（机械工程专业论文）基于操作难度指标的可装配性评价方法.pdf

基于操作难度指标的可装配性评价方法中文摘要 基于操作难度指标的可装配性评价方法 中文摘要 制造业的竞争日益激烈 降低产品成本 提高产品质量和缩短产品开发周期已成 为企业生存和发展的关键 而其中 装配环节已经成为制约生产效率提高的主要影响 因素之一 产品可装配性设计 d f a 对缩短产品开发周期 降低生产成本 提高产 品质量有着很大的影响 特别是 可装配性评价已经成为d f a 中的重要一环 是近 年来国内外学者的研究热点 这也正是d f a 面临的新课题 本文通过对国内外d f a 评价技术研究现状的调查研究 针对目前可装配性评价存 在的问题 结合我国目前生产现状 提出了 基于操作难度指标的可装配性评价方法 研究课题 并确立了主要研究内容和研究目标 针对研究内容 本文首先对产品可装配性评价的基本原则和影响因素进行了讨 论 并在此基础上分别构建了基于广义健的装配关系模型和基于神经网络产品可装配 性评价模型 形成了基于操作难度指标的可装配性评价方法 最后应用构建的评价方 法对c b 齿轮泵可装配性进行了评价实验 通过评价实验 证实了本课题研究的评价 方法具有先进性 可行性和较强的实用性 本课题的研究为该方法的实际应用奠定了 理论与评价实验基础 本论文主要创新点 1 通过对国内外产品可配性评价方法研究现状的调查研究 提出了 基于操作 难度指标的可装配性评价方法的研究 的课题 2 构建了基于操作难度指标的可装配性评价方法模型 3 经过评价实验研究 证实了基于操作难度的可装配性评价方法的先进性 可 行性和实用性 关键词 d f a 装配关系 操作难度 神经网络 评价模型 作者 徐兵 指导教师 芮延年 a b s t r a c t t h ea s s e m b l a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o db a s c d o no no p e r a t i o nd i f f i c u l t y t h e a s s e m b l a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o db a s e d o no p e r a t i o nd i f f i c u l t y a bs t r a c t w i t ht h ef i e r c ec o m p e t i t i o ni nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y h o wt or e d u c et h ep r o d u c t i o n c o s t i m p r o v et h ep r o d u c tq u a l i t y a n ds h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l eo ft h ep r o d u c th a v e b e c o m et h ek e y sf o re n t e r p r i s e st os u r v i v ea n dd e v e l o p a s s e m b l y e s p e c i a l l yd f ah a s b e c o m eo n eo ft h em a i nf a c t o r st oi n f l u e n c et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y 1 1 1 ee v a l u a t i o nh a s b e c o m ea l li m p o r t a n ts e c t i o no fd f a a n dn o wi ti st h eh o ti s s u eo ft h er e s e a r c h e r s b a s e do nt h es t u d yo fp r e s e n td f ar e s e a r c ha n di t sr e l a t i v ep r o b l e m s t h ew r i t e rp u t f o r w a r dt h es u b j e c t 也ee v a l u a t i o nm e t h o do fd f ab a s e do nt h eo p e r a t i o nd i f f i c u l t y i n d e x a n de s t a b l i