多工序制造系統的裝夾工藝規劃研究綜述

張國政，周元枝，楊磊

(安徽機電職業技術學院機械工程學院，安徽蕪湖 241000)

0 前言

多工序制造系統是涉及數控加工設備、夾具裝置、刀具、測量裝置等復雜的系統，從信息的角度出發，如何合理利用柔性化資源，針對某類大規模定制和大批量生產模式下進行工藝規劃標準化設計，是當前計算機輔助工藝規劃設計的重要研究內容。面對自動化生產線需求，在多工序制造系統自動工藝規劃方案中，裝夾規劃方法和現代自適應性高的柔性夾具設計是核心研究內容，也是當前智能制造和云制造發展亟待解決的技術難題之一。

多工序制造系統的自動規劃工藝方法有很多，最終的目標是能夠運用計算機輔助手段代替傳統人工經驗累積式的方式來優化規劃工藝路線，但零部件的形狀、結構、類別也是多樣的，采用計算機輔助自動規劃工藝固然可以替代人工，但仍然局限于人工經驗的積累。計算機輔助工藝規劃的方法多從GT技術、CBR技術和ES技術等開展研究，在這些研究中，對回轉體采用復合零件法和對非回轉體采用的復合路線法，均可采用零件分類編碼技術實現計算機輔助工藝規劃，但受限于零件種類繁多，需要編制各種類型代碼實現工藝的自動規劃，故只能滿足單一品種或相似類型的產品零件進行自動工藝規劃。ES技術是一種最為理想的工藝自動規劃技術，但所需信息量巨大，目前很難實現，但云計算、大數據技術的發展應用必將完善ES技術，為未來云制造的實現奠定基礎。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。作者從零部件數字信息模型建立、特征工藝設定、制造資源能力分析、裝夾工藝規程生成等方面對裝夾規劃和柔性夾具設計研究成果進行綜述，為未來制造技術應用研究提供參考。

1 裝夾工藝規劃研究

1.1 零件數字信息模型建立

二維零件是傳統多工序加工工藝規劃研究的主要對象，對于復雜零件來說，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零件的工位信息。為此，三維工件模型作為多工序工藝規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構形狀，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鍵是識別其工藝特征，為其工藝規劃提供信息。MBD(Model Based Definition)技術是一種將三維零件設計定義、工藝描述等信息進行數字化定義，為零件三維數字信息轉化為工藝規劃依據提供一種有效技術途徑。曾紅、崔學淼采用UG/Open API及NX Open相結合的UG二次開發方式，開發了 MBD工藝輔助設計系統。大多成熟三維CAD軟件都具備二次開發接口，可實現此類功能。在企業實際應用中，武漢船用機械有限責任公司應用MBD和NX UG實現燃氣輪機制造技術應用。北京航空航天大學喬立紅等基于MBD技術，提出一種能全面描述和表達工藝信息的三維工藝模型MPM(Manufacturing Process Model)。上海交通大學周新杰等提出運用MBD等多種技術構建了基于模型、數據、知識的設計與制造協同集成模型。為此，MBD成為零件和產品三維數字信息模型建立的關鍵技術，尤其在汽車設計制造領域應用最為廣泛，在飛機設計與制造、運載火箭、機器人等高科技領域也得到應用。

在計算機輔助工藝規劃中，基于MBD技術的零件三維工序模型建立成為當前研究熱點。早期學者JAIN、KUMAR在CAPP系統中初步建立三維工序模型，隨著計算機智能算法的推廣及應用，諸如遺傳、模擬退火、神經網絡、蟻群搜索等算法，使CAPP系統開發逐步趨于成熟，在大型企業的汽車制造、船舶制造、飛機研制等領域廣泛應用。零件制造的智能化，起源還是零件數字模型，諸如零件生產類型、加工面特征、屬性(包括材料、結構、形狀、尺寸精度、形位精度、表面精度、技術要求等)等信息，MBD技術可以將設計與制造集成，還融合了過程模擬和產品標準及規范等。在三維CAPP系統開發中，可以運用MBD技術實現零件制造特征體、加工元體及屬性鄰接圖相關聯，生成三維中間工序模型，由零件三維設計模型生成三維工序模型。

