工裝設計優化技術的現狀及發展趨勢

于蘭萍，周　濤

（1.北京航天控制儀器研究所，北京100039；2.西北工業大學自動化學院，西安710072）

工裝設計優化技術的現狀及發展趨勢

于蘭萍1，周濤2

（1.北京航天控制儀器研究所，北京100039；2.西北工業大學自動化學院，西安710072）

介紹了國內外工裝設計優化技術的現狀，以高精尖的大型復雜裝備制造行業工裝為例，說明了柔性工裝是工裝設計制造的趨勢；分析了工裝設計優化的關鍵技術，其中包括柔性化、模塊化、數字化、標準化、自動化和網絡化等多個方面。

柔性工裝；設計優化；模塊化；標準化；數字化

0　引言

工裝是工藝裝備的簡稱。工藝裝備就是將零組件加工至設計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備、夾具、檢具、輔具和刀具等，是制造過程中所用的各種工具的總稱。工裝分為專用工裝、通用工裝和標準工裝（類似于標準件）。根據對國內外情況的不完全統計，復雜零件生產準備時間較長，是制約生產效率提高的主要因素之一，一般準備時間達到整個生產周期的20%以上［2］。以我國航空航天科技工業為例，飛機裝配工裝的研制周期占飛機生產準備周期的一半左右［3］，工裝成本占總成本的20%～30%左右。由于傳統工裝存在設計、制造工作量大，成本高，周期長，一致性差等問題，直接導致了產品的質量不穩定。隨著我國工業體系的發展和完善，工藝裝備尤其是高精尖行業的工裝得到了快速的發展，但工裝并未形成一個系統的體系。可以說，工裝的研制能力和水平在一定程度上反映了一個國家的整體制造能力和水平。

1　工裝設計優化的現狀

對于一些復雜產品來說，由于產品結構復雜、尺寸大、零件多、剛性小，最終的裝配質量是由工裝來進行保障的，所以制造過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防軍工產業，工裝的研制嚴重制約著新產品的研制進程，是企業實現快速轉產和縮短新品開發周期的瓶頸。

工裝主要有剛性和柔性兩種結構形式。剛性工裝設計制造周期長，而且只能專用，無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，成為當今工裝技術發展的一個重要趨勢，也是國內外研究的熱點之一。目前，以波音、空客等公司為代表的國外航空航天企業已經開發并廣泛采用柔性工裝進行裝配，而國內還主要在應用剛性工裝、專用工裝等［4］。從國外情況看，為了滿足工藝加工的要求，許多公司采用液壓工裝和數控工裝等新工裝技術，開發出可重配置、可調整柔性工裝，從而使零件生產過程減少了專用工裝，提高了生產效率。西班牙的M.TORRES公司、瑞典的MODIG公司開發的液壓數控工裝已經大量應用于飛機壁板、艙門等零件的制造，美國Electroimpact公司研制的高速鉚接系統柔性裝配型架，已經在空客多型飛機機翼壁板的裝配中得到成功應用，波音公司應用柔性工裝較大地提高了飛機整體構件制造的經濟效益［5］。

同時，以往設計、工藝、制造串行的傳統工裝制造模式也逐漸被數字化制造技術所取代。工裝數字化制造技術在一些發達國家，如美國、德國、日本被等已經得到廣泛的應用。波音公司搭建了基于構型控制的數字化制造信息管理系統（DCAC/MRM）用于波音737的研制，采用了全球協同環 境 （Global Collaboration Environment，GCE）用于787的研制，在同行業的航空企業競爭中具有較強的數字化技術平臺優勢［6］，由于上述數字化技術平臺的應用，2007年7月8日，波音787Dreamline如期下線的同時，波音公司宣布獲得了1100多億美元的707架波音787飛機訂單，為波音公司創造了巨大的收益。

近年來，我國許多大型的研究院所、科研院校以及制造企業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、部件級別的裝配方面，如清華大學針對薄壁件，設計了一種多點柔性智能工裝系統，一次裝夾可以實現多道工序的加工定位和維形工作［7-9］；中航工業公司針對飛機機身部件結構特點，研發了機身部件數字化柔性裝配工裝［10］；吉林大學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漸進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構后段數字化柔性裝配系統［12］、西北工業大學設計的部件級數字化柔性工裝系統［13］、北京航空航天大學和沈飛合作設計的可重構的調形單元［14］、西北工業大學研制的機身壁板類組件裝配工裝［15］、北京航空制造工程研究所［16-17］與浙江大學等研制的柔性對接工裝系統［18-19］等。從現有技術成果來看，國內柔性工裝技術水平與國外技術相比差距還很大，大部分僅實現局部柔性化，工裝結構比較單一，互換性不高，難以滿足柔性生產的需要。

