基于三維尺寸分析的果穗箱與底盤裝配問題研究

耿佃才，張玉增，高暉，代冬梅，任子童

（261206 山東省 濰坊市 濰柴雷沃重工股份有限公司）

0 引言

我國是玉米種植大國，玉米種植面積和產量居世界第1 位，也是玉米消費大國。玉米種植條件復雜，種植量大，生產成本較高，若缺乏收獲機械，會嚴重制約我國玉米產業標準化和規模化發展[1-2]。1921年澳大利亞專家艾倫設計了世界上第1 臺玉米收獲機，經過一個世紀的發展，如今美國、德國、俄羅斯等國家的玉米收獲基本上實現了全程機械化[3-5]。近幾年，隨著國家對玉米收獲機的大力扶持與推廣，我國玉米收獲機械化水平有了顯著提高，各種型號、結構的玉米收獲機層出不窮，玉米收獲機的發展迎來了一個快速提高的時代[6-8]。

玉米收獲機是完成玉米莖稈切割、摘穗、剝皮、脫粒、秸稈處理等生產環節的作業機器[9]。作為一種結構復雜且功能繁多的農業機械產品，零部件設計、制造精度、裝配要求都會影響其使用性能。公差分析一般在多個零件累積成裝配體后進行，稱為公差累積分析[10]。2D 傳統尺寸分析結果與實際情況偏差較大、無法處理復雜問題。而三維尺寸分析是在三維空間中模擬零件之間的裝配移動，是對公差進行自下而上的公差三維建模仿真過程，其宗旨是解決在成本制造范圍能力內合理分配零件的公差，使其尺寸公差目標符合設計要求[11]；其分析結果與實際情況偏差結果接近，且可以對影響公差積累的原因進行尋源。本文采用三維分析軟件對果穗箱與底盤機架裝配問題進行虛擬裝配仿真分析，并結合實物裝配效果進行驗證，提出了一種解決果穗箱與底盤機架騰空或者偏斜問題的可行性解決方案及思路，同時識別出零部件位置關鍵尺寸公差及控制要求。

1 果穗箱安裝結構及工作原理

果穗箱安裝示意圖如圖1 所示。果穗箱1 位于玉米收獲機械的后端，通過一個橫貫果穗箱上的管軸2 作為支點安裝在果穗箱支架3 上，而果穗箱支架安裝于底盤機架4 上，由于頻繁進行卸糧，另一側直接放置于帶有橡膠減震墊5（通過螺栓聯接）的底盤機架上。卸糧時，通過控制卸糧油缸6 伸長支起果穗箱，果穗箱繞管軸旋轉，果穗沿果穗箱滑出，待果穗卸完后，則通過控制卸糧油缸縮短使果穗箱重新落回水平位置[12]。

2 三維尺寸分析

三維尺寸分析法是基于蒙特卡洛模擬算法[13]，依據零部件的基準體系、公差及工藝流程進行虛擬焊接、裝配，從而準確計算目標公差的尺寸分析方法[14-15]。仿真過程中，發現公差的累積情況，對影響公差積累的要素進行尋源，并且評估各個要素在整個公差積累中所占的比重，以此為依據對工藝方案和結構設計提出優化方案。在成本與公差之間找到合理的平衡，科學指導尺寸公差的設計[11]。

現階段用于三維尺寸分析主流的三維公差仿真軟件，都是基于產品、生產制造過程的三維尺寸分析軟件，在三維仿真環境中對所有相關零部件通過公差驅動進行裝配，實現尺寸鏈的計算仿真分析。按照實際加工能力初始定義零部件公差，然后按照工藝及裝配順序，按加工能力給零件公差建立起尺寸計算分析模型，根據零件基準體系及公差進行分析，在三維空間內對各個特征的公差進行疊加分析計算[16]。

3 公差仿真分析

3.1 三維尺寸分析假設條件

使用三維尺寸軟件進行公差建模和分析時，假設條件[17]如下：

（1）零件公差的設定遵循如下流程：①裝配順序服從于產品及工藝設計；②基準體系服從于定位設計及工裝設計；③公差大小服從于現有制造水平。

（2）除非特別指出，零件公差均服從正態分布；

（3）所有零部件均被認為是剛體，不存在形變；

（4）零件在裝配中的磨損不考慮在內；

（5）CAD 模型的尺寸均使用理論正確尺寸；

（6）仿真計算的次數（樣本數）為5 000 次；

（7）模擬結果超差率控制在5%以內即算合格；

（8）安裝時油缸不受力，不考慮油缸安裝受力引起的尺寸變化。

3.2 果穗箱裝配工藝流程

果穗箱與果穗箱支架分裝完成后，兩者最后裝配在底盤機架上。裝配工藝流程圖如圖2 所示。

3.3 基準體系制定

基準體系指零部件設計、制造、檢測過程中貫穿前后的基準點系統，作為從開發到制造、檢測直至批量裝車各環節所有涉及到的人員共同遵守的定位點要求[18]，也是建立虛擬裝配過程中尺寸分析模型的定位選取的基礎。基準系統制定示意圖如圖3—圖5 所示。