s h e s 也er e s e a r c hs u b j e c ta n do b j e c t i v e a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hc o n t e n t i n s to fa l lt h i st h e s i sh a sm a d ed i s c u s s i o no nt h e b a s i cp r i n c i p l e so ft h ee v a l u a t i o no ft h ed f aa n di t sr e l a t i v ef a c t o r s m o r e o v e r b a s e do n t h ed i s c u s s i o n a s s e m b l y r e l a t i o nm o d e lb a s e do ng e n e r a l i z e dl i n ka n da s s e m b l a b i l i t y e v a l u a t i o nm o d e lb a s e do nn e u r a ln e t w o r kh a v eb e e nc o n s t r u c t e da n dd f ae v a l u a t i o n m e t h o d s w h i c ha l eg r o u n do no p e r a t i v ed i f f i c u l t yi n d e x h a v eb e e nf o r m e d c o n s e q u e n t l y t h ee v a l u a t i o nm e t l l o d sa r ea p p l i e do nc bg e a rp u m pd f at om a k ee v a l u a t i o n e x p e r i m e n t s t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s i ti sa p p r o v e dt h a tt h i st o p i ci sa d v a n c e d f e a s i b l e a n dp r a c t i c a l a n dt h er e s e a r c ho ft h i st o p i ch a sf o r m e dt h e o r e t i c a l e v a l u a t i v ea n d e x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h i sm e t h o d i n n o v a t i o n so ft h et h e s i s 1 t h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i n go ft h ep r e s e n td f a e v a l u a t i o nm e t h o d so ft h ep r o d u c t sh o m e a n da b r o a d t h et o p i cn a m e d t h ee v a l u a t i o nm e t h o do fd f ab a s e do nt h eo p e r a t i o n d i f f i c u l t yi n d e x h a sb e e nr a i s e d 陀 髓1 ed f ae v a l u a t i o nm e t h o d s w h i c ha l eb a s e do nt h eo p e r a t i v ed i f f i c u l t yi n d e x h a s b e e nc o n s t r u c t e d 3 t h r o u g he v a l u a t i o nt e s t i n ga n dr e s e a r c h i th a sb e e na p p r o v e dd f a e v a l u a t i o nm e t h o d s a r ea d v a n c e d f e a s i b l ea n dp r a c t i c a l k e y w o r d s d f a a s s e m b l yr e l a t i o n s h i p o p e