0 引言

    管路是航空、航天、船舶、汽車等行業(yè)中機電產(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)，實現(xiàn)產(chǎn)品的運行、控制、操縱等功能。管路的合理布局設(shè)計、精確制作與可靠施工直接關(guān)系到機電產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性和工作壽命。美國通用電氣公司在對以往發(fā)動機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。

    國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)從管路的數(shù)字化布局設(shè)計、導(dǎo)管彎曲加工過程建模與仿真、管路測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)計方面的研究成果主要集中在計算機輔助人機交互式布局設(shè)計和自動布局設(shè)計兩個方面。（1）人機交互式管路布局方面：GE公司在20世紀80年代采用在計算機上建立發(fā)動機電子樣機的方式進行管路設(shè)計，北京航空航天大學(xué)從20世紀90年代初開始進行航空發(fā)動機的管路設(shè)計研究，并開發(fā)了交互式的航空發(fā)動機管路設(shè)計系統(tǒng)，北京理工大學(xué)的路志芳、趙柏萱等對虛擬環(huán)境下的管路交互式布局技術(shù)進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)人員在電子樣機上進行手工交互布局操作為主，并利用技術(shù)人員的經(jīng)驗和相關(guān)試驗進行交互式的反復(fù)修改，雖然利用計算機輔助技術(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)計人員的經(jīng)驗，設(shè)計結(jié)果優(yōu)化困難，設(shè)計效率和質(zhì)量難以滿足現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的需求。（2）管路自動和智能布局方面：人機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和智能布局方法，管路自動布局算法經(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。在單管自動敷設(shè)方面，Rourke提出了采用迷宮算法解決管路布局設(shè)計，1991年Zhu等將管路敷設(shè)問題看成滿足一定約束的機器人路徑規(guī)劃問題，提出了一種基于機器人路徑規(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)用蟻群算法對船舶三維管路布局問題進行了研究，2007年付宜利等分別應(yīng)用粒子群算法和混沌算法對機電產(chǎn)品的管線問題進行了研究，2011年王成恩等人提出了投影與側(cè)地線發(fā)進行航空發(fā)動機的管路布局算法。在分支管路自動布局方面，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)用迷宮算法對分支管路端點進行串行連接。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，管路自動敷設(shè)技術(shù)的研究已經(jīng)取得很大進展，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，只仿真機床、模胎和工件的綜合運動并進行干涉檢測，用以驗證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，國外數(shù)控彎管機制造商意大利BLM集團、英國Addision公司在其生產(chǎn)的部分數(shù)控彎管機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現(xiàn)彎管機的加工過程仿真，具有模夾具的尺寸定義及加工過程的碰撞檢測功能，但一套仿真軟件只針對特定的一臺數(shù)控彎管機，且與數(shù)控彎管機配套出售，不具備通用性。國內(nèi)的西北工業(yè)大學(xué)的何衛(wèi)平等運用TurboC開發(fā)了Tubemod系統(tǒng)，建立了美國Eaton Leonard公司的VB50、VB150及VB300系列數(shù)控彎管機的仿真模型；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)，通過定義運動變量，采用幾何位姿的變換實現(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，也是國內(nèi)外的研究熱點。目前研究成果和研究方法，主要基于試驗、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)對回彈、壁厚變化以及橫截面畸變等成形質(zhì)量的影響機理，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對軸力在較大范圍（達到頸縮點）的拉伸彎曲及其回彈問題進行了研究，這些研究結(jié)果揭示了拉伸變形對回彈的抑制作用。Zhang在回彈的理論分析過程中特別強調(diào)了變形歷史、材料強化模型對殘余應(yīng)力和回彈計算的影響。重慶大學(xué)的熊淑元運用彈塑性理論推導(dǎo)了彎矩計算公式，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)梁彎曲理論對管材彎曲進行了彈塑性分析，推導(dǎo)了回彈角計算公式，分析了外徑、壁厚和彈性模量等參數(shù)對回彈的影響，并提出了回彈角補償方案，但是方案的實施基于大量的試驗，其應(yīng)用具有局限性。2003年張旭光針對彎管的彎曲段和過渡段分別建立了不同的回彈預(yù)測解析模型，提出了以剛塑性有限元法計算管材塑性彎曲過程的應(yīng)力場，結(jié)合預(yù)測模型實現(xiàn)管材回彈預(yù)測的新該法。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)對薄壁管回彈的影響規(guī)律，為研究其它參數(shù)對回彈的影響規(guī)律提供了思路。李振強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，與實際情況存在一定誤差。李恒等分析了薄壁管幾何參數(shù)對回彈的影響規(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算公式，并基于線性強化模型假設(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)生機理的研究大多以實驗分析和經(jīng)驗建模為主，有關(guān)成形質(zhì)量之間相互聯(lián)系以及形成機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。目前國內(nèi)外對于導(dǎo)管加工后的空間幾何形態(tài)測量主要采用靠模方法、激光矢量方法、激光跟蹤儀和三坐標測量儀等�？磕�測量方法根據(jù)彎管設(shè)計參數(shù)，需要制造機械對比裝置，缺乏柔性。激光矢量測量方法需要沿導(dǎo)管軸線方向進行測量，測量效率低。激光跟蹤儀和三坐標測量儀雖然測量精度較高，但這些方法測量時需要與導(dǎo)管表面接觸，容易造成細長柔性管或軟材料管的表面變形，導(dǎo)致測量失真，并且復(fù)雜形態(tài)導(dǎo)管同樣存在遮擋不易測量，只能離散測量少量檢測點，效率較低。因此，目前工程中急需新型測量裝置來實現(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、準確測量。

