面向装配设计中装配方案的选择

1、第27卷第5期面向装配设计中装配方案的选择29文章编号：1004- 2539（ 2003）05- 0029- 03面向装配设计中装配方案的选择（西安交通大学机械工程学院，陕西西安 710049） 杨培林 陈晓南 庞宣明 朱 均摘要在装配序列规划的基础上，从降低装配难度、缩短装配时间等方面对装配方案作了研究，提出了装配方案选择的约束条件，并结合实例进行了分析。本文提出的方法为面向装配设计中装配方案 的选择提供了依据。关键词面向装配的设计并行设计装配方案选择约束第27卷第5期面向装配设计中装配方案的选择#第27卷第5期面向装配设计中装配方案的选择31引言DFA（面向装配的设计）要求在产品设计过程中

2、对 设计进行装配性能分析、评价,并根据分析评价结果对 设计进行修改，从而提高产品的可装配性、降低装配成本。传统的DFA通过对装配性能的分析，使所设计的 产品易于装配，但在这一过程中，往往缺乏对装配方案 的选择作深入的研究。事实上，装配方案对产品装配 过程有很大影响。因此应把装配规划作为设计过程的 一部分，在面向装配设计的同时，确定产 品的装配方案，从而实现并行环境下面向装配的设计1,2。在装配序列规划中，只是考虑了装配体的拓扑关 系、零件的几何形状及尺寸等约束条件。由此产生的 装配序列只是满足这些约束条件的可行装配序列，并没有考虑每一装配序列在实际装配过程中的难易程度、装配工时长短等问题。本文

3、从降低装配难度、缩短装配时间等方面对装配方案作了研究，提出了装配方案选择的约束条件，为面向装配设计中装配方案的选 择提供了依据。1 装配方案选择的约束条件本文以图1所示的减速器为分析对象，该减速器中有3个最大的？型子装配3 S1= 16, 17, 18、S2 = 2, 3,4, 5, 6、S3= 7,8,9,13,14,15。以这些子装配 作为装配单元参与整个产品的装配时，用割集法可得160个装配序列4（限于篇幅本文从略）。下面结合该 减速器,讨论选择装配方案时的约束条件。1. 1采用并行方式进行装配操作一般情况下，串行装配作业方式要比并行装配作业方式所需的时间长。因此为了加快装配进度，在装配

4、过程中，应尽可能选用具有并行操作的装配序列。产品的并行装配过程可分为如下两个层次：a）各子装配的并行装配 在装配序列规划中，利用子装配的生成方法可产生出各层次的子装配（？型子装配和b型子装配）。由于子装配不会影响产品零件的装配，所以可首先对各 层次上的这些子装配实施并行装配。1、12.箱壳 2>15.弹性档圈3、6、7、9、14、16、18.轴承 4、8.轴 17.齿轮轴 5、13.齿轮 10.支承板 11.螺钉图1同轴式双级圆柱齿轮减速器b）子装配与其它装配单元（子装配、零件）的并行 装配各子装配完毕后，应把子装配作为装配单元参与 整个产品的装配。这时为了提高装配的并行度，可在以子装配

5、作为装配单元的装配序列中，选择具有并行操作的装配序列。在装配图1所示的减速器时，应首先完成子装配 S1、S2及S3的装配。而在以子装配S1、S2及S3为装配单元的装配序列中，应选择具有并行操作的装配序 列（当装配方案的与/或图表达中的一棵树对应一个以 上的装配序列时，这些装配序列中的某些装配操作可 并行地进行）。1.2 减少装配过程中的冗余操作在装配过程中，要尽可能避免频繁地改换装配方向,因为装配方向的改换往往需要一些装夹、重定向等辅助装配工序。所以为了减少装配过程中的冗余操作 （装夹、重定位等）、提高装配效率，应在集中完成某一 方向的装配操作后，再进行另一方向的装配操作。hlAll niil

