焊接類導(dǎo)管數(shù)字化柔性制造技術(shù)分析

王金平，陳軍，季青松

（陜西飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 漢中 723213）

作為飛機(jī)的重要生命線，導(dǎo)管能夠滿足飛機(jī)液壓、燃油等系統(tǒng)的不同需求。為設(shè)法滿足焊接類導(dǎo)管的數(shù)字化快速制造需要，近年來數(shù)字化柔性制造技術(shù)研究受到業(yè)界高度重視，本文研究將主要圍繞焊接類導(dǎo)管數(shù)字化柔性制造采用的柔性組合夾具展開。

1 焊接類導(dǎo)管數(shù)字化柔性制造特點(diǎn)及基本流程

1.1 特點(diǎn)分析

焊接類導(dǎo)管數(shù)字化柔性制造需要使用通用化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化程度高的工藝裝備，這類工藝裝備由不同尺寸、不同規(guī)格、不同形狀、預(yù)先制造好的組合件和標(biāo)準(zhǔn)元件組成，適用于小批量、多品種的焊接類導(dǎo)管數(shù)字化柔性制造，由此開展的制造具備以下幾方面特點(diǎn)：第一，精度高。基于柔性工藝裝備具備的較高幾何精度、尺寸精度、耐磨性及應(yīng)對，這種精度能夠在焊接類導(dǎo)管制造中得到體現(xiàn)；第二，通用性強(qiáng)。依托具有完全互換性的高度標(biāo)準(zhǔn)化元件，通過搭積木方式的組裝，多種多樣的工藝裝備組合能夠滿足不同焊接類導(dǎo)管制造需要；第三，適用范圍廣。數(shù)字化柔性制造涉及車、銑、鏜、鉆、刨、磨等工種，在劃線、裝配、檢驗、焊接方面的表現(xiàn)也較為突出，能夠較好服務(wù)于焊接類導(dǎo)管制造；第四，效率和成本優(yōu)勢明顯。數(shù)字化柔性制造能夠重復(fù)使用原件并規(guī)避浪費(fèi)問題，在節(jié)約制造費(fèi)用和時間、提高勞動效率等方面的表現(xiàn)較為突出。

1.2 基本流程

數(shù)字化柔性制造的具體應(yīng)用需要得到集成系統(tǒng)支持，可考慮采用三維曲面系統(tǒng)CATIA，在網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫支持下，完成智能推理、專家知識庫、夾具檢測、夾具設(shè)計等系統(tǒng)的開發(fā)，完成三維數(shù)據(jù)庫建設(shè)，標(biāo)準(zhǔn)實樣可由此通過數(shù)字化模型替代，制造全過程的信息數(shù)字化傳遞能夠由此實現(xiàn)，這能夠為研發(fā)周期縮短、制造質(zhì)量提升提供有力支持。具體的數(shù)字化柔性制造需要聚焦法蘭盤與管接頭建模、焊接類導(dǎo)管建模、焊接類導(dǎo)管工藝設(shè)計、數(shù)字化焊接夾具設(shè)計、焊接夾具測量、系統(tǒng)集成，以此打造數(shù)字化柔性焊接類導(dǎo)管生產(chǎn)線。深入分析可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)字化柔性制造的核心包括數(shù)字化的焊接類導(dǎo)管工藝設(shè)計及CATIA模型重構(gòu)，數(shù)字化焊接夾具的設(shè)計也極為關(guān)鍵，柔性焊接夾具直接影響柔性制造，必須關(guān)注焊接夾具精度校核，保證相關(guān)空間位置及精度準(zhǔn)確，實物檢測也需要同時嚴(yán)格開展，保證理論與實際上的焊接夾具精度、位置一致性，這關(guān)系著焊接類導(dǎo)管數(shù)字化柔性制造能否順利實現(xiàn)。

