柔性工装（精选六篇）
柔性工装 篇1
关键词：柔性工装,模块化设计,快速换装,数据管理
1 概述
我们提到的柔性工装结构设计从实用角度看包含三方面内容:一是工装元件能够灵活重组, 元件、组件、合件能够重复分解和有机拼装, 实际应用中实现预定的功能, 重组后实现特定结构的柔性化;二是柔性工装的结构设计, 这里引进模块化设计理念, 需要预先建立数据库包括标准建库、模块元件库、单元模块库, 利用设计软件根据实际用途灵活快速组装设计, 完成柔性工装的图纸预设计, 可以在产品本工序未加工前实现工装按计划组装;三是工装在设备之间的换装, 要实现柔性快速换装, 这就要求在设备上增加快换接口达到同一工装能够快速在不同设备之间换装, 不同工装在同一设备上实现快换, 以达到换装的柔性化, 这就需要进一步研究被加工零件与工装之间快速定位夹紧与换装。
2 柔性工装的结构设计研究
2.1 柔性工装结构设计的概念
我们提到的柔性工装结构是由标准件基础件、合件、功能组件、单元模块等按照特定功能拼装而成, 能够满足工艺要求, 并能快速拆分重组的工装结构。要求元件具有很好的互换性和较高的精度及耐磨性, 可以根据机床工作台的尺寸和不同零件的加工要求选用所需要的元件、功能组件组装成各种工装结构, 组装灵活方便, 适应范围广。
2.2 柔性工装结构设计方法
近年来, 高科技的普及和专业软件的开发, 虚拟装配的应用, 为柔性工装结构设计数据管理提供优越的条件。为此我们研究柔性工装结构设计。从2005年开始我们应用在UG平台上开发的组合工装结构设计kbe系统 (西安易博开发) 。它以UG系统为平台并与UG实现无缝集成。既可由用户选择系统提供的标准件、组件来进行虚拟装配, 也可用系统提供的知识库 (kbe) 功能进行智能化选择标准件和组件进行虚拟装配 (采用保定向阳厂生产的槽系中系列组合夹具元件) 。
3 柔性工装的模块化结构设计研究与探索
近年来, 我们研究模块化设计, 把组合工装结构设计思路用于专用工装结构设计, 以提高设计速度和准确性, 为以后的工装专业化设计、制造打好基础。因此, 我们同样需要建立模块库, 作为模块化设计的基础。
如何建立模块库, 建成一个什么样子, 什么样的要素可以作为模块, 需要我们认真研究。
研究表明, 在工装典型结构中, 能够实现特定功能, 并且应用过程中拓扑结构相对固定的组合或单元体称为模块。我们需要筛选不同种类工装结构, 找出常用的典型结构, 进一步拆分单元体, 按照模块定义找出能够称为模块的部分, 经专家论证后作为模块结构。将这些模块归类、参数化建模, 并制定模块分类和命名原则, 按照工装专业建库, 将参数化模块模型分类入库, 添加属性和预览图。
工装模块化程度提高, 亦给工装制造带来方便, 如果工装制造部门预先准备部分模块元件, 工装制造时, 如果直接能够应用的省去制造时间, 能够实现快速反应, 节省成本。
4 工装与设备的柔性快速换装
研究柔性工装的结构设计方法, 我们采用了基于UG平台的kbe设计工具及基于UG的工装模块化设计系统, 组合工装结构制造采用标准件、元件、组件实现结构拼装;模块化工装制造, 是在模块元件、单元模块实现高度系列化、标准化、通用化的前提下, 已经储备足够数量的库存情况下采用标准件、模块元件、单元模块进行拼装;工装的结构设计与制造实现快捷方便, 我们进一步需要研究工装实际应用过程中与设备的快速换装问题。
对于工装与设备的柔性快速换装, 我们需要在设备平台上设置快换接口, 经研究试验, 2005年到2008年间我们引进瑞典的system3R“零点定位系统”。
换装的思路是, 将基准平台安装在设备工作台面上, 拉直其中两定位孔, 将其固定在设备工作台上作为设备附加工作台, 找正基准孔位置并存储其位置坐标值, 找正基准平台顶面高度坐标并存储, 利用基准平台上开设的100±0.005mm的矩阵孔, 使基准平台上任何一定位孔坐标已知;在工装底座上对应位置仅需加工对应两孔, 每次将工装安装在基准平台对应位置上, 通过计算就能很快知道工装按安装的具体位置, 不用打表找正, 方便快捷, 重复定位精度高。
对于组合夹具基础板要求定制两个或多个定位孔, 以满足工装快速换装。
5 柔性工装实际应用
结合本集团公司生产特点, 我们将研究的柔性工装结构设计与制造应用与新机研制, 并结合当前技术领域推行的工艺工装一体化进程, 推广组合工装结构设计与拼装, 推广工装结构模块化设计与制造, 已经逐步扩展到各生产线。
下面是几组柔性工装结构实际应用的实例。该工装是采用组合夹具元件拼装的用于测量直线度, 采用双向顶尖定位, 球型销支撑结构。该工装用于车床加工内径和端面, 采用外径和底面定位, 压板压紧结构。
结语
在换装方面, 我们尚需继续研究被加工零件与工装之间快速定位夹紧与换装。能够解决目前存在的问题, 早日实现工程化应用。
工装结构模块化设计的不断探索将为工装设计与制造带来新的理念与方向。科技要创新, 思路要拓宽, 我们要为今天的制造业发展走出新的路子。
参考文献
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柔性工装 篇2
对于一些复杂产品(如飞机、火车等)来说,由于其具有产品结构复杂、尺寸大、零部件多、刚性小等特点,其装配最终质量是由工装保障的,故其制造过程中的工装非常重要。随着市场经济的快速发展,客户对产品的个性化需求越来越普遍,小批量多品种的市场需求特征日趋显著;此外,为了快速响应市场需求,企业对新品的研制周期提出了更高的要求。在企业大量购置数控加工设备等先进装备的背景下,工装成为实现快速转产和缩短新品研制周期的瓶颈。根据企业面临的实际困难和相关技术的发展现状,柔性工装成为工装技术发展的趋势,也正是国内外研究与应用的一个热点[1,2]。柔性工装关键技术的突破将为相关行业的发展带来巨大的机遇。柔性工装在飞机制造行业的应用,取代了原来靠模拟量传递的刚性工装,实现数字量在飞机制造过程中的全流通,将极大缩短研制周期;在火车制造领域,以柔性工装替代传统的刚性工装,实现生产线的柔性化,为快速重构生产线扫平了障碍,将有效缩短企业的转产周期[3]。
1 柔性工装结构体系
1.1 柔性工装的内涵
柔性工装是将成组技术、信息技术、数控技术和自动化技术等先进技术引入工装设计、制造、应用与管理等各环节,构建基于模块化、标准化、信息化、自动化的工装应用体系,从而优质、快捷、高效、低成本地满足产品生产需求。柔性工装区别于传统工装的关键特征在于柔性化,其柔性化的具体体现形式在于定位柔性化和夹紧固持柔性化。定位单元通过一定的传动方式和控制方法,可以根据产品结构的变化和外形的不同,精确调整定位器的空间位置和姿态,以满足不同产品的定位要求,实现柔性化定位。夹紧固持单元通过对夹持力的精确控制,以及根据产品外形的特点适当调整夹持单元的结构,以满足不同产品的夹紧固持要求,实现柔性化夹紧固持。当前在一些机床行业通过组合夹具来实现柔性化,其基本指导思想是模块化组合,以更换标准模块和搭积木的方法来实现夹具的柔性化,其柔性化程度是一些离散的空间几何位置,有一定专用性,无法实现定位和固持的无级化调整。而柔性工装正好克服了组合夹具的这一不足,可以实现在一定范围内的无级柔性化自动调整,应用范围和技术的通用性更广泛一些。
1.2 面向装配的柔性工装主要结构体系
飞机、火车等复杂产品的结构特点决定了装配过程非常复杂,柔性工装在装配过程中主要承担起支撑、定位、夹紧等作用,根据具体产品的结构特点,面向装配的柔性工装主要结构体系包括阵列式POGO柱结构、框架翻转式结构、大尺寸三坐标立式支撑结构、库式伸缩结构等四大类。
