2013PLM征文：管路數(shù)字化布局設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)集成技術(shù)

0 引言

    管路是航空、航天、船舶、汽車等行業(yè)中機(jī)電產(chǎn)品的重要組成部分，管路系統(tǒng)以氣體、液體等作為工作介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的運(yùn)行、控制、操縱等功能。管路的合理布局設(shè)計(jì)、精確制作與可靠施工直接關(guān)系到機(jī)電產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性和工作壽命。美國(guó)通用電氣公司在對(duì)以往發(fā)動(dòng)機(jī)的空中停車事件總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致空中停車事件原因的50%是由于外部管路、線纜、傳感器損壞、失效引起的。

    國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)從管路的數(shù)字化布局設(shè)計(jì)、導(dǎo)管彎曲加工過程建模與仿真、管路測(cè)量等方面開展了研究，取得了大量研究成果。在管路數(shù)字化布局設(shè)計(jì)方面的研究成果主要集中在計(jì)算機(jī)輔助人機(jī)交互式布局設(shè)計(jì)和自動(dòng)布局設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。（1）人機(jī)交互式管路布局方面：GE公司在20世紀(jì)80年代采用在計(jì)算機(jī)上建立發(fā)動(dòng)機(jī)電子樣機(jī)的方式進(jìn)行管路設(shè)計(jì)，北京航空航天大學(xué)從20世紀(jì)90年代初開始進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)的管路設(shè)計(jì)研究，并開發(fā)了交互式的航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路設(shè)計(jì)系統(tǒng)，北京理工大學(xué)的路志芳、趙柏萱等對(duì)虛擬環(huán)境下的管路交互式布局技術(shù)進(jìn)行了研究并建立了原型系統(tǒng)。交互式的管路布局方式以技術(shù)人員在電子樣機(jī)上進(jìn)行手工交互布局操作為主，并利用技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行交互式的反復(fù)修改，雖然利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在一定程度上改善了管路布局的效率，但是其操作繁瑣并很大程度上依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)結(jié)果優(yōu)化困難，設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量難以滿足現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的需求。（2）管路自動(dòng)和智能布局方面：人機(jī)交互式管路布局技術(shù)的不足，促使學(xué)者們開始探索管路自動(dòng)和智能布局方法，管路自動(dòng)布局算法經(jīng)歷了從最初的二維平面到三維空間、單根管子到多管敷設(shè)的發(fā)展過程。在單管自動(dòng)敷設(shè)方面，Rourke提出了采用迷宮算法解決管路布局設(shè)計(jì)，1991年Zhu等將管路敷設(shè)問題看成滿足一定約束的機(jī)器人路徑規(guī)劃問題，提出了一種基于機(jī)器人路徑規(guī)劃思想的管路布局方法，1999年Ito提出基于遺傳算法的管路規(guī)劃方法，2006年范小寧等應(yīng)用蟻群算法對(duì)船舶三維管路布局問題進(jìn)行了研究，2007年付宜利等分別應(yīng)用粒子群算法和混沌算法對(duì)機(jī)電產(chǎn)品的管線問題進(jìn)行了研究，2011年王成恩等人提出了投影與側(cè)地線發(fā)進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)的管路布局算法。在分支管路自動(dòng)布局方面，2010年王成恩提出了基于管路干擾度的排序方法，2012年美國(guó)Park提出了管路布局的單元生產(chǎn)算法，2013年北京航空航天大學(xué)的攀江應(yīng)用迷宮算法對(duì)分支管路端點(diǎn)進(jìn)行串行連接。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，管路自動(dòng)敷設(shè)技術(shù)的研究已經(jīng)取得很大進(jìn)展，但是由于管路布局的復(fù)雜性，其理論上是三維空間的避障路徑規(guī)劃問題，而該問題是典型的NP-hard問題，同時(shí)多管路敷設(shè)順序規(guī)劃也是復(fù)雜的組合優(yōu)化問題，另外管路布局不僅要考慮空間限制，還有考慮功能性、加工性、可裝配性等一系列工程約束，因此目前管路的布局優(yōu)化算法的工程應(yīng)用仍然不理想，工程中尚缺乏實(shí)用的方法和工具。

