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产品装配技术的研究现状、技术内涵及发展趋势

2020/2/10    来源:e-works    作者:刘检华    孙清超  程晖  刘小康  丁晓宇  刘少丽  熊辉      
关键字:智能装配  装配工艺设计  
本文在总结国内外产品装配技术的研究现状基础上,阐述了其分类和内涵,建立了产品装配技术的研究体系框架,并对其面向装配的设计、装配工艺设计与仿真、装配工艺装备、装配测量与检测、装配车间管理等主要研究方向进行了论述,最后指出了未来产品装配技术的集成化、精密化、微/纳化和智能化的发展趋势。
0 前言
 
       装配是产品研制过程的关键环节,其将零件按规定的技术要求组装起来,并经过调试、检验使之成为合格产品。据统计,在现代制造中装配工作量占整个产品研制工作量的20%~70%,平均为45%,装配时间占整个制造时间的40%~60%。产品的可装配性和装配质量不仅直接影响着产品性能,而且装配通常占用的手工劳动量大、费用高且属于产品生产工作的后端,提高装配生产效率和装配质量具有更加重要的工程意义。
 
       装配技术是随着对产品质量的要求不断提高和生产批量增大而发展起来的。机械制造业发展初期,加工与装配往往还没有分开,相互配合的零件都实行“配作”,装配多用锉、磨、修刮、锤击和拧紧等操作,使零件配合和联接起来。如果某零件不能与其他零件配合,就必须在已加工的零件中去寻找适合的零件或者对其进行再加工,然后进行装配,因此生产效率很低。18世纪末期,随着产品批量增大,加工质量提高,互换性生产提到日程上来,逐渐出现了互换性装配。1789年美国E.惠特尼制造1万支具有可以互换零件的滑膛枪,依靠专门工夹具使不熟练的工人也能从事装配工作,工时大为缩短。最早的公差制度出现在1902年英国Newall公司制定的尺寸公差的“极限表”,1906年英国出现了公差国家标准。公差和互换性的出现使得零件的加工和装配可以分离开来,并且这两项工作可以在不同的工厂或不同的地点进行。19世纪初至中叶,互换性装配逐步推广到武器、纺织机械和汽车等产品,互换性所带来的装配技术一个重大进步是美国福特汽车公司提出的“装配线”,20世纪初福特汽车公司首先建立了采用运输带的移动式汽车装配线,将不同地点生产的零件以物流供给的方式集中在一个地方,在生产线上进行最终产品的装配,同时将工序细分,在各工序上实行专业化装配操作,使装配周期缩短了约90%,大幅降低了生产成本。互换性生产和移动式装配线的出现和发展,为大批量生产中采用自动化装配开辟了道路,国外20世纪50年代开始发展自动化装配技术,60年代发展了自动装配机和自动装配线,70年代机器人开始应用于产品装配中。
 
       但是,长期以来机械加工与装配技术的发展并不平衡。一方面,与机械加工用的机床等工艺装备不同,装配工艺装备是一种特殊的机械,其通常是为特定的产品装配而设计与制造的,因此具有较高的开发成本和开发周期,在使用中的柔性也较差,导致装配工艺装备的发展滞后于产品加工工艺装备。另一方面,装配具有系统集成和复杂性特征,产品装配性能是指受装配环节影响的部分产品性能,通常装配不仅要保证产品的几何装配性能(例如装配精度,包括相互位置精度、相对运动精度和相互配合精度等),有时还需保证其物理装配性能(例如发动机转子的振动特性),装配问题的复杂性导致装配的工艺性基础研究进展方面与机械加工相比,也相对滞后。
 
       通常产品的性能来源于设计、加工与装配等环节的共同保证,其中装配对产品性能有很大影响。工程中,相同的零部件,如果装配工艺不同,其装配后的产品性能差异有时很大;甚至如果装配质量不好,即使有高质量的零件,也会出现不合格的产品。例如卫星总装具有产品结构复杂、精度高、零部件繁多等特点,即使在产品的零件全部满足设计指标的情况下,也很难保证装配后整机产品的装配性能,往往需要经过多次试装、调整及返修才能装配出合格产品。再如我国新型高精度陀螺仪,主要零部件加工精度大都达到了精密乃至超精密水平,超过了国外加工精度,但装配后仪表的性能仍然很难得到保障。同时,某些精密产品在完成装配后或服役过程中,其性能可能会出现不同程度的下降,例如航天器导引头装配过程中形成的装配应力(尽管工程中常采取一定措施消除装配应力,但仍然会有残余应力存在),在产品服役过程中非均匀释放导致的零件形状或位姿发生微小变化,是导引头成像质量下降的主要原因之一。因此,装配过程不仅要考虑如何保障产品的初始装配性能,也要考虑如何在产品服役过程中保持产品装配性能(即装配性能的保持性问题)。
 
       随着卫星、火箭、飞机、高端数控机床等产品复杂化、轻量化、精密化和光机电一体化等方向发展,服役环境越来越恶劣化和极限化,装配精度要求越来越高、装调难度越来越大,产品装配性能保障也越来越困难。MIT的CHARLES教授指出“Final assembly is the moment of truth”。《机械工程学科发展战略报告(2011-2020)》指出,“随着现代机械系统结构的大型化和复杂化以及服役环境的恶劣化趋势越来越显著,人们对整机工作性能的可靠性和可持续性要求也愈加严格。而超精密加工等技术的发展使得零部件设计与加工精度的一致性得到显著提高,因此,产品整机装配性能的保障正在由最初的设计加工环节逐渐向装配环节转移,相关研究得到了世界各国的广泛关注”。
 
1 产品装配技术发展现状分析
 
       随着大规模工业化生产的兴起,产品装配技术得到了快速发展。机械工业发展初期,还处于单件生产方式时,工人在设计、机械加工和装配方面都有高度的技艺,这时工人绝大多数是技巧娴熟的工匠,通晓设计的原理,并且谙熟他们所采用的材料性能。第一次世界大战之后,大批量生产的出现,最大限度地应用了分工的思想,并促使产生了一批新的专业人员。这种专业分工不仅在车间里进行,而且在工程部门里也进行了专业分工,比如将工人分为机器操作工人、质检工人等;工程师分为结构设计工程师、工艺工程师等;另外产品工程师中有的负责发动机设计,有的负责车身设计,有的负责电气系统设计等。
 
       伴随着大规模生产方式的发展,装配也逐渐形成了装配车间管理工程师、装配工艺设计工程师、装配质量检验工程师、车间装配操作工人等人员分工,也逐渐形成了以产品装配技术为主要研究方向的学术和工程团队,有力地推动了装配技术的发展。在产品装配技术方面,国内外学者取得了一系列研究成果,下面分别从面向装配的设计、数字化装配、装配连接工艺、装配工艺装备、装配测量与检测、装配MES等五个方面,对相关成果的研究现状进行分析。
 
       1.1 面向装配的设计
 
       随着大规模工业化生产的进一步发展,企业专业分工也越分越细,导致了有的专业人员很少接触实际的产品,有的人甚至没有进过工厂。因此,“易于装配的设计”或者说“可装配性”逐渐受到大家关注。面向装配的设计(Design for Assembly,DFA)这一概念最早由美国Massachusetts大学的BOOTHROYD和DEWHURST于1980年正式提出。早期的DFA方法,主要是为了实现装配自动化而进行产品结构改进的研究中形成的。其方法一般是通过手册形式的装配设计指南、软件工具等,对产品结构中存在的不利于装配的问题进行分析评价,并基于相关产品设计知识提出再设计建议,从而降低产品装配难度并提高产品的装配性能。最早出现的两种DFA方法,是Hitachi AEM方法和Boothroyd DFA方法。尽管早期的DFA方法期望能在产品的概念设计一开始就发挥作用,但实际上往往是等产品的设计进行到一定阶段后,才对产品结构的可装配性进行评价,或者对不同的装配结构进行分析比较。这种事后检查的方式难以避免零部件设计的返工,DFA的作用也没能充分发挥出来。另一方面,这种针对产品结构进行可装配性定量评价的DFA方法,需要用户输入大量的数据,不但过程比较繁琐,而且评价过程很不直观。
 
       随着制造技术的迅猛发展,企业对DFA的需求也日益迫切,要求也不断提高,促使了DFA自身的改善,特别是并行工程的兴起为DFA注入了新的活力。学者们结合工程实际,对DFA的发展与改进做了大量的探索和研究,并认为DFA技术在涉及对象方面不仅与产品本身有关,也与装配过程有关。DFA的作用对象也拓广为产品开发中与提高产品装配性能相关的所有活动,从全面提高产品装配性能的角度出发,DFA发展为包含了以下几方面的研究内容:产品装配建模、产品装配规划与优化、产品装配结构评估、装配公差分析与综合、机构运动分析与综合等。以上这些研究内容从不同侧面对产品装配性能进行分析,以检验产品结构设计的可装配性。其中,装配模型是解决如何在计算机中表达和存储产品装配信息,使之能够全面支持产品的设计过程,并为后续的产品装配自动化、装配规划与优化、装配分析与评价提供所需的信息;装配公差分析与综合主要是从合理分配装配公差的角度来降低装配费用;机构运动分析与综合主要是对产品的机构装置运动进行定义,以分析产品工作过程中的动态性能。
 