(1)阵列式POGO柱结构。
阵列式POGO柱结构如图1所示[4,5,6],主要由一定数量的平行阵列布局的POGO柱组成,其中POGO柱是一种能在X、Y、Z三坐标方向进行精确调整与控制的支撑结构,POGO柱在轴向具备一定的承载能力。针对产品的复杂外形,通过协调控制阵列POGO活塞杆的行程,实现对产品的精确定位,实现了工装的柔性化,达到了重复使用的目的。这种结构形式的柔性工装特别适合大型产品的部件对接、部件装配过程中的姿态调整等应用场合。目前在国内外的飞机部件对接工作中有非常广泛的应用前景,在火车部件组对过程中也有一定的应用需求。
(2)框架翻转式结构。
框架翻转式柔性工装结构如图2所示,主要由框架、支撑柱和辅助托架等结构组成。框架用来定位固持工件,框架两侧与支撑柱连接,可以沿着框架中心轴线进行旋转调整,同时也能沿着两侧支撑柱的轴线进行上下调整,从而使工件在一定范围内根据装配工作的需要精确调整姿态,配合其他装备更好地完成装配任务[7,8,9]。框架翻转式柔性工装主要应用于飞机部件装配,不仅可以在一套工装上定位夹紧多种型号产品,还能根据自动化钻铆设备的需要自动调整姿态,提高铆接装配质量。
(3)大尺寸三坐标立式支撑结构。
大尺寸三坐标立式支撑结构如图3所示,主要由数套大尺寸三坐标支撑结构组成。这种支撑结构尺寸较大,其定位和夹紧组件均可以实现在三个直角坐标方向的精确调整。由于结构本身具有良好的刚性,故可以承载三个方向的较大载荷。三坐标支撑结构本体独立布局,可以根据产品对象自身结构的特点合理布局。单排平行布局能够很好地适应一些大型长条结构的部件装配(如飞机的机翼壁板);两排数组布局可以完成大型立体结构部件的装配(如飞机机身、火车车体等)。
(4)库式伸缩结构。
库式伸缩结构组成的柔性工装如图4所示,其主体结构由若干根正交布局的伸缩梁组成,伸缩梁可以沿着中心轴方向伸长或收缩,一次获得工装水平面内外形尺寸的调整,以达到对不同平面结构尺寸部件的适应性。这种结构形式的柔性工装可根据产品结构尺寸的变化调整工装本体的结构,不仅满足了产品对工装的柔性化要求,还有效节约了厂房资源。库式伸缩结构柔性工装适合于一些平板类(或曲度较小)装配部件,
如火车的端墙、侧墙等部件的水平装配,也可以应用于飞机曲度较平缓的壁板类部件装配(如机翼壁板)。
2 柔性工装关键单元结构
典型柔性工装结构主要由骨架、定位单元、夹紧单元、锁紧单元等四大部分组成。骨架、定位单元和夹紧单元是实现工装柔性化的主体,锁紧单元在调整到位后保障工装具有足够的刚度和具备较好的承载能力。用于飞机、火车等复杂产品的柔性工装结构复杂,为了拓展工装对产品对象的适应范围,将柔性工装提炼为模块化单元结构,通过标准化和系列化的关键单元结构,快速构建工装系统。
(1)柔性骨架单元结构。
骨架是工装其他功能模块的搭载平台,是柔性工装的重要组成部分。柔性骨架较刚性骨架而言,能在大范围内进行柔性化调整,以适应产品对象宏观形态的变化。由于柔性骨架的功能特点与传统骨架的区别,故在柔性工装体系中的骨架结构形式也随之产生了变化,其主体由若干可调整的结构单元搭建而成,如图5所示的大尺寸三坐标支撑组件和伸缩梁等结构形式。这些结构单元之间多以分立形式布局,取消了刚性连接的组件,骨架安装和调整通过先进的检测装置(如激光跟踪仪)检测定位,从而完成整个骨架的精确定位布局。
(2)柔性定位单元结构。
工装在产品装配过程中的主要功能之一就是定位,因此定位单元是柔性工装的关键组成部分之一,其承担了产品装配过程中的精确定位。由于产品的外形轮廓复杂,故传统的刚性定位单元普遍被设计为与产品局部外形一致的结构形式以保证定位的精确性。而柔性工装面向的产品种类多样化,一方面将定位单元设计为可调整结构,另一方面通过先进的数控技术实现定位单元的精确控制,从而保障柔性定位单元的定位精度。为了实现柔性定位单元对不同结构外形产品的适应,其结构被设计为多点柔性定位形式,以单个可调整定位组件(如POGO柱)为结构单元搭建而成,根据产品外形的特点,可以设计成数组式、框架围形式、离散式等结构。为了实现精确多点协调控制,可调整定位组件一般通过电动作动器驱动(图6)。这种驱动方式一方面便于实现数控,另一方面由于传动结构具备自锁能力,而有利于保证定位单元的刚性。
(3)柔性夹紧单元结构。
夹紧单元的主要作用一方面是保证产品与定位面贴合可靠,另一方面是对产品的固持,其柔性化主要体现在夹持力自适应调整和夹持头与产品外形的自适应贴合。夹紧单元在柔性化方面的功能需求主要通过机械结构和控制系统两个方面解决。夹紧单元驱动采用伺服控制。根据产品结构的具体要求,精确控制和调整夹紧力需保证夹紧的可靠性,并保证夹持力对产品外形不造成损伤。为了满足夹紧头对产品外形的自适应贴合,夹紧头被设计为随动结构形式,利用机械结构与真空吸盘等复合结构保证固持的可靠性。图7所示为典型的柔性夹紧单元结构。
(4)死锁抱紧结构。
柔性工装与传统工装相比,其突出的优势在于可调整性,能在一定范围内适应产品对象的变化。而柔性化特征也带来了刚度可靠性的不足,为了确保柔性工装在发挥自身优势的同时,也具备可靠的刚性,死锁抱紧结构显得尤为重要。这种结构是组成柔性工装不可或缺的单元要素,其作用在于确保柔性工装调整到位后的可靠死锁,以使柔性工装与传统工装具备同样的刚性。在柔性工装的结构设计中,广泛采用带自锁功能的涡轮蜗杆传动结构,同时在定位单元末端设计了死锁抱紧机构(图8),根据实际应用的要求,其启动形式多种多样,包括电动、液压、手动等。
3 柔性工装模块化设计方法
目标产品的特异性和新产品结构的未定性决定了柔性工装结构的复杂性,这些特性对其设计过程提出了更高的要求。根据上文对柔性工装关键单元结构的阐述,在柔性工装设计过程中引入模块化设计方法,能有效缩短设计周期、降低设计难度。结合柔性工装的功能结构特点和模块化设计方法[10],提出了如图9所示的柔性工装设计流程。
整个设计过程主要包括目标产品特点分析、柔性化程度评估、模块化单元设计、建模与仿真、功能可达性分析等5个阶段。
(1)目标产品特点分析。
柔性工装是用来制造新产品的技术装备,目标产品的结构特点和性能要求对柔性工装结构产生直接的影响。在设计的初期,必须充分分析目标产品的结构特点、装配要求、关键装配特征,比较系列化产品对象的共性与差异性结构。
(2)柔性化程度评估。
柔性工装作为一种生产用的技术装备,除了功能性技术要求以外,投入和产出比也是一个非常重要的指标。柔性化程度的高低决定了设计制造成本和技术难度。必须在对目标产品结构特点和性能要求分析的基础上,合理评估柔性工装需要具备的柔性化程度,避免一味强调柔性化的片面指导思想。
(3)模块化单元设计。
根据柔性工装的结构特点,上文已经将复杂的机构划分为骨架单元、定位单元、夹紧单元和锁紧单元等四大功能模块,这也为模块化设计方法的实施打下了基础。这一阶段是柔性工装设计的核心,根据柔性化程度评估结果,确定通用的柔性化模块和专用模块,并根据产品结构特点选择合适的关键单元结构形式,应用模块化设计理论,完成专用单元和关键单元的模块化设计。
(4)建模与仿真。
根据关键单元模块化设计结果,对柔性工装进行整体三维建模,对于复杂结构的产品,这个过程尤其重要,通过三维仿真分析,对系统进行了干涉检查、装配性能评估等,有利于直观优化系统结构。
(5)功能可达性分析。
