工装是 工艺装备的简称。工艺装备就是 将零组件加工至设计图样要求所要具备的基本加工条件和手段。工艺装备包含加工设备、夹具(三维柔性组合工装夹具)、检具、辅具(如三维柔性焊接平台)和刀具等,是 制造过程中所用的各种工具的总称。工装分为专用工装、通用工装和标准工装(类似于标准件)。根据对国内外情况的不完全统计,复杂零件生产准备时间较长,是 制约生产效率提高的主要因素之一,一般准备时间达到整个生产周期的20%以上。以我国航空航天科技工业为例,飞机装配工装的研制周期占飞机生产准备周期的一半左右,工装成本占总成本的20%~30%左右。由于传统工装存在设计、制造工作量大,成本高,周期长,一致性差等问题,直接导致了产品的质量不稳定。随着我国工业体系的发展和完善,工艺装备尤其是 高精尖行业的工装得到了快速的发展,但工装并未形成一个系统的体系。可以说,工装的研制能力和水平在一定程度上反映了一个国家的整体制造能力和水平。
对于一些复杂产品来说,由于产品结构复杂、尺寸大、零件多、刚性小,最终的装配质量是 由工装来进行保障的,所以制造过程中的工装非 常重要。尤其是 在小批量、多品种的航空航天等国防军工产业,工装的研制严重制约着新产品的研制进程,是 企业实现快速转产和缩短新品开发周期的瓶颈。
工装主要有刚性和柔性两种结构形式。刚性工装设计制造周期长,而且只能专用,无法满足柔性制造的需求,而柔性工装克服了刚性工装的上述缺点,成为当今工装技术发展的一个重要趋势,也是 国内外研究的热点之一。目前,以波音、空客等公司为代表的国外航空航天企业已经开发并广泛采用柔性工装进行装配,而国内还主要在应用刚性工装、专用工装等。从国外情况看,为了满足工艺加工的要求,许多公司采用液压工装和数控工装等新工装技术,开发出可重配置、可调整柔性工装,从而使零件生产过程减少了专用工装,提高了生产效率。西班牙的M.TOR-RES公司、瑞典的MODIG公司开发的液压数控工装已经大量应用于飞机壁板、舱门等零件的制造,美国Electroimpact公司研制的高速铆接系统柔性装配型架,已经在空客多型飞机机翼壁板的装配中得到成功应用,波音公司应用柔性工装较大地提高了飞机整体构件制造的经济效益。同时,以往设计、工艺、制造串行的传统工装制造模式也逐渐被数字化制造技术所取代。工装数字化制造技术在一些发达国家,如美国、德国、日本被等已经得到广泛的应用。波音公司搭建了基于构型控制的数字化制造信息管理系统(DCAC/MRM)用于波音737的研制,采用了全球协同环境(GlobalCollaborationEnvironment,GCE)用于787的研制,在同行业的航空企业竞争中具有较强的数字化技术平台优越性,由于上述数字化技术平台的应用,2007年7月8日,波音787Dreamline如期下线的同时,波音公司宣布获得了1100多亿美元的707架波音787飞机订单,为波音公司创造了巨大的收益。
近年来,我国许多大型的研究院所、科研院校以及制造企业在柔性工装方面开展了大量的研究。这些研究主要集中在组件、部件级别的装配方面,如清华大学针对薄壁件,设计了一种多点柔性智能工装系统,一次装夹可以实现多道工序的加工定位和维形工作;中航工业公司针对飞机机身部件结构特点,研发了机身部件数字化柔性装配工装,吉林大学基于分层逐步成型原理,提出了加工小型板材三维零件的单点渐进成型柔性化薄壁零件拉伸成型工装;以及沈飞研究并工程化的翼身整体结构后段数字化柔性装配系统、西北工业大学设计的部件级数字化柔性工装系统、北京航空航天大学和沈飞合作设计的可重构的调形单元阴、西北工业大学研制的机身壁板类组件装配工装、北京航空制造工程研究所与浙江大学等研制的柔性对接工装系统等。从现有技术成果来看,国内柔性工装技术水平与国外技术相比差距还很大,大部分仅实现局部柔性化,工装结构比较单一,互换性不高,难以满足柔性生产的需要。
而在工装数字化制造方面,西北工业大学建立了基于.NET和基于Web的工装全生命周期管理系统,利用动态服务器网页技术,开发了基于浏览器/服务器三层网络体系结构的工装全生命周期管理系统。同时,航天企业利用基于A VDIM结构管理技术实现工艺装备数据全生命周期管理;航空企业在分析了民机研制中工艺装备的作用、应用情况和发展趋势的基础上,制定了民机工艺装备数字化制造标准的制定与实施解决方案。国内在工装的虚拟设计、协同设计等方面也开展了大量研究。北京航空航天大学针对目前飞机制造工装中典型配套结构的关系梳理工作量大的问题,引人了虚拟件概念,研究了自动化模型配套方法;南京航空航天大学针对飞机工装协同设计难点和特点,分析了飞机工装语义协同的必要性,提出了基于TeamCenterEngineering的飞机工装语义协同设计实现框架。与国外相比,我国的工装数字化制造还处于技术研发和初步使用阶段,技术成熟度整体不高,数字化程度较低。
作为未来工装系统的主要发展方向,柔性工艺装备因具有模块化、可重构、数字化、自动化等特点,一定会得到越来越广泛的应用。随着需求的增加和应用范围的越来越广,柔性工装发展的一个重要条件是 低成本。近年来提出的“可负担得起的柔性工装”概念,是 通过低成本工业机器人来调整配置工装装备,把主动调整的柔性工装变为被动式调整,简化了工装的设计和结构,从而降低工装成本。随着对工装性能要求的提高,现代的柔性工装已经演变为一个集成了数字化测量设备,配备专门控制系统和各种软件的综合系统。传统的以数字量为主、辅助量为辅的协调工作法开始被全数字量传递的协调工作法代替,基于模型的设计工装三维数模将取代二维图纸,成为产品研制的唯一制造依据,企业在产品制造过程中传递和采集的信息将是 数字的,先进的数字化技术将贯穿工装研制的整个生命周期,并在全过程中实现数据源一致的信息共享、流程优化的过程协同。现代工装与各辅助系统紧密集成,将各项关键技术有机集成起来,形成了综合工装系统,能够协同高效工作。只有在与系统高度集成之后,柔性工装才能得到更好地实施应用,这是 柔性工装未来发展需要解决的重要问题。
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