r a t i v ed i f f i c u l t yi n d e x n e u r a ln e t w o r k e v a l u a t i o nm o d e l w r i t t e nb y x ub i n g s u p e r v i s e db y r u iy a n n i a n 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明 所提交的学位论文是本人在导师的指导下 独立进 行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料 对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体 均已在文中以睨确方式标明 本人承担本声明的法律 责任 研究生签名 咿勺坐 学位论文使用授权声明 苏州大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆 清华大学论文 合作部 中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文 外 允许论文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分 内容 论文的公布 包括刊登 授权苏州大学学位办办理 研究生签名 导师签名 日期 日期 基于操作难度指标的可装配性评价方法 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 1 产品可装配性是影响机械制造业的重要因素 目前 市场的全球化趋势日益增强 产品的生命周期逐渐缩短 用户对产品的要 求日趋多样化 个性化 t q c s e t 快速响应市场 q 高的产品质量 c 低成本 s 优良的服务 e 保持更清洁的环境 成为制造企业的主题 2 1 世纪的制造业正向着以 信息化为特征的系统技术时代迈进 特别是计算机技术 网络技术和信息处理技术等 取得了人们意想不到的进步 将信息技术应用于制造领域并对之进行改造 是现代制 造业发展的必由之路 在工业自动化的发展过程中 产品装配自动化是最薄弱的环节之一 w y n n e h s u 等人指出 在制造业中 大约有1 3 左右的人力在从事有关产品装配的活动 法国对 3 5 5 家公司的调查结果显示 装配自动化的主要障碍是 通常的产品设计不是面向装 配的 n o ta s s e m b l y o r i e n t e d 由此带来了产品装配难度大 产品装配周期长 产品 装配质量不易保证和产品装配价格高的一系列不良后果 rhs t u r g e s 等人指出 产品 装配已成为制约生产的瓶颈之一 为此 通常采用的增加工人 增加装配机械 增加 装配检测装置等对策 则要使产品装配成为许多工厂的最大开支 据统计 在产品生 产阶段 装配费用则占了整个生产成本的3 0 一5 0 当然 设计是产品开发过程中至关重要的一环 设计阶段决定了产品如何加工 如何装配 甚至决定了产品将来在市场竞争中的地位 设计成本虽然只占产品开发总 成本的5 却决定了产品总成本的7 0 8 0 而上游设计失误对成本的影响将以不 断放大的形式向下游逐级传播 据统计 这一逐级放大的比例甚至达到1 1 0 因此 应尽量避免由于设计不合理而给后续相关活动如加工 装配 测试等带来不良影响 由于装配环节是制约生产自动化的主要因素 故在产品设计的同时 尽可能兼顾下游 的装配环节及其相关因素 即在产品设计阶段应尽早排除下游的隐患 避免大的返工 综上所述 产品可装配性是影响装配费用的重要因素 所以在装配设计中 设计 者在产品设计初期就应该充分考虑装配要求和影响产品装配性能的有关因素 为设计 者提供面向装配的设计准则 以改善产品的装配性能 从而降低装配成本 提高产品 质量 2 可装配性设计技术的产生 1 第一章绪论基于操作难度指标的可装配性评价方法 传统的产品开发中 设计与装配制造严重分离 设计师只负责按照功能要求把产 品设计出来 至于如何加工装配生产 则是工艺师的事 这被一些国外学者形象地称 为 扔过墙 o v e rt h ew a l l 式的设计 随着现代制造业的发展 这种设计方式的弊端 越来越多地暴露出来 由于设计没考虑工艺 设计出的产品制造成本高 没有竞争力 由于各环节串行 生产准备只能在设计完全结束后起动 延长了产品开发时间 丧失 了占领市场的机会 更为常见且很严重的情形是 一些设计产品在实际装配时十分困 难 甚至根本无法实现 由此导致的返工既浪费了人力 又延误了工期 所以在装配 设计中 设计者在产品设计初期就应该充分考虑装配要求和影响产品装配性能的有关 