柔性工装与一般的工艺装备最大的区别在于功能的柔性化(可以适用于多个产品对象)。在设计的最后环节,必须对其功能是否满足普遍适用性进行分析。通过三维工艺仿真方法,实现工装与目标产品的关联分析,能够直观体现工装对系列化产品的适应性,检验工装设计是否达到设计目标的要求。
4 基于关键装配特征的柔性工装数字量传递体系
柔性工装的特点决定了其应用过程的复杂性,数据流不仅包括从产品几何数模信息向柔性工装系统的正向传递,还包括从测量系统检测到的数据信息回馈给柔性工装系统的逆向传递。随着数控技术的发展,复杂的柔性工装调整已经从过去的手动向自动化发展,同时检测系统中大量使用的激光跟踪仪等先进设备实现了检测数据的数字化,这些都为构建面向柔性工装应用的数字量传递体系奠定了基础。
面向柔性工装应用的数字量传递体系的关键在于构建产品单一数据源在柔性工装重构过程中的数据信息的传递架构。柔性工装的工作对象是产品,检测系统的工作对象也是产品,两者在工作过程中都是围绕产品与工装的装配关系展开的。为了论述方便,这里把与产品和工装的装配关系相关的信息集合定义为产品关键装配特征,主要包括定位基准、定位方式、定位位置和姿态、夹持方式、定位面几何外形等信息。
根据柔性工装的特点和应用需求,构建了基于关键装配特征的柔性工装应用数字量传递体系,如图10所示,产品数据信息的传递过程[11,12]如下:①产品数模单一数据源是数字量传递体系的依据,从中提取出产品关键装配特征;②根据产品关键装配特征,构建产品装配的数字化标准工装,以此为判据,并根据现有柔性工装的结构参数和性能指针,评估柔性工装针对特定产品对象的适应性;③根据柔性工装适应性分析结果,通过三维重构过程仿真手段,分析柔性工装的适用可行性、重构可行性、重构流程等性能;④以仿真分析结果为依据,对柔性工装数控系统进行离线编程,生成柔性工装重构的控制策略和数控程序;⑤将离线编程数控程序下载到柔性工装控制器,结合检测系统回馈的检测数据信息,自动控制柔性工装机械本体完成重构。
上文所构建的基于产品关键装配特征的柔性工装数字量传递体系,其核心作用在于实现柔性工装应用的数字化,达到柔性工装快速重构的目的。数字化测量技术和三维工艺仿真技术是这一体系的关键,由于柔性工装各单元多为独立结构,故重构过程中需要检测各定位基准的空间位置信息并回馈给控制系统进行精确控制,对于大型复杂产品(如飞机),一般选择激光跟踪仪或室内GPS来检测工装的相关信息;对于普通机械制造行业,考虑到使用成本,可以通过间接基准转换和局部位移传感器相结合的方式检测工装的相关位置和姿态。三维工艺仿真主要依托DELMIA软件平台来实现,通过构建柔性工装、产品、辅助设备等三维模型,以关键装配特征作为工装重构的数据驱动源,根据产品型号的变化来检索和求解工装的调整方案和实际调整信息,并生成控制系统所需的数据集,以此来控制柔性工装进行自动精确调整。
5 应用实例验证
底架是铁路车辆的典型复杂结构件之一,该部件由中梁、枕梁、大横梁、小横梁、侧梁、端粱、附属件等上百个零部件组装焊接而成。不同的车型、型号,其底架结构和外形尺寸都有一定的差异,突破并实现同一柔性工装对绝大部分型号底架的适应性,长期以来是行业内相关专家研究的一个热点和难点。通过对柔性工装共性技术的研究,我们提出了基于库式伸缩结构的柔性工装体系,构建了如图11所示的铁路车辆底架柔性工装系统,其中基础骨架由2根纵向、10根横向的伸缩梁正交组成,
在基础骨架上安装了26个柔性夹紧单元和24个柔性定位单元。柔性工装主要由电机驱动,通过升降架进行力的放大,整个系统采用基于企业局域网的分布式控制结构。建立基于底架三维CAD模型数据源的三维工艺仿真平台,仿真结果为柔性工装控制系统提供转产重构控制策略。
该柔性工装在齐齐哈尔轨道车辆(集团)有限公司已实际应用,性能良好,对企业缩短转产周期(转产开始到转产完成总共用时)、提高生产效率和生产质量的效果明显。具体应用效果如表1所示,转产周期缩短了90%,生产效率提高了25%,产品合格率从95%提高至98%,产品适用型号从原来的1个扩展到12个。
摘要：根据典型复杂产品的结构特点,总结了4种柔性工装总体结构体系,并在此基础上,对柔性工装定位单元、夹紧单元、骨架单元和锁紧单元等关键结构进行了深入研究;阐述了柔性工装的模块化设计方法,提出了面向柔性工装应用的基于产品关键装配特征的数字量传递体系。应用以上共性技术研究成果,开发的铁路车辆底架柔性工装系统的实际应用效果良好,转产周期缩短了90%,生产效率提高了20%。
关键词：复杂产品装配,柔性工装,关键装配特征,三维工艺仿真
参考文献
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柔性工装 篇3
目前的中国铁路货车制造业所使用的工装设备多是专用工装,即一种型号的车体需要有独立的一套工装,转产时需要制备新的一套工装,效率偏低,针对此种情况,某企业专门开发了用于铁路货车产品生产的柔性工装,它能够实现使用一套工装设备就可以满足不同型号车辆箱体组对的要求,大大减免繁重的工装设计与制造的工作量,缩短转产周期,使企业能快速响应市场需求。
柔性工装的使用主要包括两个方面,其一是工装的整体装配设计,其二是组成工装的各个组件的取用、拆卸、出库和入库管理。采用人工方式,设计效率低,管理费时费力,容易出错。为此研究开发一套集柔性工装的辅助设计与管理功能于一身的软件系统,具有相当的现实意义。本文对系统的组成模块和设计架构作了较详细的介绍。
1 柔性工装基本原理
柔性工装一般主要由三大部分组成:1)柔性化基础工作平台,工装的主体结构元件,承载工件,并通过它把其他模块连接在一起;2)柔性化定位模块,用于工件在工装上的定位;3)柔性化夹紧模块,用于工件的夹紧,可由电机驱动进行伸缩调节(图1)。此外还有其他的辅助类部件。
在组对加工工件的过程中,这三大功能模块都具有柔性,能够在长度、宽度和高度方向上进行快速调整,以适应不同型号的工件,必要时还需要更换增减不同的模块。每一模块又是由更多的组件构成。如图2的组件实例,组件是预先设计和制造好的零部件,在工装使用中将作为最小的单元而不可再分。组件有很多的类型,包括基础平台、定位夹紧大组件、中间托起大组件、柔性夹压单元和调整块等五大基本类型。
柔性工装的基本原理就是将不同类型的组件按照一定方式拼装在一起,形成一种工装组合方案(图3),满足特定工件的加工任务。不同的组合方案对应不同型号的工件,柔性工装管理系统的核心工作就是对这些组合方案以及组成它们的组件进行科学有序的管理。
2 系统总体设计
2.1 系统功能模块
本系统开发主要实现柔性工装的组装设计和综合管理这两大功能。在经过系统需求及功能分析的基础上,将本系统分为5个子模块,如图4所示。
产品管理、工装管理和使用管理这三大模块分别实现特定对象的管理功能。三者之间又紧密关联,采用统一的数据源,彼此间互相配合共同完成柔性工装的整个使用管理流程。组装设计模块将提供三维CAD环境,辅助用户完成柔性工装组合方案的设计工作。
2.2 系统工作流程
如图5所示,本系统的工作流程主要分为两大部分:右半部分对柔性工装在三维CAD环境下进行模拟组装设计,将结果存入数据库;左半部分是根据加工任务到系统中检索、取用相应的组装方案和相关的组件,完成相应的信息记录和管理。
3 产品管理模块
产品管理模块包括工件实例库和车型库。工件实例库是实现工装使用管理和组装设计等其他功能的基础和关键。货车工件可分为四大类,包括底架、端墙、侧墙、车棚等。每一大类根据所属车型又分为若干小类。按此分类方法构建工件实例库。