       虽然DFA的研究对象在学者们的研究和探索中得到拓展,但从上述的DFA的发展过程来看,DFA的研究主要还是以产品结构设计为出发点,通过考虑其产品零部件的可装配性、装配成本和时间、装配顺序和路径等与装配相关的问题,并通过提供一系列有关装配设计的分析评价准则和方法,帮助设计人员对产品可装配性进行全面分析,一方面为产品设计提供合理的修改意见,另一方面为制定产品的装配工艺规程提供指导性的装配序列和装配路径等工艺参数。
 
       1.2 数字化装配技术
 
       计算机和数字化技术的出现极大地促进了装配技术的快速发展。数字化装配是产品装配技术与计算机技术、网络技术和管理科学的交叉、融合、发展及应用的结果。数字化技术与传统装配技术的结合即数字化装配技术。
 
       广义的数字化装配技术内涵十分丰富,不仅包括与装配相关的结构设计及工艺技术,而且包括装配工装与测量技术等,例如飞机数字化装配技术通常涉及飞机设计、零部件制造、装配工艺规划、数字化柔性定位、先进测量与检测等众多先进技术和装备。本文的数字化装配技术指狭义的数字化装配技术,是指利用数字化样机来规划和仿真产品的实际装配过程的技术总称,其主要基于产品数字样机开展产品协调方案设计及可装配性分析,并对产品的装配工艺过程的装配顺序、装配路径以及装配精度等进行规划、仿真和优化,从而达到有效提高产品装配质量和效率的目的。结合数字化装配技术的发展过程,下面主要对计算机辅助装配工艺规划、数字化预装配与虚拟装配、计算机辅助装调、装配精度分析等研究现状进行分析。
 
       ①计算机辅助装配工艺规划
 
       20世纪80年代初,随着计算机技术的发展与普遍应用,出现了计算机辅助装配工艺规划(Computer-Aided Assembly Process Planning,CAAPP)技术。计算机辅助装配工艺规划技术,也称为装配CAPP技术,其本质上就是应用计算机模拟人进行装配工艺编制,并自动或交互生成装配工艺文件的方法。
 
       自上世纪80年代初以来,国内外许多学者在装配模型、装配序列规划和装配路径规划等CAAPP的关键技术方面进行了大量的研究,取得了较多研究成果,CAAPP的关键技术是装配顺序规划(或者称为装配序列规划)和装配路径规划。因为装配顺序的好坏直接影响着产品可装配性,以及装配的操作难度、操作时间、工夹具数目和劳动强度等,因此如何获取一个好的装配顺序就显得尤为重要。在装配顺序自动规划方面,目前一些主要的方法包括:①通过推理产生所有装配优先约束,继而得到装配顺序;②基于“可拆即可装”的思路,获得产品的装配顺序;③通过人工智能领域中的专家系统或启发式算法等来获得产品装配顺序等。虽然利用计算机来代替手工编制工艺能够在一定程度上提高工艺规划的效率,减轻人的重复劳动,但完全依赖计算机的推理来自动生成产品的装配顺序,对于复杂的装配问题又不太可能得到令人满意的结果,特别是当产品的零部件数目较多时,其装配序列存在着“组合爆炸”问题,从而导致计算复杂性很高,效率低下。从组合学观点看,假设一个装配体由N个零件组成,每个零件至少有m种可能的装配方法,则装配体可能的装配序列为mN*N!;同时,设计中的微小改动也可能引起装配顺序的较大变换。
 
       在装配路径规划方面也存在类似工程化应用不足的问题,国内外学者在装配路径自动搜索方面也做了大量的研究,相继提出了方向多面锥方法、拓扑降维法、J函数法、人工势场法、可视图法、单元分解法、C空间障碍法等装配路径自动规划算法。但是对于复杂产品的路径规划,由于其状态空间规模大,在求解空间内必须进行大量的搜索和干涉碰撞检测等原因,导致当前装配路径求解算法存在求解成功率差、求解效率低等问题。
 
       由于自动生成装配工艺规程的复杂性,目前相关研究成果以理论探索为主,尚未有成熟的工具软件在实际工程中得到应用,目前工程中的CAAPP主要还是采用检索式和派生式的工艺规划方法。
 
       ②数字化预装配与虚拟装配
 
       20世纪90年代,制造业出了一个划时代的创举——波音777在整个设计制造过程无需实物样件和样机,直接进行了第1架波音777的首飞,一次成功。数字化预装配(Digital Pre-Assembly)是实现这一创举,确保飞机设计制造一次成功的关键技术之一。数字化预装配技术可理解为利用数字化样机对产品可装配性、可拆卸性、可维修性进行分析、验证和优化的技术总称。早期的数字化预装配主要是设计部门进行产品装配的几何约束和干涉检验及不协调问题分析,主要目的是获得具有良好可装配性设计的产品,虽然这些设计部门所进行的仿真在一定程度上考虑了产品装配工艺,但是在很大程度上忽略了产品装配过程中的场地、工装和人员等生产现场信息;随着数字化预装配技术的推广应用,人们逐渐认识到仅从设计角度考虑产品装配性的局限性,因此面向生产现场的装配过程仿真和装配规划技术也逐渐成为数字化预装配技术的主要研究内容之一。
 
       虚拟装配技术是在虚拟现实与数字化预装配技术相互融合的基础上发展起来的。虚拟装配技术是指综合利用虚拟现实技术、计算机图形学、人工智能技术和仿真等技术,在虚拟环境下对产品的装配过程和装配结果进行仿真与分析,从而达到检验、评价和预测产品的可装配性,并对产品的装配顺序、装配路径、装配方法、装配资源、人因工程等相关问题进行辅助分析和决策的方法。虚拟装配技术继承和发展了数字化预装配技术,但与DFA和数字化预装配技术不同的是,虚拟装配更强调通过建模和仿真技术来实现实际物理装配在计算机上的“本质实现”,其更多的是从工艺过程的角度实时地模拟装配现场和装配过程中可能出现的各种问题和现象,从而实现在实物试装前预知产品最终的装配性能并进行优化工艺,其中虚拟装配过程建模仿真与分析是手段,实现装配性能预测与优化决策是目的。
 
       对于虚拟装配中“虚拟”的确切含义,学者们则有不同的理解。虚拟环境提供的沉浸感、交互性与实时性极大地促进了设计者直觉、想象力与创造力的充分发挥。因此有人认为,虚拟装配(Virtual Assembly)中的V就是VR(Virtual Reality),强调VR在装配仿真中的应用,强调以一种沉浸的直观的方式增进技术人员对装配过程的理解,从而发现其中的装配问题,并认为只有利用了VR技术才能称之为“虚拟”。也有一部分学者从计算机仿真的角度来解释“虚拟”,认为只要是在建立物理的真实系统前,采用计算机数字化模型和计算机仿真来进行有关产品设计与制造方面的决策,就可以认为是“虚拟”。正如人们所熟知的,反映客观对象本质的模型固然会给人以真实感,但具有真实感的模型却不一定能反映客观对象的本质。笔者认为,虚拟装配技术中的“虚拟”是分层次的,计算机仿真与VR是虚拟的两个不同层次,VR是计算机仿真的更高发展阶段。或者说,“虚拟”可以从狭义和广义的角度来理解,狭义的“虚拟”是指采用了VR技术的虚拟,广义的“虚拟”是指建立在物理系统前,利用计算机仿真环境和计算机数字化模型来进行相关设计和制造活动,都可以称之为“虚拟”。
 
       由于虚拟装配技术具有诱人的应用前景,西方工业国家相继成立了一大批虚拟装配研究机构,并开展了应用基础技术的研究,建立了一批虚拟装配系统并在企业得到工程应用,取得了良好效果。20世纪90年代华盛顿州立大学与美国国家标准技术研究所NIST合作开发的虚拟装配设计环境VADE(Virtual Assembly Design Environment)是一个具有代表性的虚拟装配系统,在这个虚拟装配系统中,设计者可以选择最理想的装配顺序,生成装配/拆卸路径规划以及观察最终结果。我国自90年代末开始虚拟装配技术的跟踪研究,国内清华大学的肖田元、张林鍹等;浙江大学的谭建荣、刘振宇等;北京理工大学的宁汝新、刘检华等;上海交通大学马登哲、范秀敏和武殿梁等;华中科技大学的李世其、王峻峰等;哈尔滨工业大学的姚英学、夏平均等;南京理工大学张友良、汪惠芬等;西北工业大学的李原、张开富等;北京航空航天大学的刘继红等相继开展了虚拟装配相关技术的研究,并提出了许多有价值的新理论和新方法。目前,虚拟装配技术主要从早期的基于理想几何的装配过程建模与仿真,向基于物理的建模与仿真方向发展。
 
       ③计算机辅助装调技术
 
       在产品装配技术的发展过程中,针对一些精密仪器仪表的装配,尤其是精密光学系统的装调,由于其系统结构趋于复杂、成像质量接近衍射极限,其装调难度极大,传统的光学装调手段无法满足要求,在此背景下,随着计算机技术的发展,出现了计算机辅助装调技术(Computer Aided Alignment,CAA)。计算机辅助装调将光学检测技术和计算机优化技术相结合,将计算机辅助技术应用于复杂光学系统装调中。其主要思路是通过光学检测工具(如激光干涉仪等)获取光学系统的测量参数,在此基础上通过分析计算,获取光学系统各个元件的装调参数。
 
