉(zhuǎn)工作臺等)相對于刀具所處的位置，每次對應(yīng)一個(gè)位置表示占據(jù)一個(gè)工位。為了表達(dá)工件上加工表面具有幾個(gè)位置信息，張國政等提出采用加工特征面單位法矢量判別方法，規(guī)定外法矢量方向?yàn)檎较?，即刀具遠(yuǎn)離工件加工表面的方向，這與數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸所規(guī)定的運(yùn)動正方向相同，并規(guī)定用內(nèi)單位法矢量表示特征加工面的軸向切削進(jìn)給方向，通過矢量的點(diǎn)積判斷工件各特征面主方向是否一致，以此確定工件特征加工面的工位。

由此可見，MBD技術(shù)是零件三維工藝規(guī)劃的主要方法之一，但在解決裝夾工藝中工位信息判別方面需要進(jìn)一步探索。

1.2 零件特征工藝設(shè)定

零件特征工藝設(shè)定是為工藝規(guī)劃提供加工路線等信息，零件特征加工面可劃分為四類：外圓柱(錐)面、內(nèi)圓柱(錐)孔面、平面(含臺階、溝槽、鍵等)和其他成形面(包括球面、曲面、螺旋面等)。各特征面可以看成是某個(gè)母線(如直線、圓、弧線等)按照某種軌跡以一定速度、′、″而構(gòu)成的，如圖1所示。母線1可由直線或圓弧線等構(gòu)成，在母線1的基礎(chǔ)上，由數(shù)控機(jī)床控制刀具按照軌跡2(或2、2′、2″)以速度(或′、″)制造出零件特征面，而其精度則由其加工路線確定。

圖1 零件特征面形成示意

在充分考慮零件特征屬性前提下，比如平面加工路線有“粗車、精車”或“粗銑、精銑”，也可能是“粗銑、半精銑、磨削”等，主要由零件特征面具體形狀和精度來確定，這就需要定義或設(shè)定零件特征工藝來規(guī)范其加工方法及路線。零件特征工藝不僅包括零件特征加工面定義，還包括特征加工面所需的加工方法、路線及其所涉及的機(jī)床和刀具等制造資源及其加工參數(shù)等信息的加工元定義。人工經(jīng)驗(yàn)式設(shè)計(jì)零件加工工藝流程如圖2所示。步驟一，通過零件圖紙分析羅列加工表面，類似于CAPP系統(tǒng)中識別特征加工面。步驟二，根據(jù)機(jī)械加工工藝手冊所提供的加工方案列出各加工表面的加工路線，經(jīng)驗(yàn)豐富者直接采用所謂正向推理方式，即從毛坯面到零件設(shè)計(jì)面的加工路線選擇，一般工藝人員結(jié)合零件設(shè)計(jì)面的公差等級、表面質(zhì)量及適用范圍來反向推理出所需加工路線至毛坯面，正、反向推理可以相互驗(yàn)證，類似于CAPP系統(tǒng)中加工元確定。以上兩個(gè)步驟在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中相當(dāng)于零件特征工藝設(shè)定環(huán)節(jié)。步驟三，添加“先面后孔、基面先行、先粗后精、先主后次”等基本加工規(guī)則，以便開展步驟四的工序劃分及排序優(yōu)化，步驟五中工時(shí)計(jì)算也影響步驟四中工序排序優(yōu)化，以追求最小工時(shí)為目標(biāo)是提高生產(chǎn)效率的最佳方法。步驟三至步驟五都是工序生成的邏輯推理和運(yùn)算環(huán)節(jié)，這也是CAPP系統(tǒng)研發(fā)的核心和技術(shù)難點(diǎn)。最后一個(gè)步驟就是輸出工藝過程卡片和相應(yīng)的工序卡片。

