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2013PLM征文:管路数字化布局设计、制造与检测集成技术

2013/11/25    来源:e-works    专家:刘检华      
关键字:管路布局设计  弯曲成形  工艺优化  数字化检测  
文章结合复杂产品中的管路研制的工程实践,提出了一种管路数字化布局设计、制造与检测集成方法,分析了该方法的技术体系,并系统阐述了管路布局设计与智能评价、导管弯曲成形质量预测与检测、导管数字化制造集成技术及工艺数据库建立、基于多目视觉的管路数字化测量方法与装置等四个关键技术。最后指出,随着该技术的进一步发展,可真正实现全数字量传递的科学的管路一体化设计与制造。

0 引言

    管路是航空、航天、船舶、汽车等行业中机电产品的重要组成部分,管路系统以气体、液体等作为工作介质,实现产品的运行、控制、操纵等功能。管路的合理布局设计、精确制作与可靠施工直接关系到机电产品的质量、可靠性和工作寿命。美国通用电气公司在对以往发动机的空中停车事件总结后发现,导致空中停车事件原因的50%是由于外部管路、线缆、传感器损坏、失效引起的。

    国内外相关研究机构从管路的数字化布局设计、导管弯曲加工过程建模与仿真、管路测量等方面开展了研究,取得了大量研究成果。在管路数字化布局设计方面的研究成果主要集中在计算机辅助人机交互式布局设计和自动布局设计两个方面。(1)人机交互式管路布局方面:GE公司在20世纪80年代采用在计算机上建立发动机电子样机的方式进行管路设计,北京航空航天大学从20世纪90年代初开始进行航空发动机的管路设计研究,并开发了交互式的航空发动机管路设计系统,北京理工大学的路志芳、赵柏萱等对虚拟环境下的管路交互式布局技术进行了研究并建立了原型系统。交互式的管路布局方式以技术人员在电子样机上进行手工交互布局操作为主,并利用技术人员的经验和相关试验进行交互式的反复修改,虽然利用计算机辅助技术在一定程度上改善了管路布局的效率,但是其操作繁琐并很大程度上依赖设计人员的经验,设计结果优化困难,设计效率和质量难以满足现代制造业发展的需求。(2)管路自动和智能布局方面:人机交互式管路布局技术的不足,促使学者们开始探索管路自动和智能布局方法,管路自动布局算法经历了从最初的二维平面到三维空间、单根管子到多管敷设的发展过程。在单管自动敷设方面,Rourke提出了采用迷宫算法解决管路布局设计,1991年Zhu等将管路敷设问题看成满足一定约束的机器人路径规划问题,提出了一种基于机器人路径规划思想的管路布局方法,1999年Ito提出基于遗传算法的管路规划方法,2006年范小宁等应用蚁群算法对船舶三维管路布局问题进行了研究,2007年付宜利等分别应用粒子群算法和混沌算法对机电产品的管线问题进行了研究,2011年王成恩等人提出了投影与侧地线发进行航空发动机的管路布局算法。在分支管路自动布局方面,2010年王成恩提出了基于管路干扰度的排序方法,2012年美国Park提出了管路布局的单元生产算法,2013年北京航空航天大学的攀江应用迷宫算法对分支管路端点进行串行连接。经过几十年的发展,管路自动敷设技术的研究已经取得很大进展,但是由于管路布局的复杂性,其理论上是三维空间的避障路径规划问题,而该问题是典型的NP-hard问题,同时多管路敷设顺序规划也是复杂的组合优化问题,另外管路布局不仅要考虑空间限制,还有考虑功能性、加工性、可装配性等一系列工程约束,因此目前管路的布局优化算法的工程应用仍然不理想,工程中尚缺乏实用的方法和工具。