       1970年至1985年,美国的Itek公司提出了当时一种十分先进的光学系统设计思想,但在最终系统装调中始终无法使系统的成像质量接近理论设计值。EGDALL等人率先提出了计算机辅助装调的设想,达到了良好的装调效果。美国Santa Barbara研究中心的FIGOSKI等人对离轴无遮拦三反射镜光学系统进行计算机辅助装调,并对一比例缩小的原型机进行了实际的装调实验,使整个视场波前误差RMS值达到了0.055λ(λ=632.8nm)。近年来,美国亚利桑那州的SCHMID等利用矢量波像差理论,分析了轴对称光学系统存在装调误差时的系统像差特性。
 
       国内对计算机辅助装调技术的研究起步较晚,但也取得了较多研究成果。中国科学院长春光机所的张斌、韩昌元,杨晓飞等人;中国科学院南京天文光学技术研究所罗森等;哈尔滨工业大学的空间光学工程研究中心刘剑峰等;中国科学院西安光机所的车驰骋、孔小辉等人利用计算机辅助装调技术指导特定光学系统装调过程,起到了良好的装调效果。但以上这些研究都是对计算机辅助装调技术的理论研究,且集中在失调量的数学解算上。国防科技大学的薛晓光等人在光学自动设计模型中引入机械结构和装配工艺约束,建立了面向装配过程的精密光学系统计算机辅助装调数学模型。
 
       目前,研究建立光学系统的装调工艺模型,在此基础上通过装调工艺参数的灵敏度和相关性分析等,寻找最优的辅助装调工艺参数,从而定量指导装配工人进行快速精准装调是发展重点。
 
       ④装配精度分析
 
       产品装配的根本问题之一是保证装配精度。产品装配精度分析技术是指在产品设计阶段或现场装调阶段,综合分析影响装配精度的各方面因素,在此基础上通过对装配过程中各种装配偏差源或者加工误差进行建模与分析,从而达到对产品装配精度进行预测和控制的技术统称。目前国内外研究学者针对产品装配精度分析的相关理论及方法开展了深入研究,成果主要涉及到公差建模、装配偏差传递与累积、公差综合与装配精度控制等方面。其中公差建模是装配精度分析的基础,装配偏差传递与累积是装配精度分析的核心,公差综合与装配精度控制是装配精度分析的目的。
 
       公差建模主要用于对公差进行准确无误的表述,并对其语义做出正确合理的解释。其中,公差信息模型用于实现公差信息的全面描述,其不仅要能够支持各类公差信息的完整表达,而且能够表示信息之间的约束关系,确保公差信息表达的规范性;公差数学模型用于按照工程语义对公差信息进行数学描述和解释,是实现公差表达处理以及在各阶段的数据传递的关键。比较典型的公差模型包括:基于拓扑和逻辑关联表面的公差信息模型(Topologically and Technologically Related Surface,TTRS),多色集合模型,小位移旋量模型(Small Displacement Torsor,SDT),公差变动矢量图模型(Tolerance Map,T-Map)以及自由度模型等。
 
       装配偏差传递是指产品尺寸和几何精度在装配过程中的相互作用,以及其基于几何接触和几何配合在装配过程中的累积。偏差传递通常基于尺寸链、变动几何约束网络、状态空间模型等方式。尺寸链是由顺序连接的尺寸公差信息构成的封闭尺寸组,BJORKE和DEVRIES首先提出了二维尺寸公差链的自动生成方法,国内学者如上海交通大学的周江奇、来新民等,北京理工大学的宁汝新等分别实现了三维装配尺寸链的自动搜索和生成。变动几何约束的概念由CLEMENT等率先提出,浙江大学的胡洁、吴昭同等将其扩展为变动几何约束网络并用于装配偏差传递与积累计算。状态空间模型采用控制理论中的状态空间理论描述多工序误差和装配偏差的传递过程,JIN和SHI对多工位制造偏差流进行了分析,建立了综合考虑基准误差、夹具误差、尺寸及几何误差的误差流模型,上海交通大学的来新民等、西安交通大学的洪军等分别研究了该模型在汽车车身及精密机床装配中的应用。
 
       公差综合又称为公差优化,目的是在公差分配时以最小的代价满足设计要求。公差优化主要为了衡量公差设计方案的优劣,主要以装配精度要求为约束条件,以制造成本、质量损失等作为优化目标。国内外学者先后提出了诸如负指数模型、多项式模型等制造成本模型和TAGUCHI质量损失模型、平方质量损失模型等质量损失模型,并通过解析法和迭代法等优化算法实现公差优化。
 
       装配精度控制是装配精度分析的主要目标之一,尤其对于精密产品而言,如何在现场装调阶段提出合理的装调方案,从而确保产品的装配精度,一直是工程中的难题之一。依据产品的精度要求以及生产型式,保证产品精度的装配方法主要分为:互换装配法、选择装配法、修配装配法和调整装配法等。传统的装配精度控制技术的研究主要基于以上装配方法,结合现场装配阶段的实测尺寸数据,利用相关优化算法对装配组合、修配量或调整量进行优化求解,以提高装配精度和装配成功率。然而,产品的现场装调阶段往往受到来自测量、定位、夹具、紧固力控制等各个环节的不确定性因素影响,仅仅通过几何量控制产品精度的装配方法已经难以保障装配精度的一致性。因此,当前面向装调现场的装配精度控制研究已经逐渐转向装配精度的实时测量与跟踪预测,并在此基础上,优化与调整装配工艺参数(包括零件定位位置、紧固力大小等),从而实现对装配精度的控制。
 
       此外,越来越多的研究学者意识到,在装配精度分析过程中将零件的表面形貌及其在装配力作用下的影响考虑进来,将会使得精度预测结果更加真实准确。这种综合考虑表面形貌与受力变形的装配精度分析技术是当前研究热点之一。
 
       1.3 装配连接工艺
 
       在产品装配中需要广泛地使用各种连接方式将分离的零部件连接到一起,最为常用的连接方式包括螺纹连接、焊接、铆接以及粘胶连接等,本文中主要对螺接和铆接工艺进行研究现状分析。
 
       ①螺纹连接工艺
 
       由于可以获得很大的连接力,便于重复拆装,同时又具有互换性、易于大批量生产、造价低等优点,螺纹连接成为机械产品中应用最广泛的连接方式之一。据统计,普通家用轿车上螺纹连接可以达到3000多个,占汽车制造装配总作业量的30%以上。
 
       螺纹连接的最终目是在被连接件间获得可靠的夹紧力,即螺纹连接件内部产生可靠的预紧力。由于在拧紧过程中预紧力通常都不易直接测量和控制,通常情况下是通过其他手段间接控制,于是针对不同的预紧力控制手段,产生了不同的拧紧方法。《螺纹紧固件通则》中规定了3种典型的螺纹拧紧方法,包括扭矩法、转角法和屈服点控制法。
 
       扭矩法的基本原理是在拧紧过程中通过控制拧紧力矩来实现对预紧力的间接控制,具有操作灵活,工具简单,成本低等优点,应用范围最广,特别是单件、小批量产品,这些产品受限于操作成本和装配空间,普遍采用扭矩法。国内外学者运用理论分析、实验和有限元仿真等手段对扭矩法进行了大量的研究工作。早在1976年,MOTOSH就提出了计算拧紧力矩的理论公式,将拧紧力矩分为:端面摩擦力矩、螺纹摩擦力矩和预紧力矩。1989年,SHIGLEY和MISCHKE在公式中考虑了螺旋升角的影响;2007年,NASSAR等人建立了螺纹牙的三维静力学模型,并考虑了端面压力分布和螺纹面压力分布的影响,使得扭拉关系公式更加准确。在实际的拧紧过程中,扭矩法控制预紧力通常表现出较大的离散性,美国奥克兰大学的NASSAR团队通过大量的扭拉关系试验研究了螺栓尺寸、螺距、润滑条件、拧紧速度、拧紧次数、涂层种类、表面粗糙度和涂层厚度等因素对扭矩法控制精度的影响。随着计算机技术和数值模拟技术的发展,有限元仿真也被用于研究扭拉关系。YU等建立了螺纹连接的三维有限元模型,在螺母外侧表面施加切向应力仿真拧紧过程,研究了摩擦系数、螺距、弹性模量、装配间隙和应变-硬化指数对扭拉关系的影响规律;GONG等人采用同样的仿真方法,考虑端面压力分布的影响,拟合了更加准确的扭拉关系公式;SARAVANAN等还研究了端面的非平行性对扭拉关系的影响规律。
 
       转角法通过控制拧紧转角来达到控制预紧力的方法。转角法对预紧力的控制精度要高于扭矩法。转角法通常是先用较小的力矩值将螺纹连接件拧紧,然后再将连接件拧过一定角度θ使得螺纹连接中产生预紧力F,所以转角法在工程中又叫扭矩-转角法。但实际拧紧螺纹连接件时,很难判别何时与被连接件完全贴紧,即无法确定转角θ的起点。屈服点控制法最大限度地利用了螺栓强度,当螺栓内部应力达到材料屈服极限时结束拧紧,将此时的预紧力作为目标控制值。屈服点控制法的控制精度高,预紧力离散度较小,但拧紧工具比较复杂。
 