工件实例库里记录了各种工件实例的重要信息,包括每个工件对应的工装组装方案,此方案是预先已经设计完成的。找到了工件实例也就找到了对应的工装组装方案。
工件实例管理模块以Products表为数据源,以树型控件列表形式显示所有工件实例及其相关信息。可以进行浏览、查询、添加、修改和删除等操作。
4 工装管理模块
包括工装组装方案管理和模块组件管理,它主要通过构建工装组装方案库和组件库来实现。
4.1 组件管理
每个组件是由多个零部件构成的,在工装使用和设计过程中,它作为最小的、不再拆分的单元。根据这个原理建立组件库。根据功能和结构特点,将各种组件分为五大类别和若干子类别,如图6所示。所有模块化组件将按照这五大类存储在组件图形库中。
组件库以组件表Module为数据源,界面以DataGrid列表显示所有组件及其相关信息,用户可以对其进行查询、添加、修改、删除等操作。
4.2 工装组合方案管理
工装组合方案库简称工装库,存放所有已设计完成的工装组合方案,包括编号、组合结构和三维装配图等相关信息。一种工装组合方案就是一个设计完成的工装型号,能够加工若干种工件实例。
工装组合方案与产品库中的工件实例是一对多的关系。因为工装柔性化的特点,多个工件实例有可能使用同一套工装装配方案。工装方案和组件之间则是多对多的关系,因为一种工装可由多个组件构成,同一组件也可用于不同的工装组合方案。
工装组合方案库以工装表JigAssembly和工装组合结构表AssemblyStr为数据源,界面以DataGrid列表显示所有工装方案及其相关信息,点击相应按钮就能打开并查看所选工装方案的三维模型,以此指导现场组装工作。同时可以进行查询、添加、修改、删除等操作。
5 工装使用管理模块
该模块对与工装使用相关的一系列操作流程和数据信息进行全面合理的管理。包括任务需求分析、工装使用、组件使用和统计分析四个子模块。图7和图8分别是模块组成示意图和工装使用管理流程图。
5.1 单个组件使用子模块和完整工装使用子模块
系统通过需求分析得出适合任务工件的工装方案后,将进行工装取用操作。如图7所示,工装的取用分为单个组件取用和整体工装取用两种情况,用户选择进入相应子模块进行操作。
单个组件取用子模块,以组件库为数据源,界面以DataGrid列表形式显示供用户选择具体组件进行相应操作,与组件管理模块相似。如图8所示,组件取用操作包括出库、还库和入库三种方式。用户每完成一次组件的出库、还库和入库操作后,该次流动信息记录在组件流水账表ModuleMove表中,同时相应组件的库存量也会发生变动。
整体工装使用子模块是工装使用的第二种方式。用户选择某工装方案(之前任务分析的结果)进行取用操作。如图8所示,整个操作自动分两步完成。第一步执行工装取用操作,该取用记录写入工装流水账表ModuleMove表;第二步根据工装组成结构表,自动完成组成工装的所有单个组件的出入库,相关流动信息记录入工装流水账JigMove表中。操作完成后相应工装库存量和组件库存量都会发生变动。
5.2 任务分析子模块
如图7所示,工装使用统计部分主要对各工装组合方案的使用频率进行统计,组件使用统计部分主要包括组件的使用频率统计和库存统计,通过联合查询ModuleMove表、Move表、JigAssembly表和JigMove表确定。组件库存统计是为了优化库存水平,以具体型号和类别两种方式对组件进行统计,统计结果列表以列表和直方图显示。
6 数据库设计
为产品管理、工装管理和工装使用管理三大模块建立相应的数据表,表结构及其联系如图9所示。
工件实例表Products是产品管理模块的数据源。其中工件“大类型”、“小类型”、“工件长度”、“宽度”、“高度”和“底盘心盘距”等是重要的信息参数,在利用CBR方法设计工装时将根据上述这些字段来进行工件实例的相似匹配。
工装管理模块以JigAssembly表、Module表和AssemblyStr表为数据源。JigAssembly表中的“数量”指当前工装方案已装配完成且尚未拆卸的个数,它和组件表Module中的“当前库存”、“最大库存”和“库位”主要用在使用管理中。发生使用流动操作时,“当前库存”数值都会有相应的改变。“库位”指某组件在仓库中的具体存放位置。
工装方案表和组件表中的“三维模型”都是指其相应CAD图形文件的存放路径。
工装结构表AssemblyStr用于建立工装和组件两者之间的联系。新工装设计完毕后,系统将从其CAD装配模型中读取组件明细到此表中。通过这个结构表,用户能够查到某工装组合方案所包含的所有单个组件的具体信息,包括名称、数量、位置和库存等,并可打印组件BOM清单,方便用户到仓库取用组件。
使用管理模块中,组件流水账表ModuleMove中的“来源”和“去向”分别指组件流向的起始地和目的地。工装流水账表ModuleMove中的“状态”即指整体工装取用的三类方式,即装配、拆卸和续用。通过这两个表,用户可以查询到单个组件、工装方案的具体流动信息,以便对工装使用进行更好地管理。
7 工装组合设计模块
在设计模块中,用户将调用各种组件,将它们组合成满足特定加工任务的工装方案,以SolidWorks2005为三维绘图平台,在其上开发相应模块,实现柔性工装的模拟组装设计功能。
7.1 交互式设计方法
在三维CAD环境中,用户通过组件选择模块直接从组件图型库中选取所需要的组件,围绕任务工件图形轮廓将这些组件安装在适当位置上,从而完成组合设计,并将设计结果存入工件实例库和工装组合方案库。组件选择模块以菜单形式添加入原SolidWorks2005标准菜单中。组件库中的各组件在组件选择模块中以图形菜单列出,供用户选择。
7.2CBR的混合设计方法
多数情况下,可以在实例库中找出与任务工件最为相似的工件实例及其工装组合方案,然后对其进行相应交互式修改和调整,从而完成工装设计。这种方法力求利用已有的设计结果去解决问题,提高工装的设计效率。如图10所示,最先输入任务工件的类别信息,即工件类型(大类)、货车类型(小类),在实例库中找到与任务工件的大类、小类都相同的工件实例;若找不到,则放宽条件,即尝试查找只与任务工件的大类相同的实例。若仍然失败,则直接进入三维CAD环境进行交互式设计。
详细设计流程见图10。
8 开发工具与支撑平台
选用SolidWorks2005作为设计模块的三维绘图平台,其强大的三维造型功能、装配功能和二次开发工具可以满足开发要求。
因为考虑到本系统所处理的数据量并不大,所以数据库管理系统使用Micosoft Access2003,应用程序的开发工具采用Visual Basic 6.0。图11是系统运行界面效果图。
9 结论
柔性工装克服了刚性工装的生产缺陷,显著缩短了铁路火车产品的转产周期,提高了生产效率。开发了相应的辅助管理和快速设计系统,为工装方案和组件建立了相应的数据库;规范化工装使用的操作流程,对其流动信息进行科学合理的管理;将CBR技术和交互式设计法相结合,使用户能够快速、高效地设计工装组合方案。随着柔性工装在货车制造业中的不断推广和应用,软件系统的模块和功能也将不断完善,更好地为企业生产服务。
摘要：柔性工装的应用能够显著提高铁路货车产品制造的生产效率。针对人工管理方式的缺陷开发了相应的信息管理及辅助设计系统。将系统分为产品管理、工装管理、使用管理和工装设计四个模块,分析了每个模块的组成结构和功能,介绍了相应的数据库设计模型及系统实现方法。工装组合设计采用基于实例推理(CBR)技术和交互式相混合的设计方法,确定了详细的设计流程。
关键词：柔性工装,模块化组件,工装组合方案,实例推理
