基于装配的设计

基于装配的设计（精选12篇）

基于装配的设计 第1篇

装配体设计方法分为自下而上(bottom-up)和自上而下(top-down)两种方法。但在未知各组成零件时,只能采用自上而下的方式来设计整个装配体,此时设计人员考虑的是产品的整体而非零件细节,零件之间有关联关系,参考零件发生变化,则驱动其他与之关联的零件发生变化[1]。

装配体设计的具体实现过程因已知零件的不同建模方法也有差异。多实体技术的应用解决了局部操作、多实体保存为零件或者装配体、装配体保存为多实体等问题,解决了一般建模中模型不连续的问题,同时加强了装配体与零件间的联系。采用派生零件的方法从装配体中取出零件、进行零件的后续设计[2],可减少很多不必要的重复操作,并保证修改参数的准确性。这些方法使得应用SolidWorks进行装配体设计变得方便灵活。

1 多实体零件在自上而下装配体设计建模中的应用

多实体技术应用于自上而下的装配体设计,实际上把整体当作一个零件,在其基础上划分出多实体,选择实体分别生成零件。这些多实体的形成主要是因为采用“拉伸/切除”、“旋转/切除”、“扫描/切除”等特征操作,有时是为了实现特征而做选择,如进行局部操作。多实体可保存为零件,在零件设计中多实体也可通过桥接、组合等方式再形成单一实体[3]。

以SolidWorks中用钣金插件建立三通管模型为例,如图1所示。由于三通管是3个圆柱管(或者变径管)通过板材切割后焊接而成,实际加工需要的是展开图[4]。零件展开的传统方法有图解法和计算法,需要有一定的编程知识。相比之下,利用SolidWorks可以轻松地解决这一问题[5]。

在加工的时候必然要分别生成竖直管和水平管的展开图,把三通管零件转化为两个能装配后保持原样的管子零件。在所选基准面上把相贯线通过“实体引用”转换为草图,利用该草图把模型零件分割为两个实体,作“切除-拉伸-薄壁1”时保留所有实体,然后在特征管理器里展开实体,选中“切除-拉伸-薄壁1”实体,右单击鼠标,在弹出的菜单中选择“插入到新零件”,通过“插入折弯”把实体转换为钣金零件。竖直管和水平管对应的展开图如图2、图3所示。

将展开图数据直接传递给自动编程系统,生成数控加工代码,并传入数控切割机床下料,具有非常高的加工精度、加工效率和加工柔性。

2 在自下而上装配体设计中建立新零件

在自下而上的装配体设计中,已知零件已经形成部分装配体。例如合页的设计,装配的两个合页都是利用同一个零件(如图4(a)所示)生成外部切除(见图4(b))和内部切除(见图4(c))形成的,为了便于合页及其上孔的尺寸大小修改,几个特征尺寸采用了方程式,如图4中带“∑”的数值和总体尺寸相关联,可以按照方程式设定的比例随着总体尺寸的改变而改变[6]。

而穿过孔的销轴则采用在装配体中“插入新零件”,如图5所示。选择一个平面开始绘制草图圆,这个圆采用与内孔“等距实体”生成,而不用担心和轴孔无法配合,之前这个销轴直径和长度是无法确定的,必须依据与它配合的合页轴孔,销轴零件建立后,点击“编辑零部件”按钮退出编辑。最后生成的合页装配体如图6所示。

由上可知在装配体设计中,经常遇到有些零件尺寸或者构形无法预知的情况,边装配边设计是常用的一种方法。在装配体环境下,应用插入新零件的方法来编辑新零件,利用其他零部件的几何和尺寸信息创建配合关系或者关联特征,自动传递设计修改[7],保证了各零部件之间的尺寸和装配尺寸的一致性,减少了人为疏忽而致错,解决了定位装配的合理性。

3 派生零件在模具装配体中的应用

一简单模具,要建成左、右空腔模。先对凸台零件建模,见图7。为了便于拔模角度的修改,对相关尺寸作了链接数值[8]。把凸台零件放入盒子中,分型面选在凸台的中间最大处。为了便于看图,在装配体中对外盒作了透明显示处理。借助“模具工具”-“型腔”的特征,选择凸台,设定比例缩放,对凸台作了空腔处理。在特征树里右单击盒子,选“列举外部参考引用”,即特征树里文件名后的“->”符号表示关联。选择模具的基体零件盒子,在菜单栏中选择“文件”-“派生零部件”,则转移了装配体设计环境,生成了带空腔的盒子零件,作全剖,得到右模零件,如图8(a)所示。再继续作“拉伸切除”,选择不同的切除方向,即得到左模零件,如图8(b)所示。

上例从单独零件设计到装配体,又从装配体中选择生成“派生零件”,即在空腔图形文件中插入了一个完整的外部参照图形文件[9]——凸台。凸台的内容改变,那么空腔文件也跟着改变(关联文件打开,外部参考引用才会自动更新),保持了模具和型腔的一致性,派生零件对这类模具的设计特别方便和实用。

4 小结

本文结合作者多年使用三维软件SolidWorks的经验,对创建多实体、装配体、编辑插入零部件的切换操作以及在装配体环境下利用其他零部件的几何和尺寸信息创建配合关系和关联特征这些主要的高级装配技术作了举例说明,显示了SolidWorks装配具有精确、高效、易用的特点。限于篇幅,对装配体中零部件的压缩与轻化、装配体的干涉检查及爆炸视图[10]、大型装配体的子装配体建立、装配体转换为零件以便进行有限元分析等未一一举例。在应用SolidWorks进行产品设计的过程中,熟练地掌握SolidWorks提供的以上特殊工具和设计方法,有助于提高建模的速度和准确性。

摘要：针对装配体不同的设计方法,举例说明了基于三维软件SolidW orks的多实体、派生零件以及在装配体中建立新零件等方法在高级装配体设计中的应用,使得在零件使用不同插件时零件及装配体能顺利建模。关联关系保证了零件便于修改和准确定位的要求,达到了最终设计的目的,具有一定的实用价值。

关键词：装配体,多实体,派生零件,SolidWorks,建模

参考文献

[1]李大磊,赵玉奇,张志林.SolidWorks高级功能与工程应用[M].北京:北京邮电大学出版社,2009.

[2]SolidWorks公司.SolidWorks装配体建模[M].北京:机械工业出版社,2005.

[3]SolidWorks公司.SolidWorks高级零件和曲面建模[M].北京:机械工业出版社,2005.

[4]江洪,张培耘,江帆,等.SolidWorks钣金实例解析[M].北京:机械工业出版社,2006.

[5]季忠,林乐嘉.三维钣金展开放样及实例[M].北京:化学工业出版社,2009.

[6]江烘,于忠海,张培耘.SolidWorks建模实例解析[M].北京:机械工业出版社,2006.

[7]SolidWorks公司.SolidWorks高级教程:高级装配[M].北京:机械工业出版社,2005.

[8]赵俊武.产品造型实例教程[M].北京:清华大学出版社,2008.

[9]二代龙震工作室.SolidWorks2009高级设计[M].北京:清华大学出版社,2009.

基于装配的设计 第2篇

基于MBD的三维数字化装配工艺设计技术是现代航空数字化制造中的一门新兴学科，也是未来飞机三维装配工艺设计的发展趋势。本文介绍了该技术主要通过对DELMIA、3DVIA Composer、CAPP等工艺设计、工艺仿真软件进行客户化定制和多系统集成应用，完成基于MBD三维产品模型的工艺分离面的划分、BOM重构、工艺仿真以及三维装配指令编制等工艺设计工作，并通过生产管理系统将已完成的工艺设计信息传递到生产现场实现可视化装配，打通了基于MBD的产品设计与工艺设计及现场可视化装配的技术路线。

MBD(Model-Based Definition)即基于模型的产品数字化定义，其特点是：产品设计不再发放传统的二维图纸，而是采用三维数字化模型作为飞机零件制造、部件装配的依据。传统的二维工艺设计模式已经不能适应全三维设计要求。随着现代计算机技术、网络技术、工艺设计软件技术的发展，以及协同平台的建立，为三维数字化装配工艺设计和并行工程奠定了基础。三维数字化装配工艺设计及现场可视化系统

通过采用达索公司三维数字化装配工艺设计平台DELMIA及3DVIA Composer解决方案，构建“数字化装配工艺设计和仿真系统”及“生产现场可视化系统”。突破DELMIA二次开发及定制技术、3D制造过程仿真验证及优化技术、MBD技术、生产现场可视化技术、Windchill/DELMIA/EPCS/CAPP多系统集成技术等关键技术瓶颈，最终构建符合企业业务需求的“数字化装配工艺设计和仿真系统”及“生产现场可视化系统”。缩短飞机装配周期，提高装配质量，全面提升飞机的数字化制造能力。系统流程及集成架构如图1所示。

图1 系统流程及集成框架

系统流程及集成工作思路如下：

(1)Windchill企业数据管理系统是企业唯一合法的数据来源，管理着各种BOM信息。通过接口程序，把PBOM以XML的格式输出。

(2)通过在DELMIA DPE平台上二次开发技术，把XML格式的PBOM及产品三维数据模型调入DPE模块中进行工艺规划，并创建顶层MBOM。

(3)划分哪些工作需要在DELMIA中进行仿真验证，哪些不需要仿真验证，并将创建的顶层MBOM存到Windchill中。

(4)将需要仿真验证的装配件在DELMIA中进行详细的AO划分。

(5)在DELMIA DPM中进行装配仿真验证、人机工程仿真、资源仿真等工作。

(6)利用3DVIA Composer进行细节三维装配指令编制工作。

(7)进行DELMIA与CAPP的接口开发，使三维AO及配套表传入CAPP系统，并最终通过CAPP在Windchill进行流程审签。

(8)开发Windchill和ERP及MES的接口程序，把MBOM和AO信息传递给ERP及MES系统，实现车间现场装配可视化，指导实际生产工作。2 三维数字化装配工艺设计

三维数字化装配工艺设计是通过对飞机产品结构进行分析，在企业现有制造能力（设备、工艺技术能力、人力资源等）及产量要求的基础上，进行组件划分，制定装配流程，确定装配方案，并选择各装配环节所需要的制造资源。在三维数字化装配工艺设计系统中，工艺设计用树状结构表示，主要由产品结构树、工艺结构树、资源结构树3个分支构成，具体结构特征按企业需求进行工艺模板定制。基于MBD技术的三维数字化装配工艺设计主要工作流程如图2所示。

图2 基于MBD技术的三维数字化装配工艺设计流程

2.1 数据准备工作

在三维数字化装配工艺设计中所用的数据格式分为3种，CGR格式、CATIA V5模型、smgxml格式。其功能为：

CATIA V5模型：来源于产品设计部门，是工艺设计的依据和基础数据。

CCR格式模型：由CATIA V5模型转换而来，轻量化模型，用于大数据量模型的仿真及DPM环境下产品结构浏览。

smgxml格式模型：由CATIA V5模型转换而来，轻量化模型，用于在WKC中进行三维装配指令的三维视图编辑。smgxml格式模型转换界面如图3所示。

图3 smgxml格式模型转换界面

2.2 PBOM数据导入

将来自协同平台的XML格式的PBOM导入DELMIA的DPE中，PBOM中的零组件信息（工艺路线、批架次、工组件等）会通过程序自动关联CGR模型、CATIA V5模型、smgxml模型3种格式的数据。并导入产品模型的坐标位置信息。在DPE中构建全机或部件的PBOM结构树。数据导入流程如图4所示。

图4 PBOM数据导入 2.3 工艺分离面的划分

完成数据导人工作后，在DELMIA系统的MA(Manufacturing Assembly)中根据三维产品模型在三维数字化环境下进行全机、部组件工艺分离面的划分，结合PBOM结构树确定各工艺装配部件、组合件需要装配的组件及零件项目，构建工艺部件、组件模型结构。在MA中进行工艺分离面划分如图5所示。

图5 MA中进行工艺分离面划分

2.4 全机或部件装配工艺仿真

针对工艺分离面划分结果在DPM中进行全机及部件级工艺仿真，验证工艺分离面划分的合理性，并进行优化。

2.5 部件装配方案的设计

在工艺分离面划分优化的基础上，在DPE的PROCESS结构树上对各工艺部件进行装配流程设计，划分下一级组件装配单元，确定在各组件装配的零组件项目，构建顶层MBOM结构树，关联来自工艺部件的组件装配工艺模型。确定装配工艺基准和装配定位方法，并规划各组件之间的装配流程。