    綜述所述，目前管路設(shè)計與制造技術(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)模式相對落后，存在著設(shè)計、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)計方法，實現(xiàn)管路布局設(shè)計和結(jié)構(gòu)件設(shè)計的并行協(xié)同，管路布局設(shè)計、工藝設(shè)計和制作之間的并行協(xié)同，以及制造與測量之間的協(xié)調(diào)，減少或避免不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的返工多等問題；2）針對航空航天中廣泛應(yīng)用的高強輕質(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薄弱的現(xiàn)狀，急需通過大量工藝試驗和仿真分析，建立考慮實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、助推力等的計算方法，建立導(dǎo)管彎曲工藝數(shù)據(jù)庫和知識庫，實現(xiàn)基于實際工況的管材彎曲質(zhì)量預(yù)測和工藝參數(shù)優(yōu)化，提高管材彎曲成形質(zhì)量；3）針對航空航天等復(fù)雜產(chǎn)品中無應(yīng)力裝配要求，以及長期制約管路設(shè)計與制造一體化中的管路快速測量的瓶頸難題，急需探索一種新的測量方法和裝置，實現(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確測量。

    針對以上問題，課題組在“十五”和“十一五”國防基礎(chǔ)研究等項目支持下，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、試驗驗證及數(shù)字化測量等相關(guān)技術(shù)攻關(guān)和集成應(yīng)用研究，以達到改變管路系統(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、制造與檢測集成系統(tǒng)的技術(shù)框架

    通過對導(dǎo)彈、衛(wèi)星、運載火箭等航天產(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，由于焊接點的密封性能至少高于螺接點一個數(shù)量級，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，由于航天產(chǎn)品空間很小，填充密度大，因此對導(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，為確保樣件的準確性，取樣時應(yīng)在總裝過程中進行，以便真實地反映管路敷設(shè)安裝路線。2）導(dǎo)管加工：以導(dǎo)管樣件為依據(jù)，采用人工或半自動彎管技術(shù)進行導(dǎo)管加工，在導(dǎo)管加工過程中通過多次的導(dǎo)管實物與樣件對比分析，對導(dǎo)管的外形走向進行校正。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，一般要進行試驗裝配，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），并需要占用一定的總裝研制周期；2）對于火箭、衛(wèi)星等航天產(chǎn)品來說，由于要保存幾十個型號分階段、分批次的樣板實物，需要占用大量生產(chǎn)用地，還帶來一系列管理問題。3）人工或半自動彎管技術(shù)導(dǎo)致導(dǎo)管成形時間長，并且經(jīng)常達不到設(shè)計精度，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，校正工作量和返工較多，質(zhì)量很難控制，嚴重影響裝配周期和裝配質(zhì)量。