6、iLi reserveu.iitlpj'.- w 円许ATiklJiL'1例如,在图1所示减速器的装配序列中，装配序列 47和装配序列49分别为447.Si, 10 y Si, S3, 10 v Si, S2, S3, 10 y Si, S2, S3, 1, 10 y S1, S2, S3, 1, 10, 1249.S1, 10 y S1, S2, 10 y S1, S2, S3, 10 y S1, S2, S3, 1, 10 y S1, S2, S3, 1, 10, 12在序列47中，先在同一方向完成 S1、S3和零件10 的装配，再改换方向完成 S2和零件10的装配；而在序

7、 列49中，先在一个方向完成 S1和零件10的装配，然 后改变装配方向完成S2和零件10的装配，最后再次调整方向完成 S3和零件10的装配。由此可见，装配 序列49比47多一次装配方向的变化,因而也就多一次换向所需的装夹及定向操作工序。所以两个装配序 列相比，序列47优于序列49。1.3装配过程中保持零件装配子集的稳定性产品装配过程中，往往会出现一些具有一定装配 联接关系的零件组，这些零件组可以作进一步的装配，这里把装配过程中出现的这些零件组称为零件装配子 集。在装配过程中，不稳定零件装配子集的出现会增 加装配的难度（这时需要辅助工序来保持其稳定性）。所以在选择装配序列时，应尽量选择那些具有稳

8、定装 配子集的装配序列（可利用重力、支撑力、摩擦力等因 素使装配子集处于稳定状态）,力求避免出现不稳定的 零件装配子集。例如,对减速器的装配序列组33和35（分别示于图2（a）、图（b）中）而言，按这两个装配序列组装配时 都会出现零件装配子集S1, 1,10。按装配序列组 33 装配时，零件装配子集 S2, 1, 10是由装 配子集 S2, 10与零件1装配形成的，而按装配序列组 35装配时， 零件装配子集S2, 1, 10是由装配子集S2, 1与零件 10装配形 成的。装配序 列组33中出现 的装配 子集 S2, 10是稳定的（利用S2的自重保持 S2和零件10 的装配联接状态）,而装配序列

9、组 35中出现的装配子 集S2, 1是不稳定的（除利用辅助工序外，无法保持 S2和零件1的装配联接状态）。所以，为了在装配过 程中保持零件装配子集的稳定性、减小装配难度，应考 虑选用装配序列组33。1.4用关键路线法（CPM）分析装配序列以确定关键 装配工序对于具有并行操作工序的装配方案，不同并行路 线上完成各道装配工序所需的时间是不完全相等的，所需时间最长的路线（称为关键路线,关键路线上的工 序称为关键工序）决定着产品装配的完工期。因此我 们可用网络理论的关键路径法来对产品装配序列进行 分析,并确定其关键装配工序。对关键工序中装配的零件作进一步分析，在可能的情况下，对原零件设计作 适当修改，

10、以提高整个产品的装配性能。12 I S. 伽 101d M25410（a）序矶组33佔g.灵 1,10,12（b）序列爼35图2 装配序列组33和35用关键路线法分析装配方案时，应先用网络图来 表示装配流程，这里我们用结点式网络图来表示产品 的装配流程。在结点式网络图中，结点代表工序，箭线 代表事项。例如对减速器装配序列组33所代表的装配方案（如图2（a） 所示）,可用图3所示的网络图表示。工序1: 尉科12配；工序2:侶和10）I二序3 : （12）利$装配；丄序4: 5r, 101和装配*匚序5:佝，利 工10装配图3装配流程的网络图根据装配工艺信息可确定其关键路线和关键装配 工序。在图3

11、中，若o y ?y ?是关键路线，则可对关 键工序o、？所装配的零件S2、1及10进行分析, 在可能的情况下对其设计进行改进以缩短关键工序的 装配时间，从而缩短整个产品的装配时间。2 实例分析本文对图1所示的减速器装配过程作了分析。该 减速器中有3个最大的？型子装配S1、S2、S3。在装 配过程中，可首先并行地装配这些子装配。依据前面 的装配方案选择约束条件，可从160个装配序列中选出4个装配方案，如图4所示。其中方案1和2的区别仅在于子装配S1、S3的装配次序不同。同样，方案1 I T 7 4 I- -I L? J -11 1 I 11 'I > ?E 4 i I r >