而在工裝數字化制造方面，西北工業大學［20-22］建立了基于.NET和基于Web的工裝全生命周期管理系統，利用動態服務器網頁技術，開發了基于瀏覽器/服務器三層網絡體系結構的工裝全生命周期管理系統。同時，航天企業利用基于AVDIM結構管理技術實現工藝裝備數據全生命周期管理［23］；航空企業在分析了民機研制中工藝裝備的作用、應用情況和發展趨勢的基礎上，制定了民機工藝裝備數字化制造標準的制定與實施解決方案［24］。國內在工裝的虛擬設計、協同設計等方面也開展了大量研究。北京航空航天大學針對目前飛機制造工裝中典型配套結構的關系梳理工作量大的問題，引入了虛擬件概念，研究了自動化模型配套方法［25］；南京航空航天大學針對飛機工裝協同設計難點和特點，分析了飛機工裝語義協同的必要性，提出了基于Team Center Engineering的飛機工裝語義協同設計實現框架［26］。與國外相比，我國的工裝數字化制造還處于技術研發和初步使用階段，技術成熟度整體不高，數字化程度較低。

2　工裝的設計優化技術

2.1工裝設計柔性化、模塊化和標準化

柔性化主要指工裝具有快速重構調整的能力，一套工裝可用于多個產品的裝配工作，如圖1所示。柔性工裝是由多個可重構模塊單元構成，在工裝設計中，為每個模塊單元設計單獨的模塊集，用于實現工裝的特定功能。然后根據裝配要求，為每個模塊單元從裝配集中選出所需模塊，實現工裝的可重構設計，也是實現工裝柔性化的一個方法。因此，工裝模塊化設計技術是柔性工裝設計的一個重要技術。

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

波音、空客的工裝一般結構相對簡單、輕巧，并采用模塊化設計，工裝往往具有一定的柔性。空客公司在1996年為A320生產開發了E4000翼板自動化柔性裝配系統，1999年為A340生產投入使用了E4100的機翼壁板自動化裝配系統；在波音777、F35級DSF 7x制造中，也不同程度地采用了柔性裝配技術。國內的研究所和高校也基于多點技術的柔性工裝，為異形曲面薄壁件的制造提供了可適應多種尺寸和型面的柔性化工裝。柔性裝配系統的核心是采用柔性裝配工裝，柔性裝配工裝是基于產品數字量尺寸協調體系的可重組的模塊化、自動化裝配工裝系統，其目的是免除設計和制造各種產品裝配專用的傳統裝配型架或夾具，從而降低工裝制造成本，縮短工裝準備周期。柔性化、模塊化工裝可快速調整，滿足不同裝配對象的裝配要求，節省大量的工裝制造周期和費用，并減少生產用地。

為縮短工裝的設計制造周期，降低工裝的研制費用，工裝應采用標準件的方式進行設計。目前工裝標準的覆蓋面還不夠全面，標準件的應用范圍有限，要真正全面應用還需要制定新的標準。通過制定工裝標準件，設計中只要引用標準就能夠快速設計出適用的工裝，并節約制造時間，大大縮短工裝設計制造周期。隨著數據庫技術的發展，在工裝設計中引入數據庫技術，建立標準件的數據庫，工裝設計人員能根據需要從標準件庫之中引用相關的標準，工裝的設計制造可得到較大程度的簡化和規范。

2.2工裝研制數字化和網絡化

機器人系統在制造中的大量采用，使工裝裝配自動化成為工裝設計的主要發展趨勢之一。工裝采用模塊化設計后，可由機器人完成動態模塊的定位，在大范圍內完成工件結構配置，可以自動完成工裝模塊準備、調整及變化，實現裝配自動化。

隨著先進制造技術的迅速發展，數字化設計技術、CAD、SolidWorks、CATIA等三維計算機輔助設計軟件的應用和數控加工技術在大型復雜裝備制造中應用前景廣闊，并已取得了良好的效果。例如，數字化制造技術在飛機工裝設計中的廣泛應用，縮短了新機研制周期，降低了研制成本。在工裝制造方面，對形狀和協調關系復雜的組合件的標準樣件可以采用數控加工和數控測量技術。對于工裝數控加工所需數據，可以直接從工裝數據庫中進行提取。從而大大提高工裝制造和協調的準確度，提高加工效率，縮短生產準備周期。