2.6 部、组件装配AO的确定

在部、组件划分的基础上，依据分配到部、组件项目的装配工艺模型在DPE的PROCESS结构树上进一步进行部、组件装配过程设计，确定各部、组件所属零组件的装配顺序，规划完成装配的AO项目，编制AO号，关联每本AO需要装配的零组件项目。

2.7 工装订货单的编制及工装设计

工艺部门依据工艺设计内容提出装配工装、夹具、刀具的订货技术要求。工装部门根据订货技术要求，设计装配型架、地面设备、专用工、刀、量具的三维数模。2.8 工装数据的导入

将来自于企业协同平台的工装等资源三维模型数据分别以CATIA V5模型和格式导入DELMIA系统，建立资源结构树，并分别关联到PROCESS工艺设计结构树上的部组件装配项目上。

2.9 详细工艺设计

在三维数字化环境下确定该装配工艺过程零组件、标准件、成品等装配顺序，明确装配工艺方法、装配步骤，进行AO下工步的详细设计，完成本装配过程的工步规划设计，并将产品零组件和工步关联。选定该装配过程所需要的工装、夹具、工具、辅助材料等一系列的制造资源，并将工装与工位关联。依据产品连接定义分配该过程所需要的标准件，形成用于指导生产的AO装配信息。

2.10 部、组件装配仿真

产品及资源三维模型在工步上关联后，依据AO内容及设计好的装配工艺流程，在DPM中通过对每个零件、成品和组件的移动、定位、夹紧等操作进行产品与产品、产品与工装的干涉检查，当系统发现存在干涉情况时报警，并显示出干涉区域和干涉量，以帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因。同时通过对产品装配和拆卸过程进行三维动态仿真，可以验证每个零件按工艺设计的装配顺序是否能无阻碍的装配上去，以发现工艺设计过程中装配顺序设计的合理性。对于开敞性、可视性、可达性、可操作性较差的部位可以将标准人体的三维模型放人虚拟装配环境中进行人机工程仿真，模拟操作者的操作过程以便发现操作空间大小是否满足装配需要，操作者身体或肢体能否到达装配位置、是否看得见等问题。仿真结果通过仿真报告提交产品设计、工装设计等部门进行优化。

2.11 三维装配指令编制

通过部、组件装配仿寞，对产品、工装、AO内容及装配顺序等进行优化后，依据优化后的工艺设计结果进入DELMIA的WKC(Work Instruction Composer)中进行各工步三维可视化视图设计，将每个工步所要表达的工艺信息通过三维轻量化视图表达，包括标准件信息、装配尺寸标注、制孔要求、定位要求、工装使用要求，其形式如图6所示。

图6 WKC中三维可视化文件编制 现场可视化技术应用

3.1 现场可视化文件输出、管理

由于采用MBD技术以后，生产现场不再发放二维图纸，为了满足装配生产需要，中航工业陕飞采取了利用装配仿真视频、AO和三维工步视图指导现场装配作业的解决方案，具体方法是将在DPE中完成的部组件工艺规划、设计内容提取到CAPP中的AO模板中，包括AO内容页、辅材配套表、标准件配套表、零件配套表等文档信息，同时输出DPM中部组件的仿真视频和WKC中的三维工步视图，通过Windchill协同制造平台进行审签发放和管理。

3.2 现场可视化应用

通过装配现场可视化技术，使MBD技术在车间“落地”，它是将产品的装配仿真验证文件、三维工作指令以及工艺设计文件等工艺信息传递导入到企业的MES系统，发送到车间现场，操作人员通避现场触摸屏，在MES系统里查询产品工艺装配信息，可以直接查看三维装配指令及相关三维仿真，以更直观的方式了解产品的装配属性，理解产品的装配工艺和工艺流程，从而提高装配工作效率和准确性。

MBD技术现场具体应用过程是，首先运行MES系统，通过查询工位设备号，确认某个部件的装配工位，查看AO文件名称、文件号以及装配该部件的工艺装备，然后输入负责该部件装配工作的操作者证件号，进入该产品的具体生产信息界面，对应AO名称和文件号，查看产品的装配仿真验证动画，直观地全面了解产品的装配流程，查看三维工作指令，获取产品的定位、装配尺寸等装配信息，查看AO文件，获取产品的装配零件及详细工作内容，最终完成产品的装配，如图7所示。

图7 现场可视化 结论

通过基于MBD的三维数字化装配工艺设计及现场可视化技术应用研究及实施，打通了基于MBD的产品设计与工艺设计及现场可视化装配的技术路线。从实施情况看三维数字化装配工艺设计及现场可视化系统在数字化制造中有以下优点：

(1)实现了产品设计、工艺设计、工装设计的并行工程，缩短了产品研制周期，减少了开发成本。

(2)通过装配过程三维仿真验证，及时发现了产品设计、工艺设计、工装设计存在的问题，有效地保证了产品装配的质量。

(3)通过现场可视化系统的应用，三维装配仿真通过三维数据直观地显现了装配过程，使装配操作者更容易理解装配工艺，减少了装配过程中的反复和人为差错。

(4)使工艺研制更便捷、更直观，特别在新产品研制中，通过三维数字化装配工艺设计使得工艺方案的制定、技术决策更准确、便捷。

(5)通过多个系统的集成，使设计、工艺、生产的信息可以更方便被调用，数据流通更加畅通。

(6)为企业提供了承上启下的工艺设计平台，便于在此基础上进行创新开发，为企业的质量管理、生产管理等系统提供上游工艺信息。

应用中的不足之处：

(1)目前人机仿真操作比较繁琐。

(2)装配仿真时模型作为刚性件处理，无法模拟仿真零组件变形后的装配情况，主要反映在某些钣金零件的仿真以及部组件自重引起的变形调整的仿真。

(3)目前采用的现场可视化方案虽然解决了MBD技术的现场应用，但在现场应用中由于可视化终端设备相对固定，操作者在飞机内部或距离终端设备较远的部位操作时不方便，还需研究开发便携式可视化终端设备及其数据管理方式。5 结束语

基于装配的设计 第3篇

关键词： PLC；货架；繁杂；防错

1. 引言

流水线是由驱动马达,传送带,轴承及调速装置几部分组成，利用传送带不停的往前输送配件至各个工位，每个工位上的工作人员各负其责，共同完成产品的装配，再通过传送带送至后续工位进行实验及分类包装，入库。在学术上讲就是把一个重复的过程分解为若干个子过程，前一个子过程为下一个子过程创造执行条件，每一个过程与其他子过程可以同时进行，却又相互影响。

一般的，将完成一件产品所有零部件装配的时间称为流水线的周期。流水线各段执行时间最长的那段为整个流水线的瓶颈，一旦某个工位出现故障，就会影响下一工位的运行，进而影响整条流水线的周期。在汽车变速箱总成装配线中出现故障率最高的工位就是零部件的配餐，此工位负责在装配之前根据不同客户或同一客户不同型号产品的需求差异从样品繁杂的零部件货架上挑出与其匹配的相应规格零部件【1】。举个形象的例子：有甲、乙、丙、丁……壬、癸，10名顾客，A、B、C、D……X、Y、Z，26种不同口味的菜，而配餐师傅只有一个，他要根据不同顾客的口味上不同的菜，顾客甲喜欢ADFGIY，顾客乙喜欢BFGJNT，顾客丙喜欢DFJOPRV……。同样，一种型号的变速箱就需要几十种零部件，不同型号变速箱的零部件规格又有部分相同，部分不同。如果纯靠记忆，要在一定的时间内准确快速的完成这样一项任务，受人为因素影响很大，尤其上夜班的员工身体疲惫，注意力不集中，极易配错零部件，造成后续返工，不利于提高产品质量和生产效率。

本文设计了基于欧姆龙PLC控制的装配线防错系统。通过编写上位机的控制程序，并由串行通信RS-485与下位机PLC进行实时的监视控制，组成一套自动检测系统。在员工配错零部件的第一时间内发生报警，提醒更换。这样不仅可以提高系统的准确性、可靠性，而且大大节约了劳动强度和人力成本。

2. 硬件配置

该防错系统主要分为上位机、触摸屏显示器、读卡器、配餐车、滑道、行程开关、零部件货架、光幕传感器、PLC控制柜和报警灯十大部分。其构想图如图1所示。

A. 工控机

上位机采用 IPC 工控机，用于对整个控制系统的监控，主要用来设置运行参数、在线修改运行参数、监控系统运行、报警及故障显示。不同管理权限的操作人员对工控机下达不同的控制命令，通过串口发送给 PLC，并实时采集 PLC 的反馈信息，智能判断后通过显示器或报警指示灯显示出来，以供操作人员参考。

B.触摸屏

采用日本Digital公司的Pro-face GP系列触摸屏工业图形显示器。它是一种连接人和机器（主要为PLC）的人机界面（HMI/MMI），被称为PLC的脸面，替代了传统的控制面板和键盘，以数据、曲线、图形、动画等各种形式来反映PLC的内部状态，存储器数据，从而直观反映工业控制系统的流程、走向，还可以通过触摸屏来改变PLC内部状态位，存储器数值，参与整个过程控制。

C.PLC

下位机的主控部分采用欧姆龙SYSMAC CS1G-CPU42H型号的PLC，通过串口接收工控机的操作命令，完成数据的采集、运算、执行用户程序、检测运行状态、实现最终的控制。PLC同时还负责接收读卡器、光幕传感器、按钮、行程开关信号等，并实时将控制状态反馈给工控机【2】。

3.软件设计

各个货架所用PLC通过串口RS485 实现与上位机的通信，实时反馈PLC各状态位的信息，同时上位机作出分析判断并发送控制命令给PLC，实现对 PLC的实时监视与自动控制。其软件设计如下所示。

A.工艺流程图（见图2）

B. I/O分配

首先将所有型号的变速器所用到的零部件全部放置于货架上，再根据货架上各个窗口所放零部件的名称及代号分配I/O口，制作表格，如图3所示（仅以货架1为例）。然后由不同型号变速器与上述所有零部件形成一一匹配的关系。用到某个零部件就在相应的位置上标记"?" ，代表"1"，反之则不标记，代表"0"。最后形成不同的十六进制数，如图4所示。通过触摸屏将这个十六进制数输入到上位机内。在增加、减少零部件或者更换零部件位置的情况下，必须修改相应的系统参数，以保证系统的正常运行。

C.绘制梯形图

PLC 最常用的编程语言是梯形图和指令语句表语言，且两者常常联合使用。本文采用欧姆龙SYSMAC CS1G-CPU42H型号的PLC，利用CX-Programmer软件进行编程，编写程序时要结合触摸屏画面的设计进行考虑。其关键程序如图5、图6所示。

D.人机界面设计

使用GP-Pro/PB 软件制作触摸屏的控制画面。 通过软件工具库的工具调用以及相关项的设定或通过宏定义设计出操作方便、简洁易懂的画面（参数修改界面效果图如图7所示）。这些画面从个人电脑传送到触摸屏即可使用，同样在画面的设计调试过程中，也可从触摸屏上传画面到计算机对画面进行修改【3】。

4 .操作步骤

第一步，结合图1、图2，操作人员将产品识别卡插入读卡器，系统读取卡片信息，根据卡片代表的变速器型号调取相应的控制程序，同时货架上与之匹配的各个零部件窗口处的光幕传感器开始闪烁，以提醒操作人员将此处的零部件取走，如图8所示。

第二步，操作人员手推配餐车沿着滑道从零部件货架上取走正在闪烁光幕处的零部件，当传感器感应到人手的拿出动作后，指示灯开始常亮，标示此零部件已经取走，并且正确。而误操作有两种情况：操作人员的手伸入到光幕没有闪烁的窗口，即误取不该取走的零部件，系统就会报警，手退出后报警自动取消。应该取走而丢落没有取走的零部件，系统会在配餐车碰触到滑道终点处的行程开关时，即自认为已经完成所有零部件配餐的时候发生报警，只有取走丢落的零部件后系统的报警才会消失。

第三步，取走所有零部件后，配餐车碰触到滑道终点处的行程开关时，下一工位的辊道电机制动器自动开启，传送带停止，将配餐篮放在传送带的托盘上，当此处的接近开关确认放置到位后，制动器关闭，传送带继续运行，此循环结束。

