杂志汇教育科学博览

（机科发展科技股份有限公司 北京100044）

摘要：由于船舶、飞机等大型设备装配零件多、工序复杂，传统刚性夹具已无法满足现代生产制造要求，因此，柔性工装迅速发展起来。首先介绍柔性工装的概念和柔性定位原理，接着介绍国外成熟的柔性工装设备在各个领域上的应用，最后介绍了国内发展中的柔性工装系统并分析柔性支撑装置的传动原理。

关键词：柔性工装柔性定位柔性支撑

中图分类号：T-19

文献标识码：A

The domestic and foreign present situation on flexible tooling

LI Zhiqiang1WEN Yu1LIU Mingli1 　

(1. Machinery Technology Development Co., Ltd, Beijing 100044, China)

Abstract: As the large equipment such as the ship and aircraft has lots of elements,meanwhile,the assembly procedure is complex, traditional fixture can not fit the requirement of modern manufacturing,the flexible tooling develop quickly.First we introduce the conception of flexible tooling and the principle of flexible positioning,then we recommend the mature facilities from abroad which have applied on many areas.In the end,we introduce the developing flexible tooling in China,meanwhile,analyze the transmission principle of the flexible supporting device.

Key words: flexible tooling flexible positioning flexible supporting

大型设备（如飞机、轮船等）装配工序多，装配工艺复杂，且大体积、大质量部件在装配过程中需要调整空间6个自由度方向的姿态，以达到精确的装配和对接。基于传统型架或夹具的手工装配姿态调整的方式已经不能满足需求，自动化、柔性姿态调整已经成为装配技术的发展趋势。柔性工装正是在上述条件下发展起来的。

工装是指完成零件的生产或组装、部件的部装以及整体的总装所必需的工艺装备。而柔性工装是以计算机辅助制造为背景，以柔性制造单元为平台，可以适应不同种类的研发和生产制造要求的技术和装备。柔性工装系统主要由定位夹持机构、控制系统以及动力系统组成。其中定位夹持机构是柔性工装系统的核心部分和技术关键。柔性工装能够快速的适应制造和装配的因素变化，例如生产批量、尺寸规格、装配工艺等等；成功的范例也证明，柔性工装对于产品的质量、生产效率有很大的提升，并且降低了产品的成本和生产准备周期[1]。

1柔性定位原理

柔性定位的主要原理基于多点技术。“多点技术”在板料成形方面的应用推广最为明显，应用范围也是日益广泛，技术成熟。多点成形由日本学者提出，国内吉林大学李明哲对多点成形理论和技术进行深入研究，并命名为“多点成形”方法；多点成形的基本构想是将传统的整体式模具替换为由多个高度可调的基本体组成可变化离散曲面形成“柔性多点模具”，其形状可变，可以根据需要成形的目标曲面形状调整其各个离散基本体高度，从而调节模具型面，柔性度很高；多点成形技术已经大量用于高速列车车头覆盖件、钛合金板成形、医学钛网板塑形以及鸟巢中的弯扭板件等，如图1所示为多点成形技术的原理图。

多点柔性支撑方法的基础是“多点技术”。借鉴“多点技术”在板料成形加工领域的成功经验，将传统支撑方法替换为多点柔性支撑方法，其主要思想：将传统支撑工装的整体支承面离散为多个支撑点来拟合飞机或船舶部件支承站位截面（如图2所示），各个离散支撑点各向行程独立可调。其中每个离散支撑点等效于单个柔性支撑装置，并将柔性支撑装置作为基本单元，组成多点柔性支撑阵列，这样调节各支撑点的空间位置，使柔性支撑装置与飞机或船舶部件表面完全贴合，达到支撑目的。

2国外研究现状

国外在柔性支撑工装技术研究方面起步较早，取得的进展也是相当显著的。在可重构性、可调整支撑工装的研究和开发方面，为满足零件工艺性和加工要求，采用了很多新技术，例如液压技术、数控技术、真空技术及机器人技术等。柔性支撑工装在国外航空制造、汽车生产中的应用广泛，发挥作用明显。

美国的Rohr Industries公司开发了柔性机器人工作单元，用于机身部件的装配；Wisconsin-Madison大学开发了快速可组装装配工装；Northrop Grumman公司开发出龙门式可重组工装；洛克希德·马丁公司采用具有激光定位和精密制孔功能的龙门钻铣系统，对JSF战机原型机X-35进行研制；欧盟为实现无型架装配提出了“基于协作型多功能操作机器人的航空产品柔性装配系统”研究项目；英国的Electroimpact公司为空客飞机机翼的制造开发了大型柔性工装系统；法国DufieuxIndustrie公司开发了新型镜像铣系统（Mirror Milling System，MMS），主要用于蒙皮类零件的铣切加工；德国Horst Witte Geratebau公司制作了基于框架结构的模块工装系统；欧洲的JAM、ADFAST等研究项目把重构工装系统和集成测量系统的研究作为重要研究内容[2]。在国外研究发展的众多种类的柔性支撑工装中，多点阵柔性工装系统是常用的一种工艺设备，它的主要结构是一组带真空吸盘的立柱阵列，吸盘可以通过精确控制生成与壁板零件表面完全符合的点阵，满足不同零件要求。从上世纪九十年代初到现在，这种工装已经在戴姆勒-奔驰、宇航、波音、麦道、格鲁门等各大航空企业的壁板装配、修整及钻孔中应用广泛。

