基于快速設(shè)計(jì)方法的產(chǎn)品裝配技術(shù)研究

基于快速設(shè)計(jì)方法的產(chǎn)品裝配技術(shù)探討0引言快速設(shè)計(jì)是在當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品多樣化、瞬變性等需求的形勢(shì)下提出并發(fā)展起來(lái)的，最早出現(xiàn)在1992年6月CIRP國(guó)際會(huì)議上［1］。采納快速設(shè)計(jì)方法對(duì)于企業(yè)剛好響應(yīng)小批量、多品種定制產(chǎn)品是特別有意義的，尤其在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段，它可以將產(chǎn)品的市場(chǎng)需求分析、快速設(shè)計(jì)、快速試制甚至最終的快速制造等環(huán)節(jié)快速有序地鏈接在一起，在滿足用戶需求的前提下，能夠有效地縮短開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品的一次開(kāi)發(fā)勝利率。在應(yīng)用快速設(shè)計(jì)方法中，產(chǎn)品建模裝配的具體實(shí)現(xiàn)方式對(duì)快速設(shè)計(jì)方法的真正應(yīng)用起著關(guān)鍵作用，因此筆者在基于快速設(shè)計(jì)方法下對(duì)產(chǎn)品的建模選型到裝協(xié)作理性的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了相應(yīng)探討，提出了一種快速的產(chǎn)品選型裝配技術(shù)。1、快速設(shè)計(jì)的裝配特點(diǎn)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)方法包括有變型設(shè)計(jì)和配置設(shè)計(jì)兩種基本形式，主要通過(guò)實(shí)例檢索或功能模塊組合的方式進(jìn)行新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。依據(jù)各種從客戶需求轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的工程語(yǔ)義規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的快速建模時(shí)，模型裝配技術(shù)將起到關(guān)鍵作用，這是因?yàn)楹侠淼难b配技術(shù)方法能使產(chǎn)品模型在反復(fù)修改和裝配下保持模型的整體性、規(guī)則的有效性和裝配的最優(yōu)性。因此快速設(shè)計(jì)過(guò)程中的裝配特點(diǎn)就是在滿足由客戶需求轉(zhuǎn)換的工程規(guī)則和實(shí)際工程約束下對(duì)多子裝配體進(jìn)行快速檢索裝配并獲得最優(yōu)裝配。產(chǎn)品的裝配體可按自頂向下的依次分解成若干不同層次的子裝配體或部件，子裝配體或部件又可以分解為若干層次的子裝配體或零件，從而表現(xiàn)出獨(dú)立性和層次性，快速設(shè)計(jì)方法中的裝配技術(shù)層次如圖1所示。從裝配零件的獨(dú)立性可知，由其衍生出來(lái)的互換性特點(diǎn)使產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)變成可能;從有向圖可得產(chǎn)品裝配的依次，雖然不行逆，但卻具有并行性特點(diǎn)，這使得在裝配過(guò)程中可引入相應(yīng)的檢索優(yōu)化算法，從而提高裝配效率。本文通過(guò)在現(xiàn)有的裝配技術(shù)學(xué)問(wèn)基礎(chǔ)上，結(jié)合以快速設(shè)計(jì)方法進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)所具有的特點(diǎn)，提出一種新的裝配方式，來(lái)確保裝配過(guò)程的系統(tǒng)性和裝配連續(xù)過(guò)程的協(xié)調(diào)性，以期達(dá)到快速設(shè)計(jì)方法中的裝配要求。2、快速設(shè)計(jì)的模型裝配技術(shù)2．1采納關(guān)聯(lián)函數(shù)的零/部件信息表達(dá)對(duì)零/部件的信息表達(dá)探討目前主要集中在對(duì)單個(gè)零件的特征分類和本體描述上，對(duì)零/部件之間以及它們?cè)谘b配過(guò)程中的有效信息表達(dá)和如何傳遞的探討相對(duì)較少，而合理的零/部件信息表達(dá)和提取對(duì)后續(xù)的零件序列規(guī)劃及裝配后的約束校核有著干脆的影響。表征產(chǎn)品裝配模型特征主要包括零件自身的形態(tài)和尺寸、空間位置尺寸和布局、裝配特征和協(xié)作關(guān)系。