基于快速设计方法的产品装配技术研究

基于快速设计方法的产品装配技术研究

0引言

快速设计是在当前市场对产品多样化、瞬变性等需求的形势下提出并发展起来的，最早出现在1992年6月CIRP国际会议上［1］。采用快速设计方法对于企业及时响应小批量、多品种定制产品是非常有意义的，尤其在新产品开发设计阶段，它可以将产品的市场需求分析、快速设计、快速试制甚至最后的快速制造等环节快速有序地链接在一起，在满足用户需求的前提下，能够有效地缩短开发设计周期，提高产品的一次开发成功率。在应用快速设计方法中，产品建模装配的具体实现方式对快速设计方法的真正应用起着关键作用，因此笔者在基于快速设计方法下对产品的建模选型到装配合理性的整个过程进行了相应探讨，提出了一种快速的产品选型装配技术。

1、快速设计的装配特点

产品的快速设计方法包括有变型设计和配置设计两种基本形式，主要通过实例检索或功能模块组合的方式进行新产品的开发设计。根据各种从客户需求转换过来的工程语义规则来实现新产品的快速建模时，模型装配技术将起到关键作用，这是因为合理的装配技术方法能使产品模型在反复修改和装配下保持模型的整体性、规则的有效性和装配的最优性。因此快速设计过程中的装配特点就是在满足由客户需求转换的工程规则和实际工程约束下对多子装配体进行快速检索装配并获取最优装配。产品的装配体可按自顶向下的顺序分解成若干不同层次的子装配体或部件，子装配体或部件又可以分解为若干层次的子装配体或零件，从而表现出性和层次性，快速设计方法中的装配技术层次如图1所示。从装配零件的性可知，由其衍生出来的互换性特点使产品快速设计变成可能;从有向图可得产品装配的顺序，虽然不可逆，但却具有并行性特点，这使得在装配过程中可引入相应的检

索优化算法，从而提高装配效率。

本文通过在现有的装配技术知识基础上，结合以快速设计方法进行产品设计所具有的特点，提出一种新的装配方式，来确保装配过程的系统性和装配连续过程的协调性，以期达到快速设计方法中的装配要求。

2、快速设计的模型装配技术

2．1采用关联函数的零/部件信息表达

对零/部件的信息表达研究目前主要集中在对单个零件的特征分类和本体描述上，对零/部件之间以及它们在装配过程中的有效信息表达和如何传递的研究相对较少，而合理的零/部件信息表达和提取对后续的零件序列规划及装配后的约束校核有着直接的影响。表征产品装配模型特征主要包括零件自身的形状和尺寸、空间位置尺寸和布局、装配特征和配合关系。产品族中根据零/部件之间是否存在相互运动关系又可分为运动模块和静态模块。

定义关联函数是指描述零/部件之间的相互装配关系，记为fr(N，R，L，V，M)。其中N为关联函数序号，N∈［1，∞)，对同一零/部件为相同序号;R为满意值，R∈［0，1］;L为配合关系，L∈(1为同轴，2为匹配，3为距离，4为角度，5为平行，6为垂直，7为

相切，8为其他)，如某零件设定通过面匹配、面平行和同轴完成配合，则L为125;V为判断零/部件未满足完全约束的配合关系所剩余数值，V∈［0，20)，例如轴与轴套可通过同轴和距离两种配合关系满足装配的完全约束，装配前轴的V值为2，L为13，其中两种装配关系是在新零件创建时指定的;M为模块划分类型，M∈(1为静态模块，2为动态模块)。

通过关联函数，当不同零件装配成为运动模块或静态模块时，从模块所有零件中提取未满足的关联函数，统一变更关联函数的参数，这样就可以无需重复判断冗长和无效的装配信息，保证模块的可重用性和一致性;引入静态和动态模块，在装配时一般应以静态模块为主装配体，当多运动模块装配成一子装配体时，如果没有相互关系变量时自动转换成静态模块。在装配技术中间层超过三级时，可认为是较复杂产品装配，此时在快速设计装配过程中工程设计者更关心的是关联函数的处理，故在快速设计方法中主要处理子装配体之间的装配。

2．2基于实例推理的模型装配序列

快速设计是基于模块化的实例推理技术以实现新产品快速开发的一种现代设计方法，因此根据快速设计的实例推理特点以及清晰的产品族功能表达图，在装配序列中直接引入以往工程装配流程或现有实例模型装配顺序，而不再考虑自底向上的具体零件装配过程和干涉矩阵的求解，将装配重心从繁琐的详细装配规划转移到快速适应性装配规划上来，以提高装配的效率。