西班牙的M.Torres公司是一家专门制造针对航空产品加工、装配设备的大型公司，TORRESTOOL柔性工装系统是其著名产品（如图3所示）。该公司的另一款产品———TORRESMILL是一种五轴龙门式数控钻铣床，主要用于蒙皮件的切边和钻铣，而TORRESTOOL为柔性夹持系统，二者配合使用，构成了柔性化极高的加工系统，并且成功完成了飞机机身、机翼等飞机蒙皮零件的加工任务，成为数字化柔性装配技术成功应用的典范。美国CAN制造系统公司自九十年代起研发了基于POGO柱单元的柔性工装系统，该系统的硬件由POGO运动单元、控制系统、真空吸盘以及台架组成，软件则用来进行数据处理和控制系统运动（如图4所示）。该系统和TORRESTOOL柔性工装系统是已经产品化的两种最主要的多点阵柔性夹持工装系统。

美国AIT（Advanced Integration Technology）研究的自动柔性定位对接系统（automated flexible positioning systems）采用多个定位器组成行列式高速柱形式,可以自由调节，支撑飞机部件完成多机型飞机部件自动定位支撑和对接。图5所示为AIT公司自动柔性定位对接系统在道尼尔728翼身装配中的应用。

从以上所示的柔性工装技术应用可以看出，国外在柔性支撑工装方面研究较多，应用也较成熟；柔性工装不再仅仅是单纯的手动操作，自动化程度高。为了保证更高的精确度和效率，广泛采用新技术，例如伺服技术、精密机械、真空技术、数字控制、激光技术和液压控制技术等。另外模块化设计思想在国外柔性工装技术中的应用也体现的淋漓尽致，大部分支撑工装基本都是基于模块化设计的，柔性工装都基于基本单元体，具有可重构性，当被作用的对象改变时，可以通过改变基本单元体的位置或者状态满足要求。

3国内研究现状相对于西方，我国在可重配置、可调整柔性支撑工装方面的研究工作较为落后，在柔性工装技术尤其柔性支撑技术方面的研究起步较晚。在飞机制造装配方面，为减小装配加工过程中飞机部件支撑变形，国内大多航空企业依然采用传统刚性支撑方式（如图6所示），显然这与国内航空业迅速崛起和发展的要求相制约。

近年来,随着科学制造技术的发展,尤其是数字化装配技术的发展,我国各大航空企业以及科研院校在引进国外先进理念和技术的同时,对工装结构设计方面的研究逐渐在增多,尤其是关于柔性装配工装的研究。北京航空制造工程研究所对柔性工装技术也进行了一定的研究,并且研制了自己的柔性工装系统（如图7所示），哈飞、成飞以及北航等公司或院校也在对数字化柔性工装系统进行着一定的研究。

由清华大学设计的自由曲面薄壁工件柔性定位/支承系统，如图8所示，该支撑系统采用模块化思想，由单个柔性支撑装置作为基本单元体，多个单元体组合成为支撑系统。

柔性支撑装置本身具有X、Y、Z三向自由度，并且其三向自由度可以受控制系统联动控制。柔性支撑装置在结构上包括升降机构和十字移动平台两大部分；其中，升降机构包括：底座、蜗轮丝杠升降机、伸缩筒、支撑筒、柔性工艺接头；十字移动平台包括：下托板、Y向滚动直线导轨副、Y向滚珠丝杠副、Y向减速机、上托板、X向滚动直线导轨副、X向滚珠丝杠副、X向减速机、安装台。如图9为柔性支撑装置外观结构图[3]。

十字移动平台完成的是X、Y向移动。滚动直线导轨副、滚珠丝杠副、减速机、伺服电机、（X/Y）托板和光栅尺位移传感器安装在下托板上，实现Y向移动，使得上托板连同上托板以上的机构相对于下托板沿坐标系Y方向移动；X、Y向结构原理相同，其传动原理图如图10所示。

升降机构安装在安装台上。采用蜗轮丝杠升降机、伸缩筒、支撑筒、Z向伺服电机及光栅尺位移传感器实现Z向移动，使伸缩筒上下移动从而调节柔性工艺接头高度。工作原理如图11所示。

国内在柔性工装应用方面，尤其用于飞机零件部件加工制造的支撑夹持柔性工装，虽然取得一定进展，但是技术还相对落后，距离实际应用和批量生产还较远，并且大部分只是在板料成形加工等个别领域取得成果，而在其他方面进展较缓慢，技术渗透面还比较窄或浅，任重道远。发展多点柔性支撑技术，将数字化设计技术、伺服控制技术、计算机技术和模块化设计思路应用于柔性工装，能大大提高效率，实现“一工装多用”的目标，促进船舶、航空航天行业的发展，对缩小与国外差距，追赶国外技术发展进程具有重大意义。

参考文献：

[1]姜宇航.空间曲面薄壁零件多点定位机理及其夹持方法研究[D].沈阳航空航天大学，2013：14-15.

[2]孙依禺.薄壁件柔性夹持工装的仿真技术研究[D].沈阳航空航天大学，2013：16-17.

[3]朱明华.飞机部件多点柔性支撑系统研究与开发[D].南京航空航天大学，2011：21-23.