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柔性工装 篇4
关键词：汽车主模型检具,曲面薄壁件,柔性工装夹具,代木
0 引言
在汽车主模型检具(如图1所示)中,许多零件属于大型铝合金复杂薄壁结构件,厚度远小于长宽尺寸,薄壁整体结构件材料切除率高达90%以上,平均厚度4mm,局部区域厚度小于1mm。由于薄壁零件刚性差、强度弱,加工中极易变形,导致加工难度较大,难以保证零件的加工质量[1,2]。
由于工件薄壁处均为曲面,并且整个表面均为待加工面,普通夹具既不方便夹持曲面,又容易与铣刀发生干涉,所以在实际加工过程中,通常用的辅助支承夹具为代木,代木是一种复合树脂材料,具有良好的切削性能[3],比较容易加工成各种高度的支承条。代木支承条的顶端用小的楔形代木块垫上,然后再将代木顶端与工件之间、代木底端与工作台之间用502胶水粘结起来,防止加工的时候发生移动。
然而代木支承存在以下弊端:生产准备时间长;支承位置凭经验确定,疏密不一,无法控制精度;刚性较差,支承稳定性不够;大部分代木与工件的接触方式为线接触,且接触位置为工件外缘曲边上,支承效果不理想;借助502胶水来固定代木,加工后需要用有机溶剂丙酮清洗,长期吸入丙酮对工人的健康不利。
国外波音公司及空客公司在加工大型薄壁覆盖件时用到了柔性度极高的多点夹具,如西班牙的TORRESMILL和TORRESTOOL、美国的CAN系统[4,5]。本文借鉴国内外相关研究结果,旨在开发出一套能适用于检具制造精度要求的柔性夹具系统。
1 柔性工装夹具结构与功能分析
针对汽车主模型检具中引擎盖模拟块的尺寸大小,做出如图2所示的初步工装系统模型。该模型并非柔性工装系统的布局图,仅体现出柔性工装系统应包括的结构特征,含有:底座结构、滑动结构、支承结构和夹紧结构。其中,滑动结构由液压控制系统驱动,包括相关的液压控制机构等。夹紧结构通过真空吸附方式进行吸附夹紧,包括真空泵等真空动力源。
1.工件2.真空吸附夹具3.底板4.真空泵5.导轨6.液压控制箱
底座结构:根据定位准则设置定位基准,保证工件的定位精度同时连接各个结构的载体。
滑动结构:包括系统中所有起柔性定位作用的导轨、滑块、夹具上的伸缩机构以及起驱动作用的液压机构,实现夹具在X、Y、Z三个方向上的柔性定位。
支承结构:系统中起支承作用的结构由夹具的伸缩机构和夹具头上的顶珠(如图3所示)组成。顶珠与工件的曲面构成点接触,一般情况下,只有定位元件处的接触变形才导致工件位置偏移,夹紧元件处的接触变形对工件偏移没有直接影响。这里的接触属于夹紧元件处的接触,不考虑由接触引起的变形。
1.真空吸盘2.顶珠3.真空接口
顶珠材料为LY12铝合金,通过502胶水粘在吸盘内部。顶珠上部为球头形,下部为柱形,方便加工时的夹持。吸盘与顶珠的设计在铣削加工中起到支承和减振的作用。
顶珠顶部的球头结构同曲面薄壁件表面始终为点接触,可以很好的适应各种曲面结构。但并不是所有曲率的曲面都可以吸附,对于曲率还是有一定的要求。如图4所示,理想情况下,假设工件表面无限光滑,吸盘与顶珠能够吸住工件的最小半径为10.5mm,但实际上由于工件表面存在粗糙度等因素,满足工件正常吸附的最小半径将大于10.5mm。
夹紧结构:由升降柱顶部的真空吸盘(如图5所示)和真空泵组成。真空吸盘应具有足够的柔度和贴合度,才能满足工件表面的吸附要求。真空泵的选取要使得吸盘对工件有足够的吸附力,以减小加工过程中由振动或翘曲引起的变形。
2 柔性工装夹具支承稳定性研究
柔性夹具在支承过程中会受到轴向的铣削力,这时可以将柔性夹具中的升降柱看作压杆。由于不同薄壁件的支承点高度范围不同,即使是同一工件,不同支承点处的高度也有很大差别,如图1汽车主模型引擎盖薄壁件所示,引擎盖前端与后端支承点的高度就相差约280mm之多,而支撑杆的直径又只有20~30mm,这样一来,支撑杆成了细长杆(d/h<1/10),支承的稳定性得不到保证。因此需要设计不同高度规格的柔性夹具系列,以满足不同高度的支承需求。首先需要求出满足支承稳定性杆件的许用长度。
不同刚性支承条件下的压杆,由静力学平衡方法得到的平衡微分方程和边界条件都可能各不相同,确定临界载荷的表达式亦因此而异,但基本分析方法和分析过程却是相同的。
对于细长杆,这些公式可以写成通用形式,称为欧拉公式[6]:
其中,μl为不同压杆屈曲后挠曲线上正弦半波的长度,称为有效长度;μ为反映不同支承影响的系数,称为长度系数,可由屈曲后的正弦半波长度与两端铰支压杆初始屈曲时的正弦半波长度的比值确定。
长细比又称柔度(Compliance),用λ表示。长细比是综合反映压杆长度、约束条件、截面尺寸和截面形状对压杆分叉载荷影响的量,由(2)式确定:
其中,i为压杆横截面的惯性半径:
当压杆的长细比λ大于或等于某个极限值λp时,压杆将发生弹性屈曲。λp仅与材料有关,一般低碳钢的λp约为100,铝合金的λp约为63[7]。
图6中压杆长度系数μ的数值是根据理想化的约束情况而来的,本文中柔性工装夹具的杆件类型类似于千斤顶,故取μ=2。
当作用于压杆的轴向力P达到临界值Plj时,压杆就会失稳,但是出于安全考虑,还需要有一个安全储备,故许用载荷形式的稳定条件为:
式中nw称为稳定安全系数。一般规定比强度安全系数要大。在具体计算时,nw的数值可从有关设计手册中查阅,结合本文中柔性工装夹具的情况,取nw=4。
根据式(1)和式(4)可得:
其中,根据圆柱惯性矩公式有:
对于本文中的柔性工装夹具,将其简化为直径为16mm的压杆,轴向力P为最大铣削力600N[8]。铝合金弹性模量E=68GPa,查手册得μ=2,nw=3。将以上条件代入式(5)中,求得l最大值为473mm。即升降柱的长度应小于473mm才能保证支撑过程中的稳定性要求。由于引擎盖最高与最低加工点的差距为280mm,因此柔性夹具能支撑的最大最小距离应至少间隔280mm以上。
综合以上要求,设计四种规格的柔性夹具,每种规格的夹具可调节范围由套筒高度所决定,若规格一的套筒高度设为h,理想的情况是升降柱完全在套筒内时为夹具最低点,升降柱刚刚脱离套筒时为夹具最高点,则四种规格的柔性夹具理想情况下的高度范围应是[h,2h],[2h,4h],[4h,8h],[8h,16h]。但是由于升降柱不可能完全脱离套筒,于是可调节的有效高度差应小于套筒距离。在这里,设升降柱在套筒内的最小余量为10mm,即可调节高度范围为[h,2h-10],[2h-10,4h-30],[4h-30,8h-70],[8h-70,16h-150]。为了保证支承高度的连续性,每种规格之间设定10mm的重合区间,在此重合区间内的支承点,尽量使用高一级规格的夹具进行支承以保证支承稳定性,则柔性夹具可调节高度范围变成[h,2h-10],[2h-20,4h-50],[4h-60,8h-130],[8h-140,16h-270]。最后,将吸盘高度等其他不可调节高度统记为a,则四种规格的柔性夹具支承高度范围为[h+a,(2h-10)+a],[(2h-20)+a,(4h-50)+a],[(4h-60)+a,(8h-130)+a],[(8h-140)+a,(16h-270)+a]。
其中,升降杆的高度需小于473mm,即:
最高与最低支承点间距应大于280mm,即
由式(7)和(8)解得h的范围应是:
将规格一的套筒高度h定为50mm,则四种规格的夹具可调节高度范围为[50+a,90+a],[80+a,150+a],[140+a,270+a],[250+a,510+a]。
3 柔性工装夹具应用中的计算机系统