本文基于实例推理的快速设计建模装配序列规划采用如图2所示的快速设计方法中的建模装配序列流程。

2．2．1纵向装配

参照产品族的功能表达图定义子装配体，装配序列依据装配层次有向图从底层零件(part)开始逐次向上一级结构进行装配。优先选取具有配合和定位等特征的静态模块零件作为基准零件，例如圆特征等;如存在具有相同特征的零件时，依照特征尺寸从小到大进行序列装配，否则按照表达图顺序装配。

2．2．2横向装配

横向装配是同级结构进行多个子装配体和零件的装配。在变异局部结构的变型设计时，将未变更部分作为一个的子装配整体(Asm1)，与更换不同结构的子装配体(Asm［x］)通过关联函数识别装配位置;如果同时存在多处修改且修改之处存在相互配合关系时，优先按照原有设计流程进行装配。当修改局部尺寸参数时，可通过指定关联函数的序号在保证配合关系条件下对相应关联零/部件进行整体尺寸修改。在进行配置设计时，按需求或规则输入装配流程或者选择现有近似实例模型作为参照，如更换不同子装配体(零件)时则转入变型设计方法处理。

2．3多子装配体的检索装配

在装配的整个过程添加装配约束，建立优先变化矩阵和近似矩阵，获取最终的满意值，作为局部装配最优效果的参评依据。在多个子装配体装配流程中，假设某机构需要对子装配体A、子装配体B、零件C进行组合装配，且A∈(a1，a2，a3)，B∈(b1，b2)，C∈(c1，c2，c3)，其中括号里的域值是指都能满足相应功能要求的备选零/部件，但不包括标准件和固定件。机械机构Ms的第i种组合装配的近似矩阵Ri为:Ri=［ri1，ri2，ri3］式中:0＜i≤18=CA13×CB12×CC13，表示分别从子装配体A、子装配体B、零件C备选中各选出一个进行组合装配，18为三个零/部件所有可能的组合总数;ri1、ri2、ri3分别为第i种组合中各子装配体或零件在某次具体装配流程中的匹配值。

3应用实例

3．1装配流程

快速设计中的模型装配是整个新产品快速设计中的重要环节，以某款儿童推车的制动装置作为快速装配的实例对象验证该技术的有效性。在儿童推车产品的快速设计中，制动装置是较为频繁更改的零/部件，本实例中针对特定客户需求，其儿童推车首先能在行驶中具有一定的防震效果，其次具有较大的承载功能，最后是制动操作要尽量安全方便。在快速设计装配之前完成相应模型建立和产品族的规划。

3．1．1零/部件信息表达

假设车轮制动都采用卡槽形式。儿童推车制动装置(ChildrenCart_SkidDevice，CS)主要包括后车轮、支撑连接件和制动件，在零件库中零/部件的备选方案和制动装置零/部件信息属性如图3所示，其中{A，B，C，D}分别映射为满足条件要求的{好，较好，一般，较差}。

3．1．2装配顺序

按照原有实例模型顺序进行装配，以支撑连接件为主装配体，依次装配车轮与制动件。

3．1．3检索装配

推车车轮的子装配体X∈(x1，x2，x3，x4)、制动件Y∈(y1，y2)、支撑连接件Z∈(z1，z2)，按式(1)分别计算各种组合中的相应匹配值。例如取第一种组合(x1、y1、z1)，其中x1、y1与z1不存在对称或其他并行装配，故M1取1;关联函数中的L都包括有相同配合关系12，故M2取1;第一级装配暂没有确定重要的配合关系，故M3取0．5;x1与y1之间是动态模块配合，故x1与y1的M4取0．5;x1与z1、y1与z1都是动态与静态模块之间的配合，故他们之间的M4取1，则按式(1)分别计算如下: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根据本实例客户要求可知，装配中的零/部件优先变化比重为X＞Z＞Y，故可输入变化比例T1=(3，1，2)，原实例库的模型比例T2=(1，1，1)。按式(2)得到优先变化矩阵，按式(3)获取儿童推车制动装置Cs第一种组合的满意值。

3．2实例验证

借助VC++语言和数据库联合在Pro/E软件二次开发基础上建立起儿童推车的制动装置快速装配系统。在制动装置变形设计中，通过引入关联函数和检索装配，输入上述设计要求后得到最佳组合，其儿童推车制动装置模型装配总图如图4所示。

4结语

本文分析了产品基于快速设计方法中的装配特点，通过关联函数将产品快速设计过程的装配零/部件有机联系起来，提高了快速设计的装配效率;引入检索装配，拓展了产品族的规划方式和设计过程中的人机交互域，使装配出来的产品模型更接近于客户个性化需求，

反映了产品的功能要求和设计者的设计意图，通过实例验证，该装配技术可以有效地满足快速设计的基本要求。过大的零/部件库将使装配前期零件选择时所占时间过长，对稳定性值的选取具有不确定性，笔者正对这一问题做进一步的研究。