但在裝夾工藝規劃中，影響裝夾規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備的可轉動部位(如旋轉工作臺等)相對于刀具所處的位置，每次對應一個位置表示占據一個工位。為了表達工件上加工表面具有幾個位置信息，張國政等提出采用加工特征面單位法矢量判別方法，規定外法矢量方向為正方向，即刀具遠離工件加工表面的方向，這與數控機床坐標軸所規定的運動正方向相同，并規定用內單位法矢量表示特征加工面的軸向切削進給方向，通過矢量的點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技術是零件三維工藝規劃的主要方法之一，但在解決裝夾工藝中工位信息判別方面需要進一步探索。

1.2 零件特征工藝設定

零件特征工藝設定是為工藝規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母線(如直線、圓、弧線等)按照某種軌跡以一定速度、′、″而構成的，如圖1所示。母線1可由直線或圓弧線等構成，在母線1的基礎上，由數控機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，這就需要定義或設定零件特征工藝來規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床和刀具等制造資源及其加工參數等信息的加工元定義。人工經驗式設計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系統中識別特征加工面。步驟二，根據機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，經驗豐富者直接采用所謂正向推理方式，即從毛坯面到零件設計面的加工路線選擇，一般工藝人員結合零件設計面的公差等級、表面質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證，類似于CAPP系統中加工元確定。以上兩個步驟在計算機輔助設計中相當于零件特征工藝設定環節。步驟三，添加“先面后孔、基面先行、先粗后精、先主后次”等基本加工規則，以便開展步驟四的工序劃分及排序優化，步驟五中工時計算也影響步驟四中工序排序優化，以追求最小工時為目標是提高生產效率的最佳方法。步驟三至步驟五都是工序生成的邏輯推理和運算環節，這也是CAPP系統研發的核心和技術難點。最后一個步驟就是輸出工藝過程卡片和相應的工序卡片。

圖2 零件加工工藝設計流程

零件特征工藝設定是識別制造特征面轉化成加工元的過程，但每個加工元并非是完整的一道道工序，需要按照工藝規則及原理進行排序和優化，借助于計算機智能算法處理能力，主要有模糊聚類、遺傳算法、BP神經網絡、規則和混合算法、時間向量等，進而為三維CAPP系統研發提供理論基礎。在現代數控加工工藝規劃中，裝夾次數規劃是制約工序模型的重要因素，尤其是柔性高的數控機床，一次裝夾完成多個特征面加工是其重要特性。為此，如何利用裝夾次數多寡為約束或目標，進而根據零件特征工藝設定規則來優化裝夾工藝方案也是當前計算機輔助裝夾規劃的熱點，如高博等人運用智能水滴、文化基因、聚類等算法進行裝夾規劃，進一步完善了裝夾工藝規劃理論，而在裝夾次數與加工元定義方面仍需進一步研究。

1.3 制造資源能力分析

企業實際制造資源能力及其動態變化也是影響工藝規劃的重要因素，因此，制造資源能力分析也是裝夾工藝規劃的重要研究內容。機床、夾具、刀具等都是制造資源重要組成部分，不同類型機床、夾具或刀具對裝夾工藝規劃都有重要影響。文獻[26]將機床、刀具及其更換次數、資源消耗作為評價因子構建目標函數進行優化。文獻[27]在免疫遺傳算法基礎上，運用前趨圖描述工步關系指導初始工藝路線生成，引入自適應平行變換算子指導加工方法和制造資源的動態調整，并通過回轉體零件驗證算法有效性。柔性化的制造系統可以更好地適應市場的多變需求，其裝夾工藝可重構性強，在多工序制造系統中，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，進而構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控機床、數控工藝裝置(如夾具、刀具等)及其他，而加工特征體現在每個加工特征面的形狀、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，而刀具是安裝在機床主軸或刀架上，夾具安裝在機床工作臺上，工件的加工特征就由刀具和夾具的位姿確定，進而建立了加工特征與制造資源能力的關系模型，如圖3所示。

