可重构制造装备与应用

可重构制造装备及应用

王志坚 冯雄峰

中国科学院宁波工业技术研究院 宁波 315201

摘要 可重构制造装备技术是一种支持可持续发展的技术，是企业实施绿色制造的关键技术和方法之一。中科院宁波工业技术研究院先进制造所在这一领域进行了大量的研究工作。本文阐述了可重构制造装备工作的基本原理、结构和分类，总结了国内外关于可重构制造装备的研究现状，并对可重构制造装备的最新动态及未来发展作了展望。

关键词：可重构制造装备 夹具 模具 低成本制造

1 可重构制造装备基本原理与特征

1.1基本原理

可重构成形模的概念如图1所示，它由几百个甚至一、二千个左右的高度方向可以调节的单元体组成，因此它是形状可变的。不同的可重构模具，有不同的可重构单元形状及其调控和夹紧方式。根据不同的产品模型，通过计算机控制各可调单元体的高度，形成相应的产品形状，再对其表面进行处理得到成型面，并以此实现任意曲面形状板类零件的快速成形。这一方法既能省去大量的模具制造费用，又能同时解决单件、小批量零件的生产问题。

图1 可重构模具概念 [1]

1.2结构组成

可重构装备的基本结构由5部分组成[1]：可重构单元模块、可重构单元的调控机构、可重构单元的支撑和夹紧机构、可重构表面处理单元以及支撑软件模块。根据具体应用的不同，其机构的各部分也有较大的差异。

可重构单元是可重构模具的基本组成部分，在可重构制造装备设计过程中，可重构单元截面形状是必须考虑的重要因素。最常用的截面形状有四种，它们是：方形、六角形、圆形和螺纹形，如图2所示。方形和六角形的可重构单元，相邻单元之间可以实现无缝拼接；圆 形和螺纹形的可重构单元之间存在细小缝隙，采用圆形单元通常是因为需要在其中植入液压或气压缸以驱动可重构单元；螺纹形的可重构单元之间能实现自然啮合，可承受较大的成型压力。

可重构单元的调控机构是实现可重构模具柔性的执行机构，国内外研究人员开发出用CNC 调控、液压调控、丝杆调控等方法。选择或设计调控机构时，一般从可重构单元的调整精度和速度、可重复性、加工难易程度、制造成本等方面考虑。可重构单元的支撑和夹紧通过液

压法、肘节机构、斜楔、夹紧块等方法来完成。当可重构装备用作夹具时，通常不需要进行表面处理；当用作模具时，通常在表面覆盖弹性橡胶或用工程塑料来真空成型。

（a）方形 （b） 六角形 (c) 圆形 （d） 螺纹形

图2 可重构单元形状

1.3 可重构制造装备的分类与应用

1.3.1分类

（1）按照可重构单元的排列，分为离散型和紧密堆积型；

（2）按照应用方式，可重构制造装备包含两种类型：可重构夹具和可重构模具。可重构夹具通常用于支撑大型柔性板件或夹紧形状复杂的异形件；可重构模具用于加工大

型、小批量的钣金件、塑料件等。

（3）按照可重构单元的驱动方式，可分为液压型、丝杆型、CNC型等。

1.3.2 应用

可重构制造装备凭借其突出的柔性、应用的经济学和高效率，在航空、医疗、建筑、交通以及能源等领域有着潜在的广泛应用。

2 几种现有的可重构制造装备

以下可重构装备的描述将以其应用方式来分类。

2.1 可重构夹具

德国Matrix Innovations 公司致力于可重构夹具的研发和销售，是全球最大的可重构夹具生产商和制造商。该公司主要有两个系列的可重构夹具：一是X-GRIP系列用于产品的检测，另一个系列是X-CLAMP用于产品的加工。

英国诺丁汉大学Nabil Gindy教授与团队对可重构技术的研究始于2000年左右。在研究初期，团队主要致力于可重构夹具的研究，相继推出磁流变可重构夹具、实心球可重构夹具、螺针矩阵夹具（如图3所示），这些夹具在劳斯莱斯公司得到初步应用并申请了近十项专利[2-5]。特别地，磁流变可重构夹具利用磁流变可液来控制可重构单元的夹紧与放松。磁流变（ MR液）是一种变相智能流体, 里面有很多微米和纳米大小的铁粒子悬浮在液体中。 该材料在正常情况下是液体，加了磁场后变成半固体.

（a）磁流变夹具 (b) 实心球夹具 (c) 镙针矩阵夹具

图3 可重构夹具

2.2 可重构模具

在可重构模具装备领域，研究时间最长和成果最为丰硕的研究团队有三个，他们分别是：美国麻省理工大学的David Hardt教授与团队；中国吉林大学李明哲教授与团队以及英国诺丁汉大学Nabil Gindy教授与团队。其中，麻省理工大学和吉林大学致力于可重构板金模的研究，诺丁汉大学致力于可重构真空成型模的研究。

2.2.1 可重构钣金模

美国麻省理工大学David Hardt教授从1980年开始，致力于用可配置模来进行金属钣金件成型的应用研究，至今有30年的历史。研究内容包括：可配置模装备系统的总体与详细设计、工件表面缺陷的消除、钣金工件弹性回缩模拟与控制以及工件质量的闭环控制等[6-8]。该团队的主要研究成果体现为在1996年至2002期间，他们在美国国防部高级研究计划局（Advanced Research Projects Agency）的资助下（研究经费高达两千万美金），与Northrop Grumman Corporation（世界第3大军工生产商）和Cyril Bath Company）联合攻关，开发成功用于飞机钣金机身面板拉伸成形的、计算机控制的可重构模具（如图4）。

图4 麻省理工学院David Hardt教授面向柔性制造的可调模（RTFF) [9]

中国吉林大学李明哲教授对可重构技术（多点成形技术）的研究始于1990年留学日本期间，至今有20年的历史。他的研究致力于用多点成形模来进行钣金件成形的应用研究[10-12]。该团队的主要研究成果体现为板材无模多点成形压力机系列的推出，并在列车流线型车头覆盖件成形、钛合金板成形、北京奥运会国家体育馆（鸟巢工程）中的弯扭板件中得到初步应用[13]。2006-2009,李明哲教授团队与英国卡迪夫大学合作开展欧盟框架计划项目“基于多点成形方法的数字可调模具在飞机面板制造中的应用”的研究。

2.2.2 可重构真空成型模

真空成型热塑性工程塑料是可重构模的另一个应用。从2005年开始，英国诺丁汉大学开始研究螺针可重构模具在真空成形中的应用。至2009年，成功开发出“螺杆可重构集成式多点真空成型机"原型系统[1]。该螺针模系统将CAD/CAM、CNC、可重构模、真空成型和逆向工程结合在一起进行热塑性工程塑料产品的快速低成本制造。

可重构真空成型模系统的应用流程如图5所示，包含6个步骤。

1）建立目标产品的CAD模型；

2）通过有限元软件将CAD模型网格化，并获取工件表面有限元节点坐标；

3）使用诺丁汉大学自主开发的软件，进行CAD模型与可重构模的优化映射，获取最优的