12、4 'L ' i. L A i 1 J ! V3和4的区别也仅为子装配S1、S3的装配次序不同。(B)方秦1(b)方案2()方室3(d)方案4图4减速器装配方案根据某减速机厂提供的数据 ，上述4个方案中各 装配操作的相对装配时间如表1所示。依据表1中数据,用CPM法可计算出装配方案1、 2的装配时间为6. 1,装配方案3、4的装配时间为5. 6。 因此在上述条件下，应以方案3或4作为该减速器的 首选装配方案。该减速器的传统装配过程是按串行方式进行的，采用的装配序列为1 S3, 12 y S1, S3,12 y S1, S3,10, 12 y S1,S2, S3, 10, 12

13、y S1, S2,S3, 1, 10, 12o S1, 12 y S1, S3,12 y S1, S3,10, 12 y S1,S2, S3, 10, 12 y S1, S2,S3, 1, 10, 12(a)裳配序列(b)裝死序列图5串行装配序列装配序列1、0的表达如图5 所示,从图中可以看 出,这两个装配序列的不同之处只是在于 S1、S3的装 配顺序不同,并无本质的差异。装配序列1、o中各装配操作的相对装配时间如 表2所示。表14个方案中各装配操作的相对装配时间装配操作相对装配时间S3)G121. 7Sa,12 GSd1. 0S2G101. 6S1, S2, 12 GS2, 101. 4S1

14、, S2, Sb, 10, 12 G12 0S1G121. 6S1,12 GSb1. 1S2,10 G11. 2S1, S3, 12GS2, 1, 102 8表2串行装配中各装配操作的相对装配时间装配操作相对装配时间SbG121. 7S1G121. 6S3,12 GS1. 0S1,12 GS31. 1S1, S3, 12 G101. 4S1, S3, 10,12 G Sa1. 1S1, S2, Sb，10, 12 G12 0在图5所示的串行装配方式中，装配过程是顺序 进行的。按表2中的数据，可计算出传统串行装配过 程需要的装配时间为 7. 2个时间单位。由以上分析可知，采用前面确定的装配方案(

15、方案 3或4,如图4c、图4d 所示),可使减速器的装配时间由 原来的7.2个时间单位缩短为 5.6个时间单位，比原 装配时间缩短了 22%。3 结论根据并行环境下 DFA的思想，在完成产品设计的 同时,需要对装配方案作出选择。装配方案选择适当 与否直接影响到装配过程的难易、装配工时的长短，同 时在确定装配方案的过程中，也可发现设计中的一些 薄弱环节，从而能尽早地对原设计进行改进，以提高产 品质量、降低装配成本。在选择装配方案时，应考虑产品实际装配过程中 的难易程度、装配工时的长短等问题。本文在装配序 列规划的基础上，对装配方案的选择作了研究，提出了 装配方案选择的约束条件并结合实例了分析。结

16、果表 明,应用装配序列规划及本文提出的装配方选择的约 束条件,可从所有可行的装配序列中选出合适的装配 方案,从而克服传统的凭经验确定装配方案的盲目性。第27卷第5期面向装配设计中装配方案的选择33文章编号：1004- 2539（ 2003） 05- 0032- 02弧齿锥齿轮数字化设计和集成制造（河南科技大学机电工程学院，河南洛阳471003） 魏冰阳 邓效忠（三门峡金渠集团豫西机床有限公司，河南 三门峡 472143） 王明琦摘要论述了开展弧齿锥齿轮数字化设计和集成制造技术研究的必要性。提出了开展该项研究工作应包含的内容。介绍了在该项研究中已经开展的工作；对今后的继续研究做出了展望 。关键词

