焊接类导管数字化柔性制造技术分析

王金平，陈军，季青松

（陕西飞机工业有限责任公司，陕西 汉中 723213）

作为飞机的重要生命线，导管能够满足飞机液压、燃油等系统的不同需求。为设法满足焊接类导管的数字化快速制造需要，近年来数字化柔性制造技术研究受到业界高度重视，本文研究将主要围绕焊接类导管数字化柔性制造采用的柔性组合夹具展开。

1 焊接类导管数字化柔性制造特点及基本流程

1.1 特点分析

焊接类导管数字化柔性制造需要使用通用化、系列化、标准化程度高的工艺装备，这类工艺装备由不同尺寸、不同规格、不同形状、预先制造好的组合件和标准元件组成，适用于小批量、多品种的焊接类导管数字化柔性制造，由此开展的制造具备以下几方面特点：第一，精度高。基于柔性工艺装备具备的较高几何精度、尺寸精度、耐磨性及应对，这种精度能够在焊接类导管制造中得到体现；第二，通用性强。依托具有完全互换性的高度标准化元件，通过搭积木方式的组装，多种多样的工艺装备组合能够满足不同焊接类导管制造需要；第三，适用范围广。数字化柔性制造涉及车、铣、镗、钻、刨、磨等工种，在划线、装配、检验、焊接方面的表现也较为突出，能够较好服务于焊接类导管制造；第四，效率和成本优势明显。数字化柔性制造能够重复使用原件并规避浪费问题，在节约制造费用和时间、提高劳动效率等方面的表现较为突出。

1.2 基本流程

数字化柔性制造的具体应用需要得到集成系统支持，可考虑采用三维曲面系统CATIA，在网络、数据库支持下，完成智能推理、专家知识库、夹具检测、夹具设计等系统的开发，完成三维数据库建设，标准实样可由此通过数字化模型替代，制造全过程的信息数字化传递能够由此实现，这能够为研发周期缩短、制造质量提升提供有力支持。具体的数字化柔性制造需要聚焦法兰盘与管接头建模、焊接类导管建模、焊接类导管工艺设计、数字化焊接夹具设计、焊接夹具测量、系统集成，以此打造数字化柔性焊接类导管生产线。深入分析可以发现，数字化柔性制造的核心包括数字化的焊接类导管工艺设计及CATIA模型重构，数字化焊接夹具的设计也极为关键，柔性焊接夹具直接影响柔性制造，必须关注焊接夹具精度校核，保证相关空间位置及精度准确，实物检测也需要同时严格开展，保证理论与实际上的焊接夹具精度、位置一致性，这关系着焊接类导管数字化柔性制造能否顺利实现。

2 实例分析

2.1 元件参数化建模

结合焊接类导管制造特点，及飞机研制阶段存在的单件、多品种生产特点，本文研究采用的平台同样为三维曲面系统CATIA，以此开发智能推理、参数化建模、精度校核、标准元件替代、标准元件管理等系统，三位的导管模型可实现对传统标准实样代替，数字化的焊接类导管设计制造可顺利实现，短周期、多品种、高精度的焊接类导管制造需要也能够更好满足。在元件参数化建模过程中，需要分析现有的基础板、钻套、销钉、接头、垫片、支架、压块、支座、标准元件，分类统计需结合定位方式、使用功能、安装要求差异，以此明确标准元件的建模要求、基准及方式；参数化三维模型建模系统需基于CATIA系统开发，人工负责建立标准元件的三维模型，属于参数变量的模型尺寸需要对应开展表格文件建立，以此关联表格文件与模型参数，通过对表格文件数据的修改、增加、删除，即可实现对应的参数化建模；基于焊接类导管制造特殊性，需要单独建立非标准夹具元件三维模型，该模型用于人工调整或组合夹具；在开展参数化元件建模的过程中，参考坐标系的建立也极为关键，具体需要以装配要素为依据，夯实后续夹具装配智能推理的基础。