    針對傳統(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、制造與檢測集成系統(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)，實現(xiàn)導(dǎo)管的數(shù)控彎曲成形。3）利用機器視覺技術(shù)，實現(xiàn)管路的數(shù)字化測量，并通過與管路設(shè)計模型的對比分析，提前進行管路校正工作，實現(xiàn)總裝時的一次裝調(diào)成功。4）針對測量合格后的管路，完成管路系統(tǒng)的安裝工作。管路數(shù)字化布局設(shè)計、制造與檢測集成方法對提高管路設(shè)計、制作與安裝的效率和質(zhì)量具有重要意義，同時導(dǎo)管數(shù)字化設(shè)計制造集成系統(tǒng)可以直接利用設(shè)計產(chǎn)生的導(dǎo)管數(shù)字化模型進行工作，可以通過保存數(shù)字化導(dǎo)管模型解決導(dǎo)管樣板實物的保存問題。

圖3 管路數(shù)字化布局設(shè)計、制造與檢測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、制造與檢測集成方法為解決導(dǎo)管現(xiàn)場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、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)是實現(xiàn)導(dǎo)管數(shù)字化設(shè)計與制造的核心技術(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)測性，使得導(dǎo)管數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)成為一種有異于傳統(tǒng)制造的導(dǎo)管可預(yù)測制造模式，而數(shù)字化測量技術(shù)是實現(xiàn)管路準確安裝及無應(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、試驗驗證及數(shù)字化測量等關(guān)鍵技術(shù)，以及管路數(shù)字化布局、加工、檢測中所需的理論、方法、軟硬件工具與數(shù)據(jù)庫，建立了數(shù)字化布局設(shè)計、制造與檢測集成系統(tǒng)的技術(shù)框架，如圖4所示。

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

    1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫是進行導(dǎo)管數(shù)字化設(shè)計與制造的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，它提供了導(dǎo)管布局設(shè)計、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、導(dǎo)管彎曲工藝參數(shù)庫、導(dǎo)管零件庫、導(dǎo)管制造資源庫、導(dǎo)管設(shè)計與制造知識庫等。

    2）基礎(chǔ)理論與實驗技術(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，必須通過理論與實驗相互結(jié)合的方法才能對其成形機理以及成形過程有所揭示。同時，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)管彎曲加工實驗方法及數(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)計與制造的流程角度考慮，總結(jié)數(shù)字化布局設(shè)計、制造與檢測集成系統(tǒng)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，包括管路數(shù)字化布局設(shè)計、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)計與制造應(yīng)該結(jié)合各個領(lǐng)域的應(yīng)用特點展開研究。

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

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

圖5 基于數(shù)據(jù)庫的導(dǎo)管數(shù)字化設(shè)計、制造與檢測集成應(yīng)用平臺業(yè)務(wù)流程

    1）導(dǎo)管設(shè)計人員在三維管路布局環(huán)境下，在虛擬樣機上布管并且進行裝配過程仿真，在導(dǎo)管設(shè)計與布局規(guī)則和知識的指導(dǎo)下，通過人工布局或者自動布局完成導(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)管工藝人員對導(dǎo)管數(shù)字化模型進行分析，在工藝知識庫的支持下制定導(dǎo)管彎曲工藝過程，包括材料選擇、工藝性審查、工藝參數(shù)計算與優(yōu)化、質(zhì)量數(shù)據(jù)預(yù)測與計算、工藝卡片定制與輸出等工作。

    3）模胎設(shè)計人員利用數(shù)字化模胎設(shè)計分系統(tǒng)設(shè)計模胎，輸出模胎數(shù)字化模型，用于加工制造。同時，導(dǎo)管模胎設(shè)計分系統(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、工藝文件進行有限元建模與仿真分析，對當前工藝條件下導(dǎo)管的成形物理過程進行模擬，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)測導(dǎo)管最終的成形質(zhì)量，通過分析提供改進工藝參數(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，并且進行加工數(shù)據(jù)的補償，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、模胎以及導(dǎo)管的數(shù)字化模型，通過NC程序驅(qū)動導(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技術(shù)及時剔除不能彎曲的導(dǎo)管，不需在彎管機床上試彎，減少了材料浪費及機床的占用時間。