17、弧齿锥齿轮 数字化 CAD CAM第27卷第5期面向装配设计中装配方案的选择#第27卷第5期面向装配设计中装配方案的选择#1 实施/弧齿锥齿轮数字化设计和集成制造0的必要性随着机械和汽车工业的发展以及国际市场竞争的 日益剧烈，对机械传动的基础件）齿轮的精度、强度 和噪声要求愈来愈高，而我国齿轮制造水平普遍落后 于国际先进水平15 20年,这是困扰我国齿轮工业长 足发展的大问题。进入 WTO以后,齿轮制造业面临着 国际水平的竞争与前所未有的挑战。如何面对国际市 场的竞争？如何提升我国传统齿轮制造业的国际竞争 力，是我们面临并亟待解决的问题 ，关系到整个机械工 业和汽车工业的可持续发展。用信息化带

18、动齿轮制造 的现代化,用高新技术改造传统齿轮制造业，是实现我 国齿轮制造业跨越式发展的必由之路。弧齿锥齿轮的 数字化设计与制造工程的实施 ，对我国齿轮工业的发 展将具有重大的推动作用。弧齿锥齿轮在相交轴传动中，由于其重合度高、传 动平稳而被广泛应用，在某些机器中还发挥着重要作 用。随着国家工业化水平的提高，对弧齿锥齿轮传动 要求也越来越高。因此，对弧齿锥齿轮进行数字化集 成制造，把CAD、CAM和CNC技术的应用到生产中去， 无论是在提高弧齿锥齿轮传动质量方面，还是在扩大市场需求方面都有其重要的意义。我们开展的/弧齿锥齿轮数字化集成制造0的主要内容是，对弧齿锥齿轮 齿坯设计，基于CAD技术;对

19、弧齿锥齿轮轮坯加工、 铳 齿加工，基于CAPP/CAM技术。在发达国家齿轮制造业已普遍采用 CAD、CAM和CNC技术之时，实施这项 工程将填补我国齿轮制造业在这方面的空白 ，对提高 产量质量和生产效率具有重要的意义。2 实施方案实施弧齿锥齿轮的数字化集成制造技术，我们认为应包含的内容主要有：1）弧齿锥齿轮的数字化设计包括弧齿锥齿轮基本参数的优化选择、可行性检验、轮齿接触分析和啮 合仿真、基于有限元和承载接触分析的强度计算、基于局部综合法的切齿计算和机床调整卡编制、锥齿轮零件图的参数化绘制及齿轮轮廓全方位三维可视。软件 应能高效、准确地为用户提供弧齿锥齿轮的几何参数 计算及啮合性能表、轮齿应力

20、状态三维显示及强度校核结果、三维参数化绘制的零件图、输出各种加工机床 的切齿调整卡。2）把CAPP/CAM技术 应用到弧齿锥齿轮齿坯制造中 在上述CAD基础上，开发齿坯加工的 CAD/ CAPP/CAM集成软件，对弧齿锥齿轮加工的车削工序 或数控加工中心完成的铳削和钻肖U工序，实现CAD/CAPP/CAM集成，自动生成NC加工程序，更换加工品 种只需更换程序，大幅度减少人为操作，实现加工的柔 性化。弧齿锥齿轮齿坯的加工直接关系到齿轮的加工精度和生产效率。弧齿锥齿轮结构复杂、种类繁多，用普通车床车削，由于受操作者技能的限制，很难保证轮坯第27卷第5期面向装配设计中装配方案的选择#第27卷第5期面

21、向装配设计中装配方案的选择#参 考 文 献1 Molioy E，Yang H，Browne J. Design for Assembil within Concurrent Encj- neering. Annals of the CIRP，1991,40( 1): 107- 1102 杨培林,朱均.并行工程中面向装配的设计.机械科学与 技术,2000,19(1) :153- 1544杨培林.并行环境下 产品设计过程的研究.西安交通大学博士论文,西安:西安交通大学,20005 Homen de Mello LS, SandersonAC. AND/ OR Graph Representatio