       另一方面,螺纹连接的松动会直接影响产品服役性能,国内外相关学者一直在试图揭示外部载荷条件下的螺纹连接松动机理。JUNKER早在1969年就通过振动试验发现横向振动是造成螺纹连接松动的主要载荷形式。此后一些学者尝试建立理论模型来揭示横向振动条件下的螺纹松动机理,典型的理论模型有定量二阶模型、质量-弹性模型和非线性数学模型等。2002年PAI和HESS通过研究发现局部滑移的累积和扩展是导致螺纹松动的主要原因,这一发现也被IZUMI等和DINGER等人证实。同时,研究者从工程应用的角度,也提出了一些新型的防松结构,如阶梯锁紧螺栓、基于三次螺旋曲线的螺纹连接以及带楔形斜面的锁紧螺母等,并在工程中得到较好应用。
 
       当前,针对螺纹拧紧工艺的研究已经比较成熟,但螺纹连接的松动问题一直没有得到彻底解决,其机理仍然不清楚,因此如何从机理上揭示螺纹连接松动的原因,并给出确保防松性能的设计准则和工艺参数,是后续螺纹连接工艺研究的重要内容之一。
 
       ②铆接工艺
 
       铆接是利用铆钉塑性变形将两个或两个以上元件连接在一起的一种不可拆卸的机械连接工艺,铆接过程中铆钉在力的作用下,发生膨胀,与孔壁产生干涉配合,并在端部产生墩头。因为铆接成型工艺简单,成本低廉,连接强度稳定、抗高温、耐腐蚀等优点,被广泛应用于航空、航天、纺织、汽车及船舶等领域,例如一架空客A320普通客机机体在生产中就需要100多万件铆钉。目前对铆接工艺的研究主要集中在铆接机理、铆接工艺参数优化、铆接结构疲劳寿命以及先进铆接设备等方面。
 
       铆钉及孔壁变形是铆接成型的重要机理,WRONICZ等研究了压铆后孔周的应力与应变分布情况,并比较了压铆力和铆钉类型对应力应变的影响。SHISHKIN提出了一种计算铆钉接触压力和卸载结果的方法。夏平分析了连接孔圆柱面上的径向分布压力及铆钉帽对板圆环面上的分布压力。ATRE等分析了钉头变形和力-位移曲线的变化,以准静态位移控制铆接过程,发现了铆钉屈曲引起的非轴对称变形以及密封剂对环向拉应力的影响。WRONICZ等提出了铆接孔附近的高应力和应变梯度的存在。WITEK分析了抽芯铆钉铆接铆钉核位移函数与铆接力的关系以及塑性应变分布。XIONG等使用复杂变分法的数值解析方法,可解决单向受拉加载情况下的薄壁件铆接连接应力。ABDELAL等分析包含了热效应、材料快速塑性变形等材料属性,获得了应力和应变的状态以及材料变形和热过程。SZOLWINSKI等研究表明,钉孔发生干涉配合后孔周附近形成的残余压应力对结构裂纹的萌生与增长有深远的影响。
 
       基于作用机理,学者们研究了工艺参数对铆接成型的影响,进而进行铆接工艺参数的优化。LI等研究了钉/孔间隙、摩擦系数、腐蚀膨胀三个因素对应力状态影响。刘秀全采用塑性有限元方法对自冲铆接过程进行了数值模拟,得到了成形过程中应力、应变分布规律,以及自冲铆接成形工艺参数对连接表观效果和强度的影响。RANS等发现镦头的平面度、压铆力和铆接板厚度方向的压缩对残余应力的大小有重要影响。SKORUPA等指出控制压铆力比控制镦头尺寸更容易得到质量更高的铆接件。CHERAGHI等借助有限元仿真分析了工艺参数压铆力、铆钉长度、镦头直径和高度、埋头窝的深度、孔径公差对铆接质量的影响,指出适当降低埋头窝的深度可以允许其它工艺参数有更大的变化范围。曹增强等发现采用66°铆模倾角可以实现较理想的干涉配合,接头疲劳寿命最长。刘永胜等发现接头的锥度变化对接头中的应力分布影响不大,但对应力值的影响较为明显,锥度控制在2°-10°比较合适。
 
       在铆接装配对连接结构寿命的影响方面,陈福玉等证明通过控制孔径可以提高铆接构件的疲劳寿命。CHAKHERLOU等发现当干涉量在1%~3%,试验件的疲劳寿命在不断增加,干涉量为4%时疲劳寿命增加不明显。田秀云等通过试验验证干涉配合铆接的疲劳寿命比普通铆接的疲劳寿命提高了25%。MANES针对T型搭接铆接结构,分析工艺参数对产品结构局部应力的影响,以优化工艺参数。RIJCK等通过镦头参数预估结构疲劳性能。
 
       目前先进的铆接工艺主要有电磁铆接和超声辅助铆接等。YOON等建立了电磁铆接三维有限元分析模型,进行了最大压铆力的优化研究。FOX等测量了电磁铆接后的三轴应力对铆接孔的疲劳寿命的增益。曹增强等提出利用电磁铆接实现理想干涉配合铆接,并对基于电磁铆接的理想干涉配合铆接工艺进行了实验研究,分析了铆模倾角对铆接后铆钉镦头、干涉量及残余应力的影响。TIMOTHY等人建立了人工铆接过程中铆枪、活塞及工件的三自由度模型。LUCAS等研究了超声叠加柱状铝棒的挤压变形过程,分析了径向和轴向两种不同超声叠加振动下的摩擦效应。NGAILE等将超声叠加技术应用于微挤压成形,通过试验观察了超声激励对变形载荷以及表面质量的影响。SIEGERT等针对超声叠加成形工艺,研究了叠加过程对摩擦力带来的影响,提出了包含超声叠加影响的摩擦规律。ABDUL等分析了激振力对变形力的影响规律,研究了应力应变关系中的临时软化效应。ZHANG等建立数学方程式,描述了超声振动下材料的屈服强度的变化,认为屈服强度是超声强度的指数函数。
 
       目前对于金属结构铆接研究已相对较为完善,然而对于复合材料的低应力铆接成型机理尚不清晰,其工艺参数优化也是研究难点,同时先进铆接设备研发,如电磁铆接、超声铆接辅助设备和新型铆接结构的研究也是未来铆接工艺的研究方向之一。
 
       1.4 装配工艺装备
 
       装配工艺装备是实现产品自动化、智能化装配的工具。与机械加工用的机床等工艺装备不同,装配工艺装备的设计过程与待装配的产品结构、装配工艺和检测技术等密切相关,产品结构及工艺的差异性导致装配工艺装备是一种特殊的机械,通常为特定的产品而设计制造的,具有较高的开发成本、柔性差等特点,因此目前国内外尚缺乏普适性的装配工艺装备方面的系统理论及方法体系。笔者结合产品的装配工艺特征,主要分析了栓接、铆接、部件调姿与对接等工艺装备,以及微小零件的装配工艺装备的发展现状。
 
       拧紧工具是产品装配过程中应用最广泛的装配工艺装备之一,其发展具有典型的精确化、自动化发展趋势。ATLAS、英格索兰等国外拧紧设备集成了完善的拧紧工艺参数控制策略,100N.m级别扭矩控制精度达1%以内;我国拧紧机制造企业及相关研究机构也对拧紧机及其拧紧控制策略开展了大量研究,研究成果应用于汽车发动机、弹体等装配拧紧过程,但控制精度、可靠性与国外同类产品相比仍存在差距。拧紧过程中螺栓间弹性相互作用是影响预紧力一致性的重要因素之一,而多轴同步拧紧有利于减少预紧顺序的影响、提高装配性能,目前双轴、多轴拧紧设备已在国内外汽车装配过程中广泛应用;Rolls-Royce、GE公司也普遍应用双轴、多轴拧紧设备实现航空发动机精确装配,而我国目前尚缺乏航空发动机多轴拧紧装配应用实例。随着自动化技术、机器人技术的发展,国内外研究应用了采用机器人带动拧紧机的自动化工艺装备,提高了预紧力一致性、减少了装配过程中的误操作,如上海商用发动机制造公司等制造企业研制的转子内腔螺栓拧紧机器人、大型低压涡轮单元体自动化拧紧设备,法士特汽车传动公司重卡变速器装配线应用的拧紧机器人等。
 
       铆接装备在飞机机身、曲面天线、汽车车身等板类零部件装配过程中广泛应用,自动化工艺装备正逐步取代传统人工连接,大幅提高了装配效率及产品可靠性。制孔通常作为铆接的基础工艺,孔定位精度、深度及孔壁质量等直接影响装配质量和疲劳寿命,制孔装备在自动化装配过程中发挥巨大作用,如A380机翼壁板装配应用了CNC自动制孔机床,Northrop Grumman公司研制了5种自动钻孔系统(ADS),并应用于F-35机身柔性装配过程。中国重汽、长安福德等汽车制造企业为减少制孔过程的影响,应用了车身自冲钻铆设备,通过将铆钉直接压入板材形成稳定连接。自动钻铆设备广泛应用于国外飞机机身、机翼壁板、汽车车身装配中,如达索航空公司应用的自动化钻孔、铆接、紧固件安装机器人,XI等研制的机器人与5轴联动顶铁支架相互协作的自动化气动锤铆系统等。
 