5 .结论

此防错工艺自投产使用至今已两年多，再也没有发生过因为人为原因， 多拿、少拿、错拿零部件而造成的不合格品，期间虽然也发生了一些设备故障，但通过查看图纸和在线监控软件，问题很快得到解决。总体来说，基于欧姆龙PLC控制的装配线防错工艺，运行平稳，维修方便，大大提高了产品质量和生产效率。

参考文献

[1]吕景泉.自动化生产线安装与调试.中国铁道出版社.2009.12

[2]高万林.电气控制技术与欧姆龙PLC.中国电力出版社.2010.09

基于装配的设计 第4篇

关键词：紊流输送,柔性装配系统,调度

0引言

军工电子行业产品的特点是小批量、多品种、突发式生产, 由于此特点, 在军工电子行业中不能用批量来均摊装配线的成本, 从而难以实现自动化装配。本文通过紊流输送技术, 使用“工位—工序—任务”生产模型, 建立一种基于请求的简单柔性装配系统, 为军工电子行业产品装配线提供一种柔性化的解决方案。

1紊流输送技术

相对于顺流输送而言, 紊流输送打破了原有的顺流而下的一站式输送特点, 使得流到下游的产品能够回到上游。顺流输送和紊流输送的比较见图1。

由于紊流输送具有可以回到上游的特点, 使得使用紊流输送技术设计的装配线可以实现工位的复用, 在装配系统设计时不必过重考虑装配线的布局, 而在装配线建成后使用软件实现装配系统的布局规划的软重构。此外, 使用紊流输送技术设计的装配线可以通过软件改变装配线的布局实现软重构而适应不同产品的装配。

2柔性装配系统

柔性装配系统 (FAS) 是为了敏捷响应产品需求的动态变化, 打破劳动密集型和刚性自动化混杂的生产模式, 采用柔性的自动化装配系统。其柔性在于系统能够处理装配线上随机出现的几类不同的产品, 采用简单改变软件和控制参数的方法就能装配不同的产品。

根据38所军工电子产品小批量、多品种、突发式生产的特点, 使用紊流输送技术和柔性装配系统理论, 建设了一条基于工位任务请求的简单柔性装配系统。它由柔性装配线、控制系统、监控和调度系统3部分组成。

2.1 柔性装配线

柔性装配线由装配工位、自动输送系统、自动缓冲库、总控台共4大部分组成, 其拓扑结构图见图2。

2.1.1 装配工位

柔性装配线由24个装配工位组成, 其中包括手动工位和自动化设备工位, 每个工位配有操作按钮盒, 上面有“任务请求”和“任务完成”按钮, 以及“任务1”、“任务2”、“任务3”指示灯用来发送请求和显示任务指示。每个装配工位地位平等, 可以按照产品的装配工艺任意定义其任务。

2.1.2 自动输送系统

自动输送系统由全封闭输送通道和输送小车组成, 输送小车采用无线设计, 使用滑电的取电方式, 用无线Profibus工业总线和总控系统进行通讯。

2.1.3 自动缓冲库

生产线的设计需要考虑生产线节拍的问题, 设计的柔性装配线不是传统的流水线, 使用集中缓冲的方法来解决节拍的问题。自动缓冲库由32个缓冲库位和1台6轴机器手臂组成, 机器手臂按照指令从缓冲库位取零件放到输送小车上, 或者从输送小车上取零件放到缓冲库位中。机器手臂通过Profibus工业总线和总控台进行通讯。

2.1.4 总控台

总控台是该柔性装配线的核心, 由控制柜和一台工控机组成, 控制柜中有西门子S7-315DP PLC、扩展模块和配电装置, 工控机中安装有监控软件和调度软件, 控制柜和工控机使用Profibus工业总线进行通讯。

2.2 控制系统

该柔性装配系统的控制系统以西门子S7-315DP PLC为核心, 使用Profibus工业总线进行通讯, 其拓扑结构见图3。

控制系统以S7-315DP PLC作为主站;自动缓冲库的机器人控制柜中安装有Profibus扩展模块, 作为从站;自动输送系统使用S7-226 PLC+EM277扩展模块的控制方式, 作为从站, 和主站通过倍加福Profibus无线通讯模块进行通讯;装配工位上指示灯和按钮由主站PLC的I/O口控制;工控机上安装有西门子CP5613通讯卡, 作为从站, 接收主站的各种信息并把调度系统的指令发送给主站PLC。

控制系统采用基于工位任务请求的工作方式, 其简单工作流程见图4。

2.3 监控和调度系统

监控和调度系统由监控系统和调度系统组成, 监控系统基于组态软件, 实时显示和记录生产线上的各种信息, 并接收装配线现场的各种工位请求上传给调度系统, 把调度系统的工作指令下传给装配线现场。在传送过程中, 监控系统不做数据合理性分析, 数据的合理性由调度系统和装配线现场进行分析。监控系统和调度系统的关系见图5。

调度系统是该柔性装配线的运算核心, 以SQL Server数据库作为后台, 使用高级语言编写操作界面, 实时处理上传工位请求信息并下发工作指令, 同步记录装配线上各个工位以及自动缓冲库各个库位的信息, 可以实时查询装配线上的各种信息, 其结构框图见图6。

在调度系统中, 使用“工位—工序—任务”生产模型记录各个工位能够完成的具体工序以及该工位的任务号, 其格式是“工位号, 任务号, 工序号”。调度系统的简要工作流程是:首先接收工位请求, 分析其合理性, 若合理则查找满足该工位的任务, 若没有, 则把该工位的任务请求挂起, 处理下一个工位请求, 若有, 则发送符合该工位操作的工作指令, 并同时修改自动缓冲库信息、工位信息和工件信息;此外, 调度系统还需定时扫描是否有满足被挂起的工位任务请求, 并进行及时处理。同时, 在调度系统中还需要处理好工件上料和下料的操作。

3结语

通过对军工电子产品和柔性装配系统的研究, 完成了基于任务请求的简单柔性装配线的建设, 并成功应用于两种产品的装配, 极大地提高了产品的装配效率和装配现场的管理水平。实践表明, 该柔性装配线是军工电子行业多品种、小批量产品装配线建设的成功案例, 值得在行业中进行推广。

参考文献

[1]祁国宁, 杨青海.大批量定制生产模式综述[J].中国机械工程, 2004, 15 (14) :1240-1245.

[2]邓友银, 宋夏, 姜海涛.面向柔性装配系统的紊流输送技术[J].机械工程与自动化, 2007 (4) :107-109.

基于装配的设计 第5篇

装配型架的.刚度对飞机装配品质具有重要影响.在深入分析型架结构的基础上,结合型架结构离散化原则和力系约束以及边界条件的简化,将参数化设计技术与型架分析相结合,提出了一种参数化的型架有限元分析方法.利用有限元软件MSC.Patran提供的PCL语言,将参数化设计与有限元分析相结合,自动生成分析模型并完成型架有限元结构分析,大大提高了型架分析的效率.

作 者：黄海军 黄翔 HUANG Hai-jun HUANG Xiang  作者单位：南京航空航天大学,江苏,南京,210016 刊 名：机械制造与自动化  ISTIC英文刊名：MACHINE BUILDING & AUTOMATION 年，卷(期)： 37(1) 分类号：V465 TB115 关键词：装配型架   参数化建模   CAE   离散化  

基于装配的设计 第6篇

关键词： 拓扑理论 数据采集 自动装配

复杂周转轮系是指轮系结构复杂，装配、生产、调试复杂的产品，如飞机、航天器、船舶、卫星等[1]。此类周转轮系不同于简单周转轮系，产品装配的周期长、装配过程难度大、装配的成本很高[2]。仿真虚拟装配是近年来比较前沿的研究课题，此技术主要依赖数字化建模的方法在三维仿真软件环境下，借助仿真人机交互的软硬件设备在微型机上实现复杂产品的装配操作并可实现产品性能仿真分析、装配过程演示，从而完成对装配工人的工况条件下的装配工艺指导、探索新型产品、仿真分析产品特性、减低生产开发成本，尤其对飞机、卫星等大型产品，因所需资源类型较多、装配难度大、装配精度高等特点，开展基于拓扑理论的复杂周转轮系的虚拟仿真装配技术的研究有重要的理论、实践意义和应用价值。

1.虚拟装配关键技术

不同的虚拟仿真装配过程，因需求不同对装配模型包含的信息要求也是不同的，但通常包含以下两类信息是虚拟仿真装配过程必需的。

（1）拓扑模型信息：拓扑模型是将轮系的太阳轮、行星轮、啮合关系等抽象成为实心点、空心圈、粗/细实现、虚线等，具体说明见参考文献[3]。此拓扑模型是对装配实体信息的抽象，是点、线、约束面、实体之间关系，以便拓扑演化和反演，对新型轮系机构进行组合、拆分探索。

（2）轮系虚拟装配信息：应包含预装配的仿真轮系的元器件、层次结构、和装配约束关系等信息，以便在Pro/E仿真环境下调用相关零件进行产品组装以满足产品的要求。

为了实现复杂轮系的计算机系统的虚拟仿真装配，本文采用拓扑拆分信息提取的方法，即用Visual Basic面向对象软件、Pro/E三维仿真装软件和两个软件的接口软件Automation Gateway 4.0实现软件开发，利用开发的软件界面可以轻松实现绘制需要装配的复杂轮系对应的拓扑模型，软件后台会根据用户绘制过程提取Pro/E三维仿真装配所需要的拓扑信息及装配信息，而后通过提取的信息将其转换成虚拟现实环境所需要的信息，实现人机装配信息的数据交流和采集。图1给出了信息提取转换的流程。

图1 信息转换流程

2.拓扑绘制及信息提取界面的开发

复杂周转轮系的自动装配之所以能够实现，是依据用户所绘制的拓扑图形信息及提取的装配约束关系。因此，如何能在拓扑图与计算机自动装配之间构建起沟通的桥梁十分关键。为此，开发了简单的、易于操作的拓扑图绘制及信息提取平台。在此平台上，用户只需要点击相应按钮就可以完成拓扑映射图的绘制，同时后台可以根据用户绘制的不同的拓扑图，仿真装配出Pro/E下不同的周转轮系。

根据软件的要求及软件要完成的功能，开发出的平台应包含如下模块：

（1）绘制图形模块，应同时包括对图形的修改部分。

（2）图形信息自动提取模块。

本模块可以根据用户绘制的不同的拓扑图，提取出不同的图形信息，这些信息作为形成三维轮系仿真图的重要依据，进而完成一个拓扑图对应一个真实轮系图的一对一映射。

（3）自动装配模块。

本模块要完成两部分功能：①可以将已经绘制完成的拓扑图装配成三维仿真图。②当用户绘制的拓扑图不正确的时候，应该给出相应的提示。开发的初始界面如图2所示：

图2 初始绘图界面

a.图形绘制模块

图形绘制模块由命令控件（Command）和图形框控件（PictureBox）两部分组成。在图形框控件中，首先给出了已经画好的行星轮（4个）、太阳轮（4个）和系杆（3个）的图形符号，这些符号是通过形状控件（Shape）形成的，通过设置形状控件的Shape属性完成不同形状的设置。在行星轮符号的上边、太阳轮及系杆的下边显示字符”T”的位置，放置的是文本框，用来对各符号起标注作用，所有这些控件在程序进入运行状态时，是不显示的。只有用户绘制了相应的图形符号，其对应的文本框才呈现可见状态。

b.信息提取模块

信息提取模块可以根据用户绘制的不同拓扑映图，提取出相应的重要参数，为其后计算机自动完成轮系的装配工作打下基础。此模块中，提取出了用户绘制的拓扑的行星轮、太阳轮的个数及直线的条数。另外直线的宽度及类型等信息的提取已在图形的修改部分给出。

c.自动装配模块

自动装配模块有两个命令按钮组成，分别是“打开模型”命令按钮和“装配元件”命令按钮。其中“打开模型”命令按钮用来打开当前拓扑图所对应的装配文件，不同的拓扑图对应不同的装配文件，将其作为装配周转轮系的装配载体；命令按钮“装配元件”用来完成周转轮系的自动装配工作，装配流程如图3所示：

图3 装配流程图

3.应用实例

进行了Pro/E二次开发，并实现了基于拓扑理论的面向大型复杂周转轮系虚拟仿真装配过程，并在某教学用轮系演示装配过程中得到了应用。图4给出了绘图平台的初始运行界面，图5（a～b）给出了画图过程及信息提取情况，图6（a）给出了自动装配了一部分的装配场景，图6（b）给出了装配完成后的界面情况。

图4 初始运行界面

图5（a） 行星轮绘图及信息提取1

图5（b） 行星轮绘图及信息提取2

图6（a） 装配过程1

图6（b） 装配过程2

4.结论

（1）考虑拓扑模型的工况装配环境，目前的虚拟装配过程并没有考虑真正工况条件，均以零件模型为主，没有考虑工厂的实际加工和装配过程中的零件形状、尺寸的精确要求，这需要后续继续研发，实现产品零件的优化设计，可以在线根据实际要求对零件进行设计和再生。

（2）模型库的建立，目前开发的软件系统仅能实现6中简单和复杂周转轮系的自动装配工作，这对有拓扑模型反演化出的大量的轮系显然是不够的，究其原因在于元器件库中的元器件类型、种类等不够多样，目前暂不能实现多样化设计。

参考文献：

[1]Sankar Jayaram，Hugn IConnacher，et al.Virtual assembly using virtual reality techniques[J].Computer A ided Design，1997，29（8）：575-584.