计算机控制系统,用于根据工件坐标信息文件对整个柔性工装系统进行规划和决策,并生成对应的控制指令发送给相应的执行机构。计算机控制系统不仅可以实现各支承单元的移动操控,还可以实现各支承机构在工件上的布局优化计算,从而实现整个柔性工装系统的自动化。
4 结束语
本文所设计的柔性工装系统,适用于主模型检具和其他铝合金曲面薄壁件的铣削等加工。根据铣削装夹中的实际工作情况,设计了四种高度规格的柔性夹具。根据上海申模公司提供的数据,该工装的装夹时间是代木式的1/3,工件加工精度提高20%,具有较大实用性,加上工装设计大部分采用标准模块化结构,也降低了制造和维护的成本。
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柔性工装 篇5
多年来,大型航空薄壁件制造技术作为飞机机体制造的六大关键技术之一,一直困扰着航空工业,即便是一些世界著名飞机制造公司也尚未完全解决这一难题[1]。美、法、德、日等工业发达国家都非常重视通过新的工艺技术和工艺装备解决大型薄壁件加工中的变形问题,但所取得的成果均作为涉及国防的关键技术,对外秘而不宣[2,3,4]。目前,国外公开发表的文献多以形状简单的常规零件为研究对象,主要进行切削力模型、变形分析、误差预测等方面的理论研究[5,6,7,8,9,10,11]。
关于大型薄壁件加工变形问题,国内研究人员也进行了大量的探索,提出了一些实用的方法[12,13],但理论研究工作与国外发达国家相比还存在较大差距[2,3,4],到目前为止,对大型薄壁零件的加工仍缺乏十分有效的方法。特别是在以飞机蒙皮为代表的大型薄壁曲面零件加工方面,生产厂家一般采用“先加工后成形”工艺。但该方法存在以下严重问题:经过成形工序后,原先加工好的零件周边轮廓和窗孔部位将产生很大变形,使后续总装工序必须通过人工修整才能完成各零件的装配。这种通过人工修整进行总装的方法,不仅效率低,而且更为严重的是难以保证精度,往往造成各零件结合部之间的间隙不均匀,对飞行器的气动性能和隐身性能均造成很大影响。
新发展起来的“先成形后加工”工艺,为解决传统的“先加工后成形”工艺存在的问题开辟了新的途径。但是,实施这一新工艺时碰到一大难题:成形后的半成品为刚度极差的弹性薄壁件且其表面轮廓为自由曲面,传统的针对刚性体的六点定位原理不适用于这类弹性体曲面零件,无法根据现有理论设计制造相应的工艺装备,由此严重影响机械加工的正常进行。目前,解决此问题的技术途径主要有两条[14]:
(1)刚性途径(弹性体曲面刚性定位技术)。按此得到的工装定位/支承曲面不具有可变性,因此一种工装只能用于一种零件,这将大幅度降低制造柔性和效率,同时也涉及大量刚性工装的存放、维护、管理等问题。
(2)柔性途径(弹性体曲面柔性定位技术)。该方法通过调整、控制等手段来动态生成所需的工装定位/支承曲面,因此一种工装可用于不同零件的加工,可大幅度提高制造柔性和效率,并可通过信息化手段进行误差校正,从而提高加工精度。
显然,柔性途径比刚性途径具有明显优势。但是,要实现柔性途径,必须解决工装定位/支承曲面的快速生成和相应的优化控制技术等关键问题。
针对此,笔者与企业合作对以柔性途径实现“先成形后加工”工艺的有关方法和实现技术进行了研究[15,16,17,18,19,20,21]。
1 系统组成与运行原理
从加工的角度看,飞行器大型薄壁件有如下特点:①定位面为弹性曲面,不能依据常规的六点定位原理进行定位,而必须通过众多定位点形成的点阵包络进行定位;②加工中极易变形,必须设置众多支承点;③定位与支承不能截然分开,两者的实施必须统一考虑。
针对飞行器大型薄壁曲面零件加工的特殊性,笔者所在课题组开发了基于机器人操作的智能柔性工装系统,其基本结构如图1所示[21]。
1.工件 2.基座 3.导轨 4.动梁 5.滑鞍 6.伸缩单元 7.支承杆 8.万向真空吸头 9.锁紧块 10.机器人小臂 11.大机械手 12.小机械手 13,14.机器人 15.控制器
图1系统的机械主体由基座部件2、动梁部件4、滑鞍部件5、伸缩单元6、万向真空吸头8等组成。其特征在于:基座部件2上装有多个动梁部件4,每个动梁部件均可沿x轴运动;动梁部件上装有多个滑鞍部件5,每个滑鞍部件均可沿y轴运动;滑鞍部件上装有伸缩单元6,伸缩单元可带动其顶端的万向真空吸头8沿z轴运动。
由于该系统可在计算机控制下,按需形成不同形态的定位/支承阵列,从而可对不同形状的飞行器大型薄壁件1进行精确定位、支承和夹紧(真空吸附固定)。在此基础上,即可按照新的“先成形后加工”工艺实现飞行器薄壁曲面零件的高效率、高质量、高柔性加工。
由于飞行器大型薄壁件加工过程中各部位的受力情况是不同的,因此在图1系统中,各定位/支承单元(由伸缩单元、万向真空吸头等组成)的位置应根据需要进行动态调整。即对于受力大的区域,为减小工件变形,需要提高支承密度(单位面积的支承数量),而对于受力小的区域,工件变形不大,可适当减小支承密度。这样,有限的资源(定位/支承单元总数)将得到最佳利用,使工件的总体变形达到最小。
显然,系统所能提供的最大支承密度将决定工件的最大变形。为保证系统在需要的时候能将更多的支承单元聚集在一个较小的区域内,要求各支承单元占据的空间要尽可能小。这意味着,必须最大限度减小动梁、滑鞍等运动部件的体积(特别是x和y方向的尺寸)。这将带来一个难题,即无法通过常规驱动技术实现对动梁和滑鞍的驱动(因为伺服电机、传动装置等要占用较大的空间位置)。
为解决此问题,本研究提出一种集中驱动与分布驱动相结合的方案。即通过机器人对动梁和滑鞍的运动进行集中驱动,使所有定位/支承单元的x和y坐标运动都由机器人驱动实现,仅留下z坐标运动由伸缩单元自身实现。
为此,在图1系统中基座部件2的两侧安装两台机器人13和14,它们可沿x坐标同步运动。每台机器人的内侧面装有两只小机械手,一只用于与动梁对接(抓住动梁),以驱动动梁沿x坐标方向运动;另一只用于将动梁锁紧在基座上,使动梁保持在希望的x坐标位置。此外,机器人前端安装有大机械手11,可实现旋转、伸缩、抓取等动作。通过大机械手的协调运动,可将滑鞍部件5(包括其上的伸缩单元6等)驱动到希望的y坐标位置,并通过内部锁紧装置将滑鞍固定在动梁部件上,使其保持在希望的y坐标位置。而后再由伸缩单元带动真空吸头做z向运动。通过上述过程,各真空吸头即可运动到希望的x、y、z坐标位置。这样,在所有真空吸头的共同作用下将形成曲面工件加工所需的定位/支承曲面(由众多定位/支承单元组成的阵列式离散曲面)。将薄壁曲面工件1放置于该定位/支承曲面上,并通过真空吸力固定住,即可对工件进行加工。
2 定位/支承阵列优化自生成问题
在图1所示柔性工装系统中,定位/支承单元是最重要的硬件资源,但其数量是有限的。因此,在系统运行过程中如何最佳利用有限的资源使系统获得最高的运行效益,便成为柔性工装系统运行管理与控制中的关键问题。解决此问题的有效途径是为系统制订合理的运行模式并据此对系统的运行实施控制。
柔性工艺装备系统的运行模式是指系统工作时其定位/支承阵列布局的拓扑形态和分布密度。显然,运行模式对工艺装备系统的运行性能有着直接的影响。目前,可通过多种方法来生成柔性工装系统的运行模式,如随机方法、均布方法、经验方法、优化方法等。随机方法和均布方法是最简单的运行模式生成方法,但不能达到好的运行效果。例如,对于均布方法,所生成的运行模式为:各定位/支承单元按等间距均匀排列,形成矩阵形式的定位/支承阵列,此时定位/支承的分布密度在工作空间中任何区域都是相同的,对工件变形不能做到有针对性的重点防控。经验方法则依赖操作人员的经验来生成系统运行模式,并通过外部指令将运行模式信息传递给工装系统的控制计算机以控制系统的运行,所产生的效果因人而异、因时而异。而优化方法则是按照规定的优化目标,由控制计算机根据加工现场的状态信息来自动生成定位/支承阵列布局的拓扑形态和分布密度。因此,该方法是一种不依赖外部操作者的自生成方法,可以按照自生成原理[22,23]实现系统运行的最优化。