圖2 零件加工工藝設(shè)計(jì)流程

零件特征工藝設(shè)定是識別制造特征面轉(zhuǎn)化成加工元的過程，但每個(gè)加工元并非是完整的一道道工序，需要按照工藝規(guī)則及原理進(jìn)行排序和優(yōu)化，借助于計(jì)算機(jī)智能算法處理能力，主要有模糊聚類、遺傳算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、規(guī)則和混合算法、時(shí)間向量等，進(jìn)而為三維CAPP系統(tǒng)研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。在現(xiàn)代數(shù)控加工工藝規(guī)劃中，裝夾次數(shù)規(guī)劃是制約工序模型的重要因素，尤其是柔性高的數(shù)控機(jī)床，一次裝夾完成多個(gè)特征面加工是其重要特性。為此，如何利用裝夾次數(shù)多寡為約束或目標(biāo)，進(jìn)而根據(jù)零件特征工藝設(shè)定規(guī)則來優(yōu)化裝夾工藝方案也是當(dāng)前計(jì)算機(jī)輔助裝夾規(guī)劃的熱點(diǎn)，如高博等人運(yùn)用智能水滴、文化基因、聚類等算法進(jìn)行裝夾規(guī)劃，進(jìn)一步完善了裝夾工藝規(guī)劃理論，而在裝夾次數(shù)與加工元定義方面仍需進(jìn)一步研究。

1.3 制造資源能力分析

企業(yè)實(shí)際制造資源能力及其動態(tài)變化也是影響工藝規(guī)劃的重要因素，因此，制造資源能力分析也是裝夾工藝規(guī)劃的重要研究內(nèi)容。機(jī)床、夾具、刀具等都是制造資源重要組成部分，不同類型機(jī)床、夾具或刀具對裝夾工藝規(guī)劃都有重要影響。文獻(xiàn)[26]將機(jī)床、刀具及其更換次數(shù)、資源消耗作為評價(jià)因子構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[27]在免疫遺傳算法基礎(chǔ)上，運(yùn)用前趨圖描述工步關(guān)系指導(dǎo)初始工藝路線生成，引入自適應(yīng)平行變換算子指導(dǎo)加工方法和制造資源的動態(tài)調(diào)整，并通過回轉(zhuǎn)體零件驗(yàn)證算法有效性。柔性化的制造系統(tǒng)可以更好地適應(yīng)市場的多變需求，其裝夾工藝可重構(gòu)性強(qiáng)，在多工序制造系統(tǒng)中，要充分考慮和合理利用制造資源能力，不同的制造資源能力可形成不同的加工組織特征，進(jìn)而構(gòu)成不同的裝夾工藝方案，即制造資源能力影響加工特征的加工方法選擇和確定。制造資源能力模型包含了數(shù)控機(jī)床、數(shù)控工藝裝置(如夾具、刀具等)及其他，而加工特征體現(xiàn)在每個(gè)加工特征面的形狀、尺寸、精度和方位，確定加工特征面的形狀、尺寸、精度是由相應(yīng)刀具類型的加工軌跡確定，加工特征面的方位是由裝夾工件的夾具確定的，工件可能需要次裝夾，而刀具是安裝在機(jī)床主軸或刀架上，夾具安裝在機(jī)床工作臺上，工件的加工特征就由刀具和夾具的位姿確定，進(jìn)而建立了加工特征與制造資源能力的關(guān)系模型，如圖3所示。

圖3 加工特征與制造資源能力關(guān)系模型

制造資源能力分析是加工線平衡問題(Transfer Line Balancing Problem,TLBP)的核心，以制造資源能力中一些關(guān)鍵要素為約束，通過聚類、多色集合理論等分析方法建立一個(gè)或多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，并以遺傳算法、蛙跳算法、狼群搜索算法、布谷鳥搜索算法、啟發(fā)式算法等自然科學(xué)原理和法則所構(gòu)建的智能算法進(jìn)行推理和運(yùn)算，進(jìn)而得到與實(shí)際應(yīng)用值更加接近的優(yōu)化目標(biāo)，這是TLBP的主要解決思想和方法。例如，文獻(xiàn)[28]建立了操作優(yōu)先關(guān)系、工位限制、操作同工位、工位能力等為約束，以設(shè)備配置數(shù)、生產(chǎn)節(jié)拍、生產(chǎn)線平衡率為優(yōu)化目標(biāo)的柔性加工線數(shù)學(xué)模型，并通過多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行求解，其優(yōu)化結(jié)果在某發(fā)動機(jī)缸體應(yīng)用中得到驗(yàn)證。