[2]Liu G H，Yao Y X.Development of a new virtual environment system for assembly[J].Key Eng ineer ing Ma ter ia ls，2006，6：556-560.

[3]史晓影，孟祥丰，王慧武.基于拓扑演化理论的周转轮系综合构型与自动装配[J].机械传动，2014，38（11）：45-48.

基于装配的设计 第7篇

现代制造技术的不断发展，为社会生产力带来了巨大的飞跃。然而，由于加工技术超前于装配技术许多年，两者已经形成了明显的反差，装配工艺已成为现代化生产的薄弱环节，现代制造技术的发展使传统的手工装配工艺面临着严峻的挑战。装配是一项复杂的生产过程，人工操作在装配中作为一个生产元素出现，既不能保证工作的一致性和稳定性，又不具备判断准确、灵巧的特性，因此已经不能与当前的社会经济条件相适应。装配自动化在于提高生产效率，降低成本，保证产品质量，特别是减轻或取代特殊条件下的人工装配劳动。

该自动装配系统受某医疗器械公司委托设计，用于某型号医用塑料支架的自动装配，由于装配的零部件体积较小，所以采用自动装配系统既安全、可靠、高效，又可以降低工人的劳动强度，提高企业生产效率。

1 机械系统

1.1 系统整体方案设计

塑料支架由上支架、塑料钉和下支架组成，各零部件结构如图1所示。装配时，先将塑料钉按要求方向放入放钉槽，放钉结束后再安放上支架，下支架上的熔柱体插入柱孔，最后熔柱，装配完成。

医用塑料支架自动装配系统总体方案设计如图2所示，步进电机推送下支架沿导轨进给，到达指定位置后，机械手抓取整列好的塑料钉放入下支架放钉槽，放钉结束后检测塑料钉安放是否合格，若放钉不良则被推出导轨，若放钉工作准确完整则进入下一个位置，机械手抓取上支架安放，安放上支架结束后进入下一个位置，检测上支架安放是否合格，若安放不合格，则该位置气缸启动，将其推离导轨，若安放合格，则进入下一个位置进行熔柱，熔柱完成则进入良品箱，装配完成。

1.2 系统工作流程

结合各零件结构图和系统整体图对该装配系统工作流程进行详细介绍：

1）准备工作。打开开关，步进电机和各气缸原点复位到起始点，整列轨道各限位位置传感器接通，整列轨道末端震动盘（图中未画出）开始震动，下支架、塑料钉和上支架分别整列并到达限位位置。

1.步进电机；2.下支架整列轨道；3.推板；4.光纤传感器（检测下支架是否到位）5.机械手升降气缸；6.塑料钉搬运气缸；7.气爪2;8.气爪1;9.塑料钉整列轨道；10.光纤传感器（检测塑料钉安放是否合格）；11.放钉不良推出气缸；12.上支架搬运气缸；13.气爪3;14.光纤传感器（检测下支架是否到位）；15.上支架整列轨道；16.光电传感器；17.上支架安放不良推出气缸；18.熔柱触头升降气缸；19.侧板；20.熔柱触头；21.触摸屏；22.光纤传感器（检测下支架是否到位）

2）下支架进给。位于导轨侧面的光纤传感器感应到下支架后步进电机运行带动推板推送下支架沿导轨往前进给，第一次进给68mm，使第一个下支架到达安放塑料钉的指定位置（1号放钉槽中心与气爪1抓取的塑料钉中心在一条直线上）后，步进电机复位至原始位置；第二次进给34mm，进给下支架到位后步进电机同样也要复位至原始位置；从第三次开始有规律，进给距离为两短一长（第三次、第四次分别进给5.5mm，进给结束步进电机不复位；第五次进给23mm，进给结束步进电机复位），以此循环。推板有前端面和侧端面，侧端面与导轨平行，起限位作用，防止下支架在推板往前运动的同时进入导轨导致推板无法退回初始位置。

3）安放塑料钉。安放塑料钉的工作由机械手来完成，塑料钉整列轨道端部的传感器（图中未标出）感应到塑料钉整列至限位位置后，塑料钉搬运气缸启动，机械手抓取塑料钉并运动到指定位置，步进电机第二次进给结束后，控制机械手升降的气缸启动，机械手下降至限位位置后气爪松开，塑料钉落入放钉槽，为了节约安放塑料钉的时间，机械手上固定两个气爪，气爪前端加装夹爪，两个夹爪之间的距离为三个放钉槽的宽度，机械手一次抓取两个塑料钉，每个下支架有六个放钉槽，分三次安放，安放顺序为1、4号，2、5号，3、6号。

4）检测塑料钉放置情况。利用光纤传感器检测塑料钉是否安放合格，光纤传感器位于导轨侧面，与安放塑料钉的形式一样，两个传感器平行放置，同时工作，分三次进行检测，检测顺序与塑料钉的安放顺序一致，步进电机走完第四步后，第一个下支架安放塑料钉完成，步进电机走第五步后，第二个下支架开始安放塑料钉，第一个下支架进入检测位置开始检测，若有塑料钉安放不合格的情况，位于该位置的气缸启动，将其推离导轨进入不良品箱，若放钉合格，则进入下一个位置安放上支架。

5）安放上支架。该位置光纤传感器检测到下支架到达指定位置后，上支架搬运气缸启动，机械手下降至限位位置后气爪3松开，上支架落入下支架，上支架安放完成，进入下一个位置进行检测。

6）检测上支架放置情况。该位置光纤传感器检测到装配件到达位置后，采用光电传感器检测有无上支架，若无，则该位置气缸启动将其推离导轨进入不良品箱，若有，则进入下一个位置进行熔柱。

7）熔柱。装配件进入该位置后，该位置气缸启动，控制熔柱触头下降，和熔柱触头一起下降的还有两边侧板，侧板最低点超出熔柱触头一定距离，下降的时候两边侧板先接触上支架，将上支架下压，使下支架上的熔柱体进入柱孔，上支架完全扣紧在下支架内，气缸继续运动，熔柱触头接触熔柱体，边熔柱边下降，运动到限位位置（完全熔柱）后（1～2秒），熔柱完成，气缸复位到初始位置。

2 气压传动系统

本装配系统气压传动就是利用气缸完成机械手的前进、后退，气爪的夹紧、松开，下放塑料钉和上支架以及熔柱触头的下降，执行元件种类少，原理简单，但是气缸的数量比较多，难在控制各个气缸的联动。这里以安放塑料钉的气压回路为例，给出气压原理图，如图3所示。

1.气源；2.过滤器；3.溢流阀；4.气压表；5.塑料钉搬送气缸；6.机械手升降气缸；7.气爪；8-13.单向节流阀；14-15.单电控二位五通电磁阀；16.双电控二位五通电磁阀

3 电气系统设计

本装配系统采用PLC控制，电气控制系统设计是本装配系统的核心部分。本装配系统执行元件有步进电机和气缸，需要采集的反馈信号比较多，包括光电传感器、光纤传感器、温控器等，此外该自动装配系统还配有触摸屏。

3.1 控制系统整体结构

控制系统整体结构如图4所示。

3.2 PLC选型

1）输入输出（I/O）点数的估算

根据被控对象统计的输入点34为个，输出点16为个，考虑10%～20%的可扩展余量后对输入输出点数圆整，确定为输入输出各40点。

2）存储器容量估算

数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟量I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量，确定内置RAM存储器（8000步）。

3）机型的选择

PLC的类型选择整体型，电源选用220VAC电源，存储器为8k存储器，I/O总点数为80点，由于驱动的负载中有步进电机，因此选用晶体管输出型，最后考虑系统以后的通用性选用三菱FX2N-80MT-001(NPN）。

根据控制要求结合装配工艺流程编制I/O点分配如表1所示。

4 结论

本文主要介绍了某医用塑料支架的装配工艺流程，采用PLC控制技术和多传感器融合技术，控制步进电机和气缸等执行元件完成自动装配工作。多传感器信息融合技术可以提高对机械手位移控制的跟踪能力，实现对位置的准确定位，从而提高系统的可靠性。该系统虽然是非标准设备，但其设计思路值得推广，可以应用到其他行业产品的自动化装配系统设计。

摘要：医用塑料支架各装配零部件体积小,人工装配难度大,效率低。应某公司要求,改变医用塑料支架的装配方式,采用三菱FX2N-80MT-001系列PLC作为系统的主控机,设计了基于PLC的医用塑料支架自动装配系统,该系统自动化程度高、节省人力、装配效率高。

关键词：PLC,自动装配,设计

参考文献

[1]张佩勤,王连荣.自动装配与柔性装配技术[M].北京:机械工业出版社.1998.

[2]姜继海,宋锦春,高常识.液压与气压传动[M].北京:高等教育出版社.2009.

[3]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社.2013.

[4]刘贵宝.三菱触摸屏在PLC控制系统的应用[J].可编程控制器与工厂自动化,2010(11):80-82.

基于装配的设计 第8篇

某公司年产3000台DZ320-3型推土机行走系统的台车架, 每件台车架1.6吨。由于台车架零部件繁多, 结构复杂, 装配的工作效率底及采用行车对其进行翻转时带来的不安全因数等等。决定设计翻转机构解决以下问题: (1) 解决台车架装配时翻转困难的问题; (2) 实现翻转机构的自锁和换向的能力; (3) 实现装卸快捷、装配方便合理; (4) 提高生产效率, 节约生产资源, 降低工人的劳动强度。台车架UG三维模型如图1所示。

(二) 翻转夹具总体方案设计

推土机结构件体积大、质量重、结构复杂、为了便于实施装配及保证装配质量, 装配时需要进行多次翻转。若采用行车翻转, 不仅生产率低, 劳动强度大, 而且存在一定的安全隐患。为提高生产率、降低劳动强度、提高操作的安全性和确保结构件的质量, 该设计针对结构件自身特点设计了相应的翻转变位机。同时, 为了满足翻转变位夹具在各种环境中的应用和满足人体工程学的要求, 必须做到以下参数要求:

(1) 翻转机构的旋转速度在10～15秒旋转一周, 防止转动速度过快, 以免伤人或损坏工件。但也不能太低而影响工作效率; (2) 要求机构在停止旋转时不能够应外力的影响自行翻动 (即:机构必须有自锁或者限位能力) ; (3) 为了满足人体工程学的要求, 使工人能够方便舒服的工作。因此机构的操作高度须在0.8m左右比较合适; (4) 定位夹紧装置的设计要求方便、快速、合理; (5) 能满足不同机型要求, 做小改动可以做焊接及其他工作用翻转变位 (即要求有具有一定是柔性) 。

翻转夹具的设计要解决在工件装夹的稳定性和可靠性, 并且翻转夹具还要设计夹具的转位和分度装置。

每种台车架因型号不同重量大概在1.5吨～2.1吨, 体积较大且吨位重, 在选择变位机时, 要综合考虑结构件的形状、尺寸、夹具设计以及企业的工艺现状等因素, 同时还要考虑设备的投入情况, 根据台车架的结构型式选择L形变位机。它具有开敞性好, 操作空间大操作高度较低, 安全性高等优点。并且L型双回转式变位机适用于0.5～2.5吨的复杂构件, 而推土机台车架重量在1.6吨, 所以可选用L形变位机。翻转夹具底座是由槽钢焊接而成的框架结构, 两条向前伸出的H形支腿起到平衡变位机重心的作用, 支腿具有足够的强度和刚度, 以保证变位机工作时的稳定性。底座用预埋地脚螺栓或彭胀螺栓与地面紧固在一起, 使夹具装上工件后平衡工件重力的作用, 从而使翻转机构能安全运行。