       大部件调姿与对接是航空航天产品装配的重要环节,对于装配精度、装配效率具有重要影响。航空航天产品大部件装配过程中广泛涉及调姿与对接,如飞机大部件对接、航天器舱段水平对接、卫星舱段垂直对接、导弹舱段对接等,传统的调姿与对接主要依靠专用工装进行定位和夹紧,并配合人工作业实现部件间的几何关系和约束,该方式不易进行精确位姿调整,且装配效率低;近年来,先进集成公司(Advanced Integration Technology)、德国BROTJE公司等制造企业和研究人员提出了一类基于数字化测量的对接系统以实现高效、精确的调姿与连接,该类系统一般包括数字化测量系统、位姿调整机构、控制系统和数据处理系统,各系统相互协作实现柔性化对接。我国航空航天中的大部件调姿与对接仍然沿用以人工操作为主的传统方法,往往需多次调整才能满足对接精度要求,近年来国内一些高校和企业积极开展大部件对接理论和实践研究,如浙江大学郭志敏等开发了基于三坐标支撑柱的大型刚体位置和姿态调整系统,北京航空制造工程研究所杜兆才等研究了多机器人协调操作系统在飞机大部件对接中的应用等,初步建立了系统的自动调姿与对接装备的技术体系。
 
       精密微小型零件手工装配效率低、产品一致性差,相对而言,采用工艺装备更容易实现高效率、高精度装配要求。一般微小型零件的精密装配系统包含视觉检测单元、微力检测单元、操作手单元及主控单元,分别实现获取待装配零件与目标零件位姿信息、装配零件力的控制、装配工艺操作及对其它系统的控制等功能。近年来国内外针对微装配工艺装备开展了大量研究,如德国的卡尔斯鲁厄核研究中心微结构研究所、巴特勒研究所、达尔马诗塔特大学等很早就开始微装配工艺装备研究;瑞士联邦理工大学一直致力于精密装配机器人开发,成功研制了MEMS零件与其它精密微小零件装配的系统;加拿大多伦多大学研制了6自由度微装配系统,用于实现三维微结构-微电机驱动微镜的精密装配等;芬兰坦佩雷大学,日本的东京大学、名古屋大学,法国的FEMTO-ST研究中心,意大利的比萨大学,美国的Zyvex公司、德州大学阿灵顿分校、明尼苏达大学等开发了一系列精密装配工艺装备。我国的大连理工大学、华中科技大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、西安交通大学、南京航空航天大学等单位都曾经成功研制微装配工艺装备。
 
       未来装配工艺装备正向高可靠性、自动化、柔性化、智能化、应用集成化等方向发展;同时装配工艺复杂性、结构及工艺参数不确定性等也要求装配工艺装备研制过程中,实现工艺装备与工艺、检测技术的系统集成。
 
       1.5 装配测量与检测
 
       测量与检测是确保装配质量的直接保障手段,甚至有的测量设备已经作为工艺装备的一部分,直接参与到产品装配中。按照测量对象的不同,装配测量与检测技术主要分为三类:1)产品几何量及其精度的测量,即产品形状及位置的测量;2)物理量的检测,即装配力、变形量、残余应力、质量特性等检测;3)产品状态量的检验,包括产品装配状态、干涉情况、密封性能等的检验。上述检测对象涉及的测量与检测的方法及工具各异,需根据具体情况进行合理的选择。
 
       在产品几何量及其精度的检测方面,根据测量方法的不同,主要分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量是通过测量头与被测物发生接触,从而获得被测物几何信息的测量方法,主要测量设备有三坐标测量仪和关节臂式测量仪,主要检测对象是机械产品几何量。近年来三坐标测量仪的测量精度和效率得到了极大提高,在产品三维几何估计、测量点的分布和数量、分步式测量方法等技术方面取得了重要进展,同时关节臂式三坐标设备以其量程大、体积小及使用灵活等优点被广泛关注,然而其研究主要集中在机器人运动学及其精度补偿领域,对于接触式测量原理并未有新的突破。非接触式检测手段主要有视觉测量、激光测量等。其中视觉测量使用单台或多台相机对被测物体进行照相后,再通过图像识别与数据处理等手段对被测物进行测量。在视觉测量建模方面,对传统的模型进行改进,形成了众多先进模型,如基于知识的视觉理论模型、主动视觉理论框架和视觉理论集成框架;在测量系统研发方面,国内外都开发出精度较高的视觉测量系统,天津大学、上海交通大学在单目视觉检测、大范围视觉坐标测量系统、三维激光视觉检测系统开发等方面取得了突破性的进展;基于深度学习的视觉识别是近年来的研究热点,其核心是深度学习中卷积神经网络,相应有DPM、R-CNN、SPP-net等算法。激光检测技术通过对被测物表面进行扫描,获得表面点云数据,在通过逆向工程得到产品表面信息,主要检验对象是产品形状精度。主要基于三角测量原理,应用于焊接线检测、磨损测量、三维表面快速测量等。
 
       在物理量的检测方面,主要包括面向装配力、变形测量的电阻应变片测量、光测力法、磁敏电阻传感器、声弹原理测量方法等。在电阻应变片测量方面,M.A.Mccarthy等人利用电阻应变片对单螺栓进行测量,发现除了靠近孔的一侧受力,其表面应变分布不受螺栓孔间隙的影响。在声弹性原理测量方面,M.B.Marshall等人利用超声导波的技术成功表征装配结合面的界面压力,确定了松动发生的速率。
 
       在产品状态量的检验方面,主要包括产品内部结构检测、泄露检测等。在产品内部结构检测技术方面,主要成果包括数字射线DR成像技术(Digital Radiography)、计算机断层扫描技术(Computer Tomography)等。中北大学的韩跃平等人研发了国内首套复杂产品内部结构装配正确性X射线在线自动检测系统,成功应用于汽车的多种复杂结构产品的快速自动检测。而在泄露检测方面,目前主要方法是采用超声波检测泄露相机技术。过程装置在制造和运转的时候,不但需要知道有无泄漏,而且还要知道泄露率有多大,而超声波检漏在设备上的使用,使在线检漏成为现实。
 
       目前,智能检测已逐渐成为产品装配检测的重要发展趋势,智能化检测不仅体现在研发更加精确的智能化检测设备和检测系统,同时体现在通过更加准确、高效的算法对检测数据进行分析,依据检测结果反馈指导装配过程,形成装配过程的闭环控制。目前智能检测技术的发展重点有:(1)研发多场融合的智能测量设备及微型传感器;(2)开发智能测量、识别、评估算法;(3)基于人工智能手段对测量数据进行二次利用,开发其“剩余价值”等。
 
       1.6 装配MES技术
 
       生产车间作为制造企业的具体执行单位和效益源头,是企业信息流、物料流和控制流的汇集点,制造执行系统(Manufacturing Execution System,MES)是近年来迅速发展的面向车间执行层的生产信息化管理系统。1990年美国先进制造研究协会(Advanced Manufacturing Research,AMR)首先提出了制造执行系统的概念;1997年,国际制造执行系统协会(Manufacturing Execution System Association,MESA)构建了MES的功能模型,明确了MES系统的11个功能模块,包括生产调度管理、资源分配与状态管理、现场数据采集、生产质量管理、生产设备管理、文档控制等。随后MESA在2004年提出了协同的MES(Collaborative Manufacturing Execution System,c-MES)概念,在此期间也出现了可重构MES(Reconfigurable Manufacturing Execution System,RMES)的概念。
 
       面向装配的MES技术,简称装配MES技术,通常包含装配车间作业计划编制、装配质量分析、装配成本控制、物料动态跟踪与管理、车间设备能力管理等功能,装配MES技术可以有效提高装配车间生产效率,并保障产品装配质量。目前装配MES的研究对象,多为自动化装配流水线,比较典型的应用行业包括汽车、印制电路板、家用电器等,研究内容主要包括基于RFID(无线射频,Radio frequency identification)的装配现场实时数据采集,实时信息(Real time information)驱动的物料配送与管理,装配生产线的平衡与排序等。另外,部分学者对离散型装配MES技术进行了研究与应用,例如刘检华等提出了基于流程的复杂产品离散装配过程控制方法,以及面向离散装配过程的数据实时采集、动态实时可视化监控、生产调度、物料动态跟踪与管理、实做工艺等技术,开发了计算机辅助复杂产品装配过程管理与控制系统并开展了工程应用。朱海平等研究了面向飞机装配的MES技术,GE等研究了面向船舶建造过程的空间调度问题。
 