2 實例分析

2.1 元件參數(shù)化建模

結(jié)合焊接類導(dǎo)管制造特點(diǎn)，及飛機(jī)研制階段存在的單件、多品種生產(chǎn)特點(diǎn)，本文研究采用的平臺同樣為三維曲面系統(tǒng)CATIA，以此開發(fā)智能推理、參數(shù)化建模、精度校核、標(biāo)準(zhǔn)元件替代、標(biāo)準(zhǔn)元件管理等系統(tǒng)，三位的導(dǎo)管模型可實現(xiàn)對傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)實樣代替，數(shù)字化的焊接類導(dǎo)管設(shè)計制造可順利實現(xiàn)，短周期、多品種、高精度的焊接類導(dǎo)管制造需要也能夠更好滿足。在元件參數(shù)化建模過程中，需要分析現(xiàn)有的基礎(chǔ)板、鉆套、銷釘、接頭、墊片、支架、壓塊、支座、標(biāo)準(zhǔn)元件，分類統(tǒng)計需結(jié)合定位方式、使用功能、安裝要求差異，以此明確標(biāo)準(zhǔn)元件的建模要求、基準(zhǔn)及方式；參數(shù)化三維模型建模系統(tǒng)需基于CATIA系統(tǒng)開發(fā)，人工負(fù)責(zé)建立標(biāo)準(zhǔn)元件的三維模型，屬于參數(shù)變量的模型尺寸需要對應(yīng)開展表格文件建立，以此關(guān)聯(lián)表格文件與模型參數(shù)，通過對表格文件數(shù)據(jù)的修改、增加、刪除，即可實現(xiàn)對應(yīng)的參數(shù)化建模；基于焊接類導(dǎo)管制造特殊性，需要單獨(dú)建立非標(biāo)準(zhǔn)夾具元件三維模型，該模型用于人工調(diào)整或組合夾具；在開展參數(shù)化元件建模的過程中，參考坐標(biāo)系的建立也極為關(guān)鍵，具體需要以裝配要素為依據(jù)，夯實后續(xù)夾具裝配智能推理的基礎(chǔ)。

2.2 建設(shè)夾具方案知識庫

在建設(shè)夾具方案知識庫的過程中，需要把握以下幾方面要點(diǎn)：第一，對不同材料、不同直徑焊接類導(dǎo)管夾具方案進(jìn)行收集和整理，分析統(tǒng)計夾具方案典型結(jié)構(gòu)、典型特征，完成典型夾具方案和典型結(jié)構(gòu)要素提煉。第二，關(guān)注典型結(jié)構(gòu)要素的參數(shù)化表達(dá)，結(jié)合定位方式、尺寸大小、工藝要求、集合精度賦予典型結(jié)構(gòu)不同邏輯關(guān)系和參數(shù)，完成典型結(jié)構(gòu)要素庫建設(shè)，基礎(chǔ)板、壓塊、定位器、V型拖架等屬于典型結(jié)構(gòu)要素代表。第三，充分研究焊接類導(dǎo)管存在的不同特點(diǎn)，以此為依據(jù)實現(xiàn)典型夾具方案約束方式、結(jié)構(gòu)形式、先后順序的參數(shù)化表達(dá)，賦予不同邏輯和參數(shù)關(guān)系，完成典型夾具裝配要素庫建設(shè)，需明確導(dǎo)管直徑、導(dǎo)管形狀、中間支管、兩端形式、中間接頭等導(dǎo)管特征對應(yīng)的夾具裝配要素，如6～100mm直徑的導(dǎo)管需保證其直徑與V型拖架的規(guī)格協(xié)調(diào)；第四，對于典型、常見、通用夾具結(jié)構(gòu)，典型柔性夾具方案庫設(shè)計需要以典型裝配要素、典型結(jié)構(gòu)要素為依據(jù)，由技術(shù)人員手工完成設(shè)計。在初期階段，典型夾具方案建設(shè)需充分結(jié)合焊接類導(dǎo)管特征，柔性夾具方案知識庫需要由夾具的典型裝配要素庫、結(jié)構(gòu)要素庫、方案庫組成。