22、nfo As sembly Plans. IEEE Journal of Robotics and Automation, 1990, 6( 2) : 188 199第27卷第5期面向装配设计中装配方案的选择#3 Peilin Yang, Xiaonan Chen.Two Ki nds of Subasembly andTheir Gemeraton in Assenbly SequencePlannng. Proceedingsof the International Conference收稿日期:20020408基金项目:西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室基金on Mechanic

23、al Transmissions2001, Chongqng: 597600© 112 C liina Aca<Kirnic JoULmal tlecironic Publist作者简介:杨培林(1963- tlLi 1 lOUSCd AIL 11 LrllLi）,男，河南林州人，畐燉授，博士reserved. nitp:/A¥ ki .net英文摘要20年英文摘要20年ABSTRACTS & KEY WORDSJOURNAL OF MEC HANICAL TRANSMISSION Vol. 27. No. 5, 2003CcputerimatianCalcu

24、iatioHBatransfeGearAbstraChteiailgamthnclGchadabelecireised case,t , , XiXiangal(l) tadetermhengdificcriefncf9ra：negeryransmmiAbstrachpapanalyTZeatmechayashieatxies sionithrtermeSlthipaperasemathensatlcahre anhtealantcylcuioimnitaracgecasB.yisingMATHCAJAmothechlcuiaienpdificciefncien Lum|pedammththl

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33、epmlertCffijemllftBftleiatBbBae2feasibility of the constraintSn the DFA within CE.Key words: Designfor assembly Concurrentdesign Choicesof assemblymans ConstraintsApplication of Comprehensive Fuzzy Evaluation in Mechanical De sign , , , ZhaoYanru(34) Abstract In thispaper, the applicationof fuzzysyn

34、theticevaluationin mechanical design was introduced. As an example, a three- stage fuzzy synthetic evaluation model for gear load factor selecton was found. It showedthe method is a effective, reasonable, and worth for generalized.Key words: Fuzzy synthetic evaluation Load factor Mechanical desgnDes

35、ign of Plane Crank and Rocker Mechanism with Optimum Force , Han Yunpeng, et al. (38) Abstract In the desgnng of plane crank and rockermechanism, dis tance L is used as design variable. When travel speed ratio K is known, L with optimum force is founded, then the mechanisms de signed.Key words: Trav

36、el speedratbOptimum force Crank and rockermechanismThe 3D Simulation of the Tooth Flank of Spiral Bevel Gear , , CaoXuemei, et al. (43)Abstract Basedon Gleasonmachinetoo, this paperdeducesthe tooth flank equationsof spiral bevel gear by kinematicmethod and meshing function; By using I- DEASsoftware,

37、 accuratetooth flank is construct ed by mesh of curvature curves which are gotten by tooth flank equa tion, and the 3D simulation model could be constructed.This Simula tion model could be usedfor CAE andCAM.Key words: Spiral bevel gear Tooth flank equations Mesh of cur vaturecurves 3D simulatonMeth

38、od of Controlling Mesh Movement in Gear Wheel Working Cartoon , Luo Qingsheng,et al. (46) Abstract In gear cartoon simulation, adopting the expressionco-i troller of 3DS MAX software, the rotation angle of the driving gear aroundthe coordinateaxis can be set by defining a specific variable. And toge

39、theiwith the transnission ratio , the correspondig rotation an gle of the drivengearcan be obtained.Therefor, the meshmovementDf gearscan be controlledaccurately.Key words: Gear Mesh movement Cartoon process Control method 3DSMAX softwareThe Copy Calculation of Helical Gears Based on Standard Trans verse Module , , , , ZhouXiangheng( 49) Abstract People are used to the copy of cylindrical involute helical gearsbasedon standardnormalmodulu. However, in actualwork, we sometimesneetthe copy of gears bas