航空制造中的可重构工装配置方法研究

在航空制造中，为节约工装的制造成本和安装时间，使用可重构工装已成为当前的发展趋势。本文通过分析可重构工装的特点，研究其配置方法，重点对可重构工装的配置原理，配置过程以及工装检索重用的算法进行研究，为工装快速配置的实现提供技术手段。

1 可重构工装的特点和组成

盒式连接可重构工装是一种典型的工装可重构模式，由瑞典的DELFOi公司与Linkoping大学首先提出。盒式连接是一系列的标准的梁和连接件组合成的连接装置和框架，用作工装结构的支撑型架，如图1所示。盒式连接装置采用了螺栓紧固，利用摩擦力将横梁、立柱等连接在一起，没有焊接过程，因此能够拆卸，调整及重复利用。由于标准件组成的框架定位不一定精确，需要增加六足定位装置来保证夹持效果，如图2所示。六足定位装置具有多个自由度，可以安装到盒式连接的梁上，从而实现更精确的夹持。

2  可重构工装配置原理与方法

由于大部分结构采用了标准零部件，可重构工装的设计过程与传统定制工装的设计过程不同。可重构工装设计的主要工作是解决如何将现有工装或现有零件，通过拆装、重组、改造的方式，形成所需的工装实体，因此，可重构工装的设计过程，实际是对资源的配置过程。

工装配置过程是将工装需求，即夹持任务信息，转化为可用的工装实例的过程。由于可重构工装的特殊性，为保证其夹持精度，通常要对可重构工装分三部分进行配置：支撑装置、定位装置及夹持装置，如图所示，其中支撑装置主要指梁、桁条等组成的型架，为产品提供支撑结构；定位装置用来连接支撑装置和夹持装置，实现夹持位置的精确调整；夹持装置用于与产品相连接。

按照以上需求，工装配置的实现通常分为两种方法：由内而外的配置方法，和由外而内的配置方法。

由内而外的配置方法，即以被夹持产品为先决条件，先进行夹持装置的选择与定位，再根据夹持装置的类型和位置设计定位装置和支撑装置，由内而外的方法适合于夹持产品体积大、结构复杂，而场地环境相对开阔的工装配置需求。由外而内的配置方法，与由内而外相反，先根据场地和基本的支撑需求配置工装型架，在此基础上依次确定定位装置和夹持装置，由外而内的设计方法通常适合场地受限且被夹持产品相对简单的工装需求。

要实现可重构工装配置的功能，应同时提供两种配置方法，用户可根据具体需求选择配置过程。

3  可重构工装配置流程

根据可重构工装配置原理与方法，工装配置流程分为由内而外和由外而内两种^[5]。这里以由外而内的配置方法为例，配置流程共分为以下六个步骤。

（1）定义工装的需求信息，包括工装所夹持的产品或工件信息，以及工装工作环境信息，通过这些信息确定应当使用的工装类型及其基本结构。

（2）对工装实例库进行搜索，如果找到相匹配的可用工装实例，则以该工装实例为模板进行工装配置；如果没有找到可用工装实例，则分析该工装需求是否适用典型型架结构，如果能够用某种典型的型架结构，则采用型架自动生成的方式进行生成；如果不满足以上要求，则新建一个空的工装实例进行配置。

（3）对基于工装型架进行配置。包括选择和配置型架的基本构型，对盒式连接所用到的梁，连接盒以及螺栓螺母等进行型号的选择，以及具体尺寸的确定。在配置过程中，为保证结构的可靠性，以及保证型架的可重用和易修改，关键要以适当的方法，添加特定的装配约束。

（4）柔性定位装置（支撑部分）的配置。根据被夹持工件的形状、尺寸和精度要求特点，选择放置定位装置的数目及位置。

（5）对柔性定位装置上的夹持装置进行配置。根据工件上布置的可夹持位置，搜索夹持装置库中的现有装置，如能够找到直接可用的标准件，或者经过修改后可以应用的定制夹具，则采用库中的装置。如果找不到能够使用的夹持装置，则新建夹持装置应用于工装实例，并保存在库中。

（6）配置完成，对新工装实例添加必要的信息，将新实例存入夹具实例库。

4  工装检索及重用方法

工装检索与重用是工装配置的关键步骤，如果能够对工装实例库中的已有工装实例进行重用，将大大减少工装配置工作的复杂程度。对可重用工装实例的搜索采用基于产品各个参数的加权算法实现。首先对各个属性值与工装实例属性及其对应的产品属性进行比对，得到多项匹配值，再用加权的方法求出待分析产品与现有工装实例的匹配度。

在搜索可重用工装实例时，主要考虑四个方面的因素，分别是产品类型、产品尺寸、产品重量、执行工序，设各项信息的匹配值分别为V₁、V₂、V₃、V₄，相应的权重分别为W₁、W₂、W₃、W₄，则产品与工装实例的整体匹配度

R=W₁V₁+W₂V₂+W₃V₃+W₄V₄             （1）

其中，各个匹配值分别表示当前产品与原工装的四种基本因素的匹配情况，计算方法如表1所示。

各权重在不同的优先条件设定下对应不同的数值。如对于中小尺寸，重量较轻，工序不复杂的情况，则采用零件类型优先，相应的w1的权重较高。而如果尺寸较大，则采用尺寸值优先，则w2的权重较大。当用户未定义时，则认为是自动选择。

遍历工装实例库中的所有工装实例，根据公式（1）计算出各个工装实例与当前待分析产品的匹配度R。按照R值从大到小排列工装实例，并在程序界面中给出R值最大的前五个工装实例，供用户选择。如不指定时，则按第一个工装实例（即匹配度最高的工装实例）进行重用。用户也可以点击从库中选择，交互指定库中的工装实例。

5  结论

可重构工装配置技术是工装应用的关键技术，本文分析了工装配置的工作原理与方法，建立工装配置流程，针对工装配置中的关键的工装检索与重用的方法，做了详细的阐述。

在工装配置的应用中，通过采用有效的配置方法，能够优化工装过程，提高配置效率。但对于不同类型的可重构工装，仍需要不同的算法，开发相应的程序。今后，进一步提升工装配置技术的通用性和智能化，整合更多的资源，使可重构工装得到更广的适用性。