因素 为设计者提供面向装配的设计准则 以改善产品的装配性能 从而降低装配成 本 提高产品质量 7 0 年代 面向装配的产品设计 a s s e m b l y o r i e n t e dp r o d u c td e s i g n 热潮在工业化 国家兴起 1 9 8 0 年 美国马萨诸塞 m a s s a c h u s e t t s 大学的gb o o t h r o y d 和pd e w h u r s t 第一次提出了面向装配的设计或可装配性设计 d e s i g nf o r a s s e m b l y d f a 这一概 念 并被广泛接受 但是该方法的产生 则可追溯至2 0 世纪6 0 年代 当时就有许多企 业开发基于可制造性的设计指南 用于指导自己的产品设计 但这些指南一味地强调 零件的形体简单和加工方便 使用时很容易发生误导 甚至得到荒唐的结果 实际上 要想真正地降低产品成本 必须从全局的观点出发 以简化产品结构为先决条件 首 先考虑产品的可装配性 其次才是零件的可加工性 尽管人们认识到了d f a 的重要性 但直到2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初 有了系统分析的工具后 这种方法才得以真正实现 面向装配的设计 d f a 是一种针对装配环节的统筹兼顾的设计思想和方法 其出 发点是在产品设计阶段考虑并解决装配过程中可能存在的问题 在产品设计过程中利 用各种技术手段如分析 评价 规划 仿真等充分考虑产品的装配环节以及与其相关 的各种因素的影响 在满足产品性能与功能的条件下改进产品的装配结构 使设计出 的产品是可以装配的 并尽可能降低装配成本和产品总成本 以确保零件快速 高效 低成本地进行装配 d f a 技术包括以下主要内容 1 1 可装配性设计信息描述 产品的可装配性分析 产品的可装配性评价 产品的可装配性再设计 3 可装配性评价的方法与作用 传统的产品设计方法在设计的初级阶段 很难判断整个产品的可装配性 以往产 品设计要到产品最后装配时才能发现错误 导致零件的报废和产品上市时间的延迟 2 基于操作难度指标的可装配性评价方法第一章绪论 造成巨大经济损失或信誉损失 随着对面向装配的设计的研究 相继出现了一些有影响的d f a 定量分析方法 它们都是基于容易装配原则来考察影响产品可装配性的各种因素 并使用列表的形式 对各个项目进行评分 以此来追踪产品设计中不利于装配的薄弱环节并及时加以修 正 这些方法的实际应用 有力地推动了d f a 技术的发展 使产品的可装配性得到 很大提高 在可装配性设计的四个主要内容中 可装配性评价是产品可装配性设计的中心环 节 是一种提高产品设计质量的有效手段 它是采用一系列定性或定量的分析方法和 工具 强调在设计的早期阶段就考虑装配过程的约束 系统分析评价整个产品的可装 配性 判别可装配性设计的优劣 找出可装配性因素中最薄弱的环节 在此基础上给 出再设计建议 为进一步进行设计修改提供理论依据 通过再设计改进设计方案 目 标是简化整个产品结构 减少零件数量 减少装配操作 提高装配效率 它是寻求最 简单 经济 又能满足用户需求的设计方案的过程 可装配性能评价按内容分类 有定性和定量的方法 按评价形式分类 有单一指 标和综合指标评价 按评价方法分类 有b o o t h r o y d 方法 l u c a s 方法和h a t a c h i 方法 等 评价指标可以采用多种度量形式 如 相对装配费用 相对装配难度的相对装配 时间等 对于机械产品的可装配性评价的作用主要有两个 在同一个产品设计中 对设计的合理性和经济性评价 对产品设计提出建设 性的修改建议 对于多个设计方案进行综合性能的比较 决定方案的取舍 4 新的生产形势下 可装配性评价也要不断发展 现代企业的生产正面临开发周期短 生产批量小的特点 而并行工作环境下产品 的d f a 对产品的整个开发周期 成本及质量有很大影响1 2 如何适应新的产品设计 对设计结果进行可装配性评价是d f a 中的关键一环 是国内外学者的研究热点 这 也正是d f a 面临的新课题 由于产品装配在整个产品生命周期中的重要性 因此对产品可装配性评价技术进 行研究和应用 对于增强制造企业的产品竞争力具有重要意义 1 2 国内外研究现状 在近2 0 年中 国内外的学者对产品可装配性评价方法作了大量的研究工作 出 3 第一章绪论基于操作难度指标的可装配性评价方法 现了多种关于可装配性评价的研究 但面向d f a 的评价方法大致可分为两类 基于 规则的定性分析方法和基于数值的定量分析方法吲 1 基于规则的定性分析方法 在产品的设计阶段 