制造資源能力的強(qiáng)弱能反映加工、制造單元柔性的好壞，這是衡量柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell,FMC)的重要指標(biāo)之一。例如，加工中心配備多個(gè)交換工作臺及相關(guān)裝置，在一定時(shí)間內(nèi)無人操作下完成加工，這類加工單元可認(rèn)為是FMC。在此基礎(chǔ)上，再增加數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、傳感器和控制裝備等數(shù)字化設(shè)備，建立物料自動輸送系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)交換和共享，具備數(shù)據(jù)自動采集、保存和分析功能，這就構(gòu)建了柔性制造系統(tǒng)(Flexible Manufacturing System,FMS)?？梢哉J(rèn)為FMS具備智能生產(chǎn)線的功能，可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人化加工，滿足多品種產(chǎn)品零部件的自動化生產(chǎn)需求。在此基礎(chǔ)上，如果再建立制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution Systems,MES)，實(shí)現(xiàn)計(jì)劃、調(diào)度、質(zhì)量、設(shè)備、生產(chǎn)、能效全過程閉環(huán)管理，這就構(gòu)建了數(shù)字化車間或智能車間。在此基礎(chǔ)上，如果再建立企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)(Enterprise Resource Planning,ERP)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品供應(yīng)鏈、物流和成本等企業(yè)經(jīng)營管理的優(yōu)化，使得產(chǎn)品從市場分析、生產(chǎn)規(guī)劃、決策部署、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品營銷等各個(gè)環(huán)節(jié)形成一個(gè)完整的生產(chǎn)制造系統(tǒng)，這就構(gòu)建了智能工廠。MES系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)主要以調(diào)控管理為主，從先進(jìn)制造技術(shù)層面上來看，還需要一種能夠管理產(chǎn)品零件數(shù)據(jù)信息(包括零件設(shè)計(jì)、分析、制造的CAD/CAE/CAM，工藝規(guī)劃、裝夾分析的CAPP/CAFD等)的軟件，這就是產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management，PDM)，這基本上就構(gòu)成了現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufacturing Systems,CIMS)，可以認(rèn)為是智能工廠更為完善的系統(tǒng)。智能工廠是企業(yè)的核心，需要企業(yè)內(nèi)部各部門之間進(jìn)行協(xié)作，以及需要協(xié)作的企業(yè)之間關(guān)聯(lián)，從而支持這個(gè)產(chǎn)品生命周期的管理，這就是產(chǎn)品生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)。以上所分析的即為先進(jìn)制造業(yè)中最為典型的離散型智能制造模式，趙付青等將此劃分為分布式制造的層次結(jié)構(gòu)，如圖4所示?？梢?，制造資源能力是離散型智能制造模式最核心的基礎(chǔ)單元。

圖4 離散型智能制造模式

1.4 裝夾工藝規(guī)程生成

裝夾工藝規(guī)程生成的目的就是確定產(chǎn)品零件加工所需裝夾次數(shù)、合理性、位姿及加工工序等內(nèi)容，也可以認(rèn)為是以裝夾次序?yàn)橹骶€的工藝規(guī)劃。融亦鳴等將其研究分別集中在裝夾約束、決策策略、公差建模、信息集成等方面。其中，裝夾約束受到零件幾何特征、加工工藝特征及制造資源能力等因素影響，具體的約束要素要根據(jù)具體情況來確定，若零件幾何形狀簡單，加工特征面較少，一般只考慮零件幾何特征約束即可，這也是傳統(tǒng)夾具設(shè)計(jì)所要考慮的因素。決策策略是計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃的關(guān)鍵，涉及邏輯推理、運(yùn)算等核心技術(shù)，是決定裝夾工藝規(guī)程能否生成的關(guān)鍵，如前文所述的GT技術(shù)、CBR技術(shù)和ES技術(shù)等，秦國華、張衛(wèi)紅在其專著中也做了詳細(xì)介紹，除此之外，張發(fā)平等基于擴(kuò)展有向圖，建立了零件的公差信息和基準(zhǔn)—加工特征關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)模型，為自動裝夾工藝規(guī)程規(guī)劃方法又提供了新的思路。公差建模既是裝夾工藝規(guī)程生成的約束，也是保證零件加工質(zhì)量合格的目標(biāo)，HUANG、GU和CHOUDHURI、DE METER分別對裝夾布局和規(guī)劃進(jìn)行公差分析，HUANG等利用圖論方法進(jìn)行裝夾規(guī)劃分析，張發(fā)平等和許本勝等利用圖論進(jìn)行公差分析和制造資源能力模型，建立了工件裝夾工藝生產(chǎn)算法。信息集成的目標(biāo)是將生產(chǎn)制造各模塊子系統(tǒng)信息有效集成，實(shí)現(xiàn)各模塊子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)優(yōu)化，數(shù)據(jù)和信息共享，需要建立一套信息互換標(biāo)準(zhǔn)和大數(shù)據(jù)庫，以便于各類數(shù)據(jù)信息采集、存儲、處理和調(diào)用。由此可見，裝夾工藝規(guī)劃規(guī)程自動生成是集約束、目標(biāo)、推理、運(yùn)算、判別、智能優(yōu)化等功能于一體的系統(tǒng)，當(dāng)前研究應(yīng)用主要集中在汽車發(fā)動機(jī)缸體等關(guān)鍵零部件上。