    導(dǎo)管彎曲加工過程建模和仿真主要包括幾何加工過程仿真和物理加工過程仿真兩方面，幾何加工過程仿真不考慮加工過程中的力、熱以及其它因素的影響，只仿真機(jī)床、模胎和工件的綜合運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行干涉檢測(cè)，用以驗(yàn)證NC程序的正確性。物理加工過程仿真通過建立彎管加工過程的物理模型來預(yù)測(cè)彎管加工過程中的回彈、起皺、橫截面畸變、開裂等工藝性問題，并通過對(duì)導(dǎo)管數(shù)控彎曲成形規(guī)律的研究和工藝參數(shù)控制來達(dá)到優(yōu)化加工過程的目的。（1）在幾何加工過程仿真方面：目前，國(guó)外數(shù)控彎管機(jī)制造商意大利BLM集團(tuán)、英國(guó)Addision公司在其生產(chǎn)的部分?jǐn)?shù)控彎管機(jī)上配有專用彎管仿真軟件，此類仿真軟件以圖形編程的方式實(shí)現(xiàn)彎管機(jī)的加工過程仿真，具有模夾具的尺寸定義及加工過程的碰撞檢測(cè)功能，但一套仿真軟件只針對(duì)特定的一臺(tái)數(shù)控彎管機(jī)，且與數(shù)控彎管機(jī)配套出售，不具備通用性。國(guó)內(nèi)的西北工業(yè)大學(xué)的何衛(wèi)平等運(yùn)用TurboC開發(fā)了Tubemod系統(tǒng)，建立了美國(guó)Eaton Leonard公司的VB50、VB150及VB300系列數(shù)控彎管機(jī)的仿真模型；李峰等利用3ds Max與OpenGL開發(fā)了數(shù)控彎管加工過程仿真系統(tǒng)，北京理工大學(xué)呂波等還開發(fā)了TBS系統(tǒng)，通過定義運(yùn)動(dòng)變量，采用幾何位姿的變換實(shí)現(xiàn)加工過程仿真，建立了Eaton公司VB50HP，VB100HP，VB200和VB300HP系列數(shù)控彎管機(jī)的加工仿真模型；陳安明等基于SolidWorks 2008開發(fā)了數(shù)控彎管加工仿真系統(tǒng)，建立了Eaton公司VB系列、Addison公司DBl00EB數(shù)控彎管機(jī)的仿真模型。（2）在導(dǎo)管加工過程物理建模和仿真方面：管材塑性彎曲成形是一個(gè)集材料非線性、幾何非線性和邊界條件非線性于一體的復(fù)雜過程，彎曲成形后容易產(chǎn)生回彈、外側(cè)壁厚變薄甚至開裂、內(nèi)側(cè)壁厚增大乃至失穩(wěn)起皺、橫截面畸變等質(zhì)量缺陷。因此，物理加工過程仿真一直是難點(diǎn)，也是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。目前研究成果和研究方法，主要基于試驗(yàn)、理論研究和數(shù)值模擬技術(shù)，獲得材料參數(shù)、幾何參數(shù)以及工藝參數(shù)對(duì)回彈、壁厚變化以及橫截面畸變等成形質(zhì)量的影響機(jī)理，從而獲得合理的工藝參數(shù)優(yōu)化方案，提高彎管的成形質(zhì)量和加工效率。在回彈解析理論研究中，EI-DomiatyA對(duì)軸力在較大范圍（達(dá)到頸縮點(diǎn)）的拉伸彎曲及其回彈問題進(jìn)行了研究，這些研究結(jié)果揭示了拉伸變形對(duì)回彈的抑制作用。Zhang在回彈的理論分析過程中特別強(qiáng)調(diào)了變形歷史、材料強(qiáng)化模型對(duì)殘余應(yīng)力和回彈計(jì)算的影響。重慶大學(xué)的熊淑元運(yùn)用彈塑性理論推導(dǎo)了彎矩計(jì)算公式，考慮了截面畸變以及壁厚的影響，分析了成形角與彎矩及曲率半徑的關(guān)系，為回彈的深入研究提供了參考，但沒有考慮中性層偏移對(duì)回彈的影響。AI-Qureshi以平面應(yīng)變?yōu)榧僭O(shè)，根據(jù)梁彎曲理論對(duì)管材彎曲進(jìn)行了彈塑性分析，推導(dǎo)了回彈角計(jì)算公式，分析了外徑、壁厚和彈性模量等參數(shù)對(duì)回彈的影響，并提出了回彈角補(bǔ)償方案，但是方案的實(shí)施基于大量的試驗(yàn)，其應(yīng)用具有局限性。2003年張旭光針對(duì)彎管的彎曲段和過渡段分別建立了不同的回彈預(yù)測(cè)解析模型，提出了以剛塑性有限元法計(jì)算管材塑性彎曲過程的應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)合預(yù)測(cè)模型實(shí)現(xiàn)管材回彈預(yù)測(cè)的新該法。GU分析了NC薄壁管回彈規(guī)律以及幾何參數(shù)和材料參數(shù)對(duì)薄壁管回彈的影響規(guī)律，為研究其它參數(shù)對(duì)回彈的影響規(guī)律提供了思路。李振強(qiáng)采用解析法建立了大直徑薄壁管回彈解析模型，但其忽略了管材彎曲變形過程中產(chǎn)生的壁厚變化和橫截面畸變，與實(shí)際情況存在一定誤差。李恒等分析了薄壁管幾何參數(shù)對(duì)回彈的影響規(guī)律。北京理工大學(xué)的鄂大辛等人基于理想彈塑性變形模式分析了回彈現(xiàn)象，利用沿管材彎曲線切向和壁厚方向的變形關(guān)系，推導(dǎo)出基于彎管外側(cè)材料變形卸載后彎曲回彈角的近似計(jì)算公式，并基于線性強(qiáng)化模型假設(shè)，分析了管材彎曲變形過程中的應(yīng)力分布，提出在中性層兩側(cè)存在的彈性區(qū)域可能是導(dǎo)致二次回彈的主要原因。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于管材彎曲成形理論、有限元成形質(zhì)量預(yù)測(cè)技術(shù)以及工藝參數(shù)優(yōu)化技術(shù)等方面的研究，已取得了一定的成果，也得到了一定程度的應(yīng)用，但綜合來看，現(xiàn)有的理論分析結(jié)果和相關(guān)技術(shù)研究仍不能完全解決管材彎曲成形過程中出現(xiàn)的缺陷問題。管材塑性彎曲缺陷產(chǎn)生機(jī)理的研究大多以實(shí)驗(yàn)分析和經(jīng)驗(yàn)建模為主，有關(guān)成形質(zhì)量之間相互聯(lián)系以及形成機(jī)理的研究還不夠深入和全面。管材塑性彎曲成形的影響因素復(fù)雜，很難建立統(tǒng)一的理論表達(dá)式，因此大多數(shù)研究工作主要建立在大量假設(shè)的基礎(chǔ)上，雖可定性表征彎管的成形規(guī)律，但在定量上卻很難保證理論分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，難以為彎管加工提供直接、有效的指導(dǎo)。

    另外，雖然導(dǎo)管數(shù)控彎曲技術(shù)大大提高了加工質(zhì)量，但管路彎曲成形以及焊裝后的精確測(cè)量仍然是保障管路系統(tǒng)精確安裝和無應(yīng)力裝配的最直接手段。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于導(dǎo)管加工后的空間幾何形態(tài)測(cè)量主要采用靠模方法、激光矢量方法、激光跟蹤儀和三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等。靠模測(cè)量方法根據(jù)彎管設(shè)計(jì)參數(shù)，需要制造機(jī)械對(duì)比裝置，缺乏柔性。激光矢量測(cè)量方法需要沿導(dǎo)管軸線方向進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量效率低。激光跟蹤儀和三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x雖然測(cè)量精度較高，但這些方法測(cè)量時(shí)需要與導(dǎo)管表面接觸，容易造成細(xì)長(zhǎng)柔性管或軟材料管的表面變形，導(dǎo)致測(cè)量失真，并且復(fù)雜形態(tài)導(dǎo)管同樣存在遮擋不易測(cè)量，只能離散測(cè)量少量檢測(cè)點(diǎn)，效率較低。因此，目前工程中急需新型測(cè)量裝置來實(shí)現(xiàn)彎管以及導(dǎo)管接頭組件（即彎管和接頭焊裝后的管路系統(tǒng)）的快速、準(zhǔn)確測(cè)量。

