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，获取最优的有限元节点，并据此自动生成各可重构单元自动调控的数控代码和模拟调控程序；4）CNC 根据自动生成的数控代码进行各可重构单元的调整；5）根据需要，对可重构模进行表面处理，如进行表面精铣或增加表面涂层等；6）在处理完毕的可重构模上进行工程热塑性塑料的真空成型，加工出所需产品。

图5 可重构螺针模应用流程 [1]3 可重构制造装备的必要性与优势自18世纪中叶工业革命以来，实作为现夹具、模具等制造装备的单套多用一直是研究人员和企业共同孜孜以求的目标。

随着资源的日益枯竭，实施绿色制造日益重要。

可重构制造装备企业实施绿色制造的关键技术和方法之一，越来越得到科研人员和企业的重视。

夹具和模具在用来在加工过程中夹紧和成型工件，对于工件的加工质量至关重要；目前工厂对于复杂的零件的加工，基本上使用“１对１”专用夹具或模具，这对于传统的大批量生产还不是大问题；而现代的制造业正在向小批量、个性化和多品种发展，“１对１”专用夹具和模具已极其低效，也导致工具的费用极其昂贵；由于由于可重构制造装备的柔性，可以大量减少工具的费用，因而深受欢迎，尤其受具有高附加值行业的欢迎．可重构制造装备的技术优势在于:• 可重构夹具多点支撑工件,减少工件变形；• 可重构制造装备可以重复使用。

一个夹具或模具可用于生产或加工不同工件，极大地减少了装备的制造,维修和存储费用；• 可构夹具可以广泛的应用在各种零件的加工,例如焊接、检验、装配、机床加工等； 可重构模具可以广泛的应用与高速列车外壳、现代建筑结构件、游艇飞机蒙皮等高附加值产品的制造上。

4 最新动态在可重构装备中，可重构夹具的研究相对比较成熟，并有了一些商业化的应用。

对于可重构模具，尽管国内外对它的研究非常深入，但真正能够实现商业化并得到应用的非常少见。

(a) CAD 模型 ( b) 模型网格化 (c) 调整距离计算和数控代码自动生成(d) 根据模型调整螺针 (e)螺针模表面处理(f)真空成型产品而且可重构成形模目前仅在钣金类零件的成形中得到初步应用，在复合材料零件成型研究领域，其研究还处于起步阶段。

这是由于钣金件和复合材料件在成形机理上存在很大差异，主要表现为钣金件的加工是板类塑性成型而复合材料件的加工属于液体模塑成型，并且复合材料成型需要额外的模温控制，因此两者的可重构模在机构上差异较大。

中国科学院宁波工业技术研究院在国内首次提出用可重构模进行复合材料板件的生产，是用可重构模成型非钣金件研究领域的先驱。

宁波工业技术研究院在碳纤维复合材料领域具备雄厚的科研实力。

目前已建成碳纤维制备技术国家工程实验室，是浙江省先进纤维材料制备技术创新团队。

依托这一平台，中科院宁波工业技术研究院柔性制造装备及应用团队积极研究用可重构模具制造复合材料产品的新工艺，为实现小批量、大件复合材料产品的低成本和快速制造作深入探索。

通过建立复合材料产品模型与可重构模具装备之间的最佳映射关系，设计相应的高效软件算法，实现可重构单元调控程序的自动生成；通过对模具装备大量的可重构单元（一、两千个）的调控模块进行系统集成，实现可重构单元的同步调控；通过对可重构模凹凸不平的表面进行一定的工艺处理来获得成型面，进而在此成型面上用复合材料成型工艺制造工件。

力图实现以大批量生产的单件生产成本来生产个性化、单件或小批量产品。

该技术成熟后，将其与机械手及现有的复合材料生产线相结合，实现单件、小批量复合材料产品的流水线作业（图6）。

（a）复合材料产品线 （b）机械手图6 基于可重构模的单件、小批量复合材料产品生产线5结束语制造业正朝个性化生产发展，单件、小批量产品日益成为生产的主流，可重构模具装备适应这一潮流，有极好的商业前景。

介于目前复合材料越来越多地在各工业领域上得到应用，现在开展可重构模具技术在复合材料成型上的研究应该是恰逢其时。

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