2.2 建设夹具方案知识库

在建设夹具方案知识库的过程中，需要把握以下几方面要点：第一，对不同材料、不同直径焊接类导管夹具方案进行收集和整理，分析统计夹具方案典型结构、典型特征，完成典型夹具方案和典型结构要素提炼。第二，关注典型结构要素的参数化表达，结合定位方式、尺寸大小、工艺要求、集合精度赋予典型结构不同逻辑关系和参数，完成典型结构要素库建设，基础板、压块、定位器、V型拖架等属于典型结构要素代表。第三，充分研究焊接类导管存在的不同特点，以此为依据实现典型夹具方案约束方式、结构形式、先后顺序的参数化表达，赋予不同逻辑和参数关系，完成典型夹具装配要素库建设，需明确导管直径、导管形状、中间支管、两端形式、中间接头等导管特征对应的夹具装配要素，如6～100mm直径的导管需保证其直径与V型拖架的规格协调；第四，对于典型、常见、通用夹具结构，典型柔性夹具方案库设计需要以典型装配要素、典型结构要素为依据，由技术人员手工完成设计。在初期阶段，典型夹具方案建设需充分结合焊接类导管特征，柔性夹具方案知识库需要由夹具的典型装配要素库、结构要素库、方案库组成。

2.3 夹具装配智能推理

依托CATIA系统，需要开展夹具装配智能推理，该推理实质上属于参数化驱动算法流程，导管模型可在柔性夹具方案知识库支持下通过对应知识条件开展逐条对比分析，以此完成标准元件针对性选择，即可实现驱动与装配的参数化。依托导管三维模型，需通过系统负责参数化提供，典型夹具方案可通过知识库获取，这一过程需要结合导管模型参数，典型夹具方案需同时结合导管模型参数完成标准元件规格调整。对于参数化驱动的标准元件来说，CATIA界面在刷新后能够保证存在不变的装配约束关系，原有三维模型能够通过标准元件规格变化后的新模型替代，夹具装配智能推理可随之完成。如需要增加导管长度，在首次开展夹具设计的过程中，需要将长度值输入，以此实现长度合适底座选择，应设法将导管端头中心线与定位器上孔约束同轴，将定位器下表面与底座上表面约束共面，将导管端头面与定位器内表面约束共面，以此得到典型夹具方案。对于出现变化的焊接导管，需要增加对应长度值，刚刚设计的夹具方案为基础，以此人工输入或系统计算明确长度值的增加量，选取长度增加量最接近或大于该增加量的底座，通过参数化驱动，加长后的底座即可实现自动更换。在对系统界面进行刷新后，由于导管端头与定位器共面、同轴，在导管加长方向定位器能够自动移动，存在对应长度增加量的移动长度，夹具装配智能推理由此完成。如不存在典型夹具方案，夹具的典型装配要素、结构要素确定需要以导管模型参数为依据，以此完成标准元件规格对应选择，通过在系统中充分不同标准元件对应的参考坐标系，结构要素装配可基本完成，这种情况下的专用夹具元件需要通过人机互动增加，装配约束条也需要同时补充，夹具智能装配可在调整和优化夹具的过程中完成。

2.4 精度校核与验证

在开展精度校核的过程中，基准为用户指定的坐标系/点，柔性组合夹具需要在CATIA系统支持下完成特定位置理论精度测量，以此确定预期要求能否满足。在具体生产中，基于柔性组合夹具方案，技术人员可通过规定连接方式和标准元件完成柔性组合夹具组装。通过选用先进的测量设备，可对导管端头定位器等特点位置的精度进行测量，明确夹具精度情况，保证理论与实际层面的精度、位置一致性。

2.5 具体应用效果

三维数字化的柔性组合夹具设计系统已广泛用于很多企业，在焊接类导管数字化柔性制造中得到成功应用。对于环控、燃油等系统的焊接类导管，基于三维模型，可实现参数化的标准元件建模、标准元件替代、智能推理、精度校核，数字化的焊接类导管制造能够由此高质量、高效率完成。结合具体实践可以发现，相较于传统导管样件，数字化导管模型能够更好满足数字化柔性制造需要，“主动式”生产模式可由此实现，100%的导管数字化模型利用率也能够同时达成，数字化柔性制造的焊接类导管具备81.2%的一次试装合格率，同时可实现64d的飞机导管制造周期缩短，本文研究的实践价值可见一斑。

3 结语

综上所述，焊接类导管数字化柔性制造具备较高推广价值。在此基础上，本文涉及的元件参数化建模、建设夹具方案知识库、夹具装配智能推理、精度校核与验证等内容，则提供了可行性较高的数字化柔性制造路径。为更好满足飞机导管制造需要，智能控制算法、阵列式柔性定位技术的应用同样需要得到重视。