    綜述所述，目前管路設(shè)計(jì)與制造技術(shù)方面雖然取得較大成果，但仍然存在如下問題：1）管路的生產(chǎn)模式相對(duì)落后，存在著設(shè)計(jì)、施工和管理集成難的問題，需要探索一種新的集結(jié)構(gòu)件和復(fù)雜管路一體化的集成設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)管路布局設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)的并行協(xié)同，管路布局設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和制作之間的并行協(xié)同，以及制造與測(cè)量之間的協(xié)調(diào)，減少或避免不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的返工多等問題；2）針對(duì)航空航天中廣泛應(yīng)用的高強(qiáng)輕質(zhì)合金薄壁導(dǎo)管數(shù)控加工中的起皺、截面畸變、回彈等質(zhì)量問題，以及目前管材彎曲理論相對(duì)薄弱的現(xiàn)狀，急需通過大量工藝試驗(yàn)和仿真分析，建立考慮實(shí)際工況的管材彎曲應(yīng)力、應(yīng)變、卸載回彈、彎管橫截面畸變、管壁厚變化以及壓模壓力、助推力等的計(jì)算方法，建立導(dǎo)管彎曲工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)基于實(shí)際工況的管材彎曲質(zhì)量預(yù)測(cè)和工藝參數(shù)優(yōu)化，提高管材彎曲成形質(zhì)量；3）針對(duì)航空航天等復(fù)雜產(chǎn)品中無應(yīng)力裝配要求，以及長(zhǎng)期制約管路設(shè)計(jì)與制造一體化中的管路快速測(cè)量的瓶頸難題，急需探索一種新的測(cè)量方法和裝置，實(shí)現(xiàn)彎曲成形后的彎管以及導(dǎo)管接頭組件的非接觸快速準(zhǔn)確測(cè)量。

    針對(duì)以上問題，課題組在“十五”和“十一五”國(guó)防基礎(chǔ)研究等項(xiàng)目支持下，結(jié)合導(dǎo)彈、衛(wèi)星、火箭等復(fù)雜產(chǎn)品中的管路研制工程實(shí)踐，系統(tǒng)地開展了管路數(shù)字化建模、布局優(yōu)化、工藝過程建模與仿真、試驗(yàn)驗(yàn)證及數(shù)字化測(cè)量等相關(guān)技術(shù)攻關(guān)和集成應(yīng)用研究，以達(dá)到改變管路系統(tǒng)的落后生產(chǎn)模式，縮短研制周期、提高加工質(zhì)量和安裝可靠性的目的。

1 管路數(shù)字化布局設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)集成系統(tǒng)的技術(shù)框架

    通過對(duì)導(dǎo)彈、衛(wèi)星、運(yùn)載火箭等航天產(chǎn)品調(diào)研發(fā)現(xiàn)，航天產(chǎn)品上有大量導(dǎo)管，這些導(dǎo)管涉及很多用途，如燃料輸送系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等，它們輸送燃料、液壓油、氣體等工作介質(zhì)。航天產(chǎn)品的管路通常由導(dǎo)管與接頭組成，如圖1所示，導(dǎo)管的裝配連接結(jié)構(gòu)主要螺紋連接、法蘭連接、導(dǎo)管焊接連接等形式，由于焊接點(diǎn)的密封性能至少高于螺接點(diǎn)一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以在可能的情況下航天產(chǎn)品管路連接應(yīng)盡可能采用焊接連接方式。

圖1 管路、導(dǎo)管與焊接后的導(dǎo)管接頭組件

    在航天產(chǎn)品研發(fā)中，導(dǎo)管必須服從零部件、設(shè)備儀器的布局，在零部件及設(shè)備儀器之間縫隙中穿行，并滿足焊接和定位的空間位置要求，因此形狀各異。同時(shí)，由于航天產(chǎn)品空間很小，填充密度大，因此對(duì)導(dǎo)管的彎曲形狀、位置精度要求也較高。

    傳統(tǒng)的航天導(dǎo)管生產(chǎn)主要采用串行和人工取樣方式，如圖2所示，主要包括三個(gè)步驟：1）導(dǎo)管人工取樣：導(dǎo)管取樣即導(dǎo)管樣件的確定過程。樣件通常是在模樣階段或者首件產(chǎn)品總裝過程中確定，為確保樣件的準(zhǔn)確性，取樣時(shí)應(yīng)在總裝過程中進(jìn)行，以便真實(shí)地反映管路敷設(shè)安裝路線。2）導(dǎo)管加工：以導(dǎo)管樣件為依據(jù)，采用人工或半自動(dòng)彎管技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)管加工，在導(dǎo)管加工過程中通過多次的導(dǎo)管實(shí)物與樣件對(duì)比分析，對(duì)導(dǎo)管的外形走向進(jìn)行校正。3）導(dǎo)管安裝：完成導(dǎo)管和連接件的安裝，在具體安裝之前，一般要進(jìn)行試驗(yàn)裝配，即檢查導(dǎo)管外形走向固定是否協(xié)調(diào)，接口連接是否對(duì)齊，連接是否通暢，排列固定位置是否合適，不協(xié)調(diào)處或者安裝精度不滿足要求的應(yīng)按相關(guān)技術(shù)條件進(jìn)行冷校形修正。

圖2 傳統(tǒng)的導(dǎo)管取樣與安裝流程

    傳統(tǒng)的導(dǎo)管取樣與加工方法不足之處：1）導(dǎo)管現(xiàn)場(chǎng)取樣工作量大，工作環(huán)境差（有些管子取樣的空間窄導(dǎo)致取樣困難，跪、爬、躺、蹲已經(jīng)成為取樣人員的基本姿勢(shì)），并需要占用一定的總裝研制周期；2）對(duì)于火箭、衛(wèi)星等航天產(chǎn)品來說，由于要保存幾十個(gè)型號(hào)分階段、分批次的樣板實(shí)物，需要占用大量生產(chǎn)用地，還帶來一系列管理問題。3）人工或半自動(dòng)彎管技術(shù)導(dǎo)致導(dǎo)管成形時(shí)間長(zhǎng)，并且經(jīng)常達(dá)不到設(shè)計(jì)精度，批生產(chǎn)過程中也很難保證產(chǎn)品的一致性。4）產(chǎn)品裝配中的管路的安裝因彎管成形精度的影響而不得不采用大量的手工勞動(dòng)，校正工作量和返工較多，質(zhì)量很難控制，嚴(yán)重影響裝配周期和裝配質(zhì)量。

