面向产品再设计的装配性评价体系研究

文章编号:1004-132Ⅹ(2002)02-0111-04面向产品再设计的装配性评价体系研究管　强　博士研究生管　强　刘继红　钟毅芳　周　济 摘要:主要讨论并行工程环境下面向装配的设计中的关键技术。

总结了国内外2种不同思路的面向装配设计的方法,提出了一种面向产品结构和装配工艺过程再设计的可装配性评价体系,建立了定量的装配设计效率模型、装配复杂度指标模型,并从装配成本的角度评价产品可装配性的优劣,从而选出最优的装配方案。

它一方面可为产品再设计提供依据和定性的修改意见,另一方面为装配工艺规划提供指导性意见。

关键词:可装配性评价;装配成本;面向装配的设计;并行工程中图分类号:TH122;TP391 文献标识码:A收稿日期:2000—03—16基金项目:国家自然科学基金资助重大项目(59990470-2);国家863高技术研究发展计划资助项目(863-511-930-012) 随着计算机技术的迅猛发展和设计理论方法的突破,产品开发已突破原有的串行模式,发展到以并行工程(CE )为代表的开发过程集成阶段。

装配是产品设计与制造的最后一个环节,产品的可装配性好坏直接影响开发成本与开发时间,因此,面向装配的设计(DFA )在并行工程中显得尤为重要。

DFA 主要是研究在产品设计阶段,较早地考虑到产品零部件的可装配性、装配成本、装配序列和路径等各种因素。

根据可装配性分析的结果,它一方面为产品设计提出合理的修改意见,另一方面为制定产品的装配工艺规程提供指导性意见,从而提高产品下游设计与制造的一次成功率。

因此,此项技术能够降低设计、制造间反馈的频率,从而缩短产品的开发周期,降低成本。

1　2种不同思路的DFA 的比较近年来,面向装配的设计技术成为并行工程中研究的热点,不同的学者提出了侧重点不同的观点,主要体现在2个方面:①在并行工程环境下,基于装配工艺过程的面向装配的设计[1～3]。

它主要是从装配建模、装配序列和装配路径规划到可拆卸性检查和装配仿真的角度来分析产品的可装配性,以此来确定产品的装配序列和装配路径,其系统结构见图1。

这种方法尽管能够根据某些产品装配模型产生可行的装配序列和路径,但是当产品的功能结构和运动要求稍一复杂,就会使产品的零部件数呈几何级数地增长,不可避免地会导致组合爆炸。

装配模型中的几何实体信息、3维几何配合约束信息、设计约束信息都将急剧膨胀,有可能导致后续的装配序列和路径规划很难准确完成。

因此,对于较复杂的产品,很有必要对装配模型进行优化和改进。

也有将模糊数学的知识应用到产品的可装配性评价中[4],提出用多重装配连接图表示产品中零件之间的多重装配关系,用模糊连接图中的结点和连接边的模糊度来模糊评价产品的可装配性。

②核心思想是简化产品的装配模型。

该观点的代表人物Boothroyd 和Dewhrust [5]提出了定性简化产品的一些准则,并设定了一些简单的可装配性评价指标。

此外Lucbusas 也提出了基于装配难度的评价方法[6],日本的Hitachi 公司也提出了AE M 评价方法[6]。

Boothroyd -Dewhrust 等人的评价方法中有一个特点就是评价模型过于简单,没有考虑到实际装配环境中所用工装设备的成本,而只用理想装配时间来量化装配成本。

ZH A 等[7]描述了基于知识的装配序列规划系统(K APSS ),利用数字、符号混合表达方式建立装配模型,先用定性的一些策略约束来评价装配序列,再用定量的指标对装配序列进行评价、选优。

面向产品再设计的装配性评价体系研究———管　强　刘继红　钟毅芳等2　可装配性评价方法面向装配的设计技术应是一种分析工具,而并非是一个设计系统。

它主要是辅助设计者从最终装配的角度出发,来评价和简化装配模型,由此发现设计中的问题。

因此,面向装配的设计分析评价技术在产品设计中具有重要的意义。

2.1　“冗余”零件准则“冗余”零件是指在产品的装配模型中,不需要独立承担某一子功能,可以通过修改设计,删除或与其他必要零部件进行合并的零件。

本方法的核心就是尽可能去除“冗余”零件来简化装配模型。

为了方便“冗余”零件的鉴别,特定义与之对应的“必要”零部件和“有用”零部件,则有N=N a+N b+N c(1)式中,N为产品中的零件总数;N a为产品中的必要零件总数;N b为产品中的有用零件总数;N c为产品中的冗余零件总数。

这里借用Boothroyd的思想[5]定义必要零件如下:若产品中任一零件满足下列条件之一者,即可定义为必要零件:①产品在功能上要求该零件要相对已装配上的零部件运动。

②从功能要求上,该零件的材料必须同与之相装配的零部件材料不同。

③为了不影响其他零部件的装配和拆卸,该零件必须独立。

原则上,N a可以被认为是该产品在理论上的最小零件数,其他零件都应可以被省略或与必要零部件合并。

有用零件是指产品中虽不满足必要零件的条件,但考虑到便于装配、减振降噪、美观、防松、工艺性等各种因素,而需要增加的一些辅助小零件。

有用零件虽然不承担产品本身的一些子功能,但对于产品也是必不可少的。

2.2　产品装配性设计效率通常情况下,某一产品中,必要零部件所占的比重越大,该设计就越精炼,其装配效率越高。

现定义产品装配设计效率如下:ζ1=N aN a+N b+N c(2)式中,ζ1为产品装配性设计效率。

若装配效率偏低,可以依照冗余零件准则对现有设计进行修改,对每个零件进行必要性分析,对冗余零件尽量去除或与其它必要零件合并。

总之,ζ1能够从产品装配结构的角度量化产品装配的容易性,并可以为产品再设计提供依据。

2.3　产品装配过程复杂度指标产品装配过程复杂度指标是在装配序列和路径确定的情况下,用来衡量装配过程的可实施度,其主要目的是从多种装配序列和路径中优选出装配方案,并为装配成本分析奠定基础。