    导管弯曲加工过程建模和仿真主要包括几何加工过程仿真和物理加工过程仿真两方面,几何加工过程仿真不考虑加工过程中的力、热以及其它因素的影响,只仿真机床、模胎和工件的综合运动并进行干涉检测,用以验证NC程序的正确性。物理加工过程仿真通过建立弯管加工过程的物理模型来预测弯管加工过程中的回弹、起皱、横截面畸变、开裂等工艺性问题,并通过对导管数控弯曲成形规律的研究和工艺参数控制来达到优化加工过程的目的。(1)在几何加工过程仿真方面:目前,国外数控弯管机制造商意大利BLM集团、英国Addision公司在其生产的部分数控弯管机上配有专用弯管仿真软件,此类仿真软件以图形编程的方式实现弯管机的加工过程仿真,具有模夹具的尺寸定义及加工过程的碰撞检测功能,但一套仿真软件只针对特定的一台数控弯管机,且与数控弯管机配套出售,不具备通用性。国内的西北工业大学的何卫平等运用TurboC开发了Tubemod系统,建立了美国Eaton Leonard公司的VB50、VB150及VB300系列数控弯管机的仿真模型;李峰等利用3ds Max与OpenGL开发了数控弯管加工过程仿真系统,北京理工大学吕波等还开发了TBS系统,通过定义运动变量,采用几何位姿的变换实现加工过程仿真,建立了Eaton公司VB50HP,VB100HP,VB200和VB300HP系列数控弯管机的加工仿真模型;陈安明等基于SolidWorks 2008开发了数控弯管加工仿真系统,建立了Eaton公司VB系列、Addison公司DBl00EB数控弯管机的仿真模型。(2)在导管加工过程物理建模和仿真方面:管材塑性弯曲成形是一个集材料非线性、几何非线性和边界条件非线性于一体的复杂过程,弯曲成形后容易产生回弹、外侧壁厚变薄甚至开裂、内侧壁厚增大乃至失稳起皱、横截面畸变等质量缺陷。因此,物理加工过程仿真一直是难点,也是国内外的研究热点。目前研究成果和研究方法,主要基于试验、理论研究和数值模拟技术,获得材料参数、几何参数以及工艺参数对回弹、壁厚变化以及横截面畸变等成形质量的影响机理,从而获得合理的工艺参数优化方案,提高弯管的成形质量和加工效率。在回弹解析理论研究中,EI-DomiatyA对轴力在较大范围(达到颈缩点)的拉伸弯曲及其回弹问题进行了研究,这些研究结果揭示了拉伸变形对回弹的抑制作用。Zhang在回弹的理论分析过程中特别强调了变形历史、材料强化模型对残余应力和回弹计算的影响。重庆大学的熊淑元运用弹塑性理论推导了弯矩计算公式,考虑了截面畸变以及壁厚的影响,分析了成形角与弯矩及曲率半径的关系,为回弹的深入研究提供了参考,但没有考虑中性层偏移对回弹的影响。AI-Qureshi以平面应变为假设,根据梁弯曲理论对管材弯曲进行了弹塑性分析,推导了回弹角计算公式,分析了外径、壁厚和弹性模量等参数对回弹的影响,并提出了回弹角补偿方案,但是方案的实施基于大量的试验,其应用具有局限性。2003年张旭光针对弯管的弯曲段和过渡段分别建立了不同的回弹预测解析模型,提出了以刚塑性有限元法计算管材塑性弯曲过程的应力场,结合预测模型实现管材回弹预测的新该法。GU分析了NC薄壁管回弹规律以及几何参数和材料参数对薄壁管回弹的影响规律,为研究其它参数对回弹的影响规律提供了思路。李振强采用解析法建立了大直径薄壁管回弹解析模型,但其忽略了管材弯曲变形过程中产生的壁厚变化和横截面畸变,与实际情况存在一定误差。李恒等分析了薄壁管几何参数对回弹的影响规律。北京理工大学的鄂大辛等人基于理想弹塑性变形模式分析了回弹现象,利用沿管材弯曲线切向和壁厚方向的变形关系,推导出基于弯管外侧材料变形卸载后弯曲回弹角的近似计算公式,并基于线性强化模型假设,分析了管材弯曲变形过程中的应力分布,提出在中性层两侧存在的弹性区域可能是导致二次回弹的主要原因。目前国内外关于管材弯曲成形理论、有限元成形质量预测技术以及工艺参数优化技术等方面的研究,已取得了一定的成果,也得到了一定程度的应用,但综合来看,现有的理论分析结果和相关技术研究仍不能完全解决管材弯曲成形过程中出现的缺陷问题。管材塑性弯曲缺陷产生机理的研究大多以实验分析和经验建模为主,有关成形质量之间相互联系以及形成机理的研究还不够深入和全面。管材塑性弯曲成形的影响因素复杂,很难建立统一的理论表达式,因此大多数研究工作主要建立在大量假设的基础上,虽可定性表征弯管的成形规律,但在定量上却很难保证理论分析结果的准确性,难以为弯管加工提供直接、有效的指导。

    另外,虽然导管数控弯曲技术大大提高了加工质量,但管路弯曲成形以及焊装后的精确测量仍然是保障管路系统精确安装和无应力装配的最直接手段。目前国内外对于导管加工后的空间几何形态测量主要采用靠模方法、激光矢量方法、激光跟踪仪和三坐标测量仪等。靠模测量方法根据弯管设计参数,需要制造机械对比装置,缺乏柔性。激光矢量测量方法需要沿导管轴线方向进行测量,测量效率低。激光跟踪仪和三坐标测量仪虽然测量精度较高,但这些方法测量时需要与导管表面接触,容易造成细长柔性管或软材料管的表面变形,导致测量失真,并且复杂形态导管同样存在遮挡不易测量,只能离散测量少量检测点,效率较低。因此,目前工程中急需新型测量装置来实现弯管以及导管接头组件(即弯管和接头焊装后的管路系统)的快速、准确测量。

    综述所述,目前管路设计与制造技术方面虽然取得较大成果,但仍然存在如下问题:1)管路的生产模式相对落后,存在着设计、施工和管理集成难的问题,需要探索一种新的集结构件和复杂管路一体化的集成设计方法,实现管路布局设计和结构件设计的并行协同,管路布局设计、工艺设计和制作之间的并行协同,以及制造与测量之间的协调,减少或避免不协调导致的返工多等问题;2)针对航空航天中广泛应用的高强轻质合金薄壁导管数控加工中的起皱、截面畸变、回弹等质量问题,以及目前管材弯曲理论相对薄弱的现状,急需通过大量工艺试验和仿真分析,建立考虑实际工况的管材弯曲应力、应变、卸载回弹、弯管横截面畸变、管壁厚变化以及压模压力、助推力等的计算方法,建立导管弯曲工艺数据库和知识库,实现基于实际工况的管材弯曲质量预测和工艺参数优化,提高管材弯曲成形质量;3)针对航空航天等复杂产品中无应力装配要求,以及长期制约管路设计与制造一体化中的管路快速测量的瓶颈难题,急需探索一种新的测量方法和装置,实现弯曲成形后的弯管以及导管接头组件的非接触快速准确测量。

    针对以上问题,课题组在“十五”和“十一五”国防基础研究等项目支持下,结合导弹、卫星、火箭等复杂产品中的管路研制工程实践,系统地开展了管路数字化建模、布局优化、工艺过程建模与仿真、试验验证及数字化测量等相关技术攻关和集成应用研究,以达到改变管路系统的落后生产模式,缩短研制周期、提高加工质量和安装可靠性的目的。

责任编辑:程玥
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