    針對(duì)傳統(tǒng)的導(dǎo)管取樣與加工方法的不足，提出一種管路數(shù)字化布局設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)集成系統(tǒng)方法，該方法的工作流程如圖3所示，主要步驟如下：1）利用數(shù)字化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)管路系統(tǒng)的數(shù)字化布局及優(yōu)化，以及管路系統(tǒng)的三維數(shù)字取樣。2）利用數(shù)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管的數(shù)控彎曲成形。3）利用機(jī)器視覺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)管路的數(shù)字化測(cè)量，并通過與管路設(shè)計(jì)模型的對(duì)比分析，提前進(jìn)行管路校正工作，實(shí)現(xiàn)總裝時(shí)的一次裝調(diào)成功。4）針對(duì)測(cè)量合格后的管路，完成管路系統(tǒng)的安裝工作。管路數(shù)字化布局設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)集成方法對(duì)提高管路設(shè)計(jì)、制作與安裝的效率和質(zhì)量具有重要意義，同時(shí)導(dǎo)管數(shù)字化設(shè)計(jì)制造集成系統(tǒng)可以直接利用設(shè)計(jì)產(chǎn)生的導(dǎo)管數(shù)字化模型進(jìn)行工作，可以通過保存數(shù)字化導(dǎo)管模型解決導(dǎo)管樣板實(shí)物的保存問題。

圖3 管路數(shù)字化布局設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)集成方法的工作流程

    需要說明的是，雖然管路數(shù)字化布局設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)集成方法為解決導(dǎo)管現(xiàn)場(chǎng)取樣提供了集成方法，但是由于航天產(chǎn)品采用的導(dǎo)管的材料特性強(qiáng)、工藝要求高，有些復(fù)雜管路制造難度大，與數(shù)控彎管設(shè)備和模具干涉，導(dǎo)致目前航天產(chǎn)品中的某些復(fù)雜管路仍需在總裝階段采用手工取樣作業(yè)方式。

    建模與仿真技術(shù)是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的核心技術(shù)，導(dǎo)管工藝過程建模與仿真保證了導(dǎo)管數(shù)字化制造的可視化、可預(yù)測(cè)性，使得導(dǎo)管數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)成為一種有異于傳統(tǒng)制造的導(dǎo)管可預(yù)測(cè)制造模式，而數(shù)字化測(cè)量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)管路準(zhǔn)確安裝及無應(yīng)力裝配的最直接保障。筆者從系統(tǒng)的觀點(diǎn)考慮管路的數(shù)字化生產(chǎn)流程，分析了管路數(shù)字化建模、優(yōu)化布局、工藝過程仿真、試驗(yàn)驗(yàn)證及數(shù)字化測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)，以及管路數(shù)字化布局、加工、檢測(cè)中所需的理論、方法、軟硬件工具與數(shù)據(jù)庫(kù)，建立了數(shù)字化布局設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)集成系統(tǒng)的技術(shù)框架，如圖4所示。

圖4 數(shù)字化布局設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)集成系統(tǒng)的技術(shù)框架

    1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)是進(jìn)行導(dǎo)管數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，它提供了導(dǎo)管布局設(shè)計(jì)、分析、加工仿真以及制造所需要的各種數(shù)據(jù)，主要包括導(dǎo)管材料庫(kù)、導(dǎo)管彎曲工藝參數(shù)庫(kù)、導(dǎo)管零件庫(kù)、導(dǎo)管制造資源庫(kù)、導(dǎo)管設(shè)計(jì)與制造知識(shí)庫(kù)等。

    2）基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)技術(shù)：導(dǎo)管彎曲加工過程伴隨著大變形，成形過程非常復(fù)雜，必須通過理論與實(shí)驗(yàn)相互結(jié)合的方法才能對(duì)其成形機(jī)理以及成形過程有所揭示。同時(shí)，管路數(shù)字化智能布局技術(shù)涉及人工智能方向大量技術(shù)的應(yīng)用。因此，人工智能、管材塑性成形理論、彎曲過程建模理論、導(dǎo)管彎曲加工實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理等構(gòu)成了導(dǎo)管數(shù)字化布局設(shè)計(jì)與制造所需的基礎(chǔ)理論體系。

    3）關(guān)鍵技術(shù)：從導(dǎo)管數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的流程角度考慮，總結(jié)數(shù)字化布局設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)集成系統(tǒng)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，包括管路數(shù)字化布局設(shè)計(jì)、導(dǎo)管彎曲成形工藝參數(shù)優(yōu)化、導(dǎo)管數(shù)字化集成制造和管路數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)。

    4）應(yīng)用領(lǐng)域：管路廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、兵器等部門，其數(shù)字化布局設(shè)計(jì)與制造應(yīng)該結(jié)合各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)展開研究。

2 導(dǎo)管數(shù)字化集成設(shè)計(jì)與制造的業(yè)務(wù)流程

    基于數(shù)據(jù)庫(kù)的導(dǎo)管數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)集成應(yīng)用平臺(tái)的運(yùn)行業(yè)務(wù)流程如圖5所示。導(dǎo)管數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)集成系統(tǒng)是在導(dǎo)管彎曲工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、仿真分析、檢測(cè)等過程的集成。

圖5 基于數(shù)據(jù)庫(kù)的導(dǎo)管數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)集成應(yīng)用平臺(tái)業(yè)務(wù)流程

    1）導(dǎo)管設(shè)計(jì)人員在三維管路布局環(huán)境下，在虛擬樣機(jī)上布管并且進(jìn)行裝配過程仿真，在導(dǎo)管設(shè)計(jì)與布局規(guī)則和知識(shí)的指導(dǎo)下，通過人工布局或者自動(dòng)布局完成導(dǎo)管的敷設(shè)，最后輸出導(dǎo)管數(shù)字化模型以及布局方案。