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

    7）加工完成后，通過管路數(shù)字化測量設(shè)備對彎曲成形后的彎管以及導(dǎo)管接頭組件進行實物測量，并自動與設(shè)計模型進行對比分析，從而準確指導(dǎo)校正工作。

    管路數(shù)字化布局設(shè)計、制造與檢測集成系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括管路布局設(shè)計與智能評價、導(dǎo)管彎曲成形質(zhì)量預(yù)測與檢測、導(dǎo)管數(shù)字化制造集成技術(shù)及工藝數(shù)據(jù)庫建立、基于多目視覺的管路數(shù)字化測量方法與裝置等，下面分別對4項關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)方案進行闡述。

3 管路布局設(shè)計與智能評價技術(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，還要承受管內(nèi)流體的撞擊和脈動，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)計過程復(fù)雜。據(jù)航天某院航天發(fā)動機統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：一個管路的布局設(shè)計有14個設(shè)計環(huán)節(jié)，涉及到結(jié)構(gòu)、振動、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)計的管路無法加工或裝配等問題，頻繁返工，一臺中型航天發(fā)動機的管路設(shè)計及協(xié)調(diào)時間長達4個月，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)計的設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量是研制中的難題之一。

    針對以上問題，提出了一種管路布局設(shè)計與智能評價方法，該方法的技術(shù)思路是首先在虛擬樣機上進行人機交互與自動推理相結(jié)合的管路布局設(shè)計，同時建立管路布局知識庫，采用基于非單調(diào)多值邏輯推理的方法對管路布局結(jié)果進行多專業(yè)的系統(tǒng)評價與優(yōu)化，提高管路布局設(shè)計效率和質(zhì)量。

    管路布局設(shè)計與智能評價方法的包括管路系統(tǒng)的數(shù)字化建模、管路布局知識建模和管路智能評價三部分。1）管路系統(tǒng)的數(shù)字化模型是管路布局設(shè)計與智能評價的基礎(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、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管路通路作為一個單位整體建模，其中包含導(dǎo)管之間的拓撲關(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，并可以對通徑中的管路進行整體的管理與評價。

圖6 管路通徑模型

    2）提出了基于形式化語義表達的管路布局知識建模方法，并建立了7類管路布局知識。由于管路布局知識種類多樣，適用領(lǐng)域不同等復(fù)雜的特點，提出了基于形式化語義表達的知識建模技術(shù)，不同領(lǐng)域的人員可以添加各自領(lǐng)域的知識或規(guī)則，并根據(jù)不同場合選擇應(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。

    3）提出了基于非單調(diào)多值邏輯推理的管路智能評價方法。管路敷設(shè)設(shè)計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)的各項性指標能滿足敷設(shè)的約束條件，并使設(shè)定的目標達到最優(yōu)狀態(tài)。管路系統(tǒng)的規(guī)劃布置并非只是個簡單的空間幾何和位置規(guī)劃問題，它還是個需要滿足多種使用性能要求的設(shè)計問題。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、強度、流阻損失、振動特性，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價技術(shù)，通過引入非單調(diào)多值求解器（ASP）來實現(xiàn)管路系統(tǒng)的評價，首先按照管路評價標準的強弱以及各規(guī)則的優(yōu)先級確定規(guī)則應(yīng)用順序，然后按照順序逐條對管路系統(tǒng)進行評價，獲取單規(guī)則下的管路系統(tǒng)評分，通過規(guī)則之間的邏輯關(guān)系導(dǎo)入求解器中對管路系統(tǒng)進行綜合評價，并通過規(guī)則的不斷引入修正系統(tǒng)的評分，最終實現(xiàn)了對各種指標對管路系統(tǒng)的綜合評價。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)管路的自動布局設(shè)計與智能評價的應(yīng)用界面。

