对于传统的机械加工来说，稍微复杂一点的零件加工就要专门设计制造一套工装。由于加工零件的批量小，有些工装随着零件加工的结束，就完成了其历史使命。面对多品种小批量的生产模式，机械加工制造陷入了一种恶性循环之中。工装的数量多，成本居高不下。如何减少工装的数量和开销，是制造业必须面对和解决的问题。
新一代飞机对长寿命、环保、舒适、低能耗等指标的要求越来越高，在飞机上大量采用了整体蒙皮和壁板。而这些结构件的加工，大大提高了制造难度。通常采用大型模胎来进行铣削和切边，这样造成了生产准备时间长，模胎设计制造成本高，大量模胎占用厂房面积，库房积压严重等问题。
全球制造业竞争和用户需求变化的加剧，促使了产品种类的增加、制造技术的革新、产品生命周期的缩短、单位成本降低、产品质量提高和交货时间的提前。由于“市场牵引”和“技术推动”的相互作用，制造企业要面对产品更大的柔性，加速了制造业柔性和自动化。在过去的二三十年间，柔性制造系统（F M S）的发展引起了全社会广泛的关注。柔性制造系统能快速应对产品市场和技术的变化，制造成本相对低廉。F M S 特别适于小、中批量生产，因为它具有产品准备阶段周期短、开销低的特点，能满足零件新的设计要求。
但整个F M S 的柔性常常被它的工作部件所束缚，这些部件包括其中的工装系统，F M S 工装设计和制造能达到总系统开销的10% ～20%。通常工装的作用就是固定工件，在零件制造、装配、检测过程中保证零件在希望的位置和方向上，用户化专用工装的设计制造既费时，又费钱，而且对零件的不同形状尺寸装配无柔性可言。为了减低制造系统的成本，工装设计应在面向尽可能多的工件装夹方面具有竞争力。在小中批量生产中，柔性工装系统（FFS）在不同工件的装夹方面具有竞争力，成为减少产品单位成本xxx的手段。

国内外情况
据不xx统计，复杂零件的生产准备时间占整个生产周期的20% 以上，是制约生产效率提高的主要因素。靠传统的固定、组合卡具，远远不能满足制造系统的生产要求。由于它的自动化水平低，设计制造工作量巨大，所以造成生产准备时间长，产品质量低下、不稳定，制造成本居高不下。
由于历史的种种原因，工装只被看成生产系统中一个小小配角，未引起足够重视。多年来，在缩短生产准备时间的问题上，处于一种无所作为的状态，工装也未形成一个系统体系，但随着数控机床技术的飞速发展，出现了许多高速、高精度机床，缩短生产准备时间的重要性就凸现出来了。缩短生产准备时间必须从工装系统入手。可以说，没有工装系统，单靠数控机床的高速性，是不可能缩短生产准备时间的。随着高速加工的引入，加工的切削力变得越来越小，对工装也提出了更高的要求。
从国外情况看，在可重配置、可调整工装的研究和开发方面，为满足零件工艺性和加工要求，他们采用了很多新技术，相继开发出了液压工装、数控工装等，从而使飞机零件生产过程减少了专用工装，大大提高了生产效率。例如，西班牙M.TORRES 公司、瑞典MODIG 公司开发的液压数控工装应用于钣金、壁板、舱门等类零件的制造过程，一方面将钣金件由展开计算、下料、成形的复杂过程变为按设计形状直接定位进行切削加工，使零件的制造精度和效率大大提高；另一方面，在无较好定位平面情况下实现稳定装夹并保证定位精度，满足加工过程中的零件定位需求。这些工装有的是独立的装置，有的已经同机床融为一体。这类工装在美国波音公司已经得到应用，提高了飞机整体构件制造的技术经济效益。空中客车A340-500/600 大型整体结构件在英国布劳顿（Broughton）工厂的一台长床身龙门铣床（A l u m a x）上加工，毛坯长32m、宽3m、厚35mm，主要加工机翼壁板内表面，加工质量的关键是保证壁板厚度的一致性。毛坯切除率为80%，采用高速切削，用6554.8c m3/ m i n 的粗加工和20m /m i n 的进给速度加工。由于应用了此类工装夹具而得以实现。
我国在可重配置、可调整柔性工装方面的开发研究工作不多，落后于西方发达国家。目前，国内工装的发展主要表现在两方面：
(1) 在飞机大型整体框梁和壁板零件的制造过程中专用工装占的比例较大，且工装的可重用性差, 每一次新机研制或改型均会产生大量的零件工装设计和制造任务，并且专用型面模胎数量多，每一件零件一般需要两套模胎。
(2) 生产现场零件工装调整过程的自动化水平低，以数控加工工装为例，人工调整和装夹过程复杂、费时，严重影响了机床的有效加工时间和加工质量的一致性。
近几年，国内北京航空制造工程研究所针对航空产品中蒙皮壁板的切割制造，开展了柔性夹持工装系统的设计和制造。突破了定位器、夹持单元、多轴控制和离线仿真等关键技术，即将进入工艺试验阶段。