向设计者反馈产品装配的难易程度 以一个模糊化的概念进 行评价 这种方法基于一些通用的规则和设计准则对设计进行评价 运用一系列的规 则评价设计的可行性 设计准则包括零件数量最少原则 零件对称性原则 紧固件数 量最少原则 装配中定位和调整次数最少原则等 属于这一类的可装配性评价的方法 有 1 y a m a g i w a 把可装配性分为多个因素分别进行评价和分析 评价分较低的装配 操作易于在早期识别和修改 w a r n e c k e 对功能和装配难度的比值进行分析评价 对 功能值较低的和难于装配的零件 作为指导设计修改的对象 l irk 提出了c a d 与 d f a 集成的思想 基于装配特征进行装配性评价 f a z i o 根据特征信息 即特征位置 装配方向 零件间的间隙等信息来评价装配难度 2 l a n g m o e n 和r a m s l i 在1 9 8 3 年设计出了一种名为s i n t e f 的面向自动化装配 的评价方法 这种方法使用了五种难度等级来对一个产品的1 9 个标准进行评价 这 种方法存在一些不足 如在评价结果较差时 没有给出再设计方案等 3 r a m p e r s a d 在1 9 9 4 年提出了一种名叫d f ah o u s e 的方法1 4 这种方法基于 一系列l a n g m o e n 和r a m s l i 的设计准则 他所提出的准则包括在装配属性 装配单 元属性和工艺属性之中 他运用这些准则来评价和定性分析一个产品适合自动化装 配的程度 这种方法存在的不足与l a n g m o e n 和r a m s l i 提出的方法所存在的不足具 有相似之处 4 东芝公司提出的可装配性评价方法a e m 该方法将所有的装配操作归类为 2 0 种动作 每种动作以特定符号表示 并赋予相应的扣分值 装配时原则上要求 一 种动作完成一个零件 如果一个零件的装配需要多种动作才能完成 则按某一标准 扣分 最后 根据总的扣分来评价产品的装配性能 而扣分多的零部件则为待改进的 对象 5 索尼公司的d a c 方法 此方法的提出是归因于产品过于复杂和产品过于难以 装配 d a c 基于大约3 0 种的设计准则或需要 通过判断一个产品是否符合设计准则 或设计需求来进行评价 此种方法的不足之处在于它只着重于考虑解决自动化装配中 出现的困难 没有考虑装配顺序的问题 而且这种方法缺乏总体思想 所有的焦点只 是集中在个体零件而不是整个产品和模型 2 基于数值的定量分析方法 4 基于操作难度指标的可装配性评价方法第一章绪论 对装配进行量化分析 给出一个量化的评价因子 这种方法提供评价指标量化的 可装配性评价结果 包括装配时间 成本等 它通常分为以下几个方面 对产品进行 功能分析 分析零件轮廓尺寸 形状等零件级因素对装配难度的影响 分析装配方向 路径等装配结构级因素对装配难度的影响 分析装配条件 装配系统布局等装配工艺 级因素对装配难度的影响等 属于这一类的可装配性评价的方法有 1 b o o t h r o y d 和d e w h u r s t 的d f m a 方法 这种方法主要用于手工装配 它基于 一个数据库 这个数据库中包含有对于不同的装配操作估计所需的装配时间 装配操 作依赖于零件的设计及其如何进行装配 该方法存在的不足之处在于没有考虑产品装 配顺序的问题 没有从系统的角度考虑一个产品模型 2 l u c a sd f a 方法 4 这种方法的基础来自于对与b o o t h r o y d 和d c w h u r s t 相同 项目的研究 因此两个系统有着共同点 即减少零件数量和分析装配过程中零件的几 何特征 但该方法与b o o t h r o y d 的方法有着不同 其在于这种方法有一程序是为手工 装配而设计的 另外一程序是为自动化装配而设计的 3 s t u r g e s 在1 9 8 9 年描述了一种定量分析手工装配的方法 把装配性分为三级 评价 即零件级 系统级和工艺级 4 p o l i 等在1 9 8 6 年提出的电子数据表 4 1 这个电子数据表用来对产品在设计阶 段的装配进行估价 5 合肥工业大学的郑寿森把模糊评价的技术引入到并行工程环境下的产品可装 配性评价 建立了一个评价的数学模型 在这个评价模型中 他将评价的技术指标分 为底层和顶层二级 底层评价是对装配过程的每一步细节进行详细评价 顶层综合评 价就是在底层评价的基础上 结合总体结构的好坏等因素 对产品可装配性进行全面 的评价 6 我国的舒启林 王德俊 郝永平等人建立了零件级可装配性分析评价体系 5 1 对于零件质量 输送平稳性 零件外廓尺寸 零件的对称性和零件的可抓取性采用降 半梯形模糊集函数进行模糊评价 而对于有些因素计算机暂无法确定 