产品装配技能的研究现状、技能内涵及成长趋势

作者：刘检华 孙清超 程晖 刘小康 丁晓宇 刘少丽 熊辉

本文经授权转载

0 序言

　　装置是产品研制过程的关键环节，其将零件按规定的技能哀求组装起来，并经由调试、考验使之成为合格产品。
据统计，在当代制造中装置事情量占全体产品研制事情量的20%~70%，均匀为45%，装置韶光占全体制造韶光的40%~60%。
产品的可装置性和装置质量不仅直接影响着产品性能，而且装置常日占用的手工劳动量大、用度高且属于产品生产事情的后端，提高装置生产效率和装置质量具有更加主要的工程意义。

　　装置技能是随着对产品质量的哀求不断提高和生产批量增大而发展起来的。
机器制造业发展初期，加工与装置每每还没有分开，相互合营的零件都实施“配作”，装置多用锉、磨、修刮、锤击和拧紧等操作，使零件合营和联接起来。
如果某零件不能与其他零件合营，就必须在已加工的零件中去探求适宜的零件或者对其进行再加工，然后进行装置，因此生产效率很低。
18世纪末期，随着产品批量增大，加工质量提高，互换性生产提到日程上来，逐渐涌现了互换性装置。
1789年美国E.惠特尼制造1万支具有可以互换零件的滑膛枪，依赖专门工夹具使不闇练的工人也能从事装置事情，工时大为缩短。
最早的公差制度涌如今1902年英国Newall公司制订的尺寸公差的“极限表”，1906年英国涌现了公差国家标准。
公差和互换性的涌现使得零件的加工和装置可以分离开来，并且这两项事情可以在不同的工厂或不同的地点进行。
19世纪初至中叶，互换性装置逐步推广到武器、纺织机器和汽车等产品，互换性所带来的装置技能一个重大进步是美国福特汽车公司提出的“装置线”，20世纪初福特汽车公司首先建立了采取运输带的移动式汽车装置线，将不同地点生产的零件以物流供给的办法集中在一个地方，在生产线上进行终极产品的装置，同时将工序细分，在各工序上实施专业化妆配操作，使装置周期缩短了约90%，大幅降落了生产本钱。
互换性生产和移动式装置线的涌现和发展，为大批量生产中采取自动化妆配开辟了道路，国外20世纪50年代开始发展自动化妆配技能，60年代发展了自动装置机和自动装置线，70年代机器人开始运用于产品装置中。

　　但是，长期以来机器加工与装置技能的发展并不平衡。
一方面，与机器加工用的机床等工艺装备不同，装置工艺装备是一种分外的机器，其常日是为特定的产品装置而设计与制造的，因此具有较高的开拓本钱和开拓周期，在利用中的柔性也较差，导致装置工艺装备的发展滞后于产品加工工艺装备。
另一方面，装置具有系统集成和繁芜性特色，产品装置性能是指受装置环节影响的部分产品性能，常日装置不仅要担保产品的几何装置性能（例如装置精度，包括相互位置精度、相对运动精度和相互合营精度等），有时还需担保其物理装置性能（例如发动机转子的振动特性），装置问题的繁芜性导致装置的工艺性根本研究进展方面与机器加工比较，也相对滞后。

　　常日产品的性能来源于设计、加工与装置等环节的共同担保，个中装置对产品性能有很大影响。
工程中，相同的零部件，如果装置工艺不同，其装置后的产品性能差异有时很大；乃至如果装置质量不好，纵然有高质量的零件，也会涌现不合格的产品。
例如卫星总装具有产品构造繁芜、精度高、零部件繁多等特点，纵然在产品的零件全部知足设计指标的情形下，也很难担保装置后整机产品的装置性能，每每须要经由多次试装、调度及返修才能装置出合格产品。
再如我国新型高精度陀螺仪，紧张零部件加工精度大都达到了精密乃至超精密水平，超过了国外加工精度，但装置后仪表的性能仍旧很难得到保障。
同时，某些精密产品在完成装置后或服役过程中，其性能可能会涌现不同程度的低落，例如航天器导引头装置过程中形成的装置应力（尽监工程中常采纳一定方法肃清装置应力，但仍旧会有残余应力存在），在产品服役过程中非均匀开释导致的零件形状或位姿发生眇小变革，是导引头成像质量低落的紧张缘故原由之一。
因此，装置过程不仅要考虑如何保障产品的初始装置性能，也要考虑如何在产品服役过程中保持产品装置性能（即装置性能的保持性问题）。

　　随着卫星、火箭、飞机、高端数控机床等产品繁芜化、轻量化、精密化和光机电一体化等方向发展，服役环境越来越恶劣化和极限化，装置精度哀求越来越高、装调难度越来越大，产品装置性能保障也越来越困难。
MIT的CHARLES教授指出“Final assembly is the moment of truth”。
《机器工程学科发展计策报告（2011-2020）》指出，“随着当代机器系统构造的大型化和繁芜化以及服役环境的恶劣化趋势越来越显著，人们对整机事情性能的可靠性和可持续性哀求也愈加严格。
而超精密加工等技能的发展使得零部件设计与加工精度的同等性得到显著提高，因此，产品整机装置性能的保障正在由最初的设计加工环节逐渐向装置环节转移，干系研究得到了天下各国的广泛关注”。

1 产品装置技能发展现状剖析

　　随着大规模工业化生产的兴起，产品装置技能得到了快速发展。
机器工业发展初期，还处于单件生产办法时，工人在设计、机器加工和装置方面都有高度的技艺，这时工人绝大多数是技巧娴熟的工匠，通达设计的事理，并且谙熟他们所采取的材料性能。
第一次天下大战之后，大批量生产的涌现，最大限度地运用了分工的思想，并匆匆使产生了一批新的专业职员。
这种专业分工不仅在车间里进行，而且在工程部门里也进行了专业分工，比如将工人分为机器操作工人、质检工人等；工程师分为构造设计工程师、工艺工程师等；其余产品工程师中有的卖力发动机设计，有的卖力车身设计，有的卖力电气系统设计等。

　　伴随着大规模生产办法的发展，装置也逐渐形成了装置车间管理工程师、装置工艺设计工程师、装置质量考验工程师、车间装置操作工人等职员分工，也逐渐形成了以产品装置技能为紧张研究方向的学术和工程团队，有力地推动了装置技能的发展。
在产品装置技能方面，国内外学者取得了一系列研究成果，下面分别从面向装置的设计、数字化妆配、装置连接工艺、装置工艺装备、装置丈量与检测、装置MES等五个方面，对干系成果的研究现状进行剖析。

　　1.1 面向装置的设计

　　随着大规模工业化生产的进一步发展，企业专业分工也越分越细，导致了有的专业职员很少打仗实际的产品，有的人乃至没有进过工厂。
因此，“易于装置的设计”或者说“可装置性”逐渐受到大家关注。
面向装置的设计（Design for Assembly，DFA）这一观点最早由美国Massachusetts大学的BOOTHROYD和DEWHURST于1980年正式提出。
早期的DFA方法，紧张是为了实现装置自动化而进行产品构造改进的研究中形成的。
其方法一样平常是通过手册形式的装置设计指南、软件工具等，对产品构造中存在的不利于装置的问题进行剖析评价，并基于干系产品设计知识提出再设计建议，从而降落产品装置难度并提高产品的装置性能。
最早涌现的两种DFA方法，是Hitachi AEM方法和Boothroyd DFA方法。
只管早期的DFA方法期望能在产品的观点设计一开始就发挥浸染，但实际上每每是等产品的设计进行到一定阶段后，才对产品构造的可装置性进行评价，或者对不同的装置构造进行剖析比较。
这种事后检讨的办法难以避免零部件设计的返工，DFA的浸染也没能充分发挥出来。
另一方面，这种针对产品构造进行可装置性定量评价的DFA方法，须要用户输入大量的数据，不但过程比较繁琐，而且评价过程很不直不雅观。

　　随着制造技能的迅猛发展，企业对DFA的需求也日益急迫，哀求也不断提高，匆匆使了DFA自身的改进，特殊是并行工程的兴起为DFA注入了新的活力。
学者们结合工程实际，对DFA的发展与改进做了大量的探索和研究，并认为DFA技能在涉及工具方面不仅与产品本身有关，也与装置过程有关。
DFA的浸染工具也拓广为产品开拓中与提高产品装置性能干系的所有活动，从全面提高产品装置性能的角度出发，DFA发展为包含了以下几方面的研究内容：产品装置建模、产品装置方案与优化、产品装置构造评估、装置公差剖析与综合、机构运动剖析与综合等。
以上这些研究内容从不同侧面对产品装置性能进行剖析，以考验产品构造设计的可装置性。
个中，装置模型是办理如何在打算机中表达和存储产品装置信息，使之能够全面支持产品的设计过程，并为后续的产品装置自动化、装置方案与优化、装置剖析与评价供应所需的信息；装置公差剖析与综合紧张是从合理分配装置公差的角度来降落装置用度；机构运动剖析与综合紧张是对产品的机构装置运动进行定义，以剖析产品事情过程中的动态性能。