由于基于自生成原理的优化方法可根据系统的自身状态信息(如重力负荷、加工受力、温度变化等)等来合理确定定位/支承阵列布局的拓扑形态,并按需分配定位/支承的分布密度,从而使有限的资源得以最佳利用,使整个系统获得最佳综合效益,因而,它是一种较理想的系统运行模式生成方法。
为优化生成系统运行模式,须首先根据系统运行的实际情况确定合理的优化目标,并根据约束条件来建立便于优化求解的数学模型。考虑到飞行器大型薄壁件加工中工件变形是影响加工质量和效率的主要因素,因此,本文在解决工装系统运行模式优化生成时,将工件加工变形最小作为运行模式优化生成的目标函数,所考虑的约束条件主要包括系统结构约束和工艺条件约束。
3 数学模型及约束条件
为便于数学描述,将柔性工装系统用图2所示简化模型表示。z轴支承单元顶端的万向真空吸头中含有定位球体,可简化为半径r的球头,该球与被加工零件的下表面点接触,接触点即为球与工件定位曲面的切点。
设系统中动梁的总数为m,每个动梁上的定位/支承单元个数为n,则向量V=(v1,…,vm×n,vm×n+1,…,vm×n+m)可以表示唯一的一种定位/支承单元的分布情况。其中,v1,v2,…,vn分别表示第1号动梁上n个支承点的y坐标,vn+1,vn+2,…,v2n分别表示第2号动梁上n个支承点的y坐标,依此类推,v(m-1)×n+1,v(m-1)×n+2,…,vm×n分别表示第m号动梁上n个支承点的y坐标。另外,处于同一动梁上的n个支承点共用同一个x坐标,用vm×n+1,…,vm×n+m分别表示这m个公用x坐标。这样,第i号动梁上的第j号定位/支承单元的坐标为(v(i-1)×n+j,vm×n+i),i=1,2,…,m;j=1,2,…,n。
显然,V的取值将直接影响工件在加工过程中的最大变形D。即工件最大变形D与V之间存在特定函数关系,即
D=D(V) (1)
根据柔性工装系统的结构特点,以及飞行器大型薄壁件的一般加工工艺,可进一步得到如下约束条件:
(1)两个机器人协同工作,每次只能移动一个动梁,第i(i=2,3,…,m-1)号动梁在x方向的移动范围由第i-1号和第i+1号动梁上一次移动后的所在位置所限定,即
vm×n+i-1+dminx<vm×n+i<vm×n+i+1-dminx (2)
i=2,3,…,m-1
处于柔性工装最外侧的两个(第1号和第m号)动梁,其移动范围还要受到基座尺寸的限制,即
其中,xmin、xmax分别为动梁在x方向的最小值和最大值,它们界定了基座上动梁的运动范围;dminx为相邻2个动梁接触时,位于其上的支承点在x方向所能达到的距离最小值。
(2)两个机器人每次针对同一个动梁操作,移动其上的定位/支承单元,第j(j=2,3,…,n-1)号定位/支承单元在y方向的移动范围由第j-1号和第j+1号定位/支承单元上一次移动后的所在位置所限定,即
v(i-1)×n+j-1+dminy<v(i-1)×n+j<v(i-1)×n+j+1-dminy (4)
i=1,2,…,m;j=2,3,…,n-1
处于每个动梁最外侧的两个(第1号和第n号)定位/支承单元,其移动范围还要受到动梁长度的限制,即
i=1,2,…,m
其中,ymin、ymax分别为动梁上定位/支承单元在y方向的最小值和最大值,它们界定了动梁上定位/支承单元的运动范围;dminy为相邻2个定位/支承单元接触时,位于其上的支承点在y方向所能达到的距离最小值。
(3)飞行器大型薄壁件的实际加工过程,主要包括铣下陷、铣通槽、切边以及钻孔。其中,铣通槽、切边及钻孔工序中,刀具穿透工件下表面,为了避免刀具碰触到定位/支承球,还需要考虑工艺约束,即
(v(i-1)×n+j,vm×n+i)∉A(g(x,y)±Rtool) (6)
i=1,2,…,m;j=1,2,…,n
其中,A(g(x,y)±Rtool)表示工件曲面上,由加工轨迹g(x,y)向两侧偏移Rtool(刀具半径)后的两条曲线所围城的区域,定位/支承球不能分布在该区域中。
以上式(1)~式(6)即构成了柔性工装系统运行模式优化生成问题的数学模型。
这样,系统运行模式的优化生成问题可表述为:找到一个合适的V,使其在满足式(2)~式(6)所给约束条件时,使式(1)所给目标函数取极小值。
4 运行模式的优化生成算法
考虑到柔性工装系统运行模式的优化生成问题为一多变量、多约束优化问题,而传统的优化算法多为局部优化,且计算量大,收敛速度较慢,对于多变量、多约束的结构优化问题不易取得好的效果,因此,本文通过有限元与遗传算法相结合的途径来解决系统运行模式的优化生成问题。该算法的基本思想如下:模仿生物界优胜劣汰的进化过程,从一种初始的定位/支承单元分布V=(v1,…,vm×n,vm×n+1,…,vm×n+m),如图3a所示均匀分布出发,按照遗传优化的规律,使其向能更好适应加工环境的方向(能最好地承受外力、减小工件变形的方向)演化。之所以向这个方向演化,是因为在遗传算法的执行过程中,适应性更好的布局会以更大的概率被选择,互相交叉并产生后代,而适应性较差的布局则会被淘汰掉。这样,遗传过程每演化一代,工件变形将得到一定改善,经过若干代演化后,最终将使工件变形趋于最小,由此得到图3b所示最佳布局。图3中,圆点表示定位/支承点,粗实线表示刀具加工轨迹,细实线表示工件毛坯边界。
(a)初始布局 (b)最佳布局
基于上述思想所构成的系统运行模式优化生成算法的基本流程如图4所示。
为实现图4算法流程,需建立工件变形的有限元分析模型,并据此计算工件变形量。
考虑到本文针对的待加工工件为航空薄壁件,材料为铝合金,轮廓为自由曲面,故取整个待加工曲面为研究对象,曲面应用Shell 181壳单元,弹性模量为70GPa,泊松比为0.3。在待加工部位施加沿曲面法向的压强,大小为0.05MPa,并按照20mm的长度进行网格划分。整个有限元建模和求解过程基于APDL语言实现,遗传算法在每一演化代求取适值的过程中,将染色体向量V=(v1,…,vm×n,vm×n+1,…,vm×n+m)恢复成支承点的坐标值矩阵:
以矩阵A中的每个坐标值为中心,约束支承半径r范围内的所有节点的各个自由度,用以模拟处于这些位置曲面支承。ANSYS求解后将工件的最大变形D(V)反馈给遗传算法,用以计算适值。
为实现该算法,需进一步解决以下关键问题:
(1)适值函数建立。优化的目标是减小最大加工变形,所以将最大加工变形的倒数作为适值函数。这样,遗传算法向适值函数增大的方向演化,适值函数的最大值就对应于最终优化结果。适值函数表达如下:
(2)约束的处理。本文问题中的搜索空间为凸集,对于凸集,可以用如下的方法处理约束:优化f(v1,v2,…,vq)∈R,这里(v1,v2,…,vq)∈B⊆Rq,B为凸集,且变量范围lk≤vk≤rk,k=1,2,…,q,同时存在约束集合C。从集合B的凸性可以得到,对于搜索空间上的每个点(v1,v2,…,vq)∈B,存在变量vk(1≤k≤q)的可行范围(vkmin,vkmax),而其他变量vi(i=1,…,k-1,k+1,…,q)保持固定。