需要根据设计 的经验进行评价 并综合以上各单因素的模糊评价值可得出待评价零件的可装配性 7 我国的冯禹 马玉林 蔡鹤皋等人分析了以往产品可装配性评价方法的不足 根据人工神经元网络的特点 阐述了人工神经网络在可装配性评价中运用的适用性和 基于人工神经网络的可装配性评价的实现方法1 3 8 我国的宋玉银 褚秀萍 蔡复之等人研究了集成化产品装配设计与模糊评价 方法f 6 根据产品装配数据和装配知识 基于广义键对产品可装配性进行模糊定量评 5 第一章绪论基于操作难度指标的可装配性评价方法 价 从而指导产品装配设计 实现了c a d d f a 的信息集成 3 传统d f a 的缺陷 1 后期评价多 反馈不及时 8 0 年代以来 国内外开展了大量关于d f a 评价 的研究 并提出了许多方法 这些方法各有侧重和特点 但主要用作可装配性的分析 评价工具 当产品的设计进行到一定阶段后 对结构的可装配性进行评价 或者对不 同的装配结构进行分析比较 尽管这些方法都希望能在产品的概念设计一开始就发挥 作用 但实际分析却基于零件的装配操作 这种 事后监督 的方式难以避免零部件设 计的返工 d f a 的作用也不能充分发挥出来 可装配性评价往往发生在产品的详细设计完成之后 因此对产品结构的简化仅仅 限于合并或减少零件 原始设计中零部件划分的总体格局并未改变 从而不能对产品 的概念设计提供充分有效的支持 2 全面评价不够 产品可装配性评价技术是d f a 的关键技术 仔细分析现有的 这些评价方法 发现存在着不少问题 主要是现有方法中对影响产品可装配性的各个 因素 特别是装配工艺的因素单独进行评价研究较多 而对产品的可装配性进行全面 多因素的评价 并利用评价结果进行装配方式在线优化的研究成果未见报导 也没有 成熟的系统 如 以往的d f a 评价主要根据零件级特征进行产品可装配性 装配难度 评价 而 实际上配合间隙 插装方向等装配系统级特征 对装配难度具有同样重要的影响 装 配系统级特征是指装配体内零件与零件之间 特征与特征之间的相互关系导致的影响 装配难度的因素 其中 零件的插装方向就是主要的装配系统级特征之一 3 各区间的边界附近评价值变化不连续 与实际情况明显不符 这些方法各有 侧重和特点 但都是依据普通集合理论 以分类的方法将原本连续变化的产品可装配 性影响因素值离散化后 进行的针对典型工况的装配评价 这种评价方法存在的主要 缺陷是 各区间的边界附近评价值变化不连续 与实际情况明显不符 所以这种评价 方法 很难准确反映各种装配工况下的产品可装配性 从客观上讲 实验条件也决定 了实验中设定的装配工况的变化不可能是连续的 因此 如何由有限的工程实验结果 导出连续的产品评价模型 以适应各种工况下可装配性分析评价的需要 是客观 全 面地评价产品可装配性的关键 4 d f a 与c a d 结合不够紧密 随着c a d 技术的发展和应用 把d f a 分析方 法和过程集成到c a d 环境或系统之中势在必行 借助相应的计算机软硬件 交互或 自动进行产品概念设计 结构设计 形成相应的各级产品模型 抽象的装配描述或详 6 基于操作难度指标的可装配性评价方法第一章绪论 细的装配结构 在每一设计阶段或设计阶段的任一环节 d f a 分析模块直接从c a d 系统中获取有关装配的信息 进行产品装配性能的分析评价 在保证实现功能的前提 下给出再设计的建议 d f a 的意义在于发生在设计过程的早期 这时尚未有完整详 细的产品信息 这正是d f a 和c a d 集成的难点所在 5 局限于分析个别零件的可装配性 指示其不足 但没有给出再设计建议 设 计的改进也完全依赖于用户 同时 较少考虑实际的装配工艺 装配条件和装配环境 因而使可装配性评价缺乏一定的针对性 评价体系不够科学 6 依赖用户手工填写计算表格和绘制装配顺序流程图 或者在计算机软件支持 下通过人机对话要求用户回答大量的有关装配的问题 不仅繁琐 效率低 而且容易 出错 7 缺乏对可装配性设计规则的管理机制 设计规则的反馈 扩充和修改没有受 到重视 因而评价中存在的同一类问题常常重复发生 8 模糊数学及人工神经网络技术以及遗传算法的发展给产品可装配评价提供了 很不错的工具 现在也出现了许多单独通过模糊方法或人工神经网络的方法来对产品 可装配性进行评价 但是仍存在这样或那样的不足 1 3 本课题主要研究内容 1 产品可装配性评价基本原则及影响因素的研究 从可装配性评价的本质要求 出发 确立一个基于装配操作难度的评价指标 建立一个科学的 全面的可装配性评 价基本原则 从概念设计与可操作性两方面对影响可装配性的影响因素进行系统分 析 并对各个影响因素的相对操作难度运用模糊理论中的隶属函数进行具体的评定 