柔性工装系统（精选六篇）
柔性工装系统 篇1
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
参考文献
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柔性工装的结构设计与应用研究 篇2
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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柔性工装系统 篇3
柔性工装作为国内外研究与应用的热点, 基本特征为可重构调形, 即可在一定的范围内合理地调节其具有定位功能的构件, 带动专用组件运动至指定的方向和位置[1], 以适应新的零件加工或部件装配。从本质上讲, 柔性工装就是一台数控设备, 位置控制系统对保证调形精度和速度起着决定性的作用。目前, 数控设备应用较多的运动驱动装置为伺服电机, 以光栅尺、激光跟踪仪等终端检测元件[2,3]构成直接位置闭环控制系统, 保证数控设备的定位精度。
针对飞机机身装配中, 结构复杂、待装配件成百上千、工艺涉及内容繁多, 且装配现场环境多变的特征, 本课题组研制了具备短准备周期、低成本特征的“桥架式”机身部件柔性装配工装[4,5]。在实际机身部件装配过程中, 不仅需要保证定位点的位置值, 而且由于蒙皮装配阶段蒙皮与骨架之间严格的贴合度要求, 还需要对定位区域施加一定的压紧力。因此, 一般数控设备的位置控制方式不足以满足机身装配工作对柔性工装的位置控制需求。本文在分析柔性工装调形运动形式的基础上, 结合机身装配需求, 研究了基于光栅尺, 激光跟踪仪和力传感器三类终端检测元件信息反馈的直接位置闭环控制模式, 并分析了各自的定位优势, 给出了三类控制模式在“桥架式”柔性工装上的适用位置与应用时段。
1 柔性工装位置控制需求分析
1.1“桥架式”柔性工装调形模式
按结构在柔性工装调形运动过程中充当的功能角色, 对“桥架式”柔性工装 (如图1所示) 进行结构分解, 得到四个组成部分:骨架、动横梁、立柱-推杆和专用接头。如表1所示。
骨架包括1个静态框架和4根具备调形导向作用的静横梁, 不参与工装调形, 保证调形运动的平稳进行。
10根动横梁按上下两层平行布置, 可沿静横梁运动, 完成工装X向调形。每根动横梁上布置2~6根立柱-推杆, 既可在动横梁上沿Y向运动, 又可沿Z向伸缩, 最终在柔性工装内部形成一个可以任意定位的装配工作空间。
专用接头安装在立柱-推杆端部, 在立柱-推杆带动下, 移动到指定的方向和位置。专用接头是唯一与机身产品发生接触的构件, 直接参与装配工作, 完成待装件的定位与夹紧, 依据不同的待装产品与装配状态, 随时更改空间位置和几何外形。
1.2 基于柔性工装的机身装配原理
机身的功用为装载乘客、设备、燃油、发动机等, 同时作为飞机结构的基本部分, 还可布置起落架, 通过各种连接接头, 将飞机各部分连接成一个整体。作为典型的框架式结构, 采用“以骨架为基准”的装配工艺[6]。首先, 利用柔性工装专用接头上的销与加强框上的定位孔 (如图2所示) 配合定位加强框, 以完成定位的加强框为基准定位纵梁、隔板等零组件, 连接形成机身骨架。加强框的定位精度对保证整个机身骨架的装配质量至关重要, 框间距精度保证了机身航向的延展, 平面度则是维持飞机外形的关键。
然后, 以骨架为基准放置蒙皮壁板, 专用接头上的卡板以面接触形式压紧蒙皮 (如图3所示) 、连接, 形成完整的机身部件。在壁板蒙皮的压紧定位过程中, 保持一定的压紧力, 减小壁板蒙皮与骨架外形之间的间隙, 可直接提升后续的钻孔、连接质量。良好的贴紧度可避免钻孔过程中孔壁在贴合面处出现台阶, 及切屑进入夹层之间导致划伤配合面和清除切屑困难现象的发生。控制配合面间的贴合度对保证机身装配完成后的蒙皮表面平滑度也十分关键。
1.3“柔性工装”位置控制需求分析
分析机身的装配原理与“桥架式”柔性工装的调形模式, 得出柔性工装的三类位置控制需求。
1) 机身骨架装配过程中, 首先需要控制动横梁的最终位置精确。每一根动横梁所在位置均代表航向的一个站位面, 柔性工装X向调形精度决定框站位面的定位精准度及框间距精度, 是整个骨架装配精度的基本保证。
2) 加强框定位过程中, 专用接头上定位销的Y和Z向位置精度对于顺利完成同加强框上定位孔的孔销配合操作、保证定位完成后框的平面度和外形十分重要。
3) 蒙皮壁板压紧阶段, 为保护蒙皮外表面, 专用接头卡板面上设计有一层胶垫 (如图4所示) , 与骨架的面接触位置精度难以通过单纯的位置反馈保证。为保证壁板蒙皮与骨架外形之间的紧密贴合, 需要参考卡板面施加在蒙皮表面的压紧力, 来确定柔性工装的调形是否到位。
2 基于终端检测反馈的位置控制模式
“桥架式”柔性工装调形运动时, 接受来自上位机发送的立柱-推杆位置信息, 通过数控装置转换为脉冲指令, 经过信号变换和电压、功率放大驱动电机实现直线位移[7], 带动专用接头同时或先后准确到达定位位置, 并保证在运动中不发生干涉碰撞。相对于传统的数控设备, 柔性工装的数控调形只需要保证专用接头的终点位置准确度, 不必关注运动轨迹的精度[8], 且其机械传动模块与专用接头上相关的位置控制点之间的关系随待装配机身产品的不同而改变, 通过选用价格昂贵的高精度电机来实现控制精度的提升是不合理的。对于柔性工装, 可基于相应的终端检测装置, 实现直接位置闭环控制, 从而满足位置控制的高精度要求。