產(chǎn)品族中依據(jù)零/部件之間是否存在相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系又可分為運(yùn)動(dòng)模塊和靜態(tài)模塊。定義關(guān)聯(lián)函數(shù)是指描述零/部件之間的相互裝配關(guān)系，記為fr(N，R，L，V，M)。其中N為關(guān)聯(lián)函數(shù)序號(hào)，N∈［1，∞)，對(duì)同一零/部件為相同序號(hào);R為滿足值，R∈［0，1］;L為協(xié)作關(guān)系，L∈(1為同軸，2為匹配，3為距離，4為角度，5為平行，6為垂直，7為相切，8為其他)，如某零件設(shè)定通過(guò)面匹配、面平行和同軸完成協(xié)作，則L為125;V為推斷零/部件未滿足完全約束的協(xié)作關(guān)系所剩余數(shù)值，V∈［0，20)，例如軸與軸套可通過(guò)同軸和距離兩種協(xié)作關(guān)系滿足裝配的完全約束，裝配前軸的V值為2，L為13，其中兩種裝配關(guān)系是在新零件創(chuàng)建時(shí)指定的;M為模塊劃分類型，M∈(1為靜態(tài)模塊，2為動(dòng)態(tài)模塊)。通過(guò)關(guān)聯(lián)函數(shù)，當(dāng)不同零件裝配成為運(yùn)動(dòng)模塊或靜態(tài)模塊時(shí)，從模塊全部零件中提取未滿足的關(guān)聯(lián)函數(shù)，統(tǒng)一變更關(guān)聯(lián)函數(shù)的參數(shù)，這樣就可以無(wú)需重復(fù)推斷冗長(zhǎng)和無(wú)效的裝配信息，保證模塊的可重用性和一樣性;引入靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模塊，在裝配時(shí)一般應(yīng)以靜態(tài)模塊為主裝配體，當(dāng)多運(yùn)動(dòng)模塊裝配成一子裝配體時(shí)，假如沒(méi)有相互關(guān)系變量時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成靜態(tài)模塊。在裝配技術(shù)中間層超過(guò)三級(jí)時(shí)，可認(rèn)為是較困難產(chǎn)品裝配，此時(shí)在快速設(shè)計(jì)裝配過(guò)程中工程設(shè)計(jì)者更關(guān)切的是關(guān)聯(lián)函數(shù)的處理，故在快速設(shè)計(jì)方法中主要處理子裝配體之間的裝配。2．2基于實(shí)例推理的模型裝配序列快速設(shè)計(jì)是基于模塊化的實(shí)例推理技術(shù)以實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，因此依據(jù)快速設(shè)計(jì)的實(shí)例推理特點(diǎn)以及清楚的產(chǎn)品族功能表達(dá)圖，在裝配序列中干脆引入以往工程裝配流程或現(xiàn)有實(shí)例模型裝配依次，而不再考慮自底向上的具體零件裝配過(guò)程和干涉矩陣的求解，將裝配重心從繁瑣的具體裝配規(guī)劃轉(zhuǎn)移到快速適應(yīng)性裝配規(guī)劃上來(lái)，以提高裝配的效率。本文基于實(shí)例推理的快速設(shè)計(jì)建模裝配序列規(guī)劃采納如圖2所示的快速設(shè)計(jì)方法中的建模裝配序列流程。2．2．1縱向裝配參照產(chǎn)品族的功能表達(dá)圖定義子裝配體，裝配序列依據(jù)裝配層次有向圖從底層零件(part)起先逐次向上一級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配。優(yōu)先選取具有協(xié)作和定位等特征的靜態(tài)模塊零件作為基準(zhǔn)零件，例如圓特征等;如存在具有相同特征的零件時(shí)，依照特征尺寸從小到大進(jìn)行序列裝配，否則依據(jù)表達(dá)圖依次裝配。2．2．2橫向裝配橫向裝配是同級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多個(gè)子裝配體和零件的裝配。在變異局部結(jié)構(gòu)的變型設(shè)計(jì)時(shí)，將未變更部分作為一個(gè)獨(dú)立的子裝配整體(Asm1)，與更換不同結(jié)構(gòu)的子裝配體(Asm［x］)通過(guò)關(guān)聯(lián)函數(shù)識(shí)別裝配位置;假如同時(shí)存在多處修改且修改之處存在相互協(xié)作關(guān)系時(shí)，優(yōu)先依據(jù)原有設(shè)計(jì)流程進(jìn)行裝配。當(dāng)修改局部尺寸參數(shù)時(shí)，可通過(guò)指定關(guān)聯(lián)函數(shù)的序號(hào)在保證協(xié)作關(guān)系條件下對(duì)相應(yīng)關(guān)聯(lián)零/部件進(jìn)行整體尺寸修改。