3.4 公差設計

公差要求常用GD&T 圖來表達。GD&T 圖是用來描述零部件定位基準、形位公差、尺寸、配合公差等一種精準的工程技術語言[19]，是尺寸分析模型中公差輸入的條件。各零部件公差定義示意圖如圖6—圖8 所示。

3.5 仿真分析

采用三維尺寸分析軟件，按照圖9 所示的尺寸仿真分析流程示意圖，建立果穗箱與底盤機架裝配分析模型。為了分析果穗箱與底盤機架騰空或者偏斜問題，對果穗箱和底盤機架之間建立測量點，創建位置及方向如圖10 所示。

4 結果分析

4.1 果穗箱與底盤機架間隙

仿真分析模型創建完成后，將模擬裝配次數設定為5 000 次，隨后進行仿真模擬計算，得到如圖11所示仿真分析結果。

果穗箱與底盤機架間隙偏差為±5.89 mm，即果穗箱一側騰空間隙為5.89 mm。由于卸糧油缸不可調整，果穗箱與果穗箱支架連接后與底盤機架安裝形成過定位現象，故一定存在一點出現騰空現象，仿真結果示意圖見圖11。其主要影響因素為底盤機架上果穗箱支架安裝面的面輪廓度、底盤機架上果穗箱的匹配面及果穗箱（與底盤機架）匹配面的面輪廓度，貢獻度排名如表1 所示。

表1 貢獻度排名Tab.1 Contribution ranking

4.2 果穗箱與底盤機架上安裝橡膠墊的螺栓偏斜距離

果穗箱與底盤機架上安裝橡膠墊的螺栓偏斜距離為±12 mm（3D 數模理論距離為24 mm 即間隙量為12～36 mm），其超差率為零，滿足裝配要求。偏斜距離仿真分析結果如圖12 所示。其主要影響因素為盤機架上果穗箱支架安裝面的面輪廓度、果穗箱與果穗箱支架之間的浮動、左、右支架與底盤機架的孔銷浮動，貢獻度排名如表2 所示。

表2 貢獻度排名Tab.2 Contribution ranking

5 優化方案

（1）果穗箱與底盤機架裝配后一定會存在1 處出現騰空現象。根據仿真結果設定果穗箱與底盤機架間隙偏差目標為±4 mm，其超差率4.04%（＜5%）（超差率即仿真狀態參數超出公差次數與總仿真此時的百分比[20]。超差率＜5%分析項作為設計合格判定標準），仿真優化分析結果如圖13 所示。可通過增減調整墊的方法消除間隙偏差影響，考慮其橡膠墊的壓縮量，調整墊的厚度及數量根據目標值設定。

（2）果穗箱與底盤機架上安裝橡膠墊的螺栓偏斜量為12～36 mm，在實際運行過程中會出現與底盤螺栓頭干涉現象，由于偏斜效果對使用性能影響較小，故將裝配結構更改，將普通螺栓改為沉頭螺釘裝配，消除其在使用過程中出現的干涉現象，更改效果如圖14 所示。

5 實物測量

為了驗證仿真分析后果穗箱與底盤機架偏差情況（未加調整墊片）及果穗箱與螺栓位置偏斜量，隨機抽取生產線樣機進行現場測量，共測量10 臺樣車。實測值如表3 所示。經驗證分析，測量結果（騰空間隙、偏斜量）基本與仿真分析結果相符合。

表3 實測值Tab.3 Measured values

6 結論

本文從玉米收獲機械果穗箱與底盤機架裝配問題出發，將尺寸仿真虛擬分析運用到問題查找和解決中，通過仿真分析及驗證，得出以下結論：

（1）基于三維分析仿真結果與裝車效果，提出了一種解決果穗箱與底盤機架騰空或者偏斜問題的可行性解決方案；

（2）仿真分析可準確獲得裝配問題的主要影響因素，為后期質量控制和優化方案提供了依據；

（3）三維尺寸分析可為玉米收獲機械產品提供結構設計、工藝方案、公差設定等優化方案，減少生產過程中的更改，節省了時間與成本。