2.3 夾具裝配智能推理

依托CATIA系統(tǒng)，需要開展夾具裝配智能推理，該推理實質(zhì)上屬于參數(shù)化驅(qū)動算法流程，導(dǎo)管模型可在柔性夾具方案知識庫支持下通過對應(yīng)知識條件開展逐條對比分析，以此完成標(biāo)準(zhǔn)元件針對性選擇，即可實現(xiàn)驅(qū)動與裝配的參數(shù)化。依托導(dǎo)管三維模型，需通過系統(tǒng)負(fù)責(zé)參數(shù)化提供，典型夾具方案可通過知識庫獲取，這一過程需要結(jié)合導(dǎo)管模型參數(shù)，典型夾具方案需同時結(jié)合導(dǎo)管模型參數(shù)完成標(biāo)準(zhǔn)元件規(guī)格調(diào)整。對于參數(shù)化驅(qū)動的標(biāo)準(zhǔn)元件來說，CATIA界面在刷新后能夠保證存在不變的裝配約束關(guān)系，原有三維模型能夠通過標(biāo)準(zhǔn)元件規(guī)格變化后的新模型替代，夾具裝配智能推理可隨之完成。如需要增加導(dǎo)管長度，在首次開展夾具設(shè)計的過程中，需要將長度值輸入，以此實現(xiàn)長度合適底座選擇，應(yīng)設(shè)法將導(dǎo)管端頭中心線與定位器上孔約束同軸，將定位器下表面與底座上表面約束共面，將導(dǎo)管端頭面與定位器內(nèi)表面約束共面，以此得到典型夾具方案。對于出現(xiàn)變化的焊接導(dǎo)管，需要增加對應(yīng)長度值，剛剛設(shè)計的夾具方案為基礎(chǔ)，以此人工輸入或系統(tǒng)計算明確長度值的增加量，選取長度增加量最接近或大于該增加量的底座，通過參數(shù)化驅(qū)動，加長后的底座即可實現(xiàn)自動更換。在對系統(tǒng)界面進(jìn)行刷新后，由于導(dǎo)管端頭與定位器共面、同軸，在導(dǎo)管加長方向定位器能夠自動移動，存在對應(yīng)長度增加量的移動長度，夾具裝配智能推理由此完成。如不存在典型夾具方案，夾具的典型裝配要素、結(jié)構(gòu)要素確定需要以導(dǎo)管模型參數(shù)為依據(jù)，以此完成標(biāo)準(zhǔn)元件規(guī)格對應(yīng)選擇，通過在系統(tǒng)中充分不同標(biāo)準(zhǔn)元件對應(yīng)的參考坐標(biāo)系，結(jié)構(gòu)要素裝配可基本完成，這種情況下的專用夾具元件需要通過人機(jī)互動增加，裝配約束條也需要同時補(bǔ)充，夾具智能裝配可在調(diào)整和優(yōu)化夾具的過程中完成。

2.4 精度校核與驗證

在開展精度校核的過程中，基準(zhǔn)為用戶指定的坐標(biāo)系/點(diǎn)，柔性組合夾具需要在CATIA系統(tǒng)支持下完成特定位置理論精度測量，以此確定預(yù)期要求能否滿足。在具體生產(chǎn)中，基于柔性組合夾具方案，技術(shù)人員可通過規(guī)定連接方式和標(biāo)準(zhǔn)元件完成柔性組合夾具組裝。通過選用先進(jìn)的測量設(shè)備，可對導(dǎo)管端頭定位器等特點(diǎn)位置的精度進(jìn)行測量，明確夾具精度情況，保證理論與實際層面的精度、位置一致性。

2.5 具體應(yīng)用效果

三維數(shù)字化的柔性組合夾具設(shè)計系統(tǒng)已廣泛用于很多企業(yè)，在焊接類導(dǎo)管數(shù)字化柔性制造中得到成功應(yīng)用。對于環(huán)控、燃油等系統(tǒng)的焊接類導(dǎo)管，基于三維模型，可實現(xiàn)參數(shù)化的標(biāo)準(zhǔn)元件建模、標(biāo)準(zhǔn)元件替代、智能推理、精度校核，數(shù)字化的焊接類導(dǎo)管制造能夠由此高質(zhì)量、高效率完成。結(jié)合具體實踐可以發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)導(dǎo)管樣件，數(shù)字化導(dǎo)管模型能夠更好滿足數(shù)字化柔性制造需要，“主動式”生產(chǎn)模式可由此實現(xiàn)，100%的導(dǎo)管數(shù)字化模型利用率也能夠同時達(dá)成，數(shù)字化柔性制造的焊接類導(dǎo)管具備81.2%的一次試裝合格率，同時可實現(xiàn)64d的飛機(jī)導(dǎo)管制造周期縮短，本文研究的實踐價值可見一斑。

3 結(jié)語

綜上所述，焊接類導(dǎo)管數(shù)字化柔性制造具備較高推廣價值。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的元件參數(shù)化建模、建設(shè)夾具方案知識庫、夾具裝配智能推理、精度校核與驗證等內(nèi)容，則提供了可行性較高的數(shù)字化柔性制造路徑。為更好滿足飛機(jī)導(dǎo)管制造需要，智能控制算法、陣列式柔性定位技術(shù)的應(yīng)用同樣需要得到重視。