总体方案的基本机构如翻转变位夹具结构示意图所示, 主要包括转台支撑架、转盘、导轨、翻转支撑盘、支撑加及电动机和减速机构等, 如图2所示。

1.主动支架;2.电动机与摆线针轮减速器;3.翻转转盘;4.主动翻转机构5.主动夹紧夹具;6.导轨;7.从动翻转机构;8.从动转盘;9.基座;10.支重块

装配夹具的翻转机采用了摆线针轮减速器, 因为工件翻转变位到所需的位置后, 要求工件必须可靠地定位锁死, 否则由于偏心扭矩的存在, 工件很可能会在装配过程中发生转动, 使工作无法正常进行, 甚至发生危险。虽然设计工件装夹定位时已经充分考虑了工件重心线与翻转机回转中心要尽量一致。但是由于各种工件与回转机结构尺寸繁多, 为了简化设计不可能使每一种结构体都处在平衡位置, 因此设计选用了摆线针轮减速器。摆线针轮减速器启动后自身进行减速, 再通过摆线针轮减速器的输出轴与齿轮I连接, 齿轮I与内齿轮II啮合, 内齿轮II与转盘用销钉连接成整体, 从而带动了转盘的转动。

(三) 翻转夹具模块设计

1. 底座设计

机构的翻转由底座来支撑, 它对翻转机构起到了支撑的作用。底座是由槽钢焊接而成的框架结构, 是变位机的基础部分, 两条向前伸出的H形支腿起到平衡变位机重心的作用, 支腿具有足够的强度和刚度, 以保正变位机工作时的稳定性。底座用预埋地脚螺栓或膨胀螺栓与地面紧固在一起。

2. 升降机构设计

升降机构是控制工件在工作过程中的平稳性, 以及调节工作高度的主要部分。升降高度的有效控制不紧能增加机构的平稳性、安全性, 还能提高工作效率, 增加装配质量, 也降低了工人的劳动强度。因此, 升降机构的设计也是一重要环节。

升降机构实现变位机上下直线运动, 其主体是用槽钢焊接而成的框架结构, 足够的强度和刚度用以支撑回转部分, 传动机构是由电机直联型摆线针轮减速机, 通过联轴器驱动丝杠旋转, 丝杠带动螺母上下运动, 使与之相连的滑座上下移动, 滑座固定在直线导轨上, 滑座带动与其相连的夹具上下运动, 上下限位由行程开关控制, 同时设有机械限位挡块, 确保机构安全。

升降机构采用丝杠螺母传动, 丝杠的安装形式为一端悬浮一端固定。这种机构中, 丝杠不会承受径向载荷, 减少了丝杠与螺母间的摩擦阻力, 减小了功率损失, 提高了丝杠的使用寿命, 安装简单。利用丝杠螺母传动本身的自锁性能使机构安全可靠, 在任意位置都可以停止工作。设计中采用的安全措施之一是升降螺母采用双螺母形式, 即主动螺母加从动螺母, 主动螺母传递扭矩, 从动螺母随动, 并不传递扭矩, 当主动螺母一旦发生破坏时, 从动螺母即承担起主动螺母的作用。

导向采用直线导轨, 直线导轨的精度保证了上下运动时摩擦阻力小, 减小了升降传动机构的传动负荷。

另外为了增加可靠性, 采用安全措施之二是在滑座上安装了机械保护装置, 在回转机构带动工件和夹具上下运动时, 即使直线导轨出现故障, 也不会造成该机构滑落。

3. 回转机构设计

回转机构一般由主动回转机构和被动回转机构组成, 主动回转机构包括电机、减速器和辅助支承等组成。为减少驱动力矩, 通过理论计算及采用偏心调整装置尽可能使夹具和工作合成的纵向重心线与输出轴的轴线相重合。这样使回转夹具基本平衡, 电机仅需克服辅助支承轮盘与轴承间摩擦力矩和回转部分的偏心力矩。夹具回转时, 转动速度不能太快, 如采用普通齿轮减速器和蜗轮蜗杆减速器, 则结构太庞大, 为缩小夹具整体尺寸, 优选结构紧凑的摆线针轮减速器, 进而使以适当的传动比来降低速度, 并且做到结构紧凑。

斗杆变位机采用电动机与减速器直联, 通过齿轮内啮合传动带动辅助支承, 使骨架转动。电动机与减速器直联进一步缩小了夹具的整体尺寸。通过调整从动翻转机构上的配重铁的数量使工作总成的纵向重心线与夹具的输出轴的轴线重合, 以减小电机的扭矩损失。

专用翻转机采用了带制动器的针轮摆线减速器。因为工件翻转变位到所需的位置后, 要求工件必须可靠地定位锁死, 否则由于偏心扭矩的存在, 工件很可能会在组合焊接过程中发生转动, 使工作无法正常进行, 甚至发生危险。虽然设计工件装夹定位时已经充分考虑了工件重心线与翻转机回转中心要尽量一致。但是由于各种机型中游梁结构尺寸繁多, 为了简化设计不可能使每一种游梁体都处在平衡位置, 因此设计选用了带制动器的针轮摆线减速器。

回转机构传动链为:摆线针轮减速机→外齿轮→内齿轮→齿轮转盘可以实现360度全回转。回转机构隆体通过导轨座和滑座与升降结构相连。

传动机构利用摆线针轮减速机的控制功能使回转机构能够准确平稳地停留在任意位置, 安全可靠。回转机构采用回转支承作为传力构件, 可以同时承受轴向力、径向力和倾覆力矩, 结构简单、尺寸小, 传动效率高。同时在升降机构的带动下进行升降, 能使安装在其上的工件装配操作高度最低, 从而提高了工作效率、装配质量和作业安全性。

4. 动回转机构装夹设计

机构夹紧器的设计要根据批量大小选择夹紧器形式, 如果批量小, 可选择快速夹紧的螺旋夹紧器;如果批量大, 优选气动夹紧机构。由于台车架装配时间长, 工件的更换不是太频繁, 所以采用具有正反螺纹的螺旋夹紧器夹紧, 夹紧简单、方便、可靠。

由于台车架的左端为孔状结构, 如用夹持夹具对工件的破坏性教大, 并且在翻转过程中工件的翻转而使摩擦增大, 进而有可能使工件部分地方压强增大, 从而造成工件的变形, 甚至破坏工件。为了避免工件出现上述种种原因, 设计夹具时将夹具设计成推块以圆管轴的形式, 推块的推筒在丝杠的旋转下靠近工件, 使推筒与工件配合进行定位, 由推块的边缘与工件接触对工件夹紧, 两推块限制了五个自由度。推块的活动由丝杠的旋转来带动, 依靠丝杠的刚性和夹具的滑块承受工件的重量, 从而实现了夹具与工件的翻转。

5. 被动回转机构

被动回转机构采用了转盘轴、滚轮座、滚轮、和制动器等来实现工件的回转。由于台车的右半部分为较高的扁平状, 所以光依靠夹块对工件的断面进行夹持, 翻转后夹持的摩擦力可能小于工件的重力, 从而工件将从夹具上滑下, 这对操作人员将产生很大的危险, 也将损坏工件, 为了避免工件翻转过程中滑落, 使工件能安全可靠的经行装配, 设计时在支座上设计一H型夹紧块, H型夹紧块与丝杠相配合, 通过夹紧块在丝杠上的旋转来调节夹紧块上升的高度, 也通过旋转来控制夹紧力的大小。当在装配过程中, 夹具带动工件的翻转, 由于H型夹紧块的支撑作用, 再加上推块与工件的摩擦作用, 使工件在夹具上不会发生滑落现象, 从而实现了安全翻转。当翻转到工作角度时, H型夹紧块则由原来的压力转变为支撑力。这时工件在推块摩擦力的作用下, 以及在丝杠的拉力和H型夹紧块刚性的作用下至使工件不易从夹具 (下转第114页) (上接第101页) 上掉落, 从而提高了装配的安全性。

(四) 结论

本次设计全部使用UG软件进行模块化建模设计, 对整个台车架装配用翻转夹具进行了UG运动仿真论证方案切实可行。通过翻转夹具设计实现以下目标:

(1) 解决台车架翻转变位困难的问题, 达到了提高生产效率和降低劳动强度, 并满足了安全生产的要求;

(2) 翻转夹具具有一定的柔性, 稍加改造可用于不同工件的装配及焊接翻转, 具有较强的适应性。

摘要：运用UG三维软件对台车架装配用翻转变位机构进行模块化设计, 从而提高劳动效率及产品的质量。翻转机构主要由电机、减速器、翻转支撑头及尾部滑移支撑几大部分组成。并通过UG运动仿真验证了机构运行的可行性, 具有一定的推广价值。

关键词：翻转变位机构,装配,台车架,UG

参考文献

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[2]王启平.机床夹具设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 1996.

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[5]孙奇, 赵波, 等.通用抽油机专用翻转机的设计应用[J].焊接, 2004 (11) :45-46.

基于装配的设计 第9篇

公差设计模型通常是在公差等设计变量保持稳定不变的理想状态假设下建立的。在飞机实际制造中,零部件加工和装配阶段都可能因为工人技术水平、机床稳定性、质量控制方法、装配变形等多种不确定因素导致公差等设计变量值发生微小变化,从而使设计参数与理论值存在差异,这种差异称为设计变差。公差稳健设计就是要在设计变量或其他不可控因素产生变差时保证公差设计解的稳健性。对于一个装配系统来说,一方面需要保证公差设计解的可行稳健性,即公差设计解在有扰动的情况下仍然可以满足装配性能要求;另一方面要使设计函数(目标函数、装配质量约束函数)对设计变量或者噪声因素的变差具有较低的灵敏度,使公差设计结果对设计变量的微小变动仍能保证质量性能指标在所规定的范围之内,即要具有敏感稳健性。

传统的公差设计多是以尺寸链各组成环的零部件制造成本最小为目标,以设计技术条件和预期装配成功率为约束进行优化求解[1],并没有考虑设计模型中的设计参数和其他不可控因素产生的变差对装配质量的影响,故公差设计在设计变差作用下不具有稳健性。为了提高产品的质量和设计的稳健性,近年来,国内外学者将产品稳健设计的思想及方法引入到公差设计中来,提出了公差稳健设计的概念,并取得了一些进展。

稳健设计的研究方法大体可分为两类[2]:第一类以经验或半经验设计为基础,如田口方法、响应面法、双响应面法、广义模型法等,属于传统的稳健设计方法;第二类与优化技术相结合,主要有容差模型法、容差多面体法、随机模型法、灵敏度法、基于成本—质量模型的混合稳健设计等,称为现代稳健优化设计方法。文献[3]通过选择适当的设计变量,使产品的质量对不确定因素的敏感性最小,从而实现产品设计的稳健性。文献[4,5]指出稳健设计的核心是一个优化问题,其关键概念是变量和参数的变异导致了目标函数和约束条件都产生变异,稳健设计的目的就是减小其导致的变异,并将工程模型的稳健性分为两类:可行稳健性和敏感稳健性。文献[6]将稳健设计理论应用在公差优化中,提出模糊质量损失成本和制造成本相结合的公差优化方法,研究了在工序能力指数产生变差影响下的公差的可行稳健性和敏感稳健性设计。对于公差的敏感稳健设计多目标优化问题,文献[6]采用了加权系数法来统一各优化目标的量纲和协调各目标的相对重要性,但如何合理地确定特定公差优化问题中各目标的权系数还是比较困难的。文献[7]考虑工程设计中的模糊信息,提出模糊稳健性问题及其相应的稳健设计准则,并建立了模糊稳健优化设计模型。文献[8]在公差分析过程中引入稳健设计理论,采用灵敏度公差分析方法定量分析了组成环公差对封闭环公差的影响程度。文献[9]考虑产品质量的模糊性,以封闭环误差分布概率密度函数的方差和优质品概率之比为设计目标,建立了公差优化设计产品质量稳健性损失成本目标函数。