圖3 加工特征與制造資源能力關系模型

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或多個優化目標的數學模型，并以遺傳算法、蛙跳算法、狼群搜索算法、布谷鳥搜索算法、啟發式算法等自然科學原理和法則所構建的智能算法進行推理和運算，進而得到與實際應用值更加接近的優化目標，這是TLBP的主要解決思想和方法。例如，文獻[28]建立了操作優先關系、工位限制、操作同工位、工位能力等為約束，以設備配置數、生產節拍、生產線平衡率為優化目標的柔性加工線數學模型，并通過多目標遺傳算法進行求解，其優化結果在某發動機缸體應用中得到驗證。

制造資源能力的強弱能反映加工、制造單元柔性的好壞，這是衡量柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell,FMC)的重要指標之一。例如，加工中心配備多個交換工作臺及相關裝置，在一定時間內無人操作下完成加工，這類加工單元可認為是FMC。在此基礎上，再增加數控機床、工業機器人、傳感器和控制裝備等數字化設備，建立物料自動輸送系統，通過網絡實現設備間數據交換和共享，具備數據自動采集、保存和分析功能，這就構建了柔性制造系統(Flexible Manufacturing System,FMS)。可以認為FMS具備智能生產線的功能，可實現長時間無人化加工，滿足多品種產品零部件的自動化生產需求。在此基礎上，如果再建立制造執行系統(Manufacturing Execution Systems,MES)，實現計劃、調度、質量、設備、生產、能效全過程閉環管理，這就構建了數字化車間或智能車間。在此基礎上，如果再建立企業資源計劃系統(Enterprise Resource Planning,ERP)，實現產品供應鏈、物流和成本等企業經營管理的優化，使得產品從市場分析、生產規劃、決策部署、產品設計、產品制造、產品營銷等各個環節形成一個完整的生產制造系統，這就構建了智能工廠。MES系統和ERP系統主要以調控管理為主，從先進制造技術層面上來看，還需要一種能夠管理產品零件數據信息(包括零件設計、分析、制造的CAD/CAE/CAM，工藝規劃、裝夾分析的CAPP/CAFD等)的軟件，這就是產品數據管理(Product Data Management，PDM)，這基本上就構成了現代集成制造系統(Computer Integrated Manufacturing Systems,CIMS)，可以認為是智能工廠更為完善的系統。智能工廠是企業的核心，需要企業內部各部門之間進行協作，以及需要協作的企業之間關聯，從而支持這個產品生命周期的管理，這就是產品生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)。以上所分析的即為先進制造業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構，如圖4所示。可見，制造資源能力是離散型智能制造模式最核心的基礎單元。

圖4 離散型智能制造模式

1.4 裝夾工藝規程生成

裝夾工藝規程生成的目的就是確定產品零件加工所需裝夾次數、合理性、位姿及加工工序等內容，也可以認為是以裝夾次序為主線的工藝規劃。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，這也是傳統夾具設計所要考慮的因素。決策策略是計算機輔助工藝規劃的關鍵，涉及邏輯推理、運算等核心技術，是決定裝夾工藝規程能否生成的關鍵，如前文所述的GT技術、CBR技術和ES技術等，秦國華、張衛紅在其專著中也做了詳細介紹，除此之外，張發平等基于擴展有向圖，建立了零件的公差信息和基準—加工特征關系的數學表達模型，為自動裝夾工藝規程規劃方法又提供了新的思路。公差建模既是裝夾工藝規程生成的約束，也是保證零件加工質量合格的目標，HUANG、GU和CHOUDHURI、DE METER分別對裝夾布局和規劃進行公差分析，HUANG等利用圖論方法進行裝夾規劃分析，張發平等和許本勝等利用圖論進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算法。信息集成的目標是將生產制造各模塊子系統信息有效集成，實現各模塊子系統間的協調優化，數據和信息共享，需要建立一套信息互換標準和大數據庫，以便于各類數據信息采集、存儲、處理和調用。由此可見，裝夾工藝規劃規程自動生成是集約束、目標、推理、運算、判別、智能優化等功能于一體的系統，當前研究應用主要集中在汽車發動機缸體等關鍵零部件上。

