基于裝配特征的半掛車車架快速裝配系統(tǒng)開發(fā)研究＊

鄒東文 孫桓五 劉松

（太原理工大學(xué)）

基于裝配特征的半掛車車架快速裝配系統(tǒng)開發(fā)研究＊

鄒東文 孫桓五 劉松

（太原理工大學(xué)）

針對(duì)傳統(tǒng)裝配方法存在零件模型修改后裝配位置不能隨之發(fā)生相應(yīng)變化的問題，在深入分析半掛車車架裝配零部件實(shí)體特征和裝配配合特征的基礎(chǔ)上，提出基于裝配特征的半掛車車架快速裝配方法，并根據(jù)該方法開發(fā)出車架快速裝配系統(tǒng)。該方法提高了裝配的準(zhǔn)確性和靈活性。

1 前言

傳統(tǒng)的自動(dòng)裝配方法通常采用計(jì)算裝配后各產(chǎn)品的空間坐標(biāo)確定其空間位置關(guān)系[1]，由此，一旦某個(gè)零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)修改則會(huì)導(dǎo)致原有零部件裝配空間變化，從而導(dǎo)致裝配發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤。與傳統(tǒng)的自動(dòng)裝配方法相比，基于零部件相對(duì)位置關(guān)系的自動(dòng)裝配方法顯示出明顯優(yōu)越性，其通過對(duì)零部件的裝配特征進(jìn)行約束來確定空間位置。由于該裝配方法中零部件在裝配空間的位置通過零件相對(duì)位置關(guān)系定義，因此，當(dāng)其中某個(gè)零件的設(shè)計(jì)尺寸發(fā)生變化時(shí)，零部件裝配對(duì)象類型間的裝配約束關(guān)系并未發(fā)生改變，從而能保證裝配位置的正確性。

針對(duì)半掛車車架裝配中零部件之間存在大量裝配特征的特點(diǎn)，提出了基于裝配特征的快速裝配方法，開發(fā)了裝配系統(tǒng)，有效解決了某一零件尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生改變而導(dǎo)致原有裝配關(guān)系破壞、裝配位置發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤的問題。

2 半掛車車架總成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

半掛車車架主要由縱梁、橫梁、頂梁、尾梁、左右邊梁等結(jié)構(gòu)組成[2]，其模型如圖1所示。縱梁是車架的重要部件，由上翼板、下翼板和腹板組成，由于工字型截面抗彎系數(shù)較大，目前被市面上的大多數(shù)半掛車縱梁所采用。根據(jù)噸位不同縱梁腹板高度有所差異。橫梁連接半掛車左、右縱梁組成框架，是車架的主要構(gòu)件之一。橫梁本身的抗扭性能及其在車架上的分布直接影響車架剛度，本文采用沖壓槽型鋼，橫梁間距一般以800 mm為宜。橫梁與縱梁的連接采用橫梁貫穿縱梁腹板的方式，通過縱梁腹板的孔貫穿于左右縱梁之間，二者交匯處采用不完全焊接，在貫穿處只焊接腹板，上、下翼板不焊接。邊梁位于車架左右、前后兩側(cè)，與縱梁、橫梁一起共同組成車架，并對(duì)車架起到加固作用，邊梁通常采用槽型鋼。為了增加車架強(qiáng)度，橫梁與腹板之間還設(shè)有輔助支撐裝置——斜撐，其主要起支撐橫梁的作用，使橫梁不易發(fā)生變形，以增加整個(gè)車架的穩(wěn)定性。

由以上分析可知，半掛車車架的裝配比較固定，通過特定裝配特征之間的配合方式可以完全表達(dá)各組件之間的裝配關(guān)系?；谘b配特征的半掛車車架快速裝配方法即是對(duì)車架各組件預(yù)先定義裝配特征，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)識(shí)，存入數(shù)據(jù)庫中，在數(shù)據(jù)庫中通過定義裝配特征之間的配合關(guān)系由裝配函數(shù)的調(diào)用來完成車架的快速裝配。