上述方法在一般机械产品的公差稳健设计中具有一定作用,但应用到飞机装配中仍然存在局限性。飞机零部件的制造除了考虑具体的制造环境中各加工设备的工序能力指数存在变差外,还应考虑各工艺单元的公差也存在变差影响。例如,飞机结构包含了大量的金属类和复合材料类薄板零件,考虑到薄板零件数量众多,而三坐标测量等数字化检验设备投入大且效率较低等问题,目前各主机厂对薄板零件的检验仍然以贴模检验为主,贴模检验时零件的制造公差无法得到严格保证,零件制造误差存在超差的可能。又如,由于飞机装配工艺复杂、协调环节多,其装配是以小批量的人工劳动为主,各工艺分离面以及各装配单元的装配协调尺寸通常在各工序完成后不进行全检而采用抽检,或者总装时若出现装配协调问题再回检的方式,这样,各工艺协调环节的形状尺寸公差也存在变差因素。因此,飞机装配公差的稳健设计需要综合考虑公差和工序能力指数[10]等设计变量同时存在变差情况的影响。

1 公差的可行与敏感稳健性设计方法

1.1 飞机装配公差的稳健设计策略

根据飞机制造的实际情况,本文提出了飞机装配公差的稳健性设计方法。该方法考虑公差和工序能力指数同时存在变差情况下公差设计与装配性能及制造成本的关系,建立了飞机装配的公差敏感稳健优化模型和公差可行稳健优化模型。该优化模型采用了混合公差-成本函数,能够根据尺寸链各组成环的具体加工方法选择合适的成本函数,装配约束的建立则考虑了各个组成环误差分布的不同特点,采用概率法来实现。针对公差可行敏感稳健设计的多目标优化问题,提出了宽容分层序列的求解方法,首先将目标按照其在制造中的重要程度排序,以制造成本为首要优化目标,其次考虑装配质量的波动值,再次才考虑制造成本的波动值。与文献[6]采用的加权系数法求解公差多目标问题相比,本文的方法所采用的多目标优化准则是唯一且明确的,可满足飞机装配公差设计的要求。最后,通过某型机座舱防弹玻璃和钢框的装配实例对本文提出的公差稳健设计方法进行了分析验证。

研究的技术路线如图1所示。首先,建立一般优化公差设计模型;然后,在公差和工序能力指数作为设计变量存在变差的情况下,分析上述变差对装配可行性、加工成本变化以及装配功能函数变化的影响大小,通过上述可行性分析和敏感性分析建立公差的可行敏感稳健设计模型;针对公差稳健设计的多目标优化问题,设计了宽容分层序列求解算法;最后,运用实例和实验数据验证了本文提出的容差稳健设计方法的可行性。

1.2 混合公差—成本函数

考虑到制造方法不同,组成环的成本函数也会不同,所以采用了混合公差—成本建模方法。建立公差-成本模型的实验基础是Dieter和Truck的实验数据。借鉴Dong等[11]的方法采用代数模型分别拟合Truck和Dieter实验曲线,得到待定参数,并经过拟合误差分析,针对每种加工实验曲线优选误差较小的数学模型,得到车削、内圆磨削、外圆磨削、压铸模锻、熔模铸造、孔定位加工、面铣削等7种加工方法的公差—成本模型,并绘制出曲线,如图2所示。

而对于公差优化模型,则采用各组成环的成本函数之和来综合表示对应于各组成环特定加工方法的公差总成本:

$C(\mathit{{\rm T}})={\displaystyle \sum _{i=1}^{n}C}{}_i^{m{}_i}({\rm T}{}_i)(1)$

式中,n为尺寸链组成环的总数;Cmii(Ti)为第i个组成环采用第mi种加工方法对应的相对成本(令压铸模锻加工中公差取0.5mm时的成本值为1)。

1.3 公差可行稳健设计模型

一般公差优化模型以成本最小为优化目标,由于极值法要求太严格,成本值很高,故本文装配功能函数采用概率法约束,具体模型如:

$\begin{array}{l}\text{m}\text{i}\text{n}C(\mathit{{\rm T}})\\ \text{s}.\text{t}.g(\mathit{{\rm T}})={\displaystyle \sum _{i=1}^n(A{}_{i}k{}_i{\rm T}{}_i)}{}^2-(k{}_0{\rm T}{}_0){}^2\le 0\\ {\rm T}{}_i^{\text{L}}\le {\rm T}{}_i\le {\rm T}{}_i^{\text{U}}i=1,2,\cdots ,n\end{array}\}(2)$

其中,C(T)为总的加工成本,采用混合公差—成本函数进行计算;g(T)为用统计法表示的装配功能约束函数;Ai为公差设计函数的传递系数;ki为各组成环随机分布的离散系数;k0为封闭环误差分布的离散系数;T0为封闭环公差大小;TLi、TUi分别为第i个公差环节Ti取值的上限和下限。

考虑不可控因素为工序能力指数Cp的装配功能约束函数可用下式表示:

$g(\mathit{{\rm T}},\mathit{C}{}_{\text{p}})={\displaystyle \sum _{i=1}^n(\frac{A{}_{i}k{}_i{\rm T}{}_i}{C{}_{\text{p}i}})}{}^2-(k{}_0{\rm T}{}_0){}^2(3)$

当不可控因素或者设计变量出现波动时,事先将变差导致的波动加到约束上,使得原可行域变小,从而使优化得到的结果具有抵抗噪声因素波动的能力,称该公差设计具有可行稳健性[12],其装配功能约束修正式为

g′(T,Cp)=g(T,Cp)+Δg(T,Cp)≤0 (4)

式中,Δg(T,Cp)为装配功能约束的变差。

计算装配约束的波动Δg有两种方法,分别是极值法和概率法。虽然极值法过于严格,但由于方法简单,还是广泛地被应用。概率法能保证99.73%的装配成功率,而且约束要比极值法宽松。

极值法稳健约束表示为

$\text{Δ}g={\displaystyle \sum _{i=1}^n|}\frac{\partial g(\mathit{{\rm T}},\mathit{C}{}_{\text{p}})}{\partial {\rm T}{}_i}\text{Δ}{\rm T}{}_i|+{\displaystyle \sum _{i=1}^n|}\frac{\partial g(\mathit{{\rm T}},\mathit{C}{}_{\text{p}})}{\partial \mathit{C}{}_{\text{p}i}}\text{Δ}C{}_{\text{p}i}|(5)$

式中,ΔT=(ΔT1,ΔT2,…,ΔTn),ΔCp=(ΔCp1,ΔCp2,…,ΔCp n),ΔT、ΔCp分别为公差T和噪声因素Cp的变差向量。

对g(T,Cp)求偏导数得

$\text{Δ}g={\displaystyle \sum _{i=1}^n|}\frac{2A{}_i^{2}k{}_i^2{\rm T}{}_i\text{Δ}{\rm T}{}_i}{C{}_{\text{p}i}^2}|+{\displaystyle \sum _{i=1}^n|}-\frac{2A{}_i^{2}k{}_i^2{\rm T}{}_i^2\text{Δ}C{}_{\text{p}i}}{C{}_{\text{p}i}^3}|(6)$

概率法可行性稳健约束表示为

g′(T,Cp)=μg(T,Cp)+λ σg≤0 (7)

$\sigma {}_g=\sqrt{{\displaystyle \sum _{i=1}^n[}\frac{\partial g(\mathit{{\rm T}},\mathit{C}{}_{\text{p}})}{\partial {\rm T}{}_i}]{}^2\sigma {}_{{\rm T}{}_i}^2+{\displaystyle \sum _{i=1}^n[\frac{\partial g(\mathit{{\rm T}},\mathit{C}{}_{\text{p}})}{\partial C{}_{\text{p}i}}]}{}^2\sigma {}_{C{}_{\text{p}i}}^2}(8)$

σCp i=ΔCp i/6,σTi=ΔTi/6 i=1,2,…,n (9)

其中,λ为与装配功能变差水平相关的因子,λ=3时可保证99.73%的装配成功率;μg(T,Cp)、σg分别为装配功能函数g(T,Cp)在各参数变化下波动的期望值和标准差;σCpi、σTi分别为第i个尺寸环节的参数Cp i、Ti变动的标准差。

综合上述两种方法的可行稳健设计模型如下:

$\begin{array}{l}\text{m}\text{i}\text{n}C(\mathit{{\rm T}},\mathit{C}{}_{\text{p}})\\ \text{s}.\text{t}.g^{\prime }(\mathit{{\rm T}},\mathit{C}{}_{\text{p}})\le 0\\ {\rm T}{}_i^{\text{L}}\le {\rm T}{}_i\le {\rm T}{}_i^{\text{U}}i=1,2,\cdots ,n\end{array}\}(10)$

1.4 公差敏感稳健设计模型

在公差、工序能力指数的变差作用下,通常制造成本和装配性能也会发生波动,这反映了产品制造的一种不稳定状态。在制造成本和装配准确度需要严格控制的场合,考虑公差设计结果与制造成本、装配质量的关系,并且最小化这种制造的不稳定波动就是公差的敏感稳健设计问题。敏感稳健性除了考虑制造成本最小外,还应考虑制造成本和装配功能约束对设计参数和噪声因素的灵敏度要小,所以必须进行多目标优化。

约束函数的灵敏度为

$\begin{array}{l}W{}_g(\mathit{{\rm T}},\mathit{C}{}_{\text{p}})=\sqrt{{\displaystyle \sum _{i=1}^n[}(\frac{\partial g}{\partial C{}_{\text{p}i}}\text{Δ}C{}_{\text{p}i}){}^2+(\frac{\partial g}{\partial {\rm T}{}_i}\text{Δ}{\rm T}{}_i){}^2]}=\\ \sqrt{{\displaystyle \sum _{i=1}^n[}(\frac{2A{}_i^{2}k{}_i^2{\rm T}{}_i^2}{C{}_{\text{p}i}^3}\text{Δ}C{}_{\text{p}i}){}^2+(\frac{2A{}_i^{2}k{}_i^2{\rm T}{}_i}{C{}_{\text{p}i}^2}\text{Δ}{\rm T}{}_i){}^2]}(11)\end{array}$

成本函数的灵敏度为

$W{}_{\text{c}}(\mathit{{\rm T}})=\sqrt{{\displaystyle \sum _{i=1}^n[}(\frac{\partial C(\mathit{{\rm T}})}{\partial {\rm T}{}_i}\text{Δ}{\rm T}{}_i){}^2]}(12)$

建立敏感稳健性优化模型如下:

$\begin{array}{l}\min [C(\mathit{{\rm T}}),W{}_g(\mathit{{\rm T}},\mathit{C}{}_{\text{p}}),W{}_{\text{c}}(\mathit{{\rm T}})]\\ \text{s}.\text{t}.g(\mathit{{\rm T}},\mathit{C}{}_{\text{p}})\le 0\\ {\rm T}{}_i^{\text{L}}\le {\rm T}{}_i\le {\rm T}{}_i^{\text{U}}i=1,2,\cdots ,n\end{array}\}(13)$

其中,装配约束采用了式(3)所示的概率法来表达。

1.5 公差可行敏感稳健设计模型

若在公差设计中综合考虑装配的可行性和敏感性问题,就可称之为公差的可行敏感稳健性设计。可行敏感稳健性设计就是在考虑可行稳健约束的情况下进行敏感稳健性多目标优化。求解多目标优化的方法主要有约束法、分层序列法、评价函数法等[13],本文采用宽容分层序列法来求解多目标优化问题,根据目标的重要程度来分层优化求解,可避免各目标权系数难以确定的问题以及各目标量纲无法统一表示的问题。

建立可行敏感稳健设计模型:

$\begin{array}{l}\min [C(\mathit{{\rm T}})‚W{}_g(\mathit{{\rm T}},\mathit{C}{}_{\text{p}}),W{}_{\text{c}}(\mathit{{\rm T}})]\\ \text{s}.\text{t}.g^{\prime }(\mathit{{\rm T}},\mathit{C}{}_{\text{p}})\le 0\\ {\rm T}{}_i^{\text{L}}\le {\rm T}{}_i\le {\rm T}{}_i^{\text{U}}i=1,2,\cdots ,n\end{array}\}(14)$

其中,可行稳健约束采用式(4)或式(9)表示。

2 宽容分层序列法求解稳健设计模型

分层序列法求解的宽容系数为ε,宽容分层序列法的核心思想就是将上一步求得的优化目标值增加宽容度后作为新的目标约束加入到下一步的优化过程中,使最终迭代出的最优公差值能满足多个目标同时最优。

第一步,首先进行成本函数的最小化:

$\begin{array}{l}\text{m}\text{i}\text{n}C(\mathit{{\rm T}})\\ \text{s}.\text{t}.g^{\prime }(\mathit{{\rm T}},\mathit{C}{}_{\text{p}})\le 0\\ {\rm T}{}_i^{\text{L}}\le {\rm T}{}_i\le {\rm T}{}_i^{\text{U}}i=1,2,\cdots ,n\end{array}\}(15)$