    2）導(dǎo)管工藝人員對(duì)導(dǎo)管數(shù)字化模型進(jìn)行分析，在工藝知識(shí)庫(kù)的支持下制定導(dǎo)管彎曲工藝過程，包括材料選擇、工藝性審查、工藝參數(shù)計(jì)算與優(yōu)化、質(zhì)量數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)與計(jì)算、工藝卡片定制與輸出等工作。

    3）模胎設(shè)計(jì)人員利用數(shù)字化模胎設(shè)計(jì)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)模胎，輸出模胎數(shù)字化模型，用于加工制造。同時(shí)，導(dǎo)管模胎設(shè)計(jì)分系統(tǒng)還可以為加工仿真提供所需仿真模型。

    4）仿真分析人員根據(jù)導(dǎo)管和模胎數(shù)字化模型、工藝文件進(jìn)行有限元建模與仿真分析，對(duì)當(dāng)前工藝條件下導(dǎo)管的成形物理過程進(jìn)行模擬，分析導(dǎo)管的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)以及可能產(chǎn)生的成形質(zhì)量問題，預(yù)測(cè)導(dǎo)管最終的成形質(zhì)量，通過分析提供改進(jìn)工藝參數(shù)或模胎的工藝措施。

    5）仿真分析人員根據(jù)導(dǎo)管模型制定NC程序，并且進(jìn)行加工數(shù)據(jù)的補(bǔ)償，以生成幾何尺寸合格的導(dǎo)管零件；根據(jù)工藝文件，建立數(shù)控彎管機(jī)、模胎以及導(dǎo)管的數(shù)字化模型，通過NC程序驅(qū)動(dòng)導(dǎo)管數(shù)控彎曲加工過程仿真，從而判斷導(dǎo)管幾何結(jié)構(gòu)的合理性、模胎選型的合理性以及NC代碼有效性，通過加工過程中碰撞檢測(cè)技術(shù)及時(shí)剔除不能彎曲的導(dǎo)管，不需在彎管機(jī)床上試彎，減少了材料浪費(fèi)及機(jī)床的占用時(shí)間。

    6）在所有階段完成之后，根據(jù)工藝規(guī)程調(diào)整機(jī)床、模胎、工藝參數(shù)等，進(jìn)行實(shí)際數(shù)控彎管機(jī)的數(shù)字化彎曲加工。

    7）加工完成后，通過管路數(shù)字化測(cè)量設(shè)備對(duì)彎曲成形后的彎管以及導(dǎo)管接頭組件進(jìn)行實(shí)物測(cè)量，并自動(dòng)與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比分析，從而準(zhǔn)確指導(dǎo)校正工作。

    管路數(shù)字化布局設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)集成系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括管路布局設(shè)計(jì)與智能評(píng)價(jià)、導(dǎo)管彎曲成形質(zhì)量預(yù)測(cè)與檢測(cè)、導(dǎo)管數(shù)字化制造集成技術(shù)及工藝數(shù)據(jù)庫(kù)建立、基于多目視覺的管路數(shù)字化測(cè)量方法與裝置等，下面分別對(duì)4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)方案進(jìn)行闡述。

3 管路布局設(shè)計(jì)與智能評(píng)價(jià)技術(shù)

    管路在航空航天產(chǎn)品等復(fù)雜產(chǎn)品中大量存在并涉及很多用途，如燃料輸送系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等，它們輸送燃料、液壓油、氣體等工作介質(zhì)。管路在工作狀態(tài)要承受變形和高頻振動(dòng)，還要承受管內(nèi)流體的撞擊和脈動(dòng)，有一部分還要受高壓和溫度的變化影響，因此管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程復(fù)雜。據(jù)航天某院航天發(fā)動(dòng)機(jī)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：一個(gè)管路的布局設(shè)計(jì)有14個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，涉及到結(jié)構(gòu)、振動(dòng)、流體等專業(yè)，因需要考慮的問題復(fù)雜，工程中常出現(xiàn)設(shè)計(jì)的管路無法加工或裝配等問題，頻繁返工，一臺(tái)中型航天發(fā)動(dòng)機(jī)的管路設(shè)計(jì)及協(xié)調(diào)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月，大大制約了產(chǎn)品的研制周期。因此，如何提高管路布局設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量是研制中的難題之一。

    針對(duì)以上問題，提出了一種管路布局設(shè)計(jì)與智能評(píng)價(jià)方法，該方法的技術(shù)思路是首先在虛擬樣機(jī)上進(jìn)行人機(jī)交互與自動(dòng)推理相結(jié)合的管路布局設(shè)計(jì)，同時(shí)建立管路布局知識(shí)庫(kù)，采用基于非單調(diào)多值邏輯推理的方法對(duì)管路布局結(jié)果進(jìn)行多專業(yè)的系統(tǒng)評(píng)價(jià)與優(yōu)化，提高管路布局設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

    管路布局設(shè)計(jì)與智能評(píng)價(jià)方法的包括管路系統(tǒng)的數(shù)字化建模、管路布局知識(shí)建模和管路智能評(píng)價(jià)三部分。1）管路系統(tǒng)的數(shù)字化模型是管路布局設(shè)計(jì)與智能評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，筆者提出了以通徑為核心的管路系統(tǒng)數(shù)字化模型，將互相連通并有統(tǒng)一功能的管路定義為一個(gè)管路通徑，其中包括管路接口，管路附件零件等，如圖6所示。在建模過程中，將通徑控制點(diǎn)、導(dǎo)管段、管路接口以及導(dǎo)管零件、管路附件零件集成在管路系統(tǒng)的通徑模型中。采用以通徑為核心的管路數(shù)字化建模方法將一個(gè)管路通路作為一個(gè)單位整體建模，其中包含導(dǎo)管之間的拓?fù)潢P(guān)系信息以及管路通徑的功能，流量，流速，流通介質(zhì)等信息，并可以對(duì)通徑中的管路進(jìn)行整體的管理與評(píng)價(jià)。