　　虽然DFA的研究工具在学者们的研究和探索中得到拓展，但从上述的DFA的发展过程来看，DFA的研究紧张还是以产品构造设计为出发点，通过考虑其产品零部件的可装置性、装置本钱和韶光、装置顺序和路径等与装置干系的问题，并通过供应一系列有关装置设计的剖析评价准则和方法，帮助设计职员对产品可装置性进行全面剖析，一方面为产品设计供应合理的修正见地，另一方面为制订产品的装置工艺规程供应辅导性的装置序列和装置路径等工艺参数。

　　1.2 数字化妆配技能

　　打算机和数字化技能的涌现极大地促进了装置技能的快速发展。
数字化妆配是产品装置技能与打算机技能、网络技能和管理科学的交叉、领悟、发展及运用的结果。
数字化技能与传统装置技能的结合即数字化妆配技能。

　　广义的数字化妆配技能内涵十分丰富，不仅包括与装置干系的构造设计及工艺技能，而且包括装置工装与丈量技能等，例如飞机数字化妆配技能常日涉及飞机设计、零部件制造、装置工艺方案、数字化柔性定位、前辈丈量与检测等浩瀚前辈技能和装备。
本文的数字化妆配技能指狭义的数字化妆配技能，是指利用数字化样机来方案和仿真产品的实际装置过程的技能总称，其紧张基于产品数字样机开展产品折衷方案设计及可装置性剖析，并对产品的装置工艺过程的装置顺序、装置路径以及装置精度等进行方案、仿真和优化，从而达到有效提高产品装置质量和效率的目的。
结合数字化妆配技能的发展过程，下面紧张对打算机赞助装置工艺方案、数字化预装置与虚拟装置、打算机赞助装调、装置精度剖析等研究现状进行剖析。

　　①打算机赞助装置工艺方案

　　20世纪80年代初，随着打算机技能的发展与普遍运用，涌现了打算机赞助装置工艺方案（Computer-Aided Assembly Process Planning，CAAPP）技能。
打算机赞助装置工艺方案技能，也称为装置CAPP技能，实在质上便是运用打算机仿照人进行装置工艺体例，并自动或交互天生装置工艺文件的方法。

　　自上世纪80年代初以来，国内外许多学者在装置模型、装置序列方案和装置路径方案等CAAPP的关键技能方面进行了大量的研究，取得了较多研究成果，CAAPP的关键技能是装置顺序方案（或者称为装置序列方案）和装置路径方案。
由于装置顺序的好坏直接影响着产品可装置性，以及装置的操作难度、操作韶光、工夹具数目和劳动强度等，因此如何获取一个好的装置顺序就显得尤为主要。
在装置顺序自动方案方面，目前一些紧张的方法包括：①通过推剃头生所有装置优先约束，继而得到装置顺序；②基于“可拆即可装”的思路，得到产品的装置顺序；③通过人工智能领域中的专家系统或启示式算法等来得到产品装置顺序等。
虽然利用打算机来代替手工体例工艺能够在一定程度长进步工艺方案的效率，减轻人的重复劳动，但完备依赖打算机的推理来自动天生产品的装置顺序，对付繁芜的装置问题又不太可能得到令人满意的结果，特殊是当产品的零部件数目较多时，其装置序列存在着“组合爆炸”问题，从而导致打算繁芜性很高，效率低下。
从组合学不雅观点看，假设一个装置体由N个零件组成，每个零件至少有m种可能的装置方法，则装置体可能的装置序列为mNN!；同时，设计中的眇小改动也可能引起装置顺序的较大变换。

　　在装置路径方案方面也存在类似工程化运用不敷的问题，国内外学者在装置路径自动搜索方面也做了大量的研究，相继提出了方向多面锥方法、拓扑降维法、J函数法、人工势场法、可视图法、单元分解法、C空间障碍法等装置路径自动方案算法。
但是对付繁芜产品的路径方案，由于其状态空间规模大，在求解空间内必须进行大量的搜索和干涉碰撞检测等缘故原由，导致当前装置路径求解算法存在求解成功率差、求解效率低等问题。

　　由于自动天生装置工艺规程的繁芜性，目前干系研究成果以理论探索为主，尚未有成熟的工具软件在实际工程中得到运用，目前工程中的CAAPP紧张还是采取检索式和派生式的工艺方案方法。

　　②数字化预装置与虚拟装置

　　20世纪90年代，制造业出了一个划时期的创举——波音777在全体设计制造过程无需实物样件和样机，直接进行了第1架波音777的首飞，一次成功。
数字化预装置（Digital Pre-Assembly）是实现这一创举，确保飞机设计制造一次成功的关键技能之一。
数字化预装置技能可理解为利用数字化样机对产品可装置性、可拆卸性、可维修性进行剖析、验证和优化的技能总称。
早期的数字化预装置紧张是设计部门进行产品装置的几何约束和干涉考验及不折衷问题剖析，紧张目的是得到具有良好可装置性设计的产品，虽然这些设计部门所进行的仿真在一定程度上考虑了产品装置工艺，但是在很大程度上忽略了产品装置过程中的园地、工装和职员等生产现场信息；随着数字化预装置技能的推广运用，人们逐渐认识到仅从设计角度考虑产品装置性的局限性，因此面向生产现场的装置过程仿真和装置方案技能也逐渐成为数字化预装置技能的紧张研究内容之一。

　　虚拟装置技能是在虚拟现实与数字化预装置技能相互领悟的根本上发展起来的。
虚拟装置技能是指综合利用虚拟现实技能、打算机图形学、人工智能技能和仿真等技能，在虚拟环境下对产品的装置过程和装置结果进行仿真与剖析，从而达到考验、评价和预测产品的可装置性，并对产品的装置顺序、装置路径、装置方法、装置资源、人因工程等干系问题进行赞助剖析和决策的方法。
虚拟装置技能继续和发展了数字化预装置技能，但与DFA和数字化预装置技能不同的是，虚拟装置更强调通过建模和仿真技能来实现实际物理装置在打算机上的“实质实现”，其更多的是从工艺过程的角度实时地仿照装置现场和装置过程中可能涌现的各种问题和征象，从而实现在实物试装前预知产品终极的装置性能并进行优化工艺，个中虚拟装置过程建模拟真与剖析是手段，实现装置性能预测与优化决策是目的。

　　对付虚拟装置中“虚拟”的确切含义，学者们则有不同的理解。
虚拟环境供应的沉浸感、交互性与实时性极大地促进了设计者直觉、想象力与创造力的充分发挥。
因此有人认为，虚拟装置（Virtual Assembly）中的V便是VR(Virtual Reality)，强调VR在装置仿真中的运用，强调以一种沉浸的直不雅观的办法匆匆进技能职员对装置过程的理解，从而创造个中的装置问题，并认为只有利用了VR技能才能称之为“虚拟”。
也有一部分学者从打算机仿真的角度来阐明“虚拟”，认为只假如在建立物理的真实系统前，采取打算机数字化模型和打算机仿真来进行有关产品设计与制造方面的决策，就可以认为是“虚拟”。
正如人们所熟知的，反响客不雅观工具实质的模型固然会给人以真实感，但具有真实感的模型却不一定能反响客不雅观工具的实质。
笔者认为，虚拟装置技能中的“虚拟”是分层次的，打算机仿真与VR是虚拟的两个不同层次，VR是打算机仿真的更高发展阶段。
或者说，“虚拟”可以从狭义和广义的角度来理解，狭义的“虚拟”是指采取了VR技能的虚拟，广义的“虚拟”是指建立在物理系统前，利用打算机仿真环境和打算机数字化模型来进行干系设计和制造活动，都可以称之为“虚拟”。

　　由于虚拟装置技能具有诱人的运用前景，西方工业国家相继成立了一大批虚拟装置研究机构，并开展了运用根本技能的研究，建立了一批虚拟装置系统并在企业得到工程运用，取得了良好效果。
20世纪90年代华盛顿州立大学与美国国家标准技能研究所NIST互助开拓的虚拟装置设计环境VADE(Virtual Assembly Design Environment)是一个具有代表性的虚拟装置系统，在这个虚拟装置系统中，设计者可以选择最空想的装置顺序，天生装置/拆卸路径方案以及不雅观察终极结果。
我国自90年代末开始虚拟装置技能的跟踪研究，海内清华大学的肖田元、张林鍹等；浙江大学的谭建荣、刘振宇等；北京理工大学的宁汝新、刘检华等；上海交通大学马登哲、范秀敏和武殿梁等；华中科技大学的李世其、王峻峰等；哈尔滨工业大学的姚英学、夏均匀等；南京理工大学张友良、汪惠芬等；西北工业大学的李原、伸开富等；北京航空航天算夜学的刘继红等相继开展了虚拟装置干系技能的研究，并提出了许多有代价的新理论和新方法。
目前，虚拟装置技能紧张从早期的基于空想几何的装置过程建模与仿真，向基于物理的建模与仿真方向发展。

　　③打算机赞助装调技能

　　在产品装置技能的发展过程中，针对一些精密仪器仪表的装置，尤其是精密光学系统的装调，由于其系统构造趋于繁芜、成像质量靠近衍射极限，其装调难度极大，传统的光学装调手段无法知足哀求，在此背景下，随着打算机技能的发展，涌现了打算机赞助装调技能(Computer Aided Alignment,CAA)。
打算机赞助装调将光学检测技能和打算机优化技能相结合，将打算机赞助技能运用于繁芜光学系统装调中。
其紧张思路是通过光学检测工具（如激光干涉仪等）获取光学系统的丈量参数，在此根本上通过剖析打算，获取光学系统各个元件的装调参数。