2 柔性數控工藝裝置設計

2.1 多件裝夾裝置設計

為匹配高柔性化的數控機床，需要相適應的柔性數控夾具。組合夾具由于其元件的標準化、系列化、耐磨性高等特性，一度被作為現代數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計知識及經驗，且成本較高，不利于在批量生產模式下進行工件裝夾，故僅限于在新產品試制、單件小批量生產中發揮重要作用。因此，組合夾具的快速拼裝技術是當前計算機輔助夾具設計的研究熱點之一。現代數控加工要求的裝夾是工件能在一次裝夾中完成多個表面的多工位、多工序加工，使得整個工藝過程中裝夾次數最少，通過減少裝夾等輔助時間來提高生產效率。例如，在加工中心換刀和快速進退刀時間內完成工件裝夾(包括翻轉、交換、移動等重新定位與夾緊)，從而充分利用輔助時間提升生產效率。考慮到數控加工工序集中原則，為充分發揮大規模定制批量生產的數控加工特點，張國政等運用多件裝夾設計思想解決加工中心夾具設計問題，提出一體多件裝夾設計方法。例如，圖5所示為采用三軸加工中心機床加工某閥體件時，為了保證數控工序集中，所設計的一體多件裝夾夾具裝置(其中：“一體”表示一個夾具體或工作臺)，并在實際生產中得到廣泛應用。

圖5 三軸加工中心一體多件裝夾夾具模型(a)與實物(b)

在一體多件裝夾夾具裝置中，也可以利用機床工作臺的回轉功能實現多工位、多工序加工，進而縮短加工周期，例如圖6所示的一體多件裝夾夾具裝置。在機床一個工作回轉臺上，針對某缸體件的多工序加工問題，利用機床回轉工作臺的功能，設計一種多工位旋轉的一體多件裝夾裝置，從而在多頭專用機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效率。

圖6 利用回轉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計的核心，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，可通過建立裝夾數學模型對裝夾布局、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行優化；另一方面，可以借助專用的三維有限元分析軟件進行比較和優化，常用軟件有ANSYS和ABAQUS等。在科研院所中，研究學者們一般將兩種方式結合使用來進行優化分析；在企業工程實踐中，技術人員多采用專用軟件直接進行比較分析。例如，史冊等人以殼體薄壁件為例，建立裝夾穩定性數學模型和約束分析，使用 ANSYS 進行建模并與遺傳算法進行接口操作，人為設置遺傳算法參數，采用正交試驗設計的方法選擇更好的遺傳算法參數，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軟件進行應力應變分析，比較得出最小變形夾緊方式，為多件裝夾工藝規劃及夾具設計提供理論指導。

以上是以工件為直接對象進行分析，但在實際工程中也有因夾具裝置自身變形而導致裝夾精度不夠，尤其是夾具體變形問題，這些問題都容易被忽略。例如，文獻[17]提出的多件裝夾夾具裝置，可進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行三維有限元分析，得出采用拉桿方式增強夾具體剛度，進而優化設計多件裝夾夾具，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，需要對夾具裝置進行整體變形分析。如文獻[46]針對空壓機缸體裝夾的夾具裝置進行整體分析，找出最大變形位置，進一步優化夾具裝置。

綜上所述，多件裝夾夾具裝置設計主要解決的是多工序、多工位等工序集中加工的裝夾問題，一體多件裝夾設計方法、回轉工作臺多件裝夾方法是提高生產效率的主要方法；裝夾變形與控制采用建立數學模型、優化算法、有限元分析法等多種方式結合，可針對工件自身裝夾變形進行分析，也可以從夾具體結構或整體夾具裝置進行分析，這些都是當前多件裝夾夾具優化設計的主要研究內容。另外，有關定位分析也有大量文獻，文中不再贅述。