3 半掛車車架中的裝配特征

3.1 裝配特征的定義

裝配特征是反映幾何元素、配合類型、裝配操作方式及裝配關(guān)系的所有裝配輔助信息的集合，其數(shù)學(xué)形式描述如下:

式中，AF為裝配特征；GM為幾何元素；MA為配合類型；AO為裝配操作方式；AI為與裝配有關(guān)的所有裝配輔助信息，如裝配公差、裝配速度、裝配工藝操作或規(guī)程信息等[3]。

由于裝配特征定義所包含的信息繁雜，且本文研究重點(diǎn)在裝配零件間的幾何元素和配合關(guān)系上，不考慮其工藝規(guī)程的影響，將以上裝配特征信息簡(jiǎn)化為:

AF={GM∪MA}

GM={平面∪圓柱面∪圓錐面∪圓球面∪線∪點(diǎn)∪……}

MA={貼合∪對(duì)齊∪相切∪距離∪角度∪……}

即在裝配特征中起重要作用的是幾何元素和配合類型。

由于機(jī)械產(chǎn)品中絕大多數(shù)零件都是由平面、圓柱面、圓錐面、球面組成，因此裝配特征中的幾何元素也幾乎是由這些元素組成。

3.2 車架的裝配特征

車架的裝配特征主要以平面特征為主。以圖2和圖3的腹板和下翼板裝配為例，圖中腹板和下翼板的裝配特征為平面特征，1和4分別指半掛車車架縱梁腹板和下翼板的對(duì)稱面，2和5分別指腹板和下翼板的后端面，3和6分別指腹板的下平面和下翼板的上平面。在裝配中，腹板的上平面和下平面分別與上翼板的下平面、下翼板的上平面焊接，形成縱梁，其截面為工字梁截面。根據(jù)裝配截面的形狀特征即可確定三者的裝配位置。首先，腹板和下翼板裝配時(shí)，腹板在豎直方向應(yīng)處于下翼板的對(duì)稱面位置，即圖中1與4所示的平面應(yīng)重合，配合類型MA={貼合}，GM={腹板對(duì)稱面∪下翼板對(duì)稱面}；腹板的后端面應(yīng)與下翼板的后端面對(duì)齊，即2與5的配合類型MA={對(duì)齊}。除此之外，腹板的下平面應(yīng)與下翼板的上平面貼合，即3與6的配合類型MA={貼合}，GM= {腹板下平面∪下翼板上平面}，至此，腹板和下翼板的裝配完成，裝配特征表示為AF={腹板對(duì)稱面∪下翼板對(duì)稱面∪腹板后端面∪下翼板后端面∪腹板下平面∪下翼板上平面∪貼合∪對(duì)齊}。同理，可以完成腹板與上翼板的裝配。圖4為腹板和下翼板裝配后的效果圖。

半掛車車架裝配中零部件之間的裝配特征絕大多數(shù)為平面特征，但還存在其他裝配特征，如牽引總成裝配中既有孔特征又有柱面特征。圖5所示為牽引總成裝配示意圖，其牽引銷底座與牽引銷的裝配方式為軸孔配合。

圖5中，1、2和3、4分別指牽引銷底座與牽引銷上的定位配合孔，在牽引銷與牽引銷底座的配合中起裝配定位作用。由于1、2、3、4為孔特征，故裝配特征幾何元素選其軸線，兩零件之間的孔采用同心約束，配合類型MA={center}，裝配特征AF={孔1軸線∪孔2軸線∪孔3軸線∪孔4軸線∪center}。5與6分別指牽引銷底座的內(nèi)凹平面與牽引銷的上平面，在裝配時(shí)應(yīng)采用貼合約束，配合類型MA={mate}，幾何元素GM={牽引銷底座內(nèi)凹平面∪牽引銷上平面}，至此，牽引銷與牽引銷底座的裝配完成。在牽引銷與牽引板的裝配中，7和9分別指牽引銷底座的外圓下端面與牽引板上平面，二者裝配特征的幾何元素均為平面，宜采用貼合約束，MA={mate}；8和10分別為牽引銷外圓面與牽引板內(nèi)孔面，兩者為軸孔配合，裝配特征的幾何元素分別取其軸線，即GM={牽引銷外圓面軸線∪牽引板內(nèi)孔面軸線}，施加裝配約束時(shí)使二者軸線重合，配合類型MA={center}，則至此牽引銷總成與牽引板的裝配完成。