　　1970年至1985年，美国的Itek公司提出了当时一种十分前辈的光学系统设计思想，但在终极系统装调中始终无法使系统的成像质量靠近理论设计值。
EGDALL等人率先提出了打算机赞助装调的设想，达到了良好的装调效果。
美国Santa Barbara研究中央的FIGOSKI等人对离轴无遮拦三反射镜光学系统进行打算机赞助装调，并对一比例缩小的原型机进行了实际的装调实验，使全体视场波前偏差RMS值达到了0.055（=632.8nm）。
近年来，美国亚利桑那州的SCHMID等利用矢量波像差理论，剖析了轴对称光学系统存在装调偏差时的系统像差特性。

　　海内对打算机赞助装调技能的研究起步较晚，但也取得了较多研究成果。
中国科学院长春光机所的张斌、韩昌元，杨晓飞等人；中国科学院南京天文光学技能研究所罗森等；哈尔滨工业大学的空间光学工程研究中央刘剑峰等；中国科学院西安光机所的车驰骋、孔小辉等人利用打算机赞助装调技能辅导特定光学系统装调过程，起到了良好的装调效果。
但以上这些研究都是对打算机赞助装调技能的理论研究，且集中在失落调量的数学解算上。
国防科技大学的薛晓光等人在光学自动设计模型中引入机器构造和装置工艺约束，建立了面向装置过程的精密光学系统打算机赞助装调数学模型。

　　目前，研究建立光学系统的装调工艺模型，在此根本上通过装调工艺参数的灵敏度和干系性剖析等，探求最优的赞助装调工艺参数，从而定量辅导装置工人进行快速精准装调是发展重点。

　　④装置精度剖析

　　产品装置的根本问题之一是担保装置精度。
产品装置精度剖析技能是指在产品设计阶段或现场装调阶段，综合剖析影响装置精度的各方面成分，在此根本上通过对装置过程中各种装置偏差源或者加工偏差进行建模与剖析，从而达到对产品装置精度进行预测和掌握的技能统称。
目前国内外研究学者针对产品装置精度剖析的干系理论及方法开展了深入研究，成果紧张涉及到公差建模、装置偏差通报与累积、公差综合与装置精度掌握等方面。
个中公差建模是装置精度剖析的根本，装置偏差通报与累积是装置精度剖析的核心，公差综合与装置精度掌握是装置精度剖析的目的。

　　公差建模紧张用于对公差进行准确无误的表述，并对其语义做出精确合理的阐明。
个中，公差信息模型用于实现公差信息的全面描述，其不仅要能够支持各种公差信息的完全表达，而且能够表示信息之间的约束关系，确保公差信息表达的规范性；公差数学模型用于按照工程语义对公差信息进行数学描述和解释，是实现公差表达处理以及在各阶段的数据通报的关键。
比较范例的公差模型包括：基于拓扑和逻辑关联表面的公差信息模型（Topologically and Technologically Related Surface,TTRS），多色凑集模型，小位移旋量模型（Small Displacement Torsor,SDT），公差变动矢量图模型（Tolerance Map,T-Map）以及自由度模型等。

　　装置偏差通报是指产品尺寸和几何精度在装置过程中的相互浸染，以及其基于几何打仗和几何合营在装置过程中的累积。
偏差通报常日基于尺寸链、变动几何约束网络、状态空间模型等办法。
尺寸链是由顺序连接的尺寸公差信息构成的封闭尺寸组，BJORKE和DEVRIES首先提出了二维尺寸公差链的自动天生方法，海内学者如上海交通大学的周江奇、来新民等，北京理工大学的宁汝新平分离实现了三维装置尺寸链的自动搜索和天生。
变动几何约束的观点由CLEMENT等率先提出，浙江大学的胡洁、吴昭同等将其扩展为变动几何约束网络并用于装置偏差通报与积累打算。
状态空间模型采取掌握理论中的状态空间理论描述多工序偏差和装置偏差的通报过程，JIN和SHI对多工位制造偏差流进行了剖析，建立了综合考虑基准偏差、夹具偏差、尺寸及几何偏差的偏差流模型，上海交通大学的来新民等、西安交通大学的洪军平分离研究了该模型在汽车车身及精密机床装置中的运用。

　　公差综合又称为公差优化，目的是在公差分配时以最小的代价知足设计哀求。
公差优化紧张为了衡量公差设计方案的利害，紧张以装置精度哀求为约束条件，以制造本钱、质量丢失等作为优化目标。
国内外学者先后提出了诸如负指数模型、多项式模型等制造本钱模型和TAGUCHI质量丢失模型、平方质量丢失模型等质量丢失模型，并通过解析法和迭代法等优化算法实现公差优化。

　　装置精度掌握是装置精度剖析的紧张目标之一，尤其对付精密产品而言，如何在现场装调阶段提出合理的装调方案，从而确保产品的装置精度，一贯是工程中的难题之一。
依据产品的精度哀求以及生产型式，担保产品精度的装置方法紧张分为：互换装置法、选择装置法、修配装置法和调度装置法等。
传统的装置精度掌握技能的研究紧张基于以上装置方法，结合现场装置阶段的实测尺寸数据，利用干系优化算法对装置组合、修配量或调度量进行优化求解，以提高装置精度和装置成功率。
然而，产品的现场装调阶段每每受到来自丈量、定位、夹具、紧固力掌握等各个环节的不愿定性成分影响，仅仅通过几何量掌握产品精度的装置方法已经难以保障装置精度的同等性。
因此，当前面向装调现场的装置精度掌握研究已经逐渐转向装置精度的实时丈量与跟踪预测，并在此根本上，优化与调度装置工艺参数（包括零件定位位置、紧固力大小等），从而实现对装置精度的掌握。

　　此外，越来越多的研究学者意识到，在装置精度剖析过程中将零件的表面描述及其在装置力浸染下的影响考虑进来，将会使得精度预测结果更加真实准确。
这种综合考虑表面描述与受力变形的装置精度剖析技能是当前研究热点之一。

　　1.3 装置连接工艺

　　在产品装置中须要广泛地利用各种连接办法将分离的零部件连接到一起，最为常用的连接办法包括螺纹连接、焊接、铆接以及粘胶连接等，本文中紧张对螺接和铆接工艺进行研究现状剖析。

　　①螺纹连接工艺

　　由于可以得到很大的连接力，便于重复拆装，同时又具有互换性、易于大批量生产、造价低等优点，螺纹连接成为机器产品中运用最广泛的连接办法之一。
据统计，普通家用轿车上螺纹连接可以达到3000多个，占汽车制造装置总作业量的30%以上。

　　螺纹连接的终极目是在被连接件间得到可靠的夹紧力，即螺纹连接件内部产生可靠的预紧力。
由于在拧紧过程中预紧力常日都不易直接丈量和掌握，常日情形下是通过其他手段间接掌握，于是针对不同的预紧力掌握手段，产生了不同的拧紧方法。
《螺纹紧固件通则》中规定了3种范例的螺纹拧紧方法，包括扭矩法、转角法和屈从点掌握法。

　　扭矩法的基本事理是在拧紧过程中通过掌握拧紧力矩来实现对预紧力的间接掌握，具有操作灵巧，工具大略，本钱低等优点，运用范围最广，特殊是单件、小批量产品，这些产品受限于操作本钱和装置空间，普遍采取扭矩法。
国内外学者利用理论剖析、实验和有限元仿真等手段对扭矩法进行了大量的研究事情。
早在1976年，MOTOSH就提出了打算拧紧力矩的理论公式，将拧紧力矩分为：端面摩擦力矩、螺纹摩擦力矩和预紧力矩。
1989年，SHIGLEY和MISCHKE在公式中考虑了螺旋升角的影响；2007年，NASSAR等人建立了螺纹牙的三维静力学模型，并考虑了端面压力分布和螺纹面压力分布的影响，使得扭拉关系公式更加准确。
在实际的拧紧过程中，扭矩法掌握预紧力常日表现出较大的离散性，美国奥克兰大学的NASSAR团队通过大量的扭拉关系试验研究了螺栓尺寸、螺距、润滑条件、拧紧速率、拧紧次数、涂层种类、表面粗糙度和涂层厚度等成分对扭矩法掌握精度的影响。
随着打算机技能和数值仿照技能的发展，有限元仿真也被用于研究扭拉关系。
YU等建立了螺纹连接的三维有限元模型，在螺母外侧表面施加切向应力仿真拧紧过程，研究了摩擦系数、螺距、弹性模量、装置间隙和应变-硬化指数对扭拉关系的影响规律；GONG等人采取同样的仿真方法，考虑端面压力分布的影响，拟合了更加准确的扭拉关系公式；SARAVANAN等还研究了端面的非平行性对扭拉关系的影响规律。

　　转角法通过掌握拧紧转角来达到掌握预紧力的方法。
转角法对预紧力的掌握精度要高于扭矩法。
转角法常日是先用较小的力矩值将螺纹连接件拧紧，然后再将连接件拧过一定角度使得螺纹连接中产生预紧力F，以是转角法在工程中又叫扭矩-转角法。
但实际拧紧螺纹连接件时，很难判别何时与被连接件完备贴紧，即无法确定转角的出发点。
屈从点掌握法最大限度地利用了螺栓强度，当螺栓内部应力达到材料屈从极限时结束拧紧，将此时的预紧力作为目标掌握值。
屈从点掌握法的掌握精度高，预紧力离散度较小，但拧紧工具比较繁芜。