圖7 利用自主開發(fā)的管路布局設(shè)計與智能評價軟件開展的應(yīng)用

4 導(dǎo)管彎曲成形質(zhì)量預(yù)測與檢測技術(shù)

    彎管成形質(zhì)量直接影響了整個管路的性能，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。

圖8 導(dǎo)管彎曲成形的常見缺陷

    針對管材彎曲產(chǎn)生的缺陷，國內(nèi)外學(xué)者也開展了大量的研究工作，國際上著名NC彎管機廠家，如意大利BLM、美國伊頓等隨其機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，實際生產(chǎn)中依舊是主要依靠工人經(jīng)驗和反復(fù)試彎來完成管件的彎曲成形。

    筆者所在的實驗室通過理論分析、試驗和有限元模擬相結(jié)合方法，對導(dǎo)管數(shù)控彎曲成形規(guī)律和機理進行研究，建立了實際工況下的管材數(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)管彎曲時還應(yīng)施加助推力以保證材料的及時補給，減小壁厚減薄率；管材彎曲內(nèi)側(cè)裝有防皺模，對于薄壁導(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)對導(dǎo)管成形質(zhì)量的影響規(guī)律，進行了大量理論計算、實驗與有限元仿真，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。圖10所示為橫截面畸變實驗與有限元模擬結(jié)果對比示例，實驗條件為：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個典型位置處截面做切片處理。

圖10 橫截面畸變實驗與有限元模擬結(jié)果對比示例

    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，通過大量實驗和仿真分析，取得了以下技術(shù)進步點：

    1）提出了基于周向應(yīng)力連續(xù)的管材彎曲應(yīng)變中性層位置計算方法。目前國內(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)條件對管材的彎曲成形機理展開研究，忽略了周向應(yīng)變對彎管橫截面變形等的影響。筆者所在的實驗室基于橫截面上周向應(yīng)力連續(xù)的原理，推導(dǎo)了應(yīng)變中性層偏移量計算方法，為精確計算導(dǎo)管彎曲成形中的應(yīng)力應(yīng)變奠定了理論基礎(chǔ)。

    2）提出了計入橫截面畸變的管材彎曲回彈理論及計算方法。由于管材彎曲過程中會產(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彎曲回彈的影響，將橫截面畸變計入管材彎曲回彈的推導(dǎo)過程中，并通過計入與不計入橫截面畸變對回彈的影響分析，以及兩種理論計算與實驗結(jié)果的對比分析得出：計入橫截面畸變的回彈理論計算結(jié)果更符合實際彎曲卸載回彈的變化趨勢。

    3）提出了彎管彎曲瞬時回彈與滯后回彈的近似計算方法。大量實驗發(fā)現(xiàn)，部分金屬管材彎曲成形后的回彈實際上由卸載時刻產(chǎn)生的瞬時回彈和隨時間延長逐漸發(fā)生的滯后回彈組成。盡管滯后回彈對彎管生產(chǎn)工藝很重要，但至今國內(nèi)、外仍很少有學(xué)者對其進行研究。筆者所在的實驗室探索性地將彎管回彈分為彈性與塑性分量，對1Cr18Ni9Ti管材的滯后回彈機理進行了研究，在平面應(yīng)變假設(shè)、線性強化材料模型的基礎(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)出彎管彎曲瞬時回彈與滯后回彈的近似計算公式，為后續(xù)滯后回彈研究奠定基礎(chǔ)。

    4）針對實驗中出現(xiàn)的導(dǎo)管彎曲過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力測量難的問題，提出了一種基于數(shù)字散斑的彎管殘余應(yīng)力測量方法，并研制了彎管殘余應(yīng)力測量試驗裝置（如圖11所示）。該方法的基本原理是：首先在待測區(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)兩個軸向點由于形變而產(chǎn)生的軸向位移差以及兩個環(huán)向點由于形變而產(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。該方法具有測量范圍大和測量精度高的特點。

圖11 研制的彎管殘余應(yīng)力測量試驗裝置實物圖片和數(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)庫建立