圖6 管路通徑模型

    2）提出了基于形式化語義表達(dá)的管路布局知識(shí)建模方法，并建立了7類管路布局知識(shí)。由于管路布局知識(shí)種類多樣，適用領(lǐng)域不同等復(fù)雜的特點(diǎn)，提出了基于形式化語義表達(dá)的知識(shí)建模技術(shù)，不同領(lǐng)域的人員可以添加各自領(lǐng)域的知識(shí)或規(guī)則，并根據(jù)不同場(chǎng)合選擇應(yīng)用。建立了包括可加工性要求、結(jié)構(gòu)性要求、維修與裝配性要求、導(dǎo)管成本要求、管路系統(tǒng)穩(wěn)定性要求、管路系統(tǒng)流阻損失要求、工程美學(xué)要求等7類管路布局知識(shí)。

    3）提出了基于非單調(diào)多值邏輯推理的管路智能評(píng)價(jià)方法。管路敷設(shè)設(shè)計(jì)的最終目的是在特定的應(yīng)用環(huán)境或工作條件下，使管路敷設(shè)的各項(xiàng)性指標(biāo)能滿足敷設(shè)的約束條件，并使設(shè)定的目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。管路系統(tǒng)的規(guī)劃布置并非只是個(gè)簡(jiǎn)單的空間幾何和位置規(guī)劃問題，它還是個(gè)需要滿足多種使用性能要求的設(shè)計(jì)問題。管路系統(tǒng)規(guī)劃布置中不易確定的限制性因素有布置空間(或環(huán)境)的幾何形態(tài)，管路成本、自重、強(qiáng)度、流阻損失、振動(dòng)特性，與其他零件的熱干擾特性等。提出了基于非單調(diào)多值邏輯推理的管路智能評(píng)價(jià)技術(shù)，通過引入非單調(diào)多值求解器（ASP）來實(shí)現(xiàn)管路系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，首先按照管路評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)弱以及各規(guī)則的優(yōu)先級(jí)確定規(guī)則應(yīng)用順序，然后按照順序逐條對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，獲取單規(guī)則下的管路系統(tǒng)評(píng)分，通過規(guī)則之間的邏輯關(guān)系導(dǎo)入求解器中對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并通過規(guī)則的不斷引入修正系統(tǒng)的評(píng)分，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種指標(biāo)對(duì)管路系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)。圖7為利用自主開發(fā)的軟件開展的某產(chǎn)品液壓系統(tǒng)管路的自動(dòng)布局設(shè)計(jì)與智能評(píng)價(jià)的應(yīng)用界面。

圖7 利用自主開發(fā)的管路布局設(shè)計(jì)與智能評(píng)價(jià)軟件開展的應(yīng)用

4 導(dǎo)管彎曲成形質(zhì)量預(yù)測(cè)與檢測(cè)技術(shù)

    彎管成形質(zhì)量直接影響了整個(gè)管路的性能，隨著航空航天等復(fù)雜產(chǎn)品性能及減重要求的提高，鈦合金導(dǎo)管及大直徑薄壁導(dǎo)管應(yīng)用越來越多，管件的空間形狀越來越復(fù)雜、加工難度也越來越大，批生產(chǎn)過程中也很難保證一致性。管材數(shù)控繞彎成形是一個(gè)集材料非線性、幾何非線性和邊界條件非線性于一體的復(fù)雜過程，該過程影響因素非常復(fù)雜、成形質(zhì)量也難以控制，極易產(chǎn)生諸如管材彎曲成形后的回彈、外側(cè)壁厚變薄甚至破裂、內(nèi)側(cè)壁厚增大乃至起皺、橫截面畸變等質(zhì)量缺陷，如圖8所示。這些缺陷的存在不僅直接影響了產(chǎn)品的質(zhì)量，而且大量的不合格品也帶來了極大的浪費(fèi)。

圖8 導(dǎo)管彎曲成形的常見缺陷

    針對(duì)管材彎曲產(chǎn)生的缺陷，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開展了大量的研究工作，國(guó)際上著名NC彎管機(jī)廠家，如意大利BLM、美國(guó)伊頓等隨其機(jī)床提供了專用仿真軟件和部分工藝數(shù)據(jù)，但是目前管材彎曲理論還比較薄弱，到目前還沒有成熟的理論和方法可以直接指導(dǎo)生產(chǎn)并加工出合格的產(chǎn)品，實(shí)際生產(chǎn)中依舊是主要依靠工人經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試彎來完成管件的彎曲成形。

    筆者所在的實(shí)驗(yàn)室通過理論分析、試驗(yàn)和有限元模擬相結(jié)合方法，對(duì)導(dǎo)管數(shù)控彎曲成形規(guī)律和機(jī)理進(jìn)行研究，建立了實(shí)際工況下的管材數(shù)控彎曲成形過程模型（如圖9所示）。管材彎曲成形過程中其外側(cè)主要依靠壓模壓力壓緊，薄壁導(dǎo)管彎曲時(shí)還應(yīng)施加助推力以保證材料的及時(shí)補(bǔ)給，減小壁厚減薄率；管材彎曲內(nèi)側(cè)裝有防皺模，對(duì)于薄壁導(dǎo)管成形的導(dǎo)管內(nèi)部還應(yīng)裝有芯軸。

圖9 實(shí)際工況下的管材數(shù)控彎曲成形過程模型

    影響管材彎曲成形質(zhì)量的因素包括管材幾何參數(shù)、材料參數(shù)和工藝參數(shù)，其中工藝參數(shù)包括：壓模壓力、助推力、管坯與模具間摩擦、芯軸幾何參數(shù)、芯軸伸出量、彎曲角度、彎曲模轉(zhuǎn)速、夾模咬入距離等。通過分析發(fā)現(xiàn)，通過工藝參數(shù)調(diào)整優(yōu)化，可有效提高導(dǎo)管成形質(zhì)量并保證一致性。

    為獲取不同工藝參數(shù)對(duì)導(dǎo)管成形質(zhì)量的影響規(guī)律，進(jìn)行了大量理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)與有限元仿真，最后依據(jù)分析處理結(jié)果建立了導(dǎo)管彎曲工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。圖10所示為橫截面畸變實(shí)驗(yàn)與有限元模擬結(jié)果對(duì)比示例，實(shí)驗(yàn)條件為：材料為1Cr18Ni9Ti，管徑d0=10mm，壁厚t0=1mm的管材，在彎曲半徑R=25mm條件下彎曲180°，后在成形件7個(gè)典型位置處截面做切片處理。