2.1 基于光栅尺反馈模式
基于光栅尺反馈的直接位置闭环控制模式主要原理是, 光栅线位移传感器通过光电转换, 以数字方式表示线性位移量, 并将显示的位移量数据作为反馈传入控制系统, 实现调形量的精确控制。光栅尺测量系统包含的光栅尺、读数头, 一个固定安装, 另一个随被测对象移动, 系统测量两者之间的相对位移[9], 可测量、控制具有相对运动的调形构件的精确位移量。基于柔性工装的调形规划, 上位机给出推杆-立柱的位置坐标信息, 通过选取对应的坐标值, 转换为调形构件的相对位移量, 将其作为控制目标输入伺服控制系统。
2.2 基于激光跟踪仪反馈模式
基于激光跟踪仪反馈的直接位置闭环控制模式的本质是数字化测量技术, 以激光跟踪仪测量专用接头上位置控制点 (如图5所示) 的坐标值作为反馈, 引导工装的调形运动。原理为:利用激光跟踪仪检测产品与专用接头发生直接接触零件的关键特征点 (即位置控制点, 按“3-2-1”原则设计的3个保证装配精度的OTP点) 坐标值, 将其作为位置反馈信息与调形目标位置作对比, 将差值作为进一步调形的依据, 控制伺服电机的运行。
2.3 基于力传感器反馈模式
基于力传感器反馈的直接位置闭环控制模式的本质为力控制策略, 以力传感器的读数来检测被监测对象与目标对象之间的接触与碰撞情况[10], 将力传感器获得的力学读数直接作为反馈信息, 引导工装的调形运动。原理为:利用有限元或者实验方法获得卡板与产品之间的理想压力值, 然后在调形过程中实时监测力传感器读数, 至该读数处于理想压力值误差范围内。本文采用的力传感器如图6所示, 装配于立柱-推杆的末端, 与专用接头直接接触, 可直接反馈专用接头施加在机身产品上的装配力。
3 三种模式分析
基于光栅尺反馈模式的控制量为位移, 基于激光跟踪仪反馈模式的控制量为控制点坐标值, 经过上位机转换为电机的相对位移, 控制电机运动。前者结构相对简单、体积较小、环境适用能力强、安装方便, 而后者结构相对复杂, 应用时需要进行架高, 连线本体、机箱与控制电脑, 专用测量软件分析数据结果, 对环境要求严格[11]。但后者只要光线不遮挡, 测量点位置可以任意布置, 而前者测量点只能位于读数头处。在柔性工装调形运动控制系统中应结合两者的优势, X向调形运动控制中, 测量点位置固定于动横梁上, 尤其工装上半部分的测量点安放激光跟踪仪靶标非常困难, 因此选择前者, 而针对单个定位单元的Y、Z向调形, 基准点位于专用接头上, 选择后者更为合理。
以位移量作为反馈的位置闭环控制模式对目标位置明确的情况非常实用, 而对于壁板压紧过程中位置不确定的情况, 显然基于力学传感器反馈的模式更为适合。表2描述了三种模式的对比情况。三种直接位置闭环控制模式在柔性工装位置控制系统中分工不同、不可缺少, 均起着关键作用。
4 工程应用
“桥架式”柔性工装的X向调形采用基于光栅尺反馈模式的位置闭环控制, 机身骨架装配期间Y、Z向调形采用基于激光跟踪仪反馈模式的位置闭环控制, 可将框间站位间距与总框距控制精度从传统位置控制模式的0.5mm提高到0.25mm, 专用接头上定位销的位置精度不随装配架次的增多而发生改变。
壁板装配期间, 采用基于力传感器反馈模式的直接位置闭环控制, 以实验得出的理想压紧力 (1140N) 压紧壁板, 可将蒙皮壁板与骨架之间的压紧间隙由传统方式0.3mm提高至0.1mm。
5 结论
基于三种不同的终端检测元件构建了三种位置闭环控制模式, 基于光栅尺反馈模式、基于激光跟踪仪反馈模式和基于力传感器反馈模式。通过对三种模式的分析对比, 指出了不同模式各自的特点、在柔性工装上的适用位置和产品装配过程中的适用时段。实际柔性工装直接位置闭环控制系统中, 这3种模式相互配合应用, 在保证柔性工装调形精度与速度的基础, 大幅度提升了机身装配质量。
摘要：为使“桥架式”柔性工装满足机身装配过程中的重构要求, 在分析工装调形运动形式的基础上, 提出了三种不同的位置闭环控制需求, 研究了三类直接位置闭环控制模式:基于光栅尺反馈模式、基于激光跟踪仪反馈模式及基于力传感器反馈模式。在此基础上对建立的三类控制模式进行对比分析, 提出了三类控制模式的适用位置和时段。以某飞机后机身装配为例, 验证了该位置控制系统的合理性。
关键词：柔性工装,直接位置闭环控制,控制系统,机身,反馈
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柔性工装系统 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。
参考文献
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柔性工装系统 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。
柔性工装系统 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.
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