　　另一方面，螺纹连接的松动会直接影响产品服役性能，国内外干系学者一贯在试图揭示外部载荷条件下的螺纹连接松动机理。
JUNKER早在1969年就通过振动试验创造横向振动是造成螺纹连接松动的紧张载荷形式。
此后一些学者考试测验建立理论模型来揭示横向振动条件下的螺纹松动机理，范例的理论模型有定量二阶模型、质量-弹性模型和非线性数学模型等。
2002年PAI和HESS通过研究创造局部滑移的累积和扩展是导致螺纹松动的紧张缘故原由，这一创造也被IZUMI等和DINGER等人证明。
同时，研究者从工程运用的角度，也提出了一些新型的防松构造，如阶梯锁紧螺栓、基于三次螺旋曲线的螺纹连接以及带楔形斜面的锁紧螺母等，并在工程中得到较好运用。

　　当前，针对螺纹拧紧工艺的研究已经比较成熟，但螺纹连接的松动问题一贯没有得到彻底办理，其机理仍旧不清楚，因此如何从机理上揭示螺纹连接松动的缘故原由，并给出确保防松性能的设计准则和工艺参数，是后续螺纹连接工艺研究的主要内容之一。

　　②铆接工艺

　　铆接是利用铆钉塑性变形将两个或两个以上元件连接在一起的一种不可拆卸的机器连接工艺，铆接过程中铆钉在力的浸染下，发生膨胀，与孔壁产生干涉合营，并在端部产生墩头。
由于铆接成型工艺大略，本钱低廉，连接强度稳定、抗高温、耐堕落等优点，被广泛运用于航空、航天、纺织、汽车及船舶等领域，例如一架空客A320普通客机机体在生产中就须要100多万件铆钉。
目前对铆接工艺的研究紧张集中在铆接机理、铆接工艺参数优化、铆接构造疲倦寿命以及前辈铆接设备等方面。

　　铆钉及孔壁变形是铆接成型的主要机理，WRONICZ等研究了压铆后孔周的应力与应变分布情形，并比较了压铆力和铆钉类型对应力应变的影响。
SHISHKIN提出了一种打算铆钉打仗压力和卸载结果的方法。
夏平分析了连接孔圆柱面上的径向分布压力及铆钉帽对板圆环面上的分布压力。
ATRE等剖析了钉头变形和力-位移曲线的变革，以准静态位移掌握铆接过程，创造了铆钉屈曲引起的非轴对称变形以及密封剂对环向拉应力的影响。
WRONICZ等提出了铆接孔附近的高应力和应变梯度的存在。
WITEK剖析了抽芯铆钉铆接铆钉核位移函数与铆接力的关系以及塑性应变分布。
XIONG等利用繁芜变分法的数值解析方法，可办理单向受拉加载情形下的薄壁件铆接连接应力。
ABDELAL等剖析包含了热效应、材料快速塑性变形等材料属性，得到了应力和应变的状态以及材料变形和热过程。
SZOLWINSKI等研究表明，钉孔发生干涉合营后孔周附近形成的残余压应力对构造裂纹的萌生与增长有深远的影响。

　　基于浸染机理，学者们研究了工艺参数对铆接成型的影响，进而进行铆接工艺参数的优化。
LI等研究了钉/孔间隙、摩擦系数、堕落膨胀三个成分对应力状态影响。
刘秀全采取塑性有限元方法对自冲铆接过程进行了数值仿照，得到了成形过程中应力、应变分布规律，以及自冲铆接成形工艺参数对连接表不雅观效果和强度的影响。
RANS等创造镦头的平面度、压铆力和铆接板厚度方向的压缩对残余应力的大小有主要影响。
SKORUPA等指出掌握压铆力比掌握镦头尺寸更随意马虎得到质量更高的铆接件。
CHERAGHI等借助有限元仿真剖析了工艺参数压铆力、铆钉长度、镦头直径和高度、专一窝的深度、孔径公差对铆接质量的影响，指出适当降落专一窝的深度可以许可其它工艺参数有更大的变革范围。
曹增强等创造采取66铆模倾角可以实现较空想的干涉合营，接头疲倦寿命最长。
刘永胜等创造接头的锥度变革对接头中的应力分布影响不大，但对应力值的影响较为明显，锥度掌握在2-10比较得当。

　　在铆接装置对连接构造寿命的影响方面，陈福玉等证明通过掌握孔径可以提高铆接构件的疲倦寿命。
CHAKHERLOU等创造当干涉量在1%~3%，试验件的疲倦寿命在不断增加，干涉量为4%时疲倦寿命增加不明显。
田秀云等通过试验验证干涉合营铆接的疲倦寿命比普通铆接的疲倦寿命提高了25%。
MANES针对T型搭接铆接构造，剖析工艺参数对产品构造局部应力的影响，以优化工艺参数。
RIJCK等通过镦头参数预估构造疲倦性能。

　　目前前辈的铆接工艺紧张有电磁铆接和超声赞助铆接等。
YOON等建立了电磁铆接三维有限元剖析模型，进行了最大压铆力的优化研究。
FOX等丈量了电磁铆接后的三轴应力对铆接孔的疲倦寿命的增益。
曹增强等提出利用电磁铆接实现空想干涉合营铆接，并对基于电磁铆接的空想干涉合营铆接工艺进行了实验研究，剖析了铆模倾角对铆接后铆钉镦头、干涉量及残余应力的影响。
TIMOTHY等人建立了人工铆接过程中铆枪、活塞及工件的三自由度模型。
LUCAS等研究了超声叠加柱状铝棒的挤压变形过程，剖析了径向和轴向两种不同超声叠加振动下的摩擦效应。
NGAILE等将超声叠加技能运用于微挤压成形，通过试验不雅观察了超声勉励对变形载荷以及表面质量的影响。
SIEGERT等针对超声叠加成形工艺，研究了叠加过程对摩擦力带来的影响，提出了包含超声叠加影响的摩擦规律。
ABDUL等剖析了激振力对变形力的影响规律，研究了应力应变关系中的临时软化效应。
ZHANG等建立数学方程式，描述了超声振动下材料的屈从强度的变革，认为屈从强度是超声强度的指数函数。

　　目前对付金属构造铆接研究已相对较为完善，然而对付复合股料的低应力铆接成型机理尚不清晰，其工艺参数优化也是研究难点，同时前辈铆接设备研发，如电磁铆接、超声铆接赞助设备和新型铆接构造的研究也是未来铆接工艺的研究方向之一。

　　1.4 装置工艺装备

　　装置工艺装备是实现产品自动化、智能化妆配的工具。
与机器加工用的机床等工艺装备不同，装置工艺装备的设计过程与待装置的产品构造、装置工艺和检测技能等密切干系，产品构造及工艺的差异性导致装置工艺装备是一种分外的机器，常日为特定的产品而设计制造的，具有较高的开拓本钱、柔性差等特点，因此目前国内外尚缺少普适性的装置工艺装备方面的系统理论及方法体系。
笔者结合产品的装置工艺特色，紧张剖析了栓接、铆接、部件调姿与对接等工艺装备，以及眇小零件的装置工艺装备的发展现状。

　　拧紧工具是产品装置过程中运用最广泛的装置工艺装备之一，其发展具有范例的精确化、自动化发展趋势。
ATLAS、英格索兰等国外拧紧设备集成了完善的拧紧工艺参数掌握策略，100N.m级别扭矩掌握精度达1%以内；我国拧紧机制造企业及干系研究机构也对拧紧机及其拧紧掌握策略开展了大量研究，研究成果运用于汽车发动机、弹体等装置拧紧过程，但掌握精度、可靠性与国外同类产品比较仍存在差距。
拧紧过程中螺栓间弹性相互浸染是影响预紧力同等性的主要成分之一，而多轴同步拧紧有利于减少预紧顺序的影响、提高装置性能，目前双轴、多轴拧紧设备已在国内外汽车装置过程中广泛运用；Rolls-Royce、GE公司也普遍运用双轴、多轴拧紧设备实现航空发动机精确装置，而我国目前尚缺少航空发动机多轴拧紧装置运用实例。
随着自动化技能、机器人技能的发展，国内外研究运用了采取机器人带动拧紧机的自动化工艺装备，提高了预紧力同等性、减少了装置过程中的误操作，如上海商用发动机制造公司等制造企业研制的转子内腔螺栓拧紧机器人、大型低压涡轮单元体自动化拧紧设备，法士特汽车传动公司重卡变速器装置线运用的拧紧机器人等。

　　铆接装备在飞机机身、曲面天线、汽车车身等板类零部件装置过程中广泛运用，自动化工艺装备正逐步取代传统人工连接，大幅提高了装置效率及产品可靠性。
制孔常日作为铆接的根本工艺，孔定位精度、深度及孔壁质量等直接影响装置质量和疲倦寿命，制孔装备在自动化妆配过程中发挥巨大浸染，如A380机翼壁板装置运用了CNC自动制孔机床，Northrop Grumman公司研制了5种自动钻孔系统（ADS），并运用于F-35机身柔性装置过程。
中国重汽、长安福德等汽车制造企业为减少制孔过程的影响，运用了车身自冲钻铆设备，通过将铆钉直接压入板材形成稳定连接。
自动钻铆设备广泛运用于国外飞机机身、机翼壁板、汽车车身装置中，如达索航空公司运用的自动化钻孔、铆接、紧固件安装机器人，XI等研制的机器人与5轴联动顶铁支架相互协作的自动化气动锤铆系统等。