柔性工装特点
飞机产品最为常见的零件为大型的梁框类和大型的壁板蒙皮类零件。这两种零件对应两类工装：一种是面向刚性零件的，如大型的梁框类；一种是面向柔性薄壁板零件的，如大型的壁板蒙皮类。这些工装系统具有动态重组性，工装与数控机床形成一个融合体，可协调一致加工。工装作为加工系统的一部分，能快速嵌入到制造系统中。工装控制系统与机床控制系统能进行实时的网络接入。
工装设计必须保证加工零件的质量，如精度、表面粗糙度。工装系统通常由夹持器和定位器组成，它们具有在加工过程中定位、夹持、支撑工件的功能。按传统的方法，在复杂零件的数控编程中，一种零件设计一套工装，这些工装设计往往依赖于经验决定一个适当的工装方案。而工艺准备、工装元件设计和工装的布局常常在机床设计、制造交付用户后才开始考虑，由于生产准备周期长，这样就阻碍了机床{zj0}性能的发挥和利用。
柔性工装系统与数控机床一体化的敏捷机床，可同时控制工装和制造过程。通过一种更系统的、更快捷的方法把加工工装设计也纳入到柔性制造领域中，大大缩短了生产准备周期。
许多方法实现了工装系统的柔性，{dy}种方法是制造一个柔性系统，它包含了许多可更换的称为模块的基本元件，工装的配置采用基本模块来构建，所用元件通过标准连接件连接起来；第二种方法是制造一些可重构的基本部件，促其内部调节变化来满足工件的不同特点；第三种方法是采用相变材料。
基于柔性多点吸盘式夹持工装系统便属于可快速重构的系统，采用一种全新的数字量传递的蒙皮制造技术，与工艺数字化和数控设备结合很容易实现蒙皮零件的数字化生产，可使模具工装制造周期减少到当前的1/3 ～ 1/4，工时减少到1/8 ；模具工装的数字化和柔性化，使生产灵活性得到极大改善，生产效率显著提高，模具工装外形的调整可在10min内自动完成，对于多品种小批量蒙皮零件的生产具有独特优势。该工装安装方便，蒙皮定位方便，精度高，可以方便用于现有航空五坐标数控铣切设备，建立蒙皮数字化生产线。
柔性工装系统分为两大类：模块结构的柔性工装系统（M F F S）单一结构的柔性工装系统（SFFS）。


  