2 柔性數(shù)控工藝裝置設(shè)計(jì)

2.1 多件裝夾裝置設(shè)計(jì)

為匹配高柔性化的數(shù)控機(jī)床，需要相適應(yīng)的柔性數(shù)控夾具。組合夾具由于其元件的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、耐磨性高等特性，一度被作為現(xiàn)代數(shù)控加工柔性化工藝裝置的典型代表，但由于其裝配受制于夾具設(shè)計(jì)知識及經(jīng)驗(yàn)，且成本較高，不利于在批量生產(chǎn)模式下進(jìn)行工件裝夾，故僅限于在新產(chǎn)品試制、單件小批量生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。因此，組合夾具的快速拼裝技術(shù)是當(dāng)前計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)之一?，F(xiàn)代數(shù)控加工要求的裝夾是工件能在一次裝夾中完成多個(gè)表面的多工位、多工序加工，使得整個(gè)工藝過程中裝夾次數(shù)最少，通過減少裝夾等輔助時(shí)間來提高生產(chǎn)效率。例如，在加工中心換刀和快速進(jìn)退刀時(shí)間內(nèi)完成工件裝夾(包括翻轉(zhuǎn)、交換、移動等重新定位與夾緊)，從而充分利用輔助時(shí)間提升生產(chǎn)效率。考慮到數(shù)控加工工序集中原則，為充分發(fā)揮大規(guī)模定制批量生產(chǎn)的數(shù)控加工特點(diǎn)，張國政等運(yùn)用多件裝夾設(shè)計(jì)思想解決加工中心夾具設(shè)計(jì)問題，提出一體多件裝夾設(shè)計(jì)方法。例如，圖5所示為采用三軸加工中心機(jī)床加工某閥體件時(shí)，為了保證數(shù)控工序集中，所設(shè)計(jì)的一體多件裝夾夾具裝置(其中：“一體”表示一個(gè)夾具體或工作臺)，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

圖5 三軸加工中心一體多件裝夾夾具模型(a)與實(shí)物(b)

在一體多件裝夾夾具裝置中，也可以利用機(jī)床工作臺的回轉(zhuǎn)功能實(shí)現(xiàn)多工位、多工序加工，進(jìn)而縮短加工周期，例如圖6所示的一體多件裝夾夾具裝置。在機(jī)床一個(gè)工作回轉(zhuǎn)臺上，針對某缸體件的多工序加工問題，利用機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺的功能，設(shè)計(jì)一種多工位旋轉(zhuǎn)的一體多件裝夾裝置，從而在多頭專用機(jī)床上完成零件的銑削、鉆削、倒角、鉸或鏜削、攻絲等多工序加工，大幅度提高零件批量生產(chǎn)效率。