　　大部件调姿与对接是航空航天产品装置的主要环节，对付装置精度、装置效率具有主要影响。
航空航天产品大部件装置过程中广泛涉及调姿与对接，如飞机大部件对接、航天器舱段水平对接、卫星舱段垂直对接、导弹舱段对接等，传统的调姿与对接紧张依赖专用工装进行定位和夹紧，并合营人工作业实现部件间的几何关系和约束，该办法不易进行精确位姿调度，且装置效率低；近年来，前辈集成公司（Advanced Integration Technology）、德国BROTJE公司等制造企业和研究职员提出了一类基于数字化丈量的对接系统以实现高效、精确的调姿与连接，该类系统一样平常包括数字化丈量系统、位姿调度机构、掌握系统和数据处理系统，各系统相互协作实现柔性化对接。
我国航空航天中的大部件调姿与对接仍旧沿用以人工操作为主的传统方法，每每需多次调度才能知足对接精度哀求，近年来海内一些高校和企业积极开展大部件对接理论和实践研究，如浙江大学郭志敏等开拓了基于三坐标支撑柱的大型刚体位置和姿态调度系统，北京航空制造工程研究所杜兆才等研究了多机器人折衷操作系统在飞机大部件对接中的运用等，初步建立了系统的自动调姿与对接装备的技能体系。

　　精密眇小型零件手工装置效率低、产品同等性差，相对而言，采取工艺装备更随意马虎实现高效率、高精度装置哀求。
一样平常眇小型零件的精密装置系统包含视觉检测单元、微力检测单元、操作手单元及主控单元，分别实现获取待装置零件与目标零件位姿信息、装置零件力的掌握、装置工艺操作及对其它系统的掌握等功能。
近年来国内外针对微装置工艺装备开展了大量研究，如德国的卡尔斯鲁厄核研究中央微构造研究所、巴特勒研究所、达尔马诗塔特大学等很早就开始微装置工艺装备研究；瑞士联邦理工大学一贯致力于精密装置机器人开拓，成功研制了MEMS零件与其它精密眇小零件装置的系统；加拿大多伦多大学研制了6自由度微装置系统，用于实现三维微构造-微电机驱动微镜的精密装置等；芬兰坦佩雷大学，日本的东京大学、名古屋大学，法国的FEMTO-ST研究中央，意大利的比萨大学，美国的Zyvex公司、德州大学阿灵顿分校、明尼苏达大学等开拓了一系列精密装置工艺装备。
我国的大连理工大学、华中科技大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天算夜学、西安交通大学、南京航空航天算夜学等单位都曾经成功研制微装置工艺装备。

　　未来装置工艺装备正向高可靠性、自动化、柔性化、智能化、运用集成化等方向发展；同时装置工艺繁芜性、构造及工艺参数不愿定性等也哀求装置工艺装备研制过程中，实现工艺装备与工艺、检测技能的系统集成。

　　1.5 装置丈量与检测

　　丈量与检测是确保装置质量的直接保障手段，乃至有的丈量设备已经作为工艺装备的一部分，直接参与到产品装置中。
按照丈量工具的不同，装置丈量与检测技能紧张分为三类：1）产品几何量及其精度的丈量，即产品形状及位置的丈量；2）物理量的检测，即装置力、变形量、残余应力、质量特性等检测；3）产品状态量的考验，包括产品装置状态、干涉情形、密封性能等的考验。
上述检测工具涉及的丈量与检测的方法及工具互异，需根据详细情形进行合理的选择。

　　在产品几何量及其精度的检测方面，根据丈量方法的不同，紧张分为打仗式丈量和非打仗式丈量。
打仗式丈量是通过丈量头与被测物发生打仗，从而得到被测物几何信息的丈量方法，紧张丈量设备有三坐标丈量仪和枢纽关头臂式丈量仪，紧张检测工具是机器产品几何量。
近年来三坐标丈量仪的丈量精度和效率得到了极大提高，在产品三维几何估计、丈量点的分布和数量、分步式丈量方法等技能方面取得了主要进展，同时枢纽关头臂式三坐标设备以其量程大、体积小及利用灵巧等优点被广泛关注，然而其研究紧张集中在机器人运动学及其精度补偿领域，对付打仗式丈量事理并未有新的打破。
非打仗式检测手段紧张有视觉丈量、激光丈量等。
个中视觉丈量利用单台或多台相机对被测物体进行摄影后，再通过图像识别与数据处理等手段对被测物进行丈量。
在视觉丈量建模方面，对传统的模型进行改进，形成了浩瀚前辈模型，如基于知识的视觉理论模型、主动视觉理论框架和视觉理论集成框架；在丈量系统研发方面，国内外都开拓出精度较高的视觉丈量系统，天津大学、上海交通大学在单目视觉检测、大范围视觉坐标丈量系统、三维激光视觉检测系统开拓等方面取得了打破性的进展；基于深度学习的视觉识别是近年来的研究热点，其核心是深度学习中卷积神经网络，相应有DPM、R-CNN、SPP-net等算法。
激光检测技能通过对被测物表面进行扫描，得到表面点云数据，在通过逆向工程得到产品表面信息，紧张考验工具是产品形状精度。
紧张基于三角丈量事理，运用于焊接线检测、磨损丈量、三维表面快速丈量等。

　　在物理量的检测方面，紧张包括面向装置力、变形丈量的电阻应变片丈量、光测力法、磁敏电阻传感器、声弹事理丈量方法等。
在电阻应变片丈量方面，M.A.Mccarthy等人利用电阻应变片对单螺栓进行丈量，创造除了靠近孔的一侧受力，其表面应变分布不受螺栓孔间隙的影响。
在声弹性事理丈量方面，M.B.Marshall等人利用超声导波的技能成功表征装置结合面的界面压力，确定了松动发生的速率。

　　在产品状态量的考验方面，紧张包括产品内部构造检测、透露检测等。
在产品内部构造检测技能方面，紧张成果包括数字射线DR成像技能(Digital Radiography)、打算机断层扫描技能(Computer Tomography)等。
中北大学的韩跃平等人研发了海内首套繁芜产品内部构造装置精确性X射线在线自动检测系统，成功运用于汽车的多种繁芜构造产品的快速自动检测。
而在透露检测方面，目前紧张方法是采取超声波检测透露相机技能。
过程装置在制造和运转的时候，不但须要知道有无泄露，而且还要知道透露率有多大，而超声波检漏在设备上的利用，使在线检漏成为现实。

　　目前，智能检测已逐渐成为产品装置检测的主要发展趋势，智能化检测不仅表示在研发更加精确的智能化检测设备和检测系统，同时表示在通过更加准确、高效的算法对检测数据进行剖析，依据检测结果反馈辅导装置过程，形成装置过程的闭环掌握。
目前智能检测技能的发展重点有：（1）研发多场领悟的智能丈量设备及微型传感器；（2）开拓智能丈量、识别、评估算法；（3）基于人工智好手段对丈量数据进行二次利用，开拓其“剩余代价”等。

　　1.6 装置MES技能

　　生产车间作为制造企业的详细实行单位和效益源头，是企业信息流、物料流和掌握流的搜集点，制造实行系统(Manufacturing Execution System，MES)是近年来迅速发展的面向车间实行层的生产信息化管理系统。
1990年美国前辈制造研究协会（Advanced Manufacturing Research,AMR）首先提出了制造实行系统的观点；1997年，国际制造实行系统协会（Manufacturing Execution System Association,MESA）构建了MES的功能模型，明确了MES系统的11个功能模块，包括生产调度管理、资源分配与状态管理、现场数据采集、生产质量管理、生产设备管理、文档掌握等。
随后MESA在2004年提出了协同的MES（Collaborative Manufacturing Execution System,c-MES）观点，在此期间也涌现了可重构MES（Reconfigurable Manufacturing Execution System,RMES）的观点。

　　面向装置的MES技能，简称装置MES技能，常日包含装置车间作业操持体例、装置质量剖析、装置本钱掌握、物料动态跟踪与管理、车间设备能力管理等功能，装置MES技能可以有效提高装置车间生产效率，并保障产品装置质量。
目前装置MES的研究工具，多为自动化妆配流水线，比较范例的运用行业包括汽车、印制电路板、家用电器等，研究内容紧张包括基于RFID（无线射频，Radio frequency identification）的装置现场实时数据采集，实时信息（Real time information）驱动的物料配送与管理，装置生产线的平衡与排序等。
其余，部分学者对离散型装置MES技能进行了研究与运用，例如刘检华等提出了基于流程的繁芜产品离散装置过程掌握方法，以及面向离散装置过程的数据实时采集、动态实时可视化监控、生产调度、物料动态跟踪与管理、实做工艺等技能，开拓了打算机赞助繁芜产品装置过程管理与掌握系统并开展了工程运用。
朱海平等研究了面向飞机装置的MES技能，GE等研究了面向船舶建造过程的空间调度问题。