几项关键技术
要想使柔性工装和数控机床融为一体，必须在机械结构、电气控制、软件设计中解决以下关键技术。
1 工装系统夹紧力调节技术
飞机零件数控加工过程中，刀具的受力和位置是不断变化的，为提高零件的加工质量，工装系统必须对夹持力进行动态调整。系统将根据不同的加工材料、结构和加工过程的特点，分析出工装单元{zj0}的夹持力。
2 工装系统网络接入技术
开放型数控系统为工装系统提供了丰富的系统网络接入的硬件和软件接口。在硬件上，开放了各种针对不同层次的网络接口；在软件上，则为工装系统的网络接入提供了丰富的动态连接库或接口控件库。数控工装控制系统，通过机床数控系统的网络接入，和机床数控系统组成了一个数字化协同制造网络单元。上层以以太网的形式，与3C 系统、计算机辅助工装设计系统进行信息数据交换，下层则通过现场总线的接入，实现实时控制。
3 计算机辅助工装设计技术
它面向特定的数控加工零件外形的三维数学模型，依据标准化的工装构件模块库和工艺数据库，设计生成一套数控工装系统，并进行工装系统的性能验证和评估。
4 网络化协同控制技术
如果数控工装控制系统不能与机床数控系统进行数据通讯，数控工装系统上的夹持单元就不能进行有效的避让控制。数控工装系统不再是一个孤立的封闭的控制系统，它以网络为桥梁，与机床数控系统进行有效的数据交换。国际知名数控系统（如西门子840D 和N U M1000 系列数控系统）都提供了实时、高可靠网络接入手段和工具。这样，在高速机床进行铣削加工时，一旦刀具进入某一特定区域，数控工装系统的夹持单元就可以进行及时有效的避让。
5 加工过程的离线仿真与程编技术
在零件进行数控加工前，将机床、工件和工装的三维模型纳入加工过程中，对全过程进行仿真，以三维的方式显示加工轨迹，真实再现零件生产的情况。可视化机床、刀具、工件、工装4 者的位置运动关系，及时显示它们之间的干涉情况。可以大大减少因数控程编的失误而造成的加工损失。在仿真中，可及时修改优化加工轨迹。{zh1}生成机床与工装互动的数控程序，大大缩短生产准备周期。
系统具有如下功能：
（1） 进行程序检查（可达到性、碰撞、时间）。
（2） 交互式程序更改。
（3） 快速和柔性的程序更改。
（4） 从CATIA 模型导出数据结构至NC 程序。
（5） 碰撞探测（与模拟相结合）。
（6） 用户培训模拟平台。
（7） 面向专用设备。
（8） NC 编程培训。缩短周期。
（9） 提供方便的、费用低的、高效率的维护NC 程序的服务。
（10）优化N C 程序，缩短生产准备时间。
6 低成本可重构柔性工装技术
模块化工装装配自动化，应用机器人系统是个主要方向。机器人可以在大范围内完成工件结构配置，不需要人工帮助。工装模块为机器人装配特殊设计，表现为一些重构模块，完成工装模块准备、调整及变化，实现了装配机器人自动化。在飞机的制造和装配中，工装型架数量多，尺寸大，种类多，是一笔很大的开销。工装采用模块化设计，由机器人完成动态模块的定位，形成一种低成本可重构的柔性工装。通过移动各种动态模块，改变动态模块的格局，构建工装系统。基本模块有：单轴支撑单元、两自由度C A N N O N 单元、三自由度的导轨模块、六自由度平台模块、球型关节模块。



    

工装系统与机床融合
柔性工装系统一旦引入到数控机床中，并且形成统一的不可分割的整体，二者共同参与加工的全过程，必然给机床的结构、控制带来全面的变革。要求系统实现松散耦合、快速更换、智能动态规划、协同制造，最终实现系统无缝集成。
（1）结构上的融合。
一种方法是添加，是在现有的数控机床上安装柔性工装系统，力争工装控制系统与机床控制系统能够实现网络协同工作。由于工装的引入，可能会缩小原机床的工作范围。机床与工装的网络协同作业有一定困难。为了利用机床现有的有效工作范围，对工装的尺寸提出了限制要求。另一种方法是集成统一设计，在设计机床的同时，考虑工装系统的设计，不影响机床的行程，使之成为统一的整体。同时，可以使工装系统与机床方便分离，可以实现即插即用的功能。
设计的最终目标是，实现机床加工范围的{zd0}化，达到制造系统生产准备时间最小化。
（2） 电气控制上融合。
· 集中式控制
机床和工装由一个控制系统来控制，系统具有高集成度和高实时性。系统采用一个控制程序，便于加工系统的统一协调。但对工装系统的添加和分离，造成了系统配置的不灵活。对控制系统要求高，相对于数控机床来说，造成了许多功能的闲置。在控制上属于紧偶合型。
· 分布式控制
机床与工装分别采用两套控制系统，通过现场总线网络连接起来。配置灵活，系统造价低廉。对机床控制系统的性能要求高，要求开放性，具有网络接入能力。对工装系统的添加和分离方便。
（3） 数据接口融合。
机床的刀具不能与工装系统发生碰撞干涉，因此，要求系统在数据上实现交换与通讯。这些数据包括机床主轴头的三维实体数据，工具类型、直径、长度，刀具的加工轨迹几何数据，工装当前三维实体数据，以及冷却液的开关情况等。

  

展望与建议
如果说“机床+ 刀库”是机床工业的{dy}次革命，那么“机床+ 刀库+ 工装”是机床工业的第二次革命，并且这次革命比上一次革命的意义更为深远，因为数字化制造直接带来的结果是，大大缩短了制造系统的生产准备周期。工装系统与数控机床的关系已经密不可分，二者融合会派生一种全新的敏捷机床。数控工装系统正向着集成化、智能化、系统化方向发展，工装设计与应用技术发展趋势为模块化、可自动控制、可重配置。为了促进工装系统与数控机床的一体化进程，提出如下几点建议：
（1） 尽快开展工装系统系列化设计规范与体系结构的研究；
（2） 尽快建立适于切屑工装系统的一般设计规范与标准；
（3） 尽快建立机床与工装系统数据交换与接口规范与标准；
（4） 尽快建立带工装系统的复合机床设计规范与标准。