求解出最小成本值C*和最优值T*i(i=1,2,…,n),则可取公差变差ΔTi=T*i×0.006。

第二步,考虑宽容系数ε,添加新的约束g2,优化目标是装配功能约束的波动,即

$\begin{array}{l}\text{m}\text{i}\text{n}W{}_g(\mathit{{\rm T}},\mathit{C}{}_{\text{p}})\\ \text{s}.\text{t}.g{}_1=g^{\prime }(\mathit{{\rm T}},\mathit{C}{}_{\text{p}})\le 0\\ g{}_2=C(\mathit{{\rm T}})-C{}^{*}(\epsilon +1)\le 0\\ {\rm T}{}_{\text{i}}^L\le {\rm T}{}_i\le {\rm T}{}_i^{\text{U}}i=1,2,\cdots ,n\end{array}\}(16)$

求解出装配功能约束波动最小值W*g。

第三步,考虑宽容系数ε,添加新的约束g3,优化目标是成本函数波动,即

$\begin{array}{l}\text{m}\text{i}\text{n}W{}_{\text{c}}(\mathit{{\rm T}})\\ \text{s}.\text{t}.g{}_1=g^{\prime }(\mathit{{\rm T}},\mathit{C}{}_{\text{p}})\le 0\\ g{}_2=C(\mathit{{\rm T}})-C{}_{\min }(\epsilon +1)\le 0\\ g{}_3=W{}_g({\rm T},\mathit{C}{}_p)-W{}_g^{*}(\epsilon +1)\le 0\\ {\rm T}{}_i^{\text{L}}\le {\rm T}{}_i\le {\rm T}{}_i^{\text{U}}i=1,2,\cdots ,n\end{array}\}(17)$

最终求解得到最优值T* *i(i=1,2,…,n),而且三个目标函数均到达相对最优值。

3 实例验证

某型机座舱防弹玻璃和钢框安装以及装配尺寸链如图3所示[14],以此实例来验证本文提出的公差稳健设计方法的有效性。图3中间隙L0用于安装橡胶垫,以保证结构的密封性和减振性,L0要求在2.00～3.00mm范围内。

公差设计函数为

L0=L4-2L1-L2-L3-L5-L6-L7-L8 (18)

优化前尺寸链各组成环的基本尺寸、传递系数、公差分布的相对离散系数以及加工方法见表1。

令各组成环工序能力指数Cp i期望为1,变差ΔCp i为0.06,并假设Cp i服从正态分布,则采用概率法建立公差的一般优化模型为

$\begin{array}{l}\text{m}\text{i}\text{n}C(\mathit{{\rm T}})\\ \text{s}.\text{t}.g(\mathit{{\rm T}},\mathit{C}{}_{\text{p}})={\displaystyle \sum _{i=1}^{n=8}(\frac{A{}_{i}k{}_i{\rm T}{}_i}{C{}_{\text{p}i}})}{}^2-(k{}_0{\rm T}{}_0){}^2\le 0\\ {\rm T}{}_i^{\text{L}}\le {\rm T}{}_i\le {\rm T}{}_i^{\text{U}}i=1,2,\cdots ,8\end{array}\}(19)$

其中,封闭环公差T0=1.0mm,相对离散系数k0=1.0,且Cpi=1;Ai、ki的值见表1。

3.1 求解结果对比

本文采用MATLAB优化工具箱来求解上述公差稳健设计模型[15]。考虑公差产生的变差由一般优化解的0.6%表示,分层序列法的宽容系数ε取为0.05,计算结果见表2～表5。其中,表4、表5中的Wg和Wc为装配功能约束和成本的灵敏度,Y为矩阵分析法分析各项变量对装配功能影响得到的变动向量[3]。进一步可将各项变量对装配功能的敏感影响程度的综合评价值表示为Frobenious距离‖Y‖,将结果放大1000倍显示在表4中。

3.2 实例结果分析

从表2可以看出,与一般优化方法相比,采用稳健设计方法得到的成本相对较大。表3表明,与不考虑噪声因素影响的一般方法相比,采用可行稳健性设计可以提高设计的装配成功率,而且可行性约束采用极值法比采用概率法得到更高的装配成功率,但这是以牺牲成本为代价的。从表4可以看出,与一般优化方法相比,采用稳健设计方法更能抵抗噪声的影响,从约束函数和成本函数的波动值大小看出,虽然成本值有所增加,但是可以保证装配约束和成本的波动变小,使得产品的公差设计结果能够抵抗环境等噪声因素的影响。表5是综合考虑两种稳健设计方法的结果,可以在两种方法之间取折衷,同时得到可行稳健性和敏感稳健性。

4 结论

本文采用基于宽容分层序列法的稳健设计方法,有效地解决了制造成本、装配功能约束函数波动、成本函数波动的多目标优化问题,在宽容成本约束下求解装配功能约束函数波动和成本函数波动最小,对设计参数和噪声因素的影响不敏感。采用MATLAB优化求解,并用矩阵分析法验证结果的准确性,结果表明该方法可以提高公差设计抵抗设计变量和噪声的能力。

基于3DCS的组孔装配设计 第10篇

1 组孔装配计算原则

在实际生产过程中,大部分的装配为组孔装配,而组孔装配分为固定紧固和松动紧固两种,如图1 所示。

图1所示H为间隙孔的最大实体尺寸,F为紧固件的最大实体尺寸,T为浮动装配中间隙孔的位置度,T1、T2 分别为固定紧固装配中间隙孔和螺纹孔的位置度,H2为螺纹孔直径(与紧固件直径相同)。

1.1 固定紧固计算公式

在固定紧固装配中,一个孔有螺纹,一个孔无螺纹,美国机械工程师协会标准Y14.5M-1994 给出的固定销装配计算公式(单位:mm)如下。

式中,H′为最大实体状态下过孔的直径;F′为最大实体状态下销的直径;T1′为最大实体状态下过孔的位置度;T2′为最大实体状态下螺纹孔的位置度。

1.2 松动紧固计算公式

松动紧固装配是两个或两个以上的零件通过螺栓和螺母连接在一起。Y14.5M-1994 给出的浮动销装配计算公式(单位:mm)如下。

式中,H′为最大实体状态下过孔的直径;F′为最大实体状态下销的直径;T′为最大实体状态下两个(或两个以上)过孔的位置度。

对于浮动装配,当多个具有不同孔径和公差的零件装配在一起时,公式(2)被应用到每个零件上,即H1-F1=T1;H2-F2=T2···Hn-Fn=Tn。

此时在实际应用计算中,公式(2)可演化为如下公式:

式中,f(T1+T2+…+Tn)为T1…Tn的函数表达式,既可用极限法计算,也可用均方根法计算。

组孔装配计算原则量化了孔销间隙与公差值间的相互关系,其应用十分广泛,不但可以快速识别孔组的可装配性、对组孔的公差分配,更重要的是针对孔销间隙对装配的补偿量有了直观的表达,同时,此原则还可拓展到“类孔”的装配,例如具有U型件或轴套件的装配,汽车在装配过程中,涉及到U型件或轴套件的装配比比皆是,例如转向节与减振器的装配、副车架的装配、转向管柱与仪表板加强梁的装配等,这些装配如果用常用方法分析显得十分复杂,而利用组孔装配计算原则,则显得尤为简单。

2 3DCS公差仿真分析

传统的尺寸链分析方法需要建立尺寸链方程,难以适应车身三维偏差分析。3DCS三维偏差分析软件是一种利用Monte Carlo模拟法,作为一个应用模块集成于CATIA,通过建立误差概率模型模拟产品装配过程,实现灵活、精准的公差分析的一种方法[2,3]。采用3DCS三维偏差分析软件,并以分析某车型转向管柱与仪表板加强梁的装配为例,按照图2所示建模过程,建立转向管柱与仪表板加强梁装配的误差概率模型,并结合组孔装配计算原则,分析装配偏差对此装配的影响。

2.1 转向管柱定位方案及测点

转向管柱是车辆转向系统中的重要部件,它的主要作用是通过驾驶员作用在方向盘上的扭矩使转向盘的转动通过转向管柱及转向机、横拉杆、万向节等部位转化为车轮转动,因此其装配性能对实现车辆转向显得尤为重要[4]。

根据现场装配工艺、现场问题及数模各装配点的孔销间隙分析,确定定位方案及测点。如图3所示,在加强梁上,选择与管柱配合的安装面为基准面RPS1、RPS2 以及RPS3(管柱安装螺母)控制管柱Z向平移;以RPS4 与RPS5 作为第二基准,控制管柱Y方向的平移和绕垂直YOX平面轴的转动;以RPS3 的另一方向为第三基准,控制X方向的移动,此方案满足3-2-1 的定位要求。

2.2 仿真分析公差输入

根据转向管柱与加强梁设计图纸确定各零部件的尺寸及形位公差,如表1 所列,涉及标准件的尺寸及公差均按照国家标准输入。

2.3 计算结果

将各项输入信息体现到软件仿真模型中,将管柱安装螺栓(RPS5)处孔销间隙进行关闭,进行5 000 次的仿真计算,测点1(贴合面)处测量方向为Y向,测点2(安装孔)处测量方向为X、Z向。

2.3.1 Y向计算结果

转向管柱与加强梁装配Y方向的计算结果见图4,6Sigma=0.53 mm。

敏感度仿真分析见表2,由表2 可以看出,加强梁上测点1(贴合面)面轮廓度对转向管柱与加强梁的Y向装配影响较大,贡献率为86.20%。

2.3.2 X向计算结果

转向管柱与加强梁装配X向计算结果如图5所示,6Sigma=1.85 mm,样本总超差率为63.64%,从敏感度分析结果来看,如表3 所示,加强梁上测点2 位置度贡献率较大,贡献率为63.93%。

2.3.3 Z向计算结果

转向管柱与加强梁装配Z向计算结果,如图6所示,6Sigma=0.74 mm,样本总超差率为22.32%,从敏感度分析结果来看,如表4 所示,加强梁上测点2 位置度贡献率较大,为93.36%。

3 组孔装配设计原则应用

对于组孔装配设计原则来说,其应用不仅限于孔的装配,其应用还可拓展为“类孔”装配,在本次分析中,对于Y向分析是用来判断转向管柱的旋转轴是否可以装进加强梁的U型支架中,可以将加强梁上的U型支架作为“孔”,转向管柱作为“销”来分析。由公式3可知,等式左边为孔销间隙之和,等式右边为公差之和,因此在分析Y向装配时,将3DCS中管柱安装螺栓(RPS5)处孔销间隙进行关闭,就可以得到等式右边的公差之和,即6Sigma=0.53 mm(见Y向计算结果)。U型支架宽度为54.20+0.3mm(如图7a所示),最大实体状态时尺寸为54.2 mm,转向管柱宽度为(54±0.2)mm(如图7b所示),其在最大实体状体时尺寸为54.2 mm,管柱上安装孔(RPS5)处Y向孔径:8.50+0.2mm,最大实体状态时尺寸为8.5 mm,加强梁上安装螺栓(RPS5)型号为M8,可算得Y向孔销间隙之和为(8.5-8)+(54.2-54.2)=0.5 mm,将所得值输入软件,得超差率为0.29%,从而得到该装配的分析结果。

4 结束语

组孔设计孔径大小介于定位孔与安装孔之间,可以满足产品一定强度需求,同时降低零件孔在绝对坐标下的精度需求,只要满足孔间精度即可满足装配要求;另外对于零件的检具设计更加方便,只需设计一种尺寸的检测销。组孔设计也有不足之处,它不适用于零部件装配精度要求高的设计,当然每种设计都有优劣,这就需要在设计之初明确功能要求,甚至要结合人、机、料、法、环来考虑才能确定最适合产品的设计方案。

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面向装配和拆卸的现代家具设计研究 第11篇

关键词：装配；拆卸；家具设计；研究

0 前言

对于现代家具而言，因其便利、简洁、便与运输以及价格适中等因素，成为家具行业中举足轻重的产品类型。尤其是宜家（IKEA）家具卖场在各大城市的大量兴起，以及电子商务的迅猛发展，推动家具市场日益繁荣和激烈的竞争，人们对于家具装卸的要求也越来越高。装配和拆卸功能在家具设计中起着重要的作用，成为家具设计中需要重点考虑的内容。