在進(jìn)行配置設(shè)計(jì)時(shí)，按需求或規(guī)則輸入裝配流程或者選擇現(xiàn)有近似實(shí)例模型作為參照，如更換不同子裝配體(零件)時(shí)則轉(zhuǎn)入變型設(shè)計(jì)方法處理。2．3多子裝配體的檢索裝配在裝配的整個(gè)過(guò)程添加裝配約束，建立優(yōu)先改變矩陣和近似矩陣，獲得最終的滿足值，作為局部裝配最優(yōu)效果的參評(píng)依據(jù)。在多個(gè)子裝配體裝配流程中，假設(shè)某機(jī)構(gòu)須要對(duì)子裝配體A、子裝配體B、零件C進(jìn)行組合裝配，且A∈(a1，a2，a3)，B∈(b1，b2)，C∈(c1，c2，c3)，其中括號(hào)里的域值是指都能滿足相應(yīng)功能要求的備選零/部件，但不包括標(biāo)準(zhǔn)件和固定件。機(jī)械機(jī)構(gòu)Ms的第i種組合裝配的近似矩陣Ri為:Ri=［ri1，ri2，ri3］式中:0＜i≤18=CA13×CB12×CC13，表示分別從子裝配體A、子裝配體B、零件C備選中各選出一個(gè)進(jìn)行組合裝配，18為三個(gè)零/部件全部可能的組合總數(shù);ri1、ri2、ri3分別為第i種組合中各子裝配體或零件在某次具體裝配流程中的匹配值。3應(yīng)用實(shí)例3．1裝配流程快速設(shè)計(jì)中的模型裝配是整個(gè)新產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，以某款兒童推車的制動(dòng)裝置作為快速裝配的實(shí)例對(duì)象驗(yàn)證該技術(shù)的有效性。在兒童推車產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)中，制動(dòng)裝置是較為頻繁更改的零/部件，本實(shí)例中針對(duì)特定客戶需求，其兒童推車首先能在行駛中具有肯定的防震效果，其次具有較大的承載功能，最終是制動(dòng)操作要盡量平安便利。在快速設(shè)計(jì)裝配之前完成相應(yīng)模型建立和產(chǎn)品族的規(guī)劃。3．1．1零/部件信息表達(dá)假設(shè)車輪制動(dòng)都采納卡槽形式。兒童推車制動(dòng)裝置(ChildrenCart_SkidDevice，CS)主要包括后車輪、支撐連接件和制動(dòng)件，在零件庫(kù)中零/部件的備選方案和制動(dòng)裝置零/部件信息屬性如圖3所示，其中{A，B，C，D}分別映射為滿足條件要求的{好，較好，一般，較差}。3．1．2裝配依次依據(jù)原有實(shí)例模型依次進(jìn)行裝配，以支撐連接件為主裝配體，依次裝配車輪與制動(dòng)件。3．1．3檢索裝配推車車輪的子裝配體X∈(x1，x2，x3，x4)、制動(dòng)件Y∈(y1，y2)、支撐連接件Z∈(z1，z2)，按式(1)分別計(jì)算各種組合中的相應(yīng)匹配值。例如取第一種組合(x1、y1、z1)，其中x1、y1與z1不存在對(duì)稱或其他并行裝配，故M1取1;關(guān)聯(lián)函數(shù)中的L都包括有相同協(xié)作關(guān)系12，故M2取1;第一級(jí)裝配暫沒(méi)有確定重要的協(xié)作關(guān)系，故M3取0．5;x1與y1之間是動(dòng)態(tài)模塊協(xié)作，故x1與y1的M4取0．5;x1與z1、y1與z1都是動(dòng)態(tài)與靜態(tài)模塊之間的協(xié)作，故他們之間的M4取1，則按式(1)分別計(jì)算如下:r1(x1)=0．8×［(1+1+0．5+0．5)×0．25×0．5+(1+1+0．5+1)×0．25×0．5］=0．650r1(y1)=0．9×［(1+1+0．5+0．5)×0．25×0．5+(1+1+0．5+1)×0．25×0．5］=0．731r1(z1)=1×［(1+1+0．5+1)×0．25×0．5+(1+1+0．5+1)×0．25×0．5］=0．875依據(jù)本實(shí)例客戶要求可知，裝配中的零/部件優(yōu)先改變比重為X＞Z＞Y，故可輸入改變比例T1=(3，1，2)，原實(shí)例庫(kù)的模型比例T2=(1，1，1)。按式(2)得到優(yōu)先改變矩陣，按式(3)獲得兒童推車制動(dòng)裝置Cs第一種組合的滿足值。3．2實(shí)例驗(yàn)證借助VC++語(yǔ)言和數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)合在Pro/E軟件二次開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)上建立起兒童推車的制動(dòng)裝置快速裝配系統(tǒng)。在制動(dòng)裝置變形設(shè)計(jì)中，通過(guò)引入關(guān)聯(lián)函數(shù)和檢索裝配，輸入上述設(shè)計(jì)要求后得到最佳組合，其兒童推車制動(dòng)裝置模型裝配總圖如圖4所示。4結(jié)語(yǔ)本文分析了產(chǎn)品基于快速設(shè)計(jì)方法中的裝配特點(diǎn)，通過(guò)關(guān)聯(lián)函數(shù)將