4 基于裝配特征的半掛車車架快速裝配方法

半掛車車架的快速裝配研究主要用到了自動(dòng)化裝配技術(shù)，該技術(shù)利用函數(shù)調(diào)用方法對(duì)待裝配零部件的基準(zhǔn)特征及實(shí)體特征的成對(duì)配合關(guān)系進(jìn)行約束，即通過函數(shù)調(diào)用方法對(duì)已建立相關(guān)裝配約束關(guān)系和已構(gòu)造相應(yīng)裝配函數(shù)的零部件特征面、配合面和約束位置等具體特征屬性進(jìn)行調(diào)用，以完成產(chǎn)品零部件的裝配[4]。圖6為車架的自動(dòng)化裝配流程。在對(duì)半掛車車架零部件進(jìn)行裝配序列規(guī)劃的基礎(chǔ)上，以UG為開發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用參數(shù)化技術(shù)建立半掛車車架零部件模型，在模型中預(yù)先定義裝配特征，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)識(shí)并存入數(shù)據(jù)庫中，在數(shù)據(jù)庫中定義零部件裝配特征之間的配合關(guān)系，最后由自動(dòng)化裝配程序的調(diào)用完成半掛車車架的快速裝配。

5 半掛車車架快速裝配的實(shí)現(xiàn)：

5.1 車架零部件裝配序列規(guī)劃

縱梁是車架的基礎(chǔ)部件，在裝配中占據(jù)基礎(chǔ)性地位，車架其他部件都以縱梁為基礎(chǔ)部件進(jìn)行裝配，因此在車架的裝配中必須首先導(dǎo)入縱梁。在縱梁的裝配中應(yīng)以腹板的上、下表面為基準(zhǔn)，將上、下翼板分別焊接在其上，形成縱梁。在縱梁裝配完成后添加橫梁，橫梁貫穿左右腹板與縱梁垂直布置，隨后添加進(jìn)面板橫梁，至此，所有的橫梁已添加完成。接著以橫梁的下表面和腹板的外表面為基準(zhǔn)，焊接加強(qiáng)板和斜梁，完成輔助支撐的裝配。再以橫梁的左右兩端面為基準(zhǔn)，焊接左右邊梁，之后以左右邊梁的前端面和后端面為基準(zhǔn)焊接上頂梁、尾梁。另外在縱梁的腹板處設(shè)有加強(qiáng)板，需在縱梁裝配完成后將其添加進(jìn)去。圖7為車架零部件裝配時(shí)的流程圖。

5.2 車架快速裝配實(shí)例

以UG為開發(fā)平臺(tái)，利用二次開發(fā)工具UG/ Open Menuscript、UG/Open UIStyler UG/Open GRIP和UG/Open API，結(jié)合.NET編程，開發(fā)了半掛車車架快速裝配系統(tǒng)。具體開發(fā)步驟以縱梁的自動(dòng)裝配為例。由于半掛車車架的快速裝配建立在模型庫基礎(chǔ)上，因此，裝配之前必須建立半掛車車架零部件庫。首先在UG平臺(tái)上運(yùn)用參數(shù)化技術(shù)完成半掛車車架零部件的建模，在零部件建模階段，需要對(duì)參與裝配操作的基本幾何特征進(jìn)行屬性命名，得到特征名，以便在裝配環(huán)境下識(shí)別[5]。