       目前,智能制造已成为世界主要工业化国家重振制造业的重要突破口,其中智能装配车间也是研究重点方向之一。因此,如何在现有装配MES研究成果的基础上,通过融合人工智能、物联网、大数据、云计算、移动通信等新一代信息与通信技术,最终实现智能装配车间是当前研究热点。目前,陶飞等和刘检华等就如何利用数字孪生技术实现智能化的生产车间或装配车间进行了初步的探索,后续的研究内容主要包括:(1)面向装配车间的物联网构建与优化;(2)装配车间数字孪生体的构建、运行与优化;(3)装配车间的制造大数据管理;(4)大数据驱动的装配质量评估与预测;(5)装配车间生产过程智能决策与优化等。
 
2 产品装配技术的类型
 
       产品的装配方法从不同的角度可划分为不同的类型,按照装配的自动化程度,装配主要可以分为手工装配、专用自动化装配和柔性自动化装配三种:
 
       ①手工装配。手工装配是目前最通用的方法,借助于通用或专用工夹具,如工作台、力矩扳手、铆钉枪等,人手几乎能实施任何产品的装配。虽然人工装配具有装配一致性差、效率低等缺点,但装配过程中人能从装配图纸中获取大量的工艺信息,在人的智能和经验指导下,装配活动极具柔性和匠心。在我国航空、航天、船舶和工程机械等领域,由于其产品大多具有多品种小批量的特点,手工装配大量存在。
 
       ②专用自动化装配。是指利用专门的设备和工装针对确定结构产品的装配,生产效率通常高于人工装配,但系统柔性差,适合于大批大量生产。目前我国汽车、电子等大量生产的产品,其装配基本都在移动流水线上进行,但只是部分实现了全自动化装配。
 
       ③柔性自动化装配。又称机器人装配,装配系统由机器人组成,系统能适应产品型号或结构的变化,可实施较大范围的产品族的装配,兼有柔性强和生产率高的优点。
 
       按照装配的组织形式,装配又可分为流程型装配和离散型装配。流程型装配是指产品由多个零件经过一系列连续的工序最终装配而成,并且随着装配工作的开展其装配操作人员和装配地点都会变化的装配方式。流程型的装配方式有生产节拍,比较适用于大批量生产,例如汽车装配就属于流程型装配。
 
       离散型装配是指产品往往由多个零件经过一系列并不连续的工序最终装配而成,装配操作人员围绕预先设置的若干个固定的装配点,完成所有装配工作的装配方式。
 
       离散型装配又可分为集中固定式装配方式和分散式固定装配方式。集中式固定式装配方式又名地摊式装配方式,就是由一组固定不变的工作人员对于全部的装配工作在一个固定不变的地方集中完成所有装配工作,这种方法对单件生产的产品的装配效率较高。分散式固定装配方式是在固定中具有一定的流动性,其生产特点是将产品的装配工作分解成若干个组装部分,在不同的组装点由不同的装配操作人员完成,最后再完成总装工作。这种方法生产效率相对较高,适用于较大批量的产品装配。
 
3 产品装配技术的内涵
 
       装配是机械制造中最后决定产品质量的重要工艺过程。装配也可称组装,是指“增添或者联接若干零件来形成一个完整产品的过程”。简单的产品可由零件直接装配而成;复杂的产品则须先将若干零件装配成部件,称为部件装配;然后将若干部件和另外一些零件装配成完整的产品,称为总装。产品装配完成后需要进行各种检验和试验,以保证其装配质量和使用性能;有些重要的部件装配完成后还要进行测试。
 
       产品装配技术是指机械制造中各种装配方法、装配工艺及装备的技术总称。目前产品装配尚未形成一个比较系统和完整的技术体系,根据现有的认识水平,可以认为其主要包括面向装配的设计、装配工艺设计与仿真、装配工艺装备、装配检测与监控、装配车间管理等研究方向,其基础理论包括计算几何、弹塑性理论和人工智能等,产品装配技术的发展趋势表现为集成化、精密化、微/纳化和智能化,其研究体系框架如图1所示。

产品装配的研究体系框架

图1 产品装配的研究体系框架
 
       产品装配技术的五维结构模型如图2所示,其中设计是主导、工艺是基础、装备是工具、检测是保障、管理是手段。1)设计是主导:产品的可装配性和装配性能主要是由产品的结构决定的,设计时应在结构上保障装配的可能,采用的结构措施应方便装配,以减少装配工作量,提高装配质量。2)工艺是基础:工艺是指导产品装配的主要技术文件,装配工艺设计质量直接影响着产品装配的操作难度、操作时间、工夹具数目和劳动强度等。3)装备是工具:工艺装备是实现自动化智能化装配的重要支撑工具。4)检测是保障:测量与检测是装配质量的直接保障手段。目前测量与检测不仅仅是产品质量的检验手段,同时有时作为工艺装备的一部分,直接参与到产品装配中。例如在微装配中,其自动化装配都是在测量设备提供的测量信息支持下完成装配的。5)管理是手段:科学的车间管理是提高装配效率和质量的重要手段。

产品装配技术的五维结构模型

图2 产品装配技术的五维结构模型
 
4 产品装配的主要研究方向
 
       产品装配的主要研究方向包括面向装配的设计、装配工艺设计与仿真、装配工艺装备、装配测量与检测、装配车间管理等,下面主要对其研究内涵和当前研究重点进行阐述。
 
       4.1 面向装配的设计
 
       面向装配的设计,也叫可装配性设计,是指在设计阶段充分考虑产品的各种装配约束,以减少装配时间和成本、提高装配质量等为目标的设计方法。有时为了在产品使用过程中的可维修性,产品的可装配性一般也要考虑产品在维修过程中的方便性;另外有时还要考虑在产品报废后,进行材料回收和再利用过程中对零部件的分解操作,这也绿色制造的要求。
 
       面向装配的设计是现代设计方法的一个新的分支。简单来说,面向装配的设计就是易于装配的产品设计,其出发点是在产品设计阶段考虑并解决装配过程中可能存在的问题,以确保快速、高效、低成本地完成产品装配。产品的装配成本、装配质量及装配效率的影响因素有多种,如设备的自动化程度及柔性、装配工艺的制定、产品装配的难易程度、工人装配技术的熟练程度、参与装配的零件的加工质量、生产组织管理等。在众多的因素中,产品装配的难易程度(即可装配性)是最主要的因素。产品的可装配性主要与总体结构、零件设计、连接方式、性能要求等有关,产品的可装配性主要是由产品的结构决定的。因此设计时应在结构上保障装配的可行性,采用的结构措施应方便装配,并减少装配工作量,提高装配质量。
 
       同时,产品的可装配性与产品采用的装配工艺方法有关,即采用手工装配、专用自动装配还是机器人柔性装配,或者三者的混合。对于不同的装配工艺方法,相同的设计在装配中所体现出来的难易程度也不同。例如,在专用自动化装配中,零件的自动进给的定位简易性标准比手工搬运操作要严格得多。而手工装配由于人类所具有的判断力、操作的灵活性,可以完成复杂的装配操作。但是,采用人工装配时,对于零件的重量、操作中人手臂的可达性、夹紧力量控制的精确性等,则有一定的限制。
 
       在设计的早期应当尽早从装配工艺过程的角度对产品进行评价,尽早地考虑产品结构、精度等对产品最终装配环节的影响。在设计的早期通过选择合理的零件材料,设计优化的产品结构,减少零部件的数量,采用方便灵活的连接方式等手段,提高最终装配的效率,降低装配成本,缩短整个制造周期,并提高企业设备资源等的利用效率。
 
       目前面向装配的设计,主要通过指导性的手册对设计师进行指导,通过可装配性分析、仿真软件对装配过程进行评价。DFA的作用是通过验证和改进产品的可装配性体现出来的,对于尚处在设计阶段的产品来说,可装配性好坏最直观的效果,莫过于在计算机上仿真产品的实际装配过程,因此,利用计算机图形学和仿真技术来实现产品的虚拟装配仿真技术,成为改进产品可装配性的主要使能手段之一。
 
       另外,随着增材制造、纳米制造等新型制造技术的兴起和发展,通过简化产品结构,采用新原理、新材料,可以借助更少的零件数量和更简单的结构实现产品的功能,从而显著地降低装配成本和装配时间。
 
       4.2 装配工艺设计与仿真
 
       产品装配工艺设计是指确定产品装配工艺规程的工作过程。装配工艺设计技术主要包括产品装配建模、装配工艺规划、装配过程仿真、装配精度分析和装配工艺管理等,装配工艺设计的体系结构如图3所示。其中装配建模是基础,装配工艺规划是目的,装配过程仿真和装配精度分析是手段。另外,装配工艺设计过程管理和设计知识管理是装配工艺设计的重要内容。

装配工艺设计的体系结构

图3 装配工艺设计的体系结构
 
       由于自动生成装配顺序和路径的复杂性,装配过程仿真逐渐成为装配工艺设计中最重要的研究内容,并正经历由几何仿真向物理仿真的转变。产品的装配质量和装配性能与整个装配工艺过程密切相关,因此需要从整个装配工艺过程角度来优化工艺参数。未来的装配工艺设计,应该是一种彻底抛弃传统的试错式装配工艺,是一种可预测的、集成的、基于建模和仿真的科学设计。所谓集成的装配过程建模与仿真方法,主要是从生产的实际问题出发,建立面向现场的真实感仿真环境,通过综合考虑工装夹具、装配精度和物理特性、线缆和管路及结构件交叉装配等一体化的集成装配过程仿真与分析,实现在实物试装前预知产品最终的装配性能,并对工艺参数进行优化。
 