圖10 橫截面畸變實(shí)驗(yàn)與有限元模擬結(jié)果對(duì)比示例

    在目前管材彎曲理論比較薄弱的情況下，根據(jù)彈塑性力學(xué)和金屬管材彈塑性變形原理，并參照已有板材彎曲理論，通過大量實(shí)驗(yàn)和仿真分析，取得了以下技術(shù)進(jìn)步點(diǎn)：

    1）提出了基于周向應(yīng)力連續(xù)的管材彎曲應(yīng)變中性層位置計(jì)算方法。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在管材彎曲成形過程研究中，普遍基于平面應(yīng)力和平面應(yīng)變假設(shè)條件對(duì)管材的彎曲成形機(jī)理展開研究，忽略了周向應(yīng)變對(duì)彎管橫截面變形等的影響。筆者所在的實(shí)驗(yàn)室基于橫截面上周向應(yīng)力連續(xù)的原理，推導(dǎo)了應(yīng)變中性層偏移量計(jì)算方法，為精確計(jì)算導(dǎo)管彎曲成形中的應(yīng)力應(yīng)變奠定了理論基礎(chǔ)。

    2）提出了計(jì)入橫截面畸變的管材彎曲回彈理論及計(jì)算方法。由于管材彎曲過程中會(huì)產(chǎn)生各種不同的缺陷，而這些缺陷又交叉影響管材彎曲成形性和彎曲質(zhì)量，因此，為了研究橫截面畸變對(duì)彎曲回彈的影響，將橫截面畸變計(jì)入管材彎曲回彈的推導(dǎo)過程中，并通過計(jì)入與不計(jì)入橫截面畸變對(duì)回彈的影響分析，以及兩種理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析得出：計(jì)入橫截面畸變的回彈理論計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際彎曲卸載回彈的變化趨勢(shì)。

    3）提出了彎管彎曲瞬時(shí)回彈與滯后回彈的近似計(jì)算方法。大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，部分金屬管材彎曲成形后的回彈實(shí)際上由卸載時(shí)刻產(chǎn)生的瞬時(shí)回彈和隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸發(fā)生的滯后回彈組成。盡管滯后回彈對(duì)彎管生產(chǎn)工藝很重要，但至今國(guó)內(nèi)、外仍很少有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究。筆者所在的實(shí)驗(yàn)室探索性地將彎管回彈分為彈性與塑性分量，對(duì)1Cr18Ni9Ti管材的滯后回彈機(jī)理進(jìn)行了研究，在平面應(yīng)變假設(shè)、線性強(qiáng)化材料模型的基礎(chǔ)上，將應(yīng)力應(yīng)變分量分為彈性分量與塑性分量推導(dǎo)出彎管彎曲瞬時(shí)回彈與滯后回彈的近似計(jì)算公式，為后續(xù)滯后回彈研究奠定基礎(chǔ)。

    4）針對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的導(dǎo)管彎曲過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力測(cè)量難的問題，提出了一種基于數(shù)字散斑的彎管殘余應(yīng)力測(cè)量方法，并研制了彎管殘余應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)裝置（如圖11所示）。該方法的基本原理是：首先在待測(cè)區(qū)域表面噴涂散斑，在噴涂散斑處打孔釋放殘余應(yīng)力，然后根據(jù)待測(cè)區(qū)域散斑形變前的第一散斑圖像、形變后的第二散斑圖像和數(shù)字散斑相關(guān)法，確定孔兩側(cè)兩個(gè)軸向點(diǎn)由于形變而產(chǎn)生的軸向位移差以及兩個(gè)環(huán)向點(diǎn)由于形變而產(chǎn)生的環(huán)向位移差，最后根據(jù)軸向位移差和環(huán)向位移差確定孔所處位置的軸向殘余應(yīng)力和環(huán)向殘余應(yīng)力。該方法具有測(cè)量范圍大和測(cè)量精度高的特點(diǎn)。

圖11 研制的彎管殘余應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)裝置實(shí)物圖片和數(shù)據(jù)處理軟件界面

5 導(dǎo)管數(shù)字化制造集成技術(shù)及工藝數(shù)據(jù)庫(kù)建立

    通過對(duì)航天多個(gè)工廠的導(dǎo)管制造車間調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)目前企業(yè)的數(shù)控彎管機(jī)利用率不高，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是：1）企業(yè)需要集成解決方案，而目前尚未有商品化的集成解決方案；2）目前導(dǎo)管數(shù)控彎曲加工過程中的工藝數(shù)據(jù)、工藝實(shí)例、制造資源、樣件等數(shù)據(jù)多數(shù)停留在以實(shí)物保存為主的管理方式上，缺乏導(dǎo)管數(shù)字化集成制造平臺(tái)以及導(dǎo)管的數(shù)字化制造信息集成管理。針對(duì)以上問題，提出了基于導(dǎo)管工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)字化集成制造技術(shù)，將人、資源、信息等在統(tǒng)一數(shù)據(jù)源上集中管理，并開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集導(dǎo)管布局設(shè)計(jì)、數(shù)控彎曲工藝規(guī)劃、參數(shù)化模胎與芯軸快速設(shè)計(jì)、導(dǎo)管彎曲數(shù)控自動(dòng)編程和加工過程仿真、導(dǎo)管彎曲成形工藝數(shù)據(jù)庫(kù)等功能的導(dǎo)管數(shù)字化集成制造系統(tǒng)，如圖12所示。

圖12 自主開發(fā)的導(dǎo)管數(shù)字化集成制造系統(tǒng)

    為了提高導(dǎo)管數(shù)字化集成制造平臺(tái)運(yùn)行效率，在集成制造應(yīng)用平臺(tái)基礎(chǔ)上采用了數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、專用接口技術(shù)和定制平臺(tái)運(yùn)行模式等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息集成、功能集成以及過程集成。