圖6 利用回轉(zhuǎn)工作臺的多件裝夾夾具裝置

工件加工誤差中20%～60%是由裝夾變形引起的，因此，研究工件裝夾的定位和夾緊變形都是夾具裝置設(shè)計(jì)的核心，尤其是高精度薄壁件裝夾變形分析。為解決裝夾變形問題，一方面，可通過建立裝夾數(shù)學(xué)模型對裝夾布局、裝夾順序、裝夾位置和夾緊力大小等，利用前文所述的如遺傳算法等智能算法進(jìn)行優(yōu)化；另一方面，可以借助專用的三維有限元分析軟件進(jìn)行比較和優(yōu)化，常用軟件有ANSYS和ABAQUS等。在科研院所中，研究學(xué)者們一般將兩種方式結(jié)合使用來進(jìn)行優(yōu)化分析；在企業(yè)工程實(shí)踐中，技術(shù)人員多采用專用軟件直接進(jìn)行比較分析。例如，史冊等人以殼體薄壁件為例，建立裝夾穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型和約束分析，使用 ANSYS 進(jìn)行建模并與遺傳算法進(jìn)行接口操作，人為設(shè)置遺傳算法參數(shù)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法選擇更好的遺傳算法參數(shù)，得到更小裝夾變形的裝夾布局。張國政、楊磊等人以精密軸套件為例，分別利用ANSYS和ABAQUS軟件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，比較得出最小變形夾緊方式，為多件裝夾工藝規(guī)劃及夾具設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

以上是以工件為直接對象進(jìn)行分析，但在實(shí)際工程中也有因夾具裝置自身變形而導(dǎo)致裝夾精度不夠，尤其是夾具體變形問題，這些問題都容易被忽略。例如，文獻(xiàn)[17]提出的多件裝夾夾具裝置，可進(jìn)一步從工件三維模型建立、對原始多件裝夾夾具的夾具體進(jìn)行三維有限元分析，得出采用拉桿方式增強(qiáng)夾具體剛度，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)多件裝夾夾具，如圖7所示。

圖7 多件裝夾夾具有限元分析

若工件精度高，雖然夾具體是安裝連接各元件的重要支撐件，只分析夾具體裝夾變形可能還不夠，需要對夾具裝置進(jìn)行整體變形分析。如文獻(xiàn)[46]針對空壓機(jī)缸體裝夾的夾具裝置進(jìn)行整體分析，找出最大變形位置，進(jìn)一步優(yōu)化夾具裝置。

綜上所述，多件裝夾夾具裝置設(shè)計(jì)主要解決的是多工序、多工位等工序集中加工的裝夾問題，一體多件裝夾設(shè)計(jì)方法、回轉(zhuǎn)工作臺多件裝夾方法是提高生產(chǎn)效率的主要方法；裝夾變形與控制采用建立數(shù)學(xué)模型、優(yōu)化算法、有限元分析法等多種方式結(jié)合，可針對工件自身裝夾變形進(jìn)行分析，也可以從夾具體結(jié)構(gòu)或整體夾具裝置進(jìn)行分析，這些都是當(dāng)前多件裝夾夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容。另外，有關(guān)定位分析也有大量文獻(xiàn)，文中不再贅述。

2.2 程控夾具裝置設(shè)計(jì)

先進(jìn)制造技術(shù)需要先進(jìn)的設(shè)備、生產(chǎn)組織和管理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，如果單純更新高端設(shè)備顯然不夠現(xiàn)實(shí)。裝夾工藝作為制造的關(guān)鍵，如果不能提高其自動化程度將嚴(yán)重制約其生產(chǎn)效益的提升，因此，程控夾具裝置設(shè)計(jì)是當(dāng)前柔性數(shù)控工藝裝置設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)。一方面，根據(jù)工件加工要求進(jìn)行順次的自動定位與夾緊，滿足不同工序、工位需求的旋轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)等邏輯控制，通過PLC可以實(shí)現(xiàn)夾具的程控；另一方面，采用PLC和現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等進(jìn)行自動化改造，形成自動生產(chǎn)線，可以大幅度降低成本，將PLC開發(fā)的程控夾具融合，可實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)線，提高數(shù)字化車間生產(chǎn)效率和管理水平。例如，利用數(shù)控機(jī)床第四軸功能設(shè)計(jì)的夾具裝置，如圖8所示。張國政、劉有余提出定義數(shù)控系統(tǒng)M指令，相應(yīng)改造機(jī)床電氣控制系統(tǒng)和修改PLC程序梯形圖，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)程序控制夾具融入到數(shù)控機(jī)床中的柔性制造系統(tǒng)。程控夾具的動力源可以是氣動、液壓、電或磁等多種方式，圖9所示的多件裝夾多工位可旋轉(zhuǎn)氣動程控夾具可一次性裝夾6個(gè)工件，利用PLC控制相應(yīng)氣缸運(yùn)動，同時(shí)實(shí)現(xiàn)6個(gè)工件上4個(gè)工位的旋轉(zhuǎn)定位和夾緊，其PLC程序開發(fā)及具體工作過程可參考文獻(xiàn)[48]。