美國波音公司的波音777飛機是世界上首架以無圖方式研發及制造的飛機，其設計、裝配、性能評價及分析就是采用了數字化制造技術，不但使研發周期大大縮短、研發成本大大降低，而且確保了最終產品一次性接裝成功。其模具的數字化制造使設計精度提高了10倍，降低研制成本50%，制造周期減少了50%。空客A380在研制中采用了并行設計的方法進行工裝設計制造，大幅度縮短了生產準備周期。由于其工裝的設計依據來源于飛機產品數據，要在最終產品數據還未確定的情況下進行并行設計，工裝的部分結構必須獨立于產品數據。同時，在數字化和網絡化后，工裝控制系統能通過局域網與機床進行通信，實現數控工裝系統的避讓控制。以網絡為橋梁，數控工裝系統可與機床數控系統進行有效的數據交換，從而不再是一個孤立的封閉系統。如西門子公司的840D和NUM1000系列等國際知名數控系統都能夠實時接入網絡，對工裝過程進行編程控制。而且在零件進行數控加工前，系統能夠全過程進行仿真，顯示加工軌跡，模擬零件生產的情況，避免因編程失誤造成的損失。

我國正在大力推動產品的數字化制造技術應用，中國航空工業將基于“數字樣機”作為新一代航空產品研制模式轉變的突破口，數字化制造應用取得較快進展。改變了傳統以工程圖紙為主，三維實體模型數據為輔的制造方法，實現了飛機研制生產從模擬量傳遞到數字量傳遞、物理樣機協調到數字化制造協調的轉變。但距離作為在產品的研發過程中舉足輕重的工裝產品數字化制造，還有一定差距。目前工裝設計制造基本僅實現計算機輔助設計，工裝設計的依據不完全來自數字樣機和產品的數模，設計過程中CAE的應用還需要進一步加強。

2.3工裝的快速裝配和系統集成技術

快速裝配技術是工裝發展的一個重要方向，近年來得到了行業內的高度關注。隨著現代化制造技術的發展，產品的研制周期越來越短，對柔性工裝的快速裝配技術提出了強烈需求。快速裝配是研制柔性工裝的要求之一，工藝設計、裝備設計的思路與傳統工裝設計有所不同。在這方面，建模仿真技術、工裝模型定義技術、工程-工藝-工裝集成產品開發團隊技術等在柔性工裝快速裝配技術上充分顯現出其積極的作用。

在飛機、火車等大型復雜裝備的裝配，需要結合測量系統、控制系統、定位系統等綜合使用，才能高效地完成整個裝配工作。單一的機械工裝是無法實現柔性裝配的，只有有效集成各項關鍵技術，才能發揮柔性工裝的技術優勢，如圖2所示。

圖2　F-35的機翼裝配Fig.2　Assembly of F-35 wing

3　結論

作為未來工裝系統的主要發展方向，柔性工藝裝備因具有模塊化、可重構、數字化、自動化等特點，一定會得到越來越廣泛的應用。隨著需求的增加和應用范圍的越來越廣，柔性工裝發展的一個重要條件是低成本。近年來提出的“可負擔得起的柔性工裝”概念，是通過低成本工業機器人來調整配置工裝裝備，把主動調整的柔性工裝變為被動式調整，簡化了工裝的設計和結構，從而降低工裝成本。隨著對工裝性能要求的提高，現代的柔性工裝已經演變為一個集成了數字化測量設備，配備專門控制系統和各種軟件的綜合系統。傳統的以數字量為主、輔助量為輔的協調工作法開始被全數字量傳遞的協調工作法代替，基于模型的設計 （Model Based Design，MBD）工裝三維數模將取代二維圖紙，成為產品研制的唯一制造依據，企業在產品制造過程中傳遞和采集的信息將是數字的，先進的數字化技術將貫穿工裝研制的整個生命周期，并在全過程中實現數據源一致的信息共享、流程優化的過程協同。現代工裝與各輔助系統緊密集成，將各項關鍵技術有機集成起來，形成了綜合工裝系統，能夠協同高效工作。只有在與系統高度集成之后，柔性工裝才能得到更好地實施應用，這是柔性工裝未來發展需要解決的重要問題。

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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，機械制造專業，碩士，高級工程師，研究方向為工藝技術。