    同時(shí)，針對(duì)導(dǎo)管彎曲加工成形缺陷發(fā)生頻繁，知識(shí)可重用性差，可繼承性差且經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)的特點(diǎn)，以導(dǎo)管數(shù)控彎曲成形工藝研究為主線，利用數(shù)字化建模、仿真、試驗(yàn)驗(yàn)證、工藝優(yōu)化、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等技術(shù)，建立了導(dǎo)管彎曲成形工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括管材信息管理（包括導(dǎo)管規(guī)格信息管理、材料信息管理等）、工藝數(shù)據(jù)管理（包括工藝參數(shù)管理、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理等）、制造資源管理（包括機(jī)床信息管理、模胎芯軸信息管理等）、導(dǎo)管零件管理（包括導(dǎo)管樣件管理等）、管路附件管理（包括法蘭、管接頭等信息管理）、工藝知識(shí)管理（包括標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范管理、導(dǎo)管術(shù)語管理、經(jīng)驗(yàn)公式管理）等模塊，并創(chuàng)新性地提出了基于導(dǎo)管零件特征信息的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯模型及面向重用與決策的導(dǎo)管數(shù)控彎曲工藝知識(shí)的存儲(chǔ)模型，實(shí)現(xiàn)了工藝數(shù)據(jù)的可視化集成管理。

6 基于多目視覺的管路數(shù)字測(cè)量方法與裝置

    復(fù)雜產(chǎn)品中的管路系統(tǒng)形狀、尺寸各異，空間形態(tài)復(fù)雜。由于導(dǎo)管彎曲成形或接頭焊裝過程中往往存在加工誤差（例如因殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致回彈），因此，導(dǎo)管在加工后（成型、焊接）需要進(jìn)行測(cè)量，并與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，只有檢測(cè)合格的導(dǎo)管才能允許實(shí)施裝配。對(duì)于檢測(cè)不合格的導(dǎo)管，需要根據(jù)測(cè)量結(jié)果提前進(jìn)行校正或者報(bào)廢處理。

    基于機(jī)器視覺的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)近年來獲得了快速發(fā)展，該技術(shù)具有非接觸、數(shù)據(jù)獲取快、精度高、柔性好、自動(dòng)化水平高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于零件尺寸測(cè)量、自由曲面測(cè)量等領(lǐng)域。但是在大范圍形狀復(fù)雜物體的數(shù)字化測(cè)量應(yīng)用中常用的雙目立體視覺技術(shù)存在測(cè)量范圍有限的問題。隨著相機(jī)成本的降低以及計(jì)算機(jī)處理能力的增強(qiáng)，由雙目立體視覺基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多目視覺三維測(cè)量技術(shù)開始受到重視，已經(jīng)應(yīng)用于車身檢測(cè)、飛機(jī)裝配等涉及大范圍檢測(cè)的工程實(shí)踐中。

    根據(jù)多目視覺原理，提出了一種基于16目的非接觸式管路數(shù)字化快速測(cè)量方法，將測(cè)量空間分為若干子空間，采用背光光源技術(shù)，利用彎管的邊緣輪廓進(jìn)行多視點(diǎn)測(cè)量，且研發(fā)的測(cè)量裝置具有操作簡(jiǎn)便、測(cè)量速度快、精度較高等優(yōu)點(diǎn)。突破了基于多目視覺的管路數(shù)字測(cè)量方法的五個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，包括基于測(cè)量域的多目相機(jī)數(shù)目確定及布局方法、基于中心線的立體匹配方法、基于CAD模型的自動(dòng)匹配方法、基于空間曲線拼接的多視點(diǎn)重建技術(shù)和測(cè)量誤差分析技術(shù)。

圖13 自主研制的16目非接觸式管路數(shù)字化快速測(cè)量裝置

圖13（a）所示為所研制的16目測(cè)量裝置，測(cè)量的管路尺寸范圍為1500mm×1200mm×600mm，測(cè)量精度為±0.1mm，導(dǎo)管測(cè)量時(shí)間為30秒。圖13（b）所示為所測(cè)量的帶接頭導(dǎo)管三維重建結(jié)果。由三維重建結(jié)果可見，測(cè)量系統(tǒng)不僅能針對(duì)不同大小型號(hào)的導(dǎo)管進(jìn)行三維測(cè)量與重建，而且還可針對(duì)帶有接頭的導(dǎo)管，通過接頭匹配測(cè)量得到其空間位姿和外形，重構(gòu)完整的帶接頭導(dǎo)管的三維模型。

    另外，該測(cè)量系統(tǒng)可通過三維測(cè)量獲得的導(dǎo)管控制點(diǎn)信息，可反求計(jì)算得到導(dǎo)管數(shù)控彎曲成形YBC加工參數(shù)，并顯示在界面上（如圖14 a所示）。同時(shí)，通過與原始導(dǎo)管加工參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，可自動(dòng)將數(shù)控加工校正參數(shù)傳遞給數(shù)控彎管機(jī)，進(jìn)行加工校正，如圖14所示。

圖14 自動(dòng)計(jì)算出導(dǎo)管數(shù)控彎曲成形YBC加工參數(shù)并傳遞給數(shù)控彎管機(jī)

7 結(jié)論

    質(zhì)量與可靠性問題是產(chǎn)品研制生產(chǎn)中最核心的問題。火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛機(jī)、潛艇等復(fù)雜產(chǎn)品中的管路是產(chǎn)品工作的“生命線”，其合理布局設(shè)計(jì)、精確制作與可靠施工直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性和工作壽命。近年來，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)針對(duì)結(jié)構(gòu)件的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造方面取得大量研究與應(yīng)用成果，但較少同時(shí)考慮管路的數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)方面的問題，管路已成為提高我國(guó)復(fù)雜產(chǎn)品研制質(zhì)量和可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。

    目前我國(guó)復(fù)雜產(chǎn)品中的管路生產(chǎn)大多是在實(shí)物模型或結(jié)構(gòu)樣機(jī)完成之后，再采用人工的方式取樣、手工的方式彎管、利用靠模或?qū)嵨飿蛹�的方式進(jìn)行測(cè)量，這種串行的和依賴經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、制作方法存在精度差、協(xié)調(diào)周期長(zhǎng)、返工返修多、一致性和穩(wěn)定性差等問題。

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本文標(biāo)題：2013PLM征文：管路數(shù)字化布局設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)集成技術(shù)

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