从而为可装配性评价方法模型的建立打下了良好的理论基础 2 基于操作难度指标的可装配性评价方法的研究 通过对零件间装配关系的研 究 建立反映装配零件装配动作系列的装配连接图 从而在可操作性方面构建 装配 关系 装配动作 可装配性影响因素 的可装配性评价思路 并应用神经网络构 建以操作难度为评价指标的可装配性评价模型 建立各个评价因素的变化和产品可装 配性评价结果的非线性关系 使可装配性评价具有连续性和全面性 以达到满足自顶 向下的设计思路和评价结果的反馈与设计改进的同步性 3 实验研究 利用构建的基于操作难度指标的可装配性评价模型对其进行可装 配性评判实验研究 以证明评价方法的可行性 7 第一章绪论基于操作难度指标的可装配性评价方法 1 4 本章小结 2 l 世纪的制造业正向着以信息化为特征的系统技术时代迈进 而产品装配已成 为制约生产的瓶颈之一 因此对产品可装配性评价技术进行研究和应用 对于增强制 造企业的产品竞争力具有重要意义 本章对d f a 的起源以及产品可装配性评价技术 的发展现状进行认真的研究 系统分析了传统d f a 评价技术的不足 指出了传统 d f a 技术后期评价多 反馈不及时 全面评价不够 各区间的边界附近评价值变化 不连续 与实际情况明显不符等缺陷 从而提出了本课题研究的内容 基于操作难度指标的可装配性评价方法第二章产品可装配性评价基本原则及影响囡素 第二章产品可装配性评价基本原则及影响因素 2 1 可装配性评价的基本原则 建立一个科学的 全面的可装配性评价系统 是关系到可装配性设计的一个重要 环节 主要应遵循以下四个原则 1 反映自顶向下的设计思想 大多数机电结构型产品整机的传统三维设计方法是先对组成概念设计模型的零 件进行详细的几何结构设计 然后再对所有的结构零件进行装配 它是在脱离产品总 体设计要求的状态下进行单个零部件的三维设计和产品布局设计 并使用较简单的手 段和方法来判定是否满足设计要求和设计标准 然后设计师再将零部件装配在一起进 行最终的整机产品校验 这种方法通常称为自底向上设计或者叫产品的装配设计 它 的缺陷是所开发的产品不仅缺乏整机设计标准和设计要求的继承性 而且在产品的整 个设计阶段一些重要的产品设计信息 零部件信息没有得到很好地建立和控制 往往 到了最后的详细设计和检查阶段才会发现初期设计的一些问题 为此设计师需花费大 量的时间对产品三维模型进行修改和重建 这种 自下而上 的设计方法与实际设计过程是相悖的 实际中工程技术人员通 常的设计过程是 需求分析一概念设计 装配草图的设计 一零件详细设计一装配图 设计 其中的结构设计一般是先设计装配图 再设计零件图 装配图和零件图是相互 关联的 初始的装配图和零件图设计都是粗略的 以后逐步反复细化和充实 这种设 计流程叫做 自顶而下 t o p d o w n 的设计 t o p d o w n 的设计方法是在产品整机设计阶段的最初就定位在产品系统构成的 最高层面来考虑产品的总体设计和功能性设计 这种方法是从产品构成的最项层开始 把组成整机的部件作为系统的一个零件来考虑 并根据其在产品中的相互位置关系 所起的作用和实现的功能等建立产品构成的二维 以下简称2 i dl a y o u t 和3 d s k e l e t o n 图形 通过给定设计约束条件 关键的设计参数等设计信息 集中地捕捉产 品整机设计意图 自上而下地传递所给设计信息展开产品的整个设计过程同 因此 对一个产品系统进行可装配评价不应该停留在先评价零件级因素 再评价 系统级因素的传统评价方法上 而应建立与自顶向下的设计进程相符合的评价流程 即首先在概念设计阶段进行概念评价 然后才能进行零件级和装配工艺级的评价 2 突出相对操作难度的评价指标 q 第二章产品可装配性评价基本原则及影响因素基于操作难度指标的可装配性评价方法 w y n n e h s u 等人指出 在制造业中 大约有1 3 左右的人力在从事有关产品装配 的活动 rhs t u r g e s 等人指出 产品装配已成为制约生产的瓶颈之一 为此 通常采 用的增加工人 增加装配机械 增加装配检测装置等对策 则要使产品装配成为许多 工厂的最大开支 据统计 在现代制造业中 装配工作量占整个产品制造工作量的 2 0 7 0 装配时间占整个制造时间的4 0 6 0 8 装配费用则占了整个生产成本的 3 0 一5 0 因此 进行产品的可装配性评价 就应该以减少装配在产品制造中的工 作量 工作时间和成本比例为目标 而装配是按技术要求 将若干零件结合成部件或 若干个零件和部件结合成机器的过程 是一个基于装配工艺路线下的装配标准操作的 组合系统 每个标准操作的难度将决定着对装配资源的取用 影响着装配工艺的成本 和工作量 因此 