这样,如果初始解为可行解,就可以保证在之后交叉和变异的操作中,不产生非可行解。采用这种方法处理约束的好处是,可以在遗传算法中不使用惩罚函数,也就避免了从非可行域逼近最优解这一过程可能带来的工程结构干涉问题。
(3)算术交叉。亲体U=(u1,u2,…,uq)和V=(v1,v2,…,vq)交叉,后代为
其中a∈[0,1],用以保证闭合,即对于U,V∈B,总有U′,V′∈B。
(4)非均匀变异。对于亲体V=(v1,v2,…,vk,…,vq),元素vk被选择变异,结果是V′=(v1,v2,…,vk′,…,vq),这里
函数Δ(t,y)返回区间[0,y]里的值,随着演化代数t的增加,Δ(t,y)靠近0的概率增大。这种性质使算子初期可均匀地搜索空间,而在后期则具有局部性。我们使用下面的函数:
式中,c为区间[0,1]里的随机数;T为最大演化代数;b为确定对代数依赖程度的系统参数,在本文中b=5。
5 实例求解
为了验证本文方法的优化效果,针对若干曲面工件进行了求解验证。
图5为工件样件之一的波音747密封门。该工件外形尺寸为1600mm×800mm,厚度为5mm,材料为铝合金。要求加工出工件的周边轮廓,开两窗口(椭圆口和近似矩形口),并铣出图示多个凹槽。其有限元模型如图6所示。
柔性工装系统的具体参数为:支承球半径r=25mm,动梁数m=8,每个动梁上的定位/支承单元数n=6。相邻2个动梁上的支承点在x方向距离最小值dminx=150mm,同一动梁上相邻2个支承点在y方向距离最小值dminy=150mm。
根据上述工件参数和工装参数,应用本文提出的算法对工装系统的运行模式(定位/支承阵列分布)进行了优化生成。算法具体参数选择如下:种群数量为50,交叉概率为0.8,变异概率为0.15。
执行该算法,经过200代遗传演化后,得到的结果如图7和图8所示。
从图7和图8可以看到,遗传算法演化到第200代时,最大适值为4.291 001,平均适值为4.254 67,适值的标准差为0.010 346。此时,待加工曲面的最大变形为0.233mm。而支承点均匀分布时,待加工曲面的最大变形为0.533mm,相比之下,本文的支承优化算法将待加工曲面的最大变形减小了56.3%。
应用理论分析得到的结果,样件在Zimermann FZ37五轴加工中心上进行试加工(图9),并对主要技术指标进行了测试。柔性工装系统按“先成形后加工”工艺加工的样件,轮廓度误差为0.18mm,制造工期为160min;而传统工装系统按“先加工后成形”工艺加工的样件,轮廓度误差为0.27mm,制造工期为210min。测试结果表明,柔性工装系统的应用可使样件的加工精度提高33%,制造工期缩短24%。
6 结语
运行模式生成是飞行器大型薄壁件柔性工艺装备系统运行管理与控制中的关键问题。本文提出了这类系统运行模式的优化自生成方法。该方法以工件加工变形最小为目标函数、以工装结构及加工工艺为约束条件建立问题的数学模型,通过有限元分析与遗传算法相结合的途径进行自寻优求解,经过不断自身进化,所生成的运行模式可使柔性工装系统中定位/支承阵列布局的拓扑形态和分布密度处于最优状态,从而使系统资源得到最佳利用,为柔性工艺装备系统的高质高效运行奠定了基础。
理论分析与实例验证表明,所提出的柔性工装系统运行模式优化生成算法具有较强的全局搜索能力,对于本文所针对的多变量优化问题具有良好效果。
摘要：针对开发飞行器大型薄壁件柔性工艺装备系统的需求,对该类新型工装系统运行模式的优化生成问题进行了研究。通过分析系统结构和运行原理建立了系统模型,并根据自生成原理,提出了系统运行模式的优化自生成方法。该方法基于工件自身信息和加工过程自身信息,通过有限元分析与遗传算法相结合的自寻优途径,经过不断自身进化,实现定位/支承阵列的全局优化,克服了传统方法通过外部指令,由操作人员根据经验调整系统运行模式而存在的问题。实例验证表明,该方法可使柔性工装系统中定位/支承阵列布局的拓扑形态和分布密度处于最优状态,从而使系统资源得到最佳利用,为柔性工艺装备系统的高质高效运行奠定了基础。
柔性工装 篇6
汽车机器人柔性焊接工程是汽车整车制造中的重要环节之一。其主要特点是:采用数量庞大的机器人和计算机控制的自动化焊装设备构成汽车焊接作业的柔性焊接生产线。焊接机器人的类型包括:点焊机器人,CO2气体保护弧焊机器人,TIG弧焊机器人,MIG弧焊机器人,MAGW弧焊机器人,等离子弧焊接(切割)机器人等。
1 机器人柔性焊接生产线技术
机器人柔性焊接生产线技术的应用比国外晚大概15年左右,但随着相关设计人员的不断探索并借鉴国内外的先进思路,国内的焊接技术得到了长足的进步和发展。对目前还处在制造大国的中国,偶尔国外的原装图纸也会给国内的业内人士带来思维的另一个契机。但是,由于原材料的不同和理解力的偏颇,偶尔也造成国外设计理念的水土不服:经过国外严苛校核计算的翻转机,在生产车间运转了几天就出现严重的变形。这种事件可被归结为加工制造的材料或者焊接质量的原因,没有完全读懂图纸往往也是其中的一项重要因素。但随着经验的丰富和无数次挫折的积累,国外的设计思路最终仍会变成经验的沉积,成为可以借鉴的设计典范。拿之前设计过的类似工装夹具设计的优点变为新设计方案的核心变得尤为突出,也使得设计周期大大缩短。
1.1 机器人柔性焊接存在的问题
挑剔的客户因为迎合上一级客户的要求,往往会硬性规定一台工作站的气缸数量等,有时一个很简单的工件往往多出很多不必要的定位压紧点,但毕竟这只是偶然现象,大部分设计细节仍然可以慢慢标准化的。主流就是随着设计数量和经验的不断积累,机器人柔性焊接工装零部件也慢慢的形成了一定的标准,每家相关企业都慢慢建立了自己的设计库,形成自身独到的设计标准,在业内形成一定的影响力,使得焊接工装的设计时间大幅度缩短,市场竞争也变得尤为惨烈。
怎样才能更加降低成本,使得设计周期大幅度缩短,适应更快、更精、更适用的生产理念仍然是精明的企业家追逐的方向和梦想。仿形工装技术的理念随着加工制造主机的精度和速度的提高慢慢进入企业家的视线。
1.2 工装的仿形技术
什么是工装的仿形技术呢?首先,工件的空间多维的角度和多角度的定位基准孔使得设计工装时要不断考虑结构,尽量接近工件的空间角度,实现工件的自由度的完全控制并尽量避免过度定位;实现装夹和拆卸方便;为焊接作业让出相应的位置,使得机器人的焊接姿态更加合适,提高机器人工作状态的稳定性和一致性。仿形技术就是在工件三维数模上把需要躲避的焊接空间和定位基准都一次性叠加到工件本身,然后经过设计模具思路的拔模处理,生成相应的“模具”。而后,切除非精度要求区域和不必要的定位空间。形成相应位置的固定支架和安装仿形块体空间曲面。
把满足加工切削量要求的块体安装在提前加工好的标准支撑件上,固定到标准的焊接平台或回转机构的主回转梁上。在数控龙门铣平台上定位夹紧,经过粗略加工和半精加工、精加工,一次性完成夹具的本体加工,另配以标准的压紧机构,大大缩短设计和加工周期。
本加工流程的关键点在于提前制造一定规格相应高度的定位支撑标准件和标准底梁。使得工装的设计周期和加工速度实现质的飞跃,尽量回避设备夹具本身的调试工作。设计实物如图1、图4所示。
2 结束语
快捷的设计和加工制造,源于快节奏的思维变通和严苛的设计、加工依据;实践是检验真理的唯一标准,那么把思路带入到实践中去才会不断地丰富和完善理念,经过一些相关的尝试这种思路是可行的,然而是不是最好的还有待于后来人的不断探索和验证。
参考文献
[1]卢本,卢立楷.汽车机器人焊接工程[M].北京:机械工业出版社,2005.