2.2 程控夾具裝置設計

先進制造技術需要先進的設備、生產組織和管理技術來實現，如果單純更新高端設備顯然不夠現實。裝夾工藝作為制造的關鍵，如果不能提高其自動化程度將嚴重制約其生產效益的提升，因此，程控夾具裝置設計是當前柔性數控工藝裝置設計的研究重點。一方面，根據工件加工要求進行順次的自動定位與夾緊，滿足不同工序、工位需求的旋轉、回轉等邏輯控制，通過PLC可以實現夾具的程控；另一方面，采用PLC和現代數控機床技術、機器人技術等進行自動化改造，形成自動生產線，可以大幅度降低成本，將PLC開發的程控夾具融合，可實現智能生產線，提高數字化車間生產效率和管理水平。例如，利用數控機床第四軸功能設計的夾具裝置，如圖8所示。張國政、劉有余提出定義數控系統M指令，相應改造機床電氣控制系統和修改PLC程序梯形圖，可進一步實現程序控制夾具融入到數控機床中的柔性制造系統。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氣動程控夾具可一次性裝夾6個工件，利用PLC控制相應氣缸運動，同時實現6個工件上4個工位的旋轉定位和夾緊，其PLC程序開發及具體工作過程可參考文獻[48]。

圖8 數控機床第四軸程控夾具

圖9 多件裝夾多工位可旋轉氣動程控夾具

柔性生產線主要包括倉儲、AGV運輸、工業機器人、數控機床、數據采集與傳輸、傳感器、視覺檢測等，采用主控PLC實現對現場層控制。如圖10所示，工件裝夾在類似于AGV運送模塊上，根據工件加工工藝流程，在生產線上完成各道工序的加工。目前，在汽車零部件生產線、裝配線上應用較為廣泛。

圖10 主控PLC控制的柔性生產線

綜上所述，程控夾具已經融進現代數控機床中，在柔性生產線中得到廣泛應用，主要通過主控PLC進行開發，既降低了技術改造成本，又提升了自動化水平，有效地優化了企業制造資源，同時也為先進制造企業組織管理和控制提升了智能化水平。

3 結語

作者從裝夾工藝規劃方面，綜述了零部件數字信息模型建立、特征工藝設定、制造資源能力分析、裝夾工藝規程生成等主要研究成果，同時對滿足裝夾需求的柔性數控工藝裝置(又稱柔性夾具)設計研究主要內容進行綜述。關于未來裝夾工藝規劃技術發展，以下幾方面還有待進一步研究：

(1)多工序制造系統裝夾工藝規劃方法研究。任何復雜產品零件加工制造的裝夾工藝規劃，都要從零件自身特征出發，文中綜述了MBD三維建模技術，特征工藝設定與推理、制造資源能力分析優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、啟發式算法等自然科學原理和法則以及圖論原理的應用，這些都是研究多工序制造系統裝夾工藝規劃的重要方法，但在實際應用中并沒有得到驗證哪種方法更好，且與裝夾規劃可重構理論結合需要進一步探索研究。

(2)裝夾工藝規劃與企業制造資源管理技術的研究。裝夾工藝規劃的優劣體現在制造資源能力的合理優化利用，從制造資源能力方面涉及FMC、FMS、CIMS等技術，企業制造資源管理涉及MES、ERP、MRP、PDM、PLM等技術，那么在離散型、流程型、大規模定制型、網絡協同及云制造型等不同類型制造模式中如何更好融合，實現未來智能、智慧化生產制造，需要從工程技術、管理科學與信息技術等交叉學科相互融合方面進一步研究。

(3)柔性夾具自動線集成技術研究。柔性夾具結構除了理論上建立數學模型進行優化，工程應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行優化分析，當前技術較為成熟；為適應柔性生產線需求，柔性夾具與工業機器人集成技術、隨行可調裝夾自動線集成技術、組合夾具智能拼裝技術等有待進一步深入研究，從而滿足未來制造的需求。