裝配特征可以通過裝配約束來表示，一個(gè)裝配特征對(duì)應(yīng)一個(gè)裝配約束對(duì)[6]。在車架裝配中，以腹板和下翼板裝配為例，由于在模型建立階段已經(jīng)對(duì)腹板和下翼板相應(yīng)的裝配特征面進(jìn)行了屬性命名，只需在數(shù)據(jù)庫中定義這兩個(gè)裝配特征面之間的裝配關(guān)系即可。腹板對(duì)稱面與下翼板對(duì)稱面之間的配合關(guān)系為貼合，腹板后端面與下翼板后端面的約束為對(duì)齊，腹板下平面與下翼板上平面的配合類型為貼合，至此腹板和下翼板在數(shù)據(jù)庫中的裝配關(guān)系定義完成，二者已按要求實(shí)現(xiàn)完全約束。

在數(shù)據(jù)庫中完成了零部件裝配關(guān)系定義后，通過裝配程序?qū)σ呀⑾嚓P(guān)裝配約束關(guān)系的零部件特征面、配合面和約束位置等具體特征屬性進(jìn)行調(diào)用即可完成裝配，得到如圖8所示的腹板和下翼板自動(dòng)裝配效果圖。依次類推，可以完成整個(gè)車架的自動(dòng)裝配，整個(gè)車架裝配完成后的效果圖如圖9所示。

6 結(jié)束語

以半掛車車架裝配零部件的實(shí)體特征和裝配配合特征為基礎(chǔ)，提出了基于裝配特征的半掛車車架快速裝配方法。該方法有效解決了車架在傳統(tǒng)自動(dòng)裝配方法中，當(dāng)其中一個(gè)零件的尺寸發(fā)生改變時(shí)與之相關(guān)聯(lián)的其他零件的相對(duì)位置不能隨之發(fā)生相應(yīng)變化的問題。使用該方法能大大提高半掛車車架的裝配效率，保證裝配的準(zhǔn)確性。此外，該方法同樣適用于裝配特征相對(duì)固定的產(chǎn)品，可為其他裝配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

1石海波.一種基于特征的裝配模型及其裝配系統(tǒng)開發(fā).制造業(yè)自動(dòng)化，2010，13:18～20.

2喬維高.專用汽車結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì).北京:北京大學(xué)出版社，2010.

3孫文，周惠群，趙小東.基于裝配特征的虛擬自動(dòng)裝配的研究和表達(dá)方法的描述.科學(xué)技術(shù)與工程，2006，15:2350～2353.

4帝瑞靜.半掛車快速裝配系統(tǒng)開發(fā)研究:[學(xué)位論文].太原:太原理工大學(xué).2012

5張宏星，許敏，蔣祖華.面向自動(dòng)裝配的裝配特征定義與表達(dá)方法研究.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2005，07:824～826.

6楊顯剛，何玉林，金鑫，李成武.基于自動(dòng)裝配技術(shù)的參數(shù)化部件庫的關(guān)鍵技術(shù)研究.中國(guó)機(jī)械工程，2013，14:1910～1915.

（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2014年11月1日。

Research and Development of the Rapid Assembling System of Semitrailer Frame based on Assembly Feature

Zou Dongwen，Sun Huanwu，Liu Song
（Taiyuan University of Technology）

To eliminate the defects of the traditional assembly method that assembly position can't change automatically corresponding to modification of the component models，this article presents a rapid assembly method for semi-trailer frame upon assembly features based on the in-depth analysis of the solid features of semi-trailer frame assembly components and matching features，and develops a rapid assembly system of semi-trailer frame.This method improves precision and flexibility of assembling.

Assembly feature，Semi-trailer frame，Rapid assembly，Assembly relationship

裝配特征半掛車車架快速裝配裝配關(guān)系

U463.32

A

1000-3703（2014）12-0028-04

太原市科技明星項(xiàng)目（11014922）資助