　　目前，智能制造已成为天下紧张工业化国家重振制造业的主冲要破口，个中智能装置车间也是研究重点方向之一。
因此，如何在现有装置MES研究成果的根本上，通过领悟人工智能、物联网、大数据、云打算、移动通信等新一代信息与通信技能，终极实现智能装置车间是当前研究热点。
目前，陶飞等和刘检华等就如何利用数字孪生技能实现智能化的生产车间或装置车间进行了初步的探索，后续的研究内容紧张包括：（1）面向装置车间的物联网构建与优化；（2）装置车间数字孪生体的构建、运行与优化；（3）装置车间的制造大数据管理；（4）大数据驱动的装置质量评估与预测；（5）装置车间生产过程智能决策与优化等。

2 产品装置技能的类型

　　产品的装置方法从不同的角度可划分为不同的类型，按照装置的自动化程度，装置紧张可以分为手工装置、专用自动化妆配和柔性自动化妆配三种：

　　①手工装置。
手工装置是目前最通用的方法，借助于通用或专用工夹具，如事情台、力矩扳手、铆钉枪等，人手险些能履行任何产品的装置。
虽然人工装置具有装置同等性差、效率低等缺陷，但装置过程中人能从装置图纸中获取大量的工艺信息，在人的智能和履历辅导下，装置活动极具柔性和匠心。
在我国航空、航天、船舶和工程机器等领域，由于其产品大多具有多品种小批量的特点，手工装置大量存在。

　　②专用自动化妆配。
是指利用专门的设备和工装针对确定构造产品的装置，生产效率常日高于人工装置，但系统柔性差，适宜于大批大量生产。
目前我国汽车、电子等大量生产的产品，其装置基本都在移动流水线上进行，但只是部分实现了全自动化妆配。

　　③柔性自动化妆配。
又称机器人装置，装置系统由机器人组成，系统能适应产品型号或构造的变革，可履行较大范围的产品族的装置，兼有柔性强和生产率高的优点。

　　按照装置的组织形式，装置又可分为流程型装置和离散型装置。
流程型装置是指产品由多个零件经由一系列连续的工序终极装置而成，并且随着装置事情的开展其装置操作职员和装置地点都会变革的装置办法。
流程型的装置办法有生产节拍，比较适用于大批量生产，例如汽车装置就属于流程型装置。

　　离散型装置是指产品每每由多个零件经由一系列并不连续的工序终极装置而成，装置操作职员环绕预先设置的多少个固定的装置点，完成所有装置事情的装置办法。

　　离散型装置又可分为集中固定式装置办法和分散式固定装置办法。
集中式固定式装置办法别号地摊式装置办法，便是由一组固定不变的事情职员对付全部的装置事情在一个固定不变的地方集中完成所有装置事情，这种方法对单件生产的产品的装置效率较高。
分散式固定装置办法是在固定中具有一定的流动性，其生产特点是将产品的装置事情分解成多少个组装部分，在不同的组装点由不同的装置操作职员完成，末了再完成总装事情。
这种方法生产效率相对较高，适用于较大批量的产品装置。

3 产品装置技能的内涵

　　装置是机器制造中末了决定产品质量的主要工艺过程。
装置也可称组装，是指“增长或者联接多少零件来形成一个完全产品的过程”。
大略的产品可由零件直接装置而成；繁芜的产品则须先将多少零件装置成部件，称为部件装置；然后将多少部件和其余一些零件装置成完全的产品，称为总装。
产品装置完成后须要进行各种考验和试验，以担保其装置质量和利用性能；有些主要的部件装置完成后还要进行测试。

　　产品装置技能是指机器制造中各种装置方法、装置工艺及装备的技能总称。
目前产品装置尚未形成一个比较系统和完全的技能体系，根据现有的认识水平，可以认为其紧张包括面向装置的设计、装置工艺设计与仿真、装置工艺装备、装置检测与监控、装置车间管理等研究方向，其根本理论包括打算几何、弹塑性理论和人工智能等，产品装置技能的发展趋势表现为集成化、精密化、微/纳化和智能化，其研究体系框架如图1所示。
　　

　　图1 产品装置的研究体系框架

　　产品装置技能的五维构造模型如图2所示，个中设计是主导、工艺是根本、装备是工具、检测是保障、管理是手段。
1）设计是主导：产品的可装置性和装置性能紧张是由产品的构造决定的，设计时应在构造上保障装置的可能，采取的构造方法应方便装置，以减少装置事情量，提高装置质量。
2）工艺是根本：工艺是辅导产品装置的紧张技能文件，装置工艺设计质量直接影响着产品装置的操作难度、操作韶光、工夹具数目和劳动强度等。
3）装备是工具：工艺装备是实现自动化智能化妆配的主要支撑工具。
4）检测是保障：丈量与检测是装置质量的直接保障手段。
目前丈量与检测不仅仅是产品质量的考验手段，同时有时作为工艺装备的一部分，直接参与到产品装置中。
例如在微装置中，其自动化妆配都是在丈量设备供应的丈量信息支持下完成装置的。
5）管理是手段：科学的车间管理是提高装置效率和质量的主要手段。

图2 产品装置技能的五维构造模型

4 产品装置的紧张研究方向

　　产品装置的紧张研究方向包括面向装置的设计、装置工艺设计与仿真、装置工艺装备、装置丈量与检测、装置车间管理等，下面紧张对其研究内涵和当前研究重点进行阐述。

　　4.1 面向装置的设计

　　面向装置的设计，也叫可装置性设计，是指在设计阶段充分考虑产品的各种装置约束，以减少装置韶光和本钱、提高装置质量等为目标的设计方法。
有时为了在产品利用过程中的可维修性，产品的可装置性一样平常也要考虑产品在维修过程中的方便性；其余有时还要考虑在产品报废后，进行材料回收和再利用过程中对零部件的分解操作，这也绿色制造的哀求。

　　面向装置的设计是当代设计方法的一个新的分支。
大略来说，面向装置的设计便是易于装置的产品设计，其出发点是在产品设计阶段考虑并办理装置过程中可能存在的问题，以确保快速、高效、低成本地完成产品装置。
产品的装置本钱、装置质量及装置效率的影响成分有多种，如设备的自动化程度及柔性、装置工艺的制订、产品装置的难易程度、工人装置技能的闇练程度、参与装置的零件的加工质量、生产组织管理等。
在浩瀚的成分中，产品装置的难易程度（即可装置性）是最紧张的成分。
产品的可装置性紧张与总体构造、零件设计、连接办法、性能哀求等有关，产品的可装置性紧张是由产品的构造决定的。
因此设计时应在构造上保障装置的可行性，采取的构造方法应方便装置，并减少装置事情量，提高装置质量。

　　同时，产品的可装置性与产品采取的装置工艺方法有关，即采取手工装置、专用自动装置还是机器人柔性装置，或者三者的稠浊。
对付不同的装置工艺方法，相同的设计在装置中所表示出来的难易程度也不同。
例如，在专用自动化妆配中，零件的自动进给的定位大略单纯性标准比手工搬运操作要严格得多。
而手工装置由于人类所具有的判断力、操作的灵巧性，可以完成繁芜的装置操作。
但是，采取人工装置时，对付零件的重量、操作中人手臂的可达性、夹紧力量掌握的精确性等，则有一定的限定。

　　在设计的早期应该尽早从装置工艺过程的角度对产品进行评价，尽早地考虑产品构造、精度等对产品终极装置环节的影响。
在设计的早期通过选择合理的零件材料，设计优化的产品构造，减少零部件的数量，采取方便灵巧的连接办法等手段，提高终极装置的效率，降落装置本钱，缩短全体制造周期，并提高企业设备资源等的利用效率。

　　目前面向装置的设计，紧张通过辅导性的手册对设计师进行辅导，通过可装置性剖析、仿真软件对装置过程进行评价。
DFA的浸染是通过验证和改进产品的可装置性表示出来的，对付尚处在设计阶段的产品来说，可装置性好坏最直不雅观的效果，莫过于在打算机上仿真产品的实际装置过程，因此，利用打算机图形学和仿真技能来实现产品的虚拟装置仿真技能，成为改进产品可装置性的紧张使好手段之一。

　　其余，随着增材制造、纳米制造等新型制造技能的兴起和发展，通过简化产品构造，采取新事理、新材料，可以借助更少的零件数量和更大略的构造实现产品的功能，从而显著地降落装置本钱和装置韶光。

　　4.2 装置工艺设计与仿真

　　产品装置工艺设计是指确定产品装置工艺规程的事情过程。
装置工艺设计技能紧张包括产品装置建模、装置工艺方案、装置过程仿真、装置精度剖析和装置工艺管理等，装置工艺设计的体系构造如图3所示。
个中装置建模是根本，装置工艺方案是目的，装置过程仿真和装置精度剖析是手段。
其余，装置工艺设计过程管理和设计知识管理是装置工艺设计的主要内容。

　　图3 装置工艺设计的体系构造

　　由于自动天生装置顺序和路径的繁芜性，装置过程仿真逐渐成为装置工艺设计中最主要的研究内容，并正经历由几何仿真向物理仿真的转变。
产品的装置质量和装置性能与全体装置工艺过程密切干系，因此须要从全体装置工艺过程角度来优化工艺参数。
未来的装置工艺设计，该当是一种彻底抛弃传统的试错式装置工艺，是一种可预测的、集成的、基于建模和仿真的科学设计。
所谓集成的装置过程建模与仿真方法，紧张是从生产的实际问题出发，建立面向现场的真实感仿真环境，通过综合考虑工装夹具、装置精度和物理特性、线缆和管路及构造件交叉装置等一体化的集成装置过程仿真与剖析，实现在实物试装前预知产品终极的装置性能，并对工艺参数进行优化。