    通過對航天多個工廠的導(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)、工藝實例、制造資源、樣件等數(shù)據(jù)多數(shù)停留在以實物保存為主的管理方式上，缺乏導(dǎo)管數(shù)字化集成制造平臺以及導(dǎo)管的數(shù)字化制造信息集成管理。針對以上問題，提出了基于導(dǎo)管工藝數(shù)據(jù)庫的數(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)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的集導(dǎo)管布局設(shè)計、數(shù)控彎曲工藝規(guī)劃、參數(shù)化模胎與芯軸快速設(shè)計、導(dǎo)管彎曲數(shù)控自動編程和加工過程仿真、導(dǎo)管彎曲成形工藝數(shù)據(jù)庫等功能的導(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)字化集成制造平臺運行效率，在集成制造應(yīng)用平臺基礎(chǔ)上采用了數(shù)據(jù)庫技術(shù)、專用接口技術(shù)和定制平臺運行模式等實現(xiàn)系統(tǒng)信息集成、功能集成以及過程集成。

    同時，針對導(dǎo)管彎曲加工成形缺陷發(fā)生頻繁，知識可重用性差，可繼承性差且經(jīng)驗性強的特點，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、試驗驗證、工藝優(yōu)化、數(shù)據(jù)庫管理等技術(shù)，建立了導(dǎo)管彎曲成形工藝數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫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、實驗數(shù)據(jù)管理等）、制造資源管理（包括機床信息管理、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）、工藝知識管理（包括標準規(guī)范管理、導(dǎo)管術(shù)語管理、經(jīng)驗公式管理）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)控彎曲工藝知識的存儲模型，實現(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）需要進行測量，并與設(shè)計數(shù)據(jù)進行比較，只有檢測合格的導(dǎo)管才能允許實施裝配。對于檢測不合格的導(dǎo)管，需要根據(jù)測量結(jié)果提前進行校正或者報廢處理。

    基于機器視覺的數(shù)字化測量技術(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、自動化水平高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于零件尺寸測量、自由曲面測量等領(lǐng)域。但是在大范圍形狀復(fù)雜物體的數(shù)字化測量應(yīng)用中常用的雙目立體視覺技術(shù)存在測量范圍有限的問題。隨著相機成本的降低以及計算機處理能力的增強，由雙目立體視覺基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多目視覺三維測量技術(shù)開始受到重視，已經(jīng)應(yīng)用于車身檢測、飛機裝配等涉及大范圍檢測的工程實踐中。

    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)字化快速測量方法，將測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行多視點測量，且研發(fā)的測量裝置具有操作簡便、測量速度快、精度較高等優(yōu)點。突破了基于多目視覺的管路數(shù)字測量方法的五個關(guān)鍵技術(shù)，包括基于測量域的多目相機數(shù)目確定及布局方法、基于中心線的立體匹配方法、基于CAD模型的自動匹配方法、基于空間曲線拼接的多視點重建技術(shù)和測量誤差分析技術(shù)。

圖13 自主研制的16目非接觸式管路數(shù)字化快速測量裝置

圖13（a）所示為所研制的16目測量裝置，測量的管路尺寸范圍為1500mm×1200mm×600mm，測量精度為±0.1mm，導(dǎo)管測量時間為30秒。圖13（b）所示為所測量的帶接頭導(dǎo)管三維重建結(jié)果。由三維重建結(jié)果可見，測量系統(tǒng)不僅能針對不同大小型號的導(dǎo)管進行三維測量與重建，而且還可針對帶有接頭的導(dǎo)管，通過接頭匹配測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，該測量系統(tǒng)可通過三維測量獲得的導(dǎo)管控制點信息，可反求計算得到導(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，通過與原始導(dǎo)管加工參數(shù)進行比對，可自動將數(shù)控加工校正參數(shù)傳遞給數(shù)控彎管機，進行加工校正，如圖14所示。

圖14 自動計算出導(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

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、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、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，國內(nèi)外研究機構(gòu)和企業(yè)針對結(jié)構(gòu)件的數(shù)字化設(shè)計與制造方面取得大量研究與應(yīng)用成果，但較少同時考慮管路的數(shù)字化設(shè)計、制造與檢測方面的問題，管路已成為提高我國復(fù)雜產(chǎn)品研制質(zhì)量和可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。

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

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

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