1 面向装配和拆卸的设计

1.1 DFA与DFD的概念

面向装配与拆卸的设计（Design for Assembly and Disassembly，DFA&DFD）的概念：在对产品进行初步设计的时候，就需要对产品在装配和拆卸过程中遇到的问题进行分析研究，建立相关的理论方法，利用各种专业技术方法例如建模、分析、评价、规划、仿真等进行研究，总结出产品在装配和拆卸过程中受到的影响因素，在满足产品的功能和质量的要求之下，对产品进行装配和拆卸的设计，使得产品成本最经济化。

1.2 实施面向装配与拆卸设计的意义

实施面向装配与拆卸设计在产品的整个设计过程中具有十分显著的意义，主要体现在下面几个方面：

第一，减少生产成本。有资料显示，产品在开发设计阶段决定的产品成本占产品总成本的70%，而对于产品进行设计开发的费用只占了不到总成本的5%。正确的使用DFA&DFD概念来对产品进行全面的、合理的优化设计，可以达到以下优势：其一，整体规划可以减少原料耗材；其二，达到精准切割，减少产品不合格率；其三，大大提高产品的生产效率，从而实现对开发成本控制的目的。同时有助于更早的发现设计过程中存在的问题，使成品能够更早的进行完善，以解决后期可能遇到的问题。

第二，减少装配成本。在传统工业中，装配的费用最高可占总费用的30%，装配的工作量占整个产品生产工作量的20%左右。运用产品可装配和拆卸的方法可大大提高產品装卸过程的效率、降低装卸成本，最终达到降低产品总成本的目的。对DFA&DFD方法进行研究和运用，有助于进一步提升产品的质量和产品的设计效果，能够更好地满足在可装配性能和可拆卸性能上的要求，在细节上面进行调节，能够使得产品的质量进一步提升。DFA&DFD方法非常适用于DIY的方式，消费者可自行组装，这能使装配环节的成本再一次降低。

第三，减少存储空间。在现代家具中使用DFA&DFD方式，对部件进行标准化、通用化以及系列化的管理。同时在包装上运用标准规格，有效的利用空间。无论是在仓储、陈列还是运输方面都提升了单元空间的容纳量，减少这方面的成本支出。

第四，便于维修、替换。对产品的可拆卸功能的研究，DFA&DFD可以使得产品的维修以及回收处理等后续环节更加简单便捷，更加满足于可持续发展的要求。产品可拆卸功能对于产品维修和回收利用而言是一个十分重要的环节，如果产品具有很好的可拆卸功能，可以大大方便产品的维修以及回收利用，也有利于产品寿命的进一步延长，DFA&DFD对于这些方面都有重要的意义。

2 面向装配和拆卸的家具设计的研究

2.1 面向装配的家具设计及其设计要求

面向装配的家具设计指的是在对家具进行设计的起始阶段，需要对家具设计中的装配进行分析，尽量减少装配在整个过程中所需要的时间以及在装配过程中的成本。装配家具设计的过程中需要按照以下的相关要求。

第一，对家具部件进行标准化和模块化的设计是首要问题，对装配也就是集成便于达到最简洁化和快速化。

第二，对于家具的部件数量进行合理的控制，对于一些有重复功能的部件或有多个功能的部件进行删减，使家具的零部件的数量达到最小化。

第三，在对家具进行设计时，应该把部件设计成比较适合进行装配的样式，比如在设计部件的过程中增加一些倒角等。在设计过程中，把需要装配在一起的部件设计成有能相互锁住的功能，比如在部件中增加凹凸的特点，能够使每一个零部件与固定的位置产生相扣或“咬合”的功能；对于部件的构造设计上，要求能够轻易拾取，尽量把部件设计成适合装配的形状；对于一些形状不对称的部件，应当有特殊的标记，避免造成误装。

第四，对于家具的装配设计，尽量减少装配方向，装配操作应当具有很强的操作性。装配方向过多的家具，会影响整个装配的工作效率，同时不利于合理使用装配空间。

2.2 面向拆卸的家具设计及其设计准则探讨

在进行家具设计的工作中，必须要考虑到一点，就是要求家具具有良好的拆卸功能，也就是相对装配而言做相反的工作。在家具设计时就要充分考虑到拆卸的难易程度，这需要对家具进行装卸设计。在面相拆卸的家具设计工程中需要按照以下的相关标准。

第一，对于家具的拆卸工作要满足简易原则，在满足设计需要的前提下，尽量可以删除一个没必要的功能设计，对于零件的一些相同或者相似的功能进行合并和归类，尽可能地减少材料的种类，在材料的选择上尽量使用可以回收利用的材料，减少不必要的浪费以及环境污染。

第二，家具的设计上遵循可拆卸的原则，在零件之间的衔接上尽量选择一些能够方便进行拆卸的方法，可以减少使用固定作用的零部件，零件衔接的方式有许多种，例如螺纹连接、键连接、焊接、型面连接、粘接、搭扣式连接等衔接方式。在选择衔接类型时，需要考虑到衔接的可靠性能否满足要求，在家具的设计上需要考虑家具拆卸和分离的功能。

第三，家具的拆卸过程中需要满足易于操作的原则，在进行拆卸时，要求拆卸动作简单迅速，在结构的选择上采用更加合理的结构，在拆卸的过程中，尽量做到方便快捷。

3 结语

本文主要是对现代家具装配和拆卸的设计理论和研究意义进行总结分析，最后针对面向装配和拆卸家具设计的研究准则进行探讨。通过对于面向装配和拆卸的家具设计进行研究，为后续进一步完善家具的整体设计打下坚实的基础。

参考文献：

[1] 李砚祖.工艺美术概论[M].北京：中国轻工业出版社，2010.

[2] 李乐山.工业设计思想基础[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3] 彭亮，胡景初.家具设计与工艺[M].高等教育出版社，2012.

[4] 周吉娜.面向家具行业大规模定制时间优化的研究[D].哈尔滨理工大学，2008.

基于装配的设计 第12篇

齿轮、蜗轮等传动轴是做回转运动的零件, 运动的传动都须安装在传动轴上, 传动轴常用于变速箱与驱动桥之间的连接, 但轴较长转速高, 只承受扭矩不承受弯矩。

二、轴类零件

轴结构设计是确定轴的合理外形和全部结构尺寸。它由轴上安装零件类型、尺寸、位置、固定方式, 载荷性质、大小及分布, 轴承的类型与尺寸, 轴的毛坯、制造、安装及运输, 与轴的变形等因素有关。

(一) 机械加工工艺。

机械加工工艺流程是工件加工步骤, 方法是改变毛坯的形状、尺寸和表面质量, 使其成为零件的过程称为机械加工工艺过程。

(二) 轴类零件的功用、结构特点。

轴类零件用于支承齿轮、带轮、凸轮以及连杆等传递扭矩, 支承传动零部件, 传递扭矩和承受载荷。轴类零件是旋转体零件长度大于直径, 由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及端面组成。

(三) 零件材料。

一般传动轴零件常用45钢, 调质后可得到较好的切削等综合机械性能, 淬火后表面硬度可达45～52HRC。

三、进行毛坯的选择

(一) 确定毛坯类型及制造方法。

1.毛坯类型。

常用圆棒料和锻件, 毛坯经过加热锻造后, 可使金属内部纤维组织沿表面均匀分布, 获得较高的抗拉、抗弯及抗扭强度。

2.制造方法。

传动轴采用车削与外圆磨削成回转表面。表面粗糙度小, 车削后还需磨削。加工方案:粗车→半精车→磨削。

(二) 确定毛坯的形状尺寸及公差。

传动轴属中小传动轴, 外圆直径尺寸相差小, 故选择160*￠60mm的热轧圆钢作毛坯, 公差等级为IT6～IT8。

(三) 毛坯的技术要求。

尺寸精度轴类零件两类, 一类是外圆轴颈, 用于确定轴的位置并支承轴, 精度要求通常为IT5～IT7;另一类为轴颈, 即配合轴颈, 精度通常为IT6～IT9。

四、选择基准

(一) 粗基准选择。

非加工表面应选非加工表面作为粗基准。对各表面都需加工的根据加工余量最小表面找正, 选平整光滑表面让开浇口处。选牢固可靠表面为粗基准, 粗基准不可重复使用。

(二) 精基准选择。

符合基准重合原则, 尽可能选设计基准或装配基准作为定位基准。多数工序中用同一个定位基准, 使定位基准与测量基准重合。选择精度高、安装稳定可靠表面为精基准。

(三) 定位基准选择。

合理选择定位基准保证零件的尺寸和位置精度。由于该传动轴的配合表面 (Q、P、N、M) 及轴肩面 (H、G) 对基准轴线A-B均有径向圆跳动和端面圆跳动要求。实心轴应选择两端中心孔为基准, 采用双顶尖装夹方法保证技术要求。

五、拟定机械加工工艺路线

加工传动轴采用对本零件的两个端面、外圆、螺纹、外圆锥度、切槽、圆弧、镗孔七个步骤进行粗加工和精加工。加工顺序按粗到精、由右到左确定。右端先从右到左外轮廓粗车, 从右到左外轮廓精车后切槽;调头加工工件左端:粗、精加工外轮廓, 切退刀槽, 最后螺纹粗、精加工。

六、确定机械加工余量、工序尺寸

传动轴长145mm, 螺纹大径30mm、长度22mm, 外圆锥面锥度10o、长度20mm, 圆弧总长57mm、半径24mm/15mm, 所镗孔直径30mm、长度7mm。粗加工零件轮廓须保证0.5mm的精加工余量用刀偏表, 进给时进行误差的精度控制。

七、选择机床及工艺设备

CA6140A车床:该车床可以实现轴类、盘类的内外表面, 锥面、圆弧、螺纹、镗孔、铰孔加工, 也可以实现非圆曲线加工。

(一) 镗孔工艺。

对于这个传动轴中的孔, 将采用镗刀对其进行高精度切削加工, 并安排粗、精镗来分担余量的切除, 镗孔后再倒角。

(二) 螺纹加工工艺。

螺纹切削就采用G82直螺纹切削循环加工法, 粗车与精车相结合的切削方式, 精加工余量0.5mm, 须先倒角后车螺纹。

(三) 选择刀具。

一是车端面:选用硬质合金45度车刀, 粗、精车用一把刀完成;二是粗、精车外圆:硬质合金90度车刀;三是车槽:选用硬质合金车槽刀;四是车螺纹:选用60度硬质合金外螺纹车刀。

八、确定切削用量

(一) 背吃刀量。

加工传动轴时先选较大的背吃刀量减少进给次数。零件精度要求较高的, 应考虑留出精车余量 (0.1～0.5mm) 。在传动轴中包含螺纹、圆锥、切槽、圆弧、镗孔等工艺, 其背吃刀量分别为:粗加工表面1.5mm、精加工表面0.1mm, 加工圆锥、切槽及圆弧的背吃刀量同加工表面粗镗孔为1.25mm、精镗孔为0.25mm, 螺纹则为:粗车1.25mm、精车0.1mm。

(二) 进给量。

传动轴进给量:粗加工表面 (圆锥、圆弧、切槽等) 为0.14mm、精加工表面为0.04mm, 粗镗孔为0.09mm、精镗孔为0.04mm, 螺纹粗车为0.08mm、螺纹精车为0.03mm。

(三) 主轴转速。

车外圆时主轴转速:加工这个传动轴时的主轴转速为:粗加工时500rad/s;精加工时800rad/s。

九、机械加工工艺卡片

在生产过程中, 直接改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质, 使其成为成品或半成品的过程为工艺过程。在工艺过程中, 用机械加工方法直接改变毛坯形状、尺寸、相对位置和性能等, 直至成为合格零件的那部分过程称为机械加工工艺过程。

十、结语

这次课程设计将机械制造工艺与装备、公差与配合、机械制图、工程材料与热处理工艺等知识串联, 与课外机械制造工艺与装备联系, 巩固了所学知识。在课程设计中先制定工件机械加工工艺规程, 选择加工工艺装备及设备。通过CAD制图与计算机软件, 说明工件机械加工工艺规程制定的重要性。课程设计中的各种标准都要严格按照国家标准和国际标准, 查阅资料设计一个零件耗时较长, 但付出的代价使笔者认识到, 工作和学习都必须认真、谨慎和细心。

摘要：本文主要介绍在制造工业中机床、汽车、拖拉机等链接变速箱和驱动桥之间的传动轴的加工工艺。通过磨具主轴加工工艺的分析、阐述了在学校机械加工实习课中如何对典型轴类零件进行工艺分析, 从而提高工件质量、劳动生产率。