产品装配复杂度指标的计算方法是针对某一装配环境下的实际情况,列出所有可能的基本装配动作,每一种基本装配动作对应一个装配难度系数(对于机器自动装配和人工装配,该装配难度系数表应不同)。

考虑实际的装配空间,假设零部件在装配过程中不能与其它已装配零部件相碰撞,以避免损坏零件的表面精度,则对装配复杂度影响最大的因素就是有约束装配距离和装配空间余量:①有约束装配距离s　零件在装配过程中某一段有装配空间约束的情况下零件移动的距离或旋转的角度。

②装配空间余量d　零件在装配过程中的某一段处于装配空间约束之中,在零件移动的垂直方向与周围零件的最小间隙。

根据上述定义,很显然s越大,对应的d越小,该段装配过程的复杂度就越大。

为建立某一零件在装配过程中的复杂度模型,假设产品中第i 个零件进行装配对应装配动作的难度系数为P i,则产品的装配复杂度指标ζ2为ζ2=N a∑Ni=1P i∑mj=1Q j(3)Q j=1 当s j<d j/2ln2es jd j　当s j≥d j/2P i∈[1,2] (i=1,2,…N)式中,ζ2为产品的装配复杂度指标;S j为第i个装配零件中第j段有约束装配距离;d j为第i个装配零件中第j段装配空间余量;Q j为第i个装配零件中第j段的装配操作难度。

由于ζ2中考虑了N a,因此它不仅可以量化出某一产品在装配过程中零部件的可达性和装配难度,还考虑到了产品面向装配设计的精炼程度,因此ζ2是一个综合的装配复杂度评价指标。

2.4　产品装配性评价算法(1)输入　产品结构图,典型过程装配难度系数表。

(2)输出　产品装配性设计效率,再设计意见,装配过程复杂度指标。

(3)算法流程　①根据上述必要零件的3个判定准则,对产品中的每个零件进行判定,并记录。

②对产品中非必要零件进行判定是否属于有用零件,并记录。

③剩余未标记零件记录为冗余零件。

④利用ζ1评价模型,计算产品装配性设计效率并输出,若ζ1<30%,对冗余零件进行分析,将其尽可能与周围零件合并,并修改设计。

⑤对中国机械工程第13卷第2期2002年1月下半月产品进行装配规划,得出几种可行的装配过程。

⑥根据装配难度系数表,计算过程中每个装配操作的难度,利用ζ2评价模型,计算出产品装配过程复杂度并输出。

3　产品装配成本分析装配成本是指产品按照某种方式进行装配,所需花费(时间、财物)的计量指标。

过去人们在传统的装配设计中,靠直觉和经验来选定一种装配序列和路径,很难确定所选的就是最优的。

所以有必要建立装配成本模型,用装配成本来量化不同的装配序列和路径,从而得到较优的装配方案。

3.1　影响装配成本的因素(1)装配零件层的影响因素　是指零件的特性影响装配成本的因素,其中包括①产品的零部件数:直接影响装配的次数,也必将影响到产品的装配时间和装配成本。

②零件尺寸:零件的尺寸过大或过小都影响着装配成本。

例如,轮廓尺寸过小的零件要用专用的夹具来夹持零件;轮廓尺寸过大的零件需要辅助的动力设备来装配。

③零件形状:形状不规则很可能会增大产品的装配难度。

例如,极端不对称的零件,其装配稳定性较差,不便于零件的抓拿。

(2)装配过程的影响因素　是指零部件在装配过程的活动中存在着影响装配成本的因素,其中包括①装配动作的难度:根据零部件在产品中装配公差的要求,达到该公差的装配动作难度很显著地影响着产品的装配成本。

②装配动作的路径:装配路径的长短对应着不同的装配时间,显然,它也影响着装配成本。

③装配所需的专用工具:某一零件的装配若需要专门为其设计夹具或量具,则会显著加长产品的装配时间,增大装配的成本。

3.2　装配成本模型通过构造一种简单的装配因素表描述装配成本,并以此为基础建立产品的装配成本模型。

装配因素表中每一行代表不同的零件,每一列代表影响装配成本的因素,表中的值αij表示产品第i个零件第j种影响因素对产品成本的影响系数,见表1。

表1　零件装配因素表装配零件名称影响零件装配的因素零件尺寸系数α1零件形状系数α2装配难度系数α3专用工具系数α4装配路径系数α5零件1α11α12α13α14α15零件2α21α22α23α24α25………………零件nαn1αn2αn3αn4αn5表中,α1=∑ni=1αi1,α2=∑ni=1αi2,α3=∑ni=1αi3,α4=∑ni=1αi4,α5=∑ni=1αi5。

各种影响装配成本的因素,根据具体装配环境的不同,分别设立不同影响因素系数的取值范围和取值规范,以此确定各装配零件的各种装配成本影响系数αij(i=1,2,3…n,j=1,2,3,4,5)的值,则该产品的装配成本模型C A表述为C A=K1α1+K2α2+…+K5α5(4)式中,K1、K2、K3、K4、K5分别为5种不同装配成本影响因素在产品总体装配成本中所占的权重。

该装配成本模型还属于一种较简化的成本模型,还有一些装配成本因素未计入,但是可以逐步加以补充和完善,以便能较好地反映产品的装配成本。