       另外,传统的装配工艺设计常常以保障产品的几何精度为目标,随着机械产品精密化、微细化、光机电一体化方向发展,简单地提高装配的几何精度并不能达到提高产品性能的目的。以某导引头视线稳定系统伺服机构为例,该系统全套引进国外技术、图纸和制造工艺,其零部件加工精度已经达到或超过国外同类产品,但同一批次产品的质量一致性和稳定性相差很大,反复筛选和调试后,也难以保证系统达到设计指标,一次成品率低;同时,该产品装调过程主要靠经验丰富的装配技师使产品的静态精度和动态特性指标得到保证,合格出厂的产品经过电装、振动试验后,部分产品频率特性还可能发生改变;另外静止放置一段时间后,由于内部应力释放,其谐振频率和非线性特性也可能发生变化。因此,对复杂精密机电系统,需要研究并建立装配工艺参数与产品装配性能之间的内在科学联系,找到影响产品装配性能的关键装配环节和工艺参数,并突破多学科参数耦合装调的相关理论和技术,量化各种工艺参数,真正实现可控、可测、可视的产品装配。
 
       4.3 装配工艺装备
 
       先进的装配工艺装备是产品高精度、高效率、高一致性和高可靠装配的重要保障工具。随着产品结构越来越复杂,装配性能要求越来越高,以及高技能装配操作工人日益缺乏的形式下,先进的装配工艺装备研发及应用越来越受到国内外学者关注。
 
       装配工艺装备的研究体系框架如图4所示,相关研究主要涉及三个方面:1)新原理、新技术的装配工艺装备;2)数字化、智能化的装配工艺装备;3)柔性化、集成化的装配工艺装备系统。研制新型装配工艺装备,实现从手工装配向自动化装配的转变,是实现装配工艺装备数字化、智能化的基础;研发数字化、智能化的装配工艺装备,实现从自动化装配向智能化装配的跃升,对于提升装配效率、装配质量及可靠性等具有重要意义;而实现装配工艺装备的结构/功能柔性化,并与物料输送系统、信息控制系统有机集成,是适应复杂产品现代装配要求的重要保证。
 
       装配工艺装备设计制造新原理/新技术,是面向新材料/新工艺/新结构产品的装配要求,主要研究装配工艺装备的新型运动方案、结构方案、驱动与传动方案、定位/装夹方案等,突破装配工艺装备结构及性能优化设计、装配工艺及性能精确控制等关键技术,研制满足先进装配工艺要求的装配工艺装备。例如面向航空发动机一致性装配要求的拧紧参数精确控制技术、双轴/多轴同步控制技术,研制长轴小孔径自动拧紧系统、转子自动调姿/对接/拧紧系统、转子堆叠优化装配系统等。
 
       数字化、智能化装配工艺装备,主要研究装配工艺实时数据采集/传输技术,融合数据分析的多驱动机构协同控制、误差补偿等关键技术,结合产品装配需求,构建“测量-工艺再设计-工艺控制一体化”的数字化、智能化装配工艺装备系统;研究装配工艺增强现实技术,突破虚拟物体和真实场景融合、基于机器视觉的人机交互等关键技术,研制人机交互的装配工艺系统。

装配工艺装备的研究体系框架

图4 装配工艺装备的研究体系框架
 
       柔性化、集成化装配工艺装备系统,主要研究可移动、可重组、可重用的装配工艺装备(如可移动、可重组、可重用的飞机装配数控定位器等),突破装备工艺装备动态成组及同步控制技术,研制柔性自动装配工装等;开展柔性装配线布局及方案设计,突破柔性化装配线负荷平衡、装配工艺优化、物流优化、装配工艺过程集成控制等关键技术,构建柔性装配工艺系统集成应用技术体系。
 
       4.4 装配测量与检测
 
       测量指将被测量与具有计量单位的标准量在数值上进行比较,从而确定二者比值的实验认识过程;检测是指利用相关设备对系统进行检查、试验,并对检测结果进行快速、准确的判断。测量与检测是对产品装配中的质量进行快速诊断、分析和定位的过程,是确保产品质量的直接保障,未来装配测量及检测技术将通过与数字化技术、智能控制技术等密切融合,在产品装配过程中将发挥越来越重要的作用。
 
       装配测量与检测技术研究框架如图5所示,相关研究内容主要涉及三方面:1)新型装配测量与检测原理、技术与设备;2)多源融合的装配几何量、物理量检测方法及系统;3)面向智能装配的信息采集与数据分析技术。

装配测量与检测研究体系框架

图5 装配测量与检测研究体系框架
 
       新型装配测量与检测原理、技术与设备,主要研究用于零件形貌、形状/位置误差、位移场及装配精度等测试的几何光学测试新原理,用于配合状态、配合间隙、连接刚度等的接触/非接触测试新原理等,研制用于位姿特征、装配工艺、形/力参数及装配质量测试的新型传感器及测试系统(如新型微/纳传感器、空间几何误差测量装置,基于超声导波/超声相控阵的结合面接触特性检测系统)等。
 
       多源融合的装配几何量、物理量检测方法及系统,针对复杂产品装配过程中涉及几何/物理量多且相互关联,而获取的检测量相互孤立的问题,研究多源检测数据关联分析方法,突破多参量冗余测量、多源传感优化布置等关键技术,构建航空航天装备、精密仪器仪表等典型产品装配多几何量、物理量的高效检测系统,为实现多学科参量耦合装调、多物理性能综合控制奠定基础。
 
       面向智能装配的信息采集与数据分析技术,主要研究用于装配几何/物理量测试的智能检测设备和系统(如智能螺栓、自定心装配精度测试平台等),结合典型产品装配需求构建面向智能装配的信息综合采集系统,突破检测数据高效传输及处理技术、基于人工智能手段的检测数据分析方法等,为实现智能化装配提供测量与检测数据保证。
 
       4.5 装配车间管理
 
       装配车间管理是指对装配车间所从事的各项生产经营活动进行计划、组织、指挥、协调和控制的一系列管理工作。装配车间管理主要包括生产调度管理、物料管理、质量管理和人员管理等方面,如图6所示为装配车间管理功能结构图。
 
       装配车间管理的关键技术主要包括生产调度、装配数据实时采集与分析、物料精准配送和路径规划、装配质量数据管理等。
 
       (1)生产调度:面向装配的生产调度是指在一定的约束条件下,把有限的资源在时间上分配给若干个任务,以满足或优化一个或多个性能指标的过程。车间生产调度分为静态车间调度和动态车间调度。静态车间调度是指所有的制造资源在开始调度时刻都已经准备就绪,不考虑装配过程中出现的意外情况,如交货期提前、临时任务的插入、仪器设备出现故障等。动态车间调度则要求考虑产品在装配过程中出现的各种意外情况。这种方式要求调度能够随时响应车间实际生产环境的变化,以确保在任何时候都能保持车间的性能指标处于最优或次优状态。动态车间调度更符合离散装配车间的实际生产情况和特点(动态性强、不确定性因素和随机因素较多、变化快)。

装配车间管理功能结构图

图6 装配车间管理功能结构图
 
       (2)装配数据实时采集与分析:在装配过程中,信息系统与装配现场真实数据之间缺乏有效的同步机制和手段,造成信息传递的时效性差,装配现场状态不透明等问题,使得装配单元和装配过程的监控难以满足现场实际需求,因此有必要采用一定的手段来保证现场数据采集的实时性和准确性。现有的数据采集方法分为三种类型:1)通过人工手动采集输入;2)从生产或者测试设备直接获取数据;3)通过自动识别技术如条形码、RFID等进行数据采集。另外,如何对已采集的实时数据进行统计、分析与预测是实现装配车间数字化和智能化管理的关键,包括基于实时数据的装配生产线运行状态分析与预测、生产进度的运行状态分析与监控、设备故障诊断与预测、物料跟踪与管理等。
 
       (3)物料精准配送:目前,离散装配车间生产的随意性仍然较大,物料需求缺少预见性。物料部门通常只能按照最大需求量备料,不仅使得线边空间越来越小,物料堆积现象严重,而且不可避免地会存在缺料的情况。物料配送和路径规划是指在生产计划的指导下,根据实际生产情况,在满足物料、时间、运输能力等约束条件下,为每个装配工位配送相应的物料并确定运输设备及其移动路径、运输时间和速度等,确保物料按时、按量到达指定工位。
 
       (4)装配质量数据管理与智能决策:装配过程经常会发生各种质量问题,因此需要实时、完整和准确地收集和整理产品海量的质量数据,在此基础上对质量数据进行结构化管理和分析预测,一方面深入分析产品质量问题发生的原因,得到影响产品质量的主要因素;另一方面对车间生产过程中未来发生的质量事件作一定的预测,从而采取科学的控制机制和决策,使车间性能向优化方向发展,减少甚至避免质量问题的发生。
 