　　其余，传统的装置工艺设计常常以保障产品的几何精度为目标，随着机器产品精密化、微细化、光机电一体化方向发展，大略地提高装置的几何精度并不能达到提高产品性能的目的。
以某导引头视线稳定系统伺服机构为例，该系统全套引进国外技能、图纸和制造工艺，其零部件加工精度已经达到或超过国外同类产品，但同一批次产品的质量同等性和稳定性相差很大，反复筛选和调试后，也难以担保系统达到设计指标，一次成品率低；同时，该产品装调过程紧张靠履历丰富的装置技师使产品的静态精度和动态特性指标得到担保，合格出厂的产品经由电装、振动试验后，部分产品频率特性还可能发生改变；其余静止放置一段韶光后，由于内部应力开释，其谐振频率和非线性特性也可能发生变革。
因此，对繁芜精密机电系统，须要研究并建立装置工艺参数与产品装置性能之间的内在科学联系，找到影响产品装置性能的关键装置环节和工艺参数，并打破多学科参数耦合装调的干系理论和技能，量化各种工艺参数，真正实现可控、可测、可视的产品装置。

　　4.3 装置工艺装备

　　前辈的装置工艺装备是产品高精度、高效率、高同等性和高可靠装置的主要保障工具。
随着产品构造越来越繁芜，装置性能哀求越来越高，以及高技能装置操作工人日益缺少的形式下，前辈的装置工艺装备研发及运用越来越受到国内外学者关注。

　　装置工艺装备的研究体系框架如图4所示，干系研究紧张涉及三个方面：1）新事理、新技能的装置工艺装备；2）数字化、智能化的装置工艺装备；3）柔性化、集成化的装置工艺装备系统。
研制新型装置工艺装备，实现从手工装置向自动化妆配的转变，是实现装置工艺装备数字化、智能化的根本；研发数字化、智能化的装置工艺装备，实现从自动化妆配向智能化妆配的跃升，对付提升装置效率、装置质量及可靠性等具有主要意义；而实现装置工艺装备的构造/功能柔性化，并与物料运送系统、信息掌握系统有机集成，是适应繁芜产品当代装置哀求的主要担保。

　　装置工艺装备设计制造新事理/新技能，是面向新材料/新工艺/新构造产品的装置哀求，紧张研究装置工艺装备的新型运动方案、构造方案、驱动与传动方案、定位/装夹方案等，打破装置工艺装备构造及性能优化设计、装置工艺及性能精确掌握等关键技能，研制知足前辈装置工艺哀求的装置工艺装备。
例如面向航空发动机同等性装置哀求的拧紧参数精确掌握技能、双轴/多轴同步掌握技能，研制长轴小孔径自动拧紧系统、转子自动调姿/对接/拧紧系统、转子堆叠优化妆配系统等。

　　数字化、智能化妆配工艺装备，紧张研究装置工艺实时数据采集/传输技能，领悟数据剖析的多驱动机构协同掌握、偏差补偿等关键技能，结合产品装置需求，构建“丈量-工艺再设计-工艺掌握一体化”的数字化、智能化妆配工艺装备系统；研究装置工艺增强现实技能，打破虚拟物体和真实场景领悟、基于机器视觉的人机交互等关键技能，研制人机交互的装置工艺系统。

图4 装置工艺装备的研究体系框架

　　柔性化、集成化妆配工艺装备系统，紧张研究可移动、可重组、可重用的装置工艺装备（如可移动、可重组、可重用的飞机装置数控定位器等），打破装备工艺装备动态成组及同步掌握技能，研制柔性自动装置工装等；开展柔性装置线布局及方案设计，打破柔性化妆配线负荷平衡、装置工艺优化、物流优化、装置工艺过程集成掌握等关键技能，构建柔性装置工艺系统集成运用技能体系。

　　4.4 装置丈量与检测

　　丈量指将被丈量与具有计量单位的标准量在数值上进行比较，从而确定二者比值的实验认识过程；检测是指利用干系设备对系统进行检讨、试验，并对检测结果进行快速、准确的判断。
丈量与检测是对产品装置中的质量进行快速诊断、剖析和定位的过程，是确保产品质量的直接保障，未来装置丈量及检测技能将通过与数字化技能、智能掌握技能等密切领悟，在产品装置过程中将发挥越来越主要的浸染。

　　装置丈量与检测技能研究框架如图5所示，干系研究内容紧张涉及三方面：1）新型装置丈量与检测事理、技能与设备；2）多源领悟的装置几何量、物理量检测方法及系统；3）面向智能装置的信息采集与数据剖析技能。

图5 装置丈量与检测研究体系框架

　　新型装置丈量与检测事理、技能与设备，紧张研究用于零件描述、形状/位置偏差、位移场及装置精度等测试的几何光学测试新事理，用于合营状态、合营间隙、连接刚度等的打仗/非打仗测试新事理等，研制用于位姿特色、装置工艺、形/力参数及装置质量测试的新型传感器及测试系统（如新型微/纳传感器、空间几何偏差丈量装置，基于超声导波/超声相控阵的结合面打仗特性检测系统）等。

　　多源领悟的装置几何量、物理量检测方法及系统，针对繁芜产品装置过程中涉及几何/物理量多且相互关联，而获取的检丈量相互伶仃的问题，研究多源检测数据关联剖析方法，打破多参量冗余丈量、多源传感优化支配等关键技能，构建航空航天装备、精密仪器仪表等范例产品装置多几何量、物理量的高效检测系统，为实现多学科参量耦合装调、多物理性能综合掌握奠定根本。

　　面向智能装置的信息采集与数据剖析技能，紧张研究用于装置几何/物理量测试的智能检测设备和系统（如智能螺栓、自定心装置精度测试平台等），结合范例产品装置需求构建面向智能装置的信息综合采集系统，打破检测数据高效传输及处理技能、基于人工智好手段的检测数据剖析方法等，为实现智能化妆配供应丈量与检测数据担保。

　　4.5 装置车间管理

　　装置车间管理是指对装置车间所从事的各项生产经营活动进行操持、组织、指挥、折衷和掌握的一系列管理事情。
装置车间管理紧张包括生产调度管理、物料管理、质量管理和职员管理等方面，如图6所示为装置车间管理功能构造图。

　　装置车间管理的关键技能紧张包括生产调度、装置数据实时采集与剖析、物料精准配送和路径方案、装置质量数据管理等。

　　（1）生产调度：面向装置的生产调度是指在一定的约束条件下，把有限的资源在韶光上分配给多少个任务，以知足或优化一个或多个性能指标的过程。
车间生产调度分为静态车间调度和动态车间调度。
静态车间调度是指所有的制造资源在开始调度时候都已经准备就绪，不考虑装置过程中涌现的意外情形，如交货期提前、临时任务的插入、仪器设备涌现故障等。
动态车间调度则哀求考虑产品在装置过程中涌现的各种意外情形。
这种办法哀求调度能够随时相应车间实际生产环境的变革，以确保在任何时候都能保持车间的性能指标处于最优或次优状态。
动态车间调度更符合离散装置车间的实际生产情形和特点（动态性强、不愿定性成分和随机成分较多、变革快）。

图6 装置车间管理功能构造图

　　（2）装置数据实时采集与剖析：在装置过程中，信息系统与装置现场真实数据之间缺少有效的同步机制和手段，造成信息通报的时效性差，装置现场状态不透明等问题，使得装置单元和装置过程的监控难以知足现场实际需求，因此有必要采取一定的手段来担保现场数据采集的实时性和准确性。
现有的数据采集方法分为三种类型：1）通过人工手动采集输入；2）从生产或者测试设备直接获取数据；3）通过自动识别技能如条形码、RFID等进行数据采集。
其余，如何对已采集的实时数据进行统计、剖析与预测是实现装置车间数字化和智能化管理的关键，包括基于实时数据的装置生产线运行状态剖析与预测、生产进度的运行状态剖析与监控、设备故障诊断与预测、物料跟踪与管理等。

　　（3）物料精准配送：目前，离散装置车间生产的随意性仍旧较大，物料需求短缺预见性。
物料部门常日只能按照最大需求量备料，不仅使得线边空间越来越小，物料堆积征象严重，而且不可避免地会存在缺料的情形。
物料配送和路径方案是指在生产操持的辅导下，根据实际生产情形，在知足物料、韶光、运输能力等约束条件下，为每个装置工位配送相应的物料并确定运输设备及其移动路径、运输韶光和速率等，确保物料按时、按量到达指定工位。

　　（4）装置质量数据管理与智能决策：装置过程常常会发生各种质量问题，因此须要实时、完全和准确地网络和整理产品海量的质量数据，在此根本上对质量数据进行构造化管理和剖析预测，一方面深入剖析产品质量问题发生的缘故原由，得到影响产品质量的紧张成分；另一方面对车间生产过程中未来发生的质量事宜作一定的预测，从而采纳科学的掌握机制和决策，使车间性能向优化方向发展，减少乃至避免质量问题的发生。