圖8 數(shù)控機(jī)床第四軸程控夾具

圖9 多件裝夾多工位可旋轉(zhuǎn)氣動程控夾具

柔性生產(chǎn)線主要包括倉儲、AGV運(yùn)輸、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、數(shù)據(jù)采集與傳輸、傳感器、視覺檢測等，采用主控PLC實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場層控制。如圖10所示，工件裝夾在類似于AGV運(yùn)送模塊上，根據(jù)工件加工工藝流程，在生產(chǎn)線上完成各道工序的加工。目前，在汽車零部件生產(chǎn)線、裝配線上應(yīng)用較為廣泛。

圖10 主控PLC控制的柔性生產(chǎn)線

綜上所述，程控夾具已經(jīng)融進(jìn)現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中，在柔性生產(chǎn)線中得到廣泛應(yīng)用，主要通過主控PLC進(jìn)行開發(fā)，既降低了技術(shù)改造成本，又提升了自動化水平，有效地優(yōu)化了企業(yè)制造資源，同時(shí)也為先進(jìn)制造企業(yè)組織管理和控制提升了智能化水平。

3 結(jié)語

作者從裝夾工藝規(guī)劃方面，綜述了零部件數(shù)字信息模型建立、特征工藝設(shè)定、制造資源能力分析、裝夾工藝規(guī)程生成等主要研究成果，同時(shí)對滿足裝夾需求的柔性數(shù)控工藝裝置(又稱柔性夾具)設(shè)計(jì)研究主要內(nèi)容進(jìn)行綜述。關(guān)于未來裝夾工藝規(guī)劃技術(shù)發(fā)展，以下幾方面還有待進(jìn)一步研究：

(1)多工序制造系統(tǒng)裝夾工藝規(guī)劃方法研究。任何復(fù)雜產(chǎn)品零件加工制造的裝夾工藝規(guī)劃，都要從零件自身特征出發(fā)，文中綜述了MBD三維建模技術(shù)，特征工藝設(shè)定與推理、制造資源能力分析優(yōu)化所采用的遺傳算法、蛙跳算法、狼群搜索算法、布谷鳥搜索算法、啟發(fā)式算法等自然科學(xué)原理和法則以及圖論原理的應(yīng)用，這些都是研究多工序制造系統(tǒng)裝夾工藝規(guī)劃的重要方法，但在實(shí)際應(yīng)用中并沒有得到驗(yàn)證哪種方法更好，且與裝夾規(guī)劃可重構(gòu)理論結(jié)合需要進(jìn)一步探索研究。

(2)裝夾工藝規(guī)劃與企業(yè)制造資源管理技術(shù)的研究。裝夾工藝規(guī)劃的優(yōu)劣體現(xiàn)在制造資源能力的合理優(yōu)化利用，從制造資源能力方面涉及FMC、FMS、CIMS等技術(shù)，企業(yè)制造資源管理涉及MES、ERP、MRP、PDM、PLM等技術(shù)，那么在離散型、流程型、大規(guī)模定制型、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同及云制造型等不同類型制造模式中如何更好融合，實(shí)現(xiàn)未來智能、智慧化生產(chǎn)制造，需要從工程技術(shù)、管理科學(xué)與信息技術(shù)等交叉學(xué)科相互融合方面進(jìn)一步研究。

(3)柔性夾具自動線集成技術(shù)研究。柔性夾具結(jié)構(gòu)除了理論上建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，工程應(yīng)用上大多利用有限元分析軟件從零件裝夾本身，或主夾具體或整體夾具進(jìn)行優(yōu)化分析，當(dāng)前技術(shù)較為成熟；為適應(yīng)柔性生產(chǎn)線需求，柔性夾具與工業(yè)機(jī)器人集成技術(shù)、隨行可調(diào)裝夾自動線集成技術(shù)、組合夾具智能拼裝技術(shù)等有待進(jìn)一步深入研究，從而滿足未來制造的需求。