5 未来产品装配技术的发展趋势
 
       目前我国产品生产中的装配管理落后和自动化水平低下的现象比较严重,只是部分汽车、电子等工业实现了自动化装配,在航空、航天、兵器、船舶、数控机床、工程机械等行业的大部分产品都是以经验指导的手工装配操作为主完成,装配工艺参数主要凭借经验和感觉调整,装调水平主要取决于工人的经验和技能,导致产品装配质量一致性差。随着我国制造业向智能制造等高端制造的转型升级,产品的装配技术也需要逐步实现从手工/经验装配向自动化/智能化装配方向的转变,未来产品装配技术的发展趋势主要是集成化、精密化、微/纳化和智能化等。
 
       5.1 集成化
 
       装配作为系统集成环节,最终所表现的装配性能受到设计、材料特性、机械加工、装配工艺、检测技术等多方面的综合影响,具有机械、材料、信息、仪器等多学科交叉的系统集成特征。
 
       虽然装配具有系统集成特性,但传统的产品装配时,主要通过几何精度控制来进行产品性能的控制,这种传统的方式存在很多不足。尤其对许多光产品而言,其几何精度控制与性能控制常常缺乏一致性,满足制造精度要求的产品不一定满足性能指标,也就是说,简单地提高装配的几何精度并不能达到提高产品性能的目的。以某型高精度加速度计为例,其工作时的物理场包括力场、电场、磁场,其性能指标包括零位漂移、线性度、非线性系数等;工程实践表明,提高几何装配精度可以提高加速度计产品的合格率,然而对优质品率的提高并不如预期,仅通过提高几何精度并不能得到高性能优质产品。再如陀螺仪,其零件加工精度目前已经接近极限,为进一步提高其定位精度,需要在结构、流体、温度、以及材料等多个范畴中寻求更加精确和综合的应力平衡。
 
       产品的性能主要来源于设计、加工与装配等环节的共同保证。在传统机电产品研发时,在复杂产品设计阶段,设计师一般采用多学科设计优化技术,通过充分利用各学科(子系统)之间的相互作用所产生的协同效应,获得系统的整体最优解或工程满意解;在加工阶段,一般通过对零部件的几何精度控制来开展加工;在装调阶段,也主要是通过几何量控制来开展装调工作。我们不妨这么理解,传统的产品制造过程,主要是一种基于几何量控制的制造模式,如图7所示,这种制造模式是一种从集成/耦合走向孤立/静态的制造过程,即在设计阶段是集成/耦合的设计过程,但是制造过程是一种孤立/静态的以几何量控制为主的加工/装配过程,由于缺乏制造精度与装配误差等对产品性能的影响机理,工程中常常通过提高精度等级来保证产品性能。
 
       随着现代机电装备不断追求高效率、高精度和高品质,系统内部各种物理过程的非线性、时变特征更为突出,过程之间耦合关系更为复杂,这需要在装调阶段充分考虑系统集成特性。未来的制造模式,其在装配阶段是一种综合集成的装配模式(如图8所示),这需要构建装配工艺参数与产品性能之间的关系,探索多学科参数耦合装调的相关理论、方法和技术,从而实现对光机电等系统性能的最优控制。
 
       值得指出的是,装配本身是产品研发中的系统集成环节,本文所指的集成化,主要指多学科参数耦合的集成装调。

传统的基于几何量控制的制造模式

图7 传统的基于几何量控制的制造模式
面向系统性能的最优设计制造模式
图8 面向系统性能的最优设计制造模式
 
       同时,目前装配技术的研究成果主要分散在宏观精度研究(例如传统的计算机辅助公差设计理论)和微观精度研究(例如加工精度对连接偶件的配合性能影响分析)等方面,而为了保障产品装配性能,需要从以往的宏观精度层面深入到能够反映产品性能形成过程的微观精度层面,这就需要从系统集成角度建立覆盖宏微观的装配工艺参数的定量表征方法,并从宏微观尺度的关联机理出发探索产品装配性能的形成、保持与衰退规律。
 
       5.2 精密化
 
       提高产品精度是机械制造学科永恒的追求目标之一,随着产品复杂化、轻量化、精密化和光机电一体化等方向发展,服役环境也越来越恶劣化和极限化,装配精度要求越来越高,精密装配技术已经成为航空航天高性能武器、精密超精密机床、精密测试设备等产品的重要支撑技术之一。
 
       精密装配技术是指装配精度达到某一量级的所有装配技术的总称。随着科学技术的进步,学者们不断地用最新的成果来提高装配精度,因此“精密”的概念也是随着科技的发展而不断更新的。在目前的科学技术条件下,参考精密加工技术,笔者认为精密装配技术是指产品装配后的尺寸、形状精度在10m以内的所有装配技术总称。但是这个定义并非十分严格,例如我国天舟飞船的总装,其尺寸大于10m,而装配精度优于0.5mm,在某种程度上也可称为精密装配。因此,“精密”既与产品装配后的尺寸、形状精度的具体指标相关,也与在一定技术条件下实现这一个指标的难易程度有关。
 
       5.3 微/纳化
 
       随着微/纳制造科学的兴起,微装配技术作为微小型产品制造的关键技术,在精密微小型机电产品制造领域的应用越来越广。微装配技术通常是指微尺度(micro scale,一般指1~100m)的零件或具有微尺度特征尺寸的中尺度(meso scale,一般指100m~10mm)零件的装配。
 
       仅从尺寸范畴来看,微/纳装配属于精密装配范围,但与传统装配不同的是,在微尺度下,重力不再起主导作用,当物体尺寸小于某临界值后,与物体表面积相关的粘附力,如表面张力、范德华力和静电力等将大于重力,另外在微尺度下,物体的力特性还与物体密度、表面粗糙度、湿度以及部件外形密切相关,给微小型零件的装配带来了很大的不确定性。同时微小型零件多具有柔性、易损的特点,在装配过程中由于受力不均或力控制不精确较容易产生装配应力。
 
       另外,随着特征尺度从微米尺寸缩小到纳米尺度,结构的纳米尺度效应、表面/界面效应以及量子效应凸显出来并成为微/纳器件性能的主要因素,如何通过施加外部能场对微/纳尺度结构与器件的推/拉、拾取/释放、定位、定向等操纵、装配与封装等作业,并保障器件的性能,是后续研究重点。
 
       5.4 智能化
 
       随着产品向个性化、多样化、全球化、小批量方向发展,柔性装配系统等多品种自动装配系统也将得到更大发展,装配工艺装备也将随之得到发展,其中装配机器人的应用将越来越广泛。
 
       新一代智能制造作为新一轮工业革命的核心技术,正在引发制造业在发展理念、制造模式等方面重大而深刻的变革,正在重塑制造技术体系。智能装配也必将是机械装配技术的战略高地,也是装配技术向更高阶段发展的必然产物。智能装配技术涉及传感器技术、网络技术、自动化技术等先进技术,是控制、计算机、人工智能等多学科交叉融合的高新技术。通过逐次构建智能化的装配单元、装配车间,基于信息物理融合系统,进行装配系统的智能感知、实时分析、自主决策和精准执行,完成产品装配过程的智能化。
 
6 结束语
 
       传统装配是依靠设计手册、设计规范和试装配来实现的,是一种落后的生产方式。计算机和数字化技术的出现极大地促进了装配技术的快速发展。
 
       但是,长期以来机械加工与装配技术的发展并不平衡,装配已经成为当前保障产品质量的薄弱和关键环节之一。随着产品复杂化、轻量化、精密化和光机电一体化等方向发展,服役环境越来越恶劣化和极限化,装配的填充密度和性能要求越来越高、装调难度越来越大,装配环节对产品性能的保障作用正日益凸显。同时,以陀螺仪、高精度加速度计、导引头等精密机电产品为代表的精密装配领域,目前还是多凭技术人员的经验和感觉的手工操作为主完成装配,装配工艺参数量化少,造成装配合格率低,同时一次装调不合格后,通常只能全部拆卸并重新装配。随着当前国内外超精密加工等技术的快速发展,精密装配技术将日益得到国内外学者的高度关注。
 
       目前我国的装配技术水平与发达国家相比还有较大差距,一方面体现在装配工作的组织管理、质量保证以及装配工艺性等基础研究方面;另一方面表现在装配工作的机械化、自动化和智能化的程度和水平上。装配是个综合集成的环节,仅通过提高几何精度并不能得到高性能优质产品,应该从结构/工艺/服役等多方面考虑其装调性能及服役性能,不能片面追求几何精度,片面考虑静态参数装调,也不能片面把问题都归结到设计问题,要有更深入、更系统的理解。
 
       另外,当前智能制造作为新一轮工业革命的核心技术,正在引发制造业在发展理念、制造模式等方面重大而深刻的变革,正在重塑制造业的技术体系。未来随着人工智能、智能检测等技术的发展,产品装配技术有望实现从手工/经验式装配向自动化/智能化装配的转变,并最终实现可控、可测、可视的科学装配。
 
       致谢
 
       特别感谢北京理工大学宁汝新教授和张之敬教授、西安交通大学洪军教授、西北工业大学张开富教授、北京航空航天大学陶飞教授、航天二院25所唐烨研究员、航天五院511所易旺民和万毕乐研究员对论文工作的帮助和指导!感谢数字化装配技术课题组巩浩、张志强、庄存波等博士生,以及郭攀硕士生参与本文讨论及文献综述的整理工作。

       注:本论文已经在机械工程学报期刊上发表。

责任编辑:程玥
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