5 未来产品装置技能的发展趋势

　　目前我国产品生产中的装置管理掉队和自动化水平低下的征象比较严重，只是部分汽车、电子等工业实现了自动化妆配，在航空、航天、兵器、船舶、数控机床、工程机器等行业的大部分产品都因此履历辅导的手工装置操作为主完成，装置工艺参数紧张凭借履历和觉得调度，装调水平紧张取决于工人的履历和技能，导致产品装置质量同等性差。
随着我国制造业向智能制造等高端制造的转型升级，产品的装置技能也须要逐步实现从手工/履历装置向自动化/智能化妆配方向的转变，未来产品装置技能的发展趋势紧张是集成化、精密化、微/纳化和智能化等。

　　5.1 集成化

　　装置作为系统集成环节，终极所表现的装置性能受到设计、材料特性、机器加工、装置工艺、检测技能等多方面的综合影响，具有机器、材料、信息、仪器等多学科交叉的系统集成特色。

　　虽然装置具有系统集成特性，但传统的产品装置时，紧张通过几何精度掌握来进行产品性能的掌握，这种传统的办法存在很多不敷。
尤其对许多光产品而言，其几何精度掌握与性能掌握常常缺少同等性，知足制造精度哀求的产品不一定知足性能指标，也便是说，大略地提高装置的几何精度并不能达到提高产品性能的目的。
以某型高精度加速度计为例，其事情时的物理场包括力场、电场、磁场，其性能指标包括零位漂移、线性度、非线性系数等；工程实践表明，提高几何装置精度可以提高加速度计产品的合格率，然而对优质品率的提高并不如预期，仅通过提高几何精度并不能得到高性能优质产品。
再如陀螺仪，其零件加工精度目前已经靠近极限，为进一步提高其定位精度，须要在构造、流体、温度、以及材料等多个范畴中寻求更加精确和综合的应力平衡。

　　产品的性能紧张来源于设计、加工与装置等环节的共同担保。
在传统机电产品研发时，在繁芜产品设计阶段，设计师一样平常采取多学科设计优化技能，通过充分利用各学科（子系统）之间的相互浸染所产生的协同效应，得到系统的整体最优解或工程满意解；在加工阶段，一样平常通过对零部件的几何精度掌握来开展加工；在装调阶段，也紧张是通过几何量掌握来开展装调事情。
我们不妨这么理解，传统的产品制造过程，紧张是一种基于几何量掌握的制造模式，如图7所示，这种制造模式是一种从集成/耦合走向伶仃/静态的制造过程，即在设计阶段是集成/耦合的设计过程，但是制造过程是一种伶仃/静态的以几何量掌握为主的加工/装置过程，由于缺少制造精度与装置偏差等对产品性能的影响机理，工程中常常通过提高精度等级来担保产品性能。

　　随着当代机电装备不断追求高效率、高精度和高品质，系统内部各种物理过程的非线性、时变特色更为突出，过程之间耦合关系更为繁芜，这须要在装调阶段充分考虑系统集成特性。
未来的制造模式，其在装置阶段是一种综合集成的装置模式（如图8所示），这须要构建装置工艺参数与产品性能之间的关系，探索多学科参数耦合装调的干系理论、方法和技能，从而实现对光机电等系统性能的最优掌握。

　　值得指出的是，装置本身是产品研发中的系统集成环节，本文所指的集成化，紧张指多学科参数耦合的集成装调。

图7 传统的基于几何量掌握的制造模式

图8 面向系统性能的最优设计制造模式

　　同时，目前装置技能的研究成果紧张分散在宏不雅观精度研究（例如传统的打算机赞助公差设计理论）和微不雅观精度研究（例如加工精度对连接偶件的合营性能影响剖析）等方面，而为了保障产品装置性能，须要从以往的宏不雅观精度层面深入到能够反响产品性能形成过程的微不雅观精度层面，这就须要从系统集成角度建立覆盖宏微不雅观的装置工艺参数的定量表征方法，并从宏微不雅观尺度的关联机理出发探索产品装置性能的形成、保持与衰退规律。

　　5.2 精密化

　　提高产品精度是机器制造学科永恒的追求目标之一，随着产品繁芜化、轻量化、精密化和光机电一体化等方向发展，服役环境也越来越恶劣化和极限化，装置精度哀求越来越高，精密装置技能已经成为航空航天高性能武器、精密超精密机床、精密测试设备等产品的主要支撑技能之一。

　　精密装置技能是指装置精度达到某一量级的所有装置技能的总称。
随着科学技能的进步，学者们不断地用最新的成果来提高装置精度，因此“精密”的观点也是随着科技的发展而不断更新的。
在目前的科学技能条件下，参考精密加工技能，笔者认为精密装置技能是指产品装置后的尺寸、形状精度在10m以内的所有装置技能总称。
但是这个定义并非十分严格，例如我国天舟飞船的总装，其尺寸大于10m，而装置精度优于0.5mm，在某种程度上也可称为精密装置。
因此，“精密”既与产品装置后的尺寸、形状精度的详细指标干系，也与在一定技能条件下实现这一个指标的难易程度有关。

　　5.3 微/纳化

　　随着微/纳制造科学的兴起，微装置技能作为眇小型产品制造的关键技能，在精密眇小型机电产品制造领域的运用越来越广。
微装置技能常日是指微尺度（micro scale，一样平常指1~100m）的零件或具有微尺度特色尺寸的中尺度（meso scale，一样平常指100m~10mm）零件的装置。

　　仅从尺寸范畴来看，微/纳装置属于精密装置范围，但与传统装置不同的是，在微尺度下，重力不中兴主导浸染，当物体尺寸小于某临界值后，与物体表面积干系的粘附力，如表面张力、范德华力和静电力等将大于重力，其余在微尺度下，物体的力特性还与物体密度、表面粗糙度、湿度以及部件形状密切干系，给眇小型零件的装置带来了很大的不愿定性。
同时眇小型零件多具有柔性、易损的特点，在装置过程中由于受力不均或力掌握禁绝确较随意马虎产生装置应力。

　　其余，随着特色尺度从微米尺寸缩小到纳米尺度，构造的纳米尺度效应、表面/界面效应以及量子效应凸显出来并成为微/纳器件性能的紧张成分，如何通过施加外部能场对微/纳尺度构造与器件的推/拉、拾取/开释、定位、定向等操纵、装置与封装等作业，并保障器件的性能，是后续研究重点。

　　5.4 智能化

　　随着产品向个性化、多样化、环球化、小批量方向发展，柔性装置系统等多品种自动装置系统也将得到更大发展，装置工艺装备也将随之得到发展，个中装置机器人的运用将越来越广泛。

　　新一代智能制造作为新一轮工业革命的核心技能，正在引发制造业在发展理念、制造模式等方面重大而深刻的变革，正在重塑制造技能体系。
智能装置也必将是机器装置技能的计策高地，也是装置技能向更高阶段发展的一定产物。
智能装置技能涉及传感器技能、网络技能、自动化技能等前辈技能，是掌握、打算机、人工智能等多学科交叉领悟的高新技能。
通过逐次构建智能化的装置单元、装置车间，基于信息物理领悟系统，进行装置系统的智能感知、实时剖析、自主决策和精准实行，完成产品装置过程的智能化。

6 结束语

　　传统装置是依赖设计手册、设计规范和试装置来实现的，是一种掉队的生产办法。
打算机和数字化技能的涌现极大地促进了装置技能的快速发展。

　　但是，长期以来机器加工与装置技能的发展并不平衡，装置已经成为当前保障产品质量的薄弱和关键环节之一。
随着产品繁芜化、轻量化、精密化和光机电一体化等方向发展，服役环境越来越恶劣化和极限化，装置的添补密度和性能哀求越来越高、装调难度越来越大，装置环节对产品性能的保障浸染正日益凸显。
同时，以陀螺仪、高精度加速度计、导引头等精密机电产品为代表的精密装置领域，目前还是多凭技能职员的履历和觉得的手工操作为主完成装置，装置工艺参数量化少，造成装合营格率低，同时一次装调不合格后，常日只能全部拆卸并重新装置。
随着当前国内外超精密加工等技能的快速发展，精密装置技能将日益得到国内外学者的高度关注。

　　目前我国的装置技能水平与发达国家比较还有较大差距，一方面表示在装置事情的组织管理、质量担保以及装置工艺性等根本研究方面；另一方面表现在装置事情的机器化、自动化和智能化的程度和水平上。
装置是个综合集成的环节，仅通过提高几何精度并不能得到高性能优质产品，该当从构造/工艺/服役等多方面考虑其装调性能及服役性能，不能片面追求几何精度，片面考虑静态参数装调，也不能片面把问题都归结到设计问题，要有更深入、更系统的理解。

　　其余，当前智能制造作为新一轮工业革命的核心技能，正在引发制造业在发展理念、制造模式等方面重大而深刻的变革，正在重塑制造业的技能体系。
未来随着人工智能、智能检测等技能的发展，产品装置技能有望实现从手工/履历式装置向自动化/智能化妆配的转变，并终极实现可控、可测、可视的科学装置。

致谢

　　特殊感谢北京理工大学宁汝新教授和张之敬教授、西安交通大学洪军教授、西北工业大学伸开富教授、北京航空航天算夜学陶飞教授、航天二院25所唐烨研究员、航天五院511所易旺民和万毕乐研究员对论文事情的帮助和辅导！
感谢数字化妆配技能课题组巩浩、张志强、庄存波等博士生，以及郭攀硕士生参与本文谈论及文献综述的整理事情。

　　注：本论文已经在机器工程学报期刊上揭橥。