使产品于设计阶段就能并行考虑装配各标准操作的相对操作难度因 素 使设计一开始便朝向便于装配的方向 有利于提高产品的制造效率 3 利于产品设计的及时反馈 对产品进行可装配性设计 是改变传统的串行设计的方法 使产品设计在初期便 考虑装配的可实施性 采用电子样机的设计方式 从而避免了物理样机的反复试制 为了使电子样机能从概念设计到零件结构的细化设计的顺利进行 提高电子样机的设 计效率 产品可装配性评价应同步于产品设计 及时反馈同步评价结果 使评价结果 能快速反映 设计缺陷得到快速纠正 4 注重可装配性评价的全面性 产品可装配性评价技术是d f a 的关键技术 评价不但要反映各个单因素对产品 可装配性的影响 还要反映综合因素对产品可装配性的影响 要通过定性或定量分析 的方法 建立一套科学的数学评价模型 实现可装配性评价的全面性 从而有利于产 品设计的整体优化 2 2 可装配性的影晌因素分析 2 2 1 产品可装配性分析及其意义 在机械制造领域 影响产品可装配性的因素一般可分为两个方面 即 1 零部件的获取阶段 2 零部件的装配阶段 在零部件的获取阶段 零件或装配对象从进料处到达装配地点 在零部件的装配 阶段 对装配对象进行定位 紧固 调整和固定等操作 在可装配性分析中 需要考 察上述阶段中各种操作的难度 找出影响可装配性的因素 进而在分析的基础上 建 立可装配性评价模型 1 0 基于操作难度指标的可装配性评价方法第二章产品可装配性评价基本原则及影响因素 1 装配过程分析 机械装配可以分为手工装配 自动装配和机器人装配三种 由于目前产品的多样 性 产品更新周期短 生产批量少 特别是在我国人力资源充足 自动化程度不够高 的情况下 机械装配仍以手工装配为主要方式 因此 本课题以手工装配为研究对象 考察一个最简单的装配过程 减速器箱盖的装配过程 若一批箱盖与螺栓 螺母 存放在料箱中 在手工装配的情况下 装配活动包括以下基本操作 1 工人的手对箱盖的表面定向 2 工人的手抓取箱盖 3 将箱盖放至箱体上并进行定位 4 工人的手对螺栓的表面定向 5 工人的手抓取螺栓 6 工人将将螺栓插入箱盖孔中 7 工人的手对螺母的表面定向 8 工人的手抓取螺母 9 工人用手指将螺母拧在螺栓上 以实现紧固 q 0 用板手拧紧螺母 使箱盖固定 以上只是一个箱盖的装配操作 从上述装配活动中可以看出它涉及一些基本的装 配工序 即 定向一抓取一搬运一定位一紧固一固定 由于在手工装配中 定向 抓取和搬运是一个比较易于实现的工作 对产品的可 装配性影响较小 故本课题主要研究零件定位 紧固 固定等装配操作的影响因素 并对影响共可装配性的因素进行定量分析 以利于评价的顺利进行 2 可装配性分析的任务 可装配性分析可从两个方面进行 即概念设计分析和可操作性分析 概念设计分 析是配合自顶向下设计的概念设计思想进行的 主要考察产品结构设计的合理性 如 冗余零件数 标准 互换件数 基准件的确定 装配关系数 产品结构紧凑程度及可 回收性等 它们决定产品的装配路径 装配顺序 决定了产品可装配性难度的水平 可操作性分析则是从组成产品装配工艺的基本装配动作着手进行分析 从影响装配操 作的两个方面 即零件特征和资源特征两方面进行评价 零件特征决定了产品的定位 紧固等操作方式 资源特征则影响零件的调整 校准和固定等操作难度的水平 如工 具的先进性 技术人员的技能水平 工作环境的等级 等等 个完整的可装配性分析过程应当包括概念设计评价和可操作性评价两个部分 l l 第二章产品可装配性评价基本原则及影响因素基于操作难度指标的可装配性评价方法 以便在可装配性分析的基础上 为实现产品的功能需求和制造目标 对产品的制造和 装配要求进行权衡 以较少的花费取得最好的经济效益 本课题在多年的研究与实验 中 建立了如下的可装配分析体系结构 以获得综合优化的设计结果 便于产品从开 始便向着可装配方向发展 图2 1 给出了产品可装配性分析的概念框图 冗余零件数 图2 1 产品司装配性分析的体系结构 2 2 2 影响产品可装配性的因素 1 概念级因素 考察概念级因素 是从自顶向下的设计思想出发 使产品设计的开始便使产品的 整体结构朝着可装配方向发展 概念级因素主要考虑冗余零件数 标准件数 装配关 系数 并行性等 是影响可装配性水平的重要因素 1 冗余零件数 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 冗余零件越少产品的结构越精简 1 2 基于操作难度指标的可装配性评价方法第二章产品可装配性评价基本原则及影响因素 装配效率越高 为了尽量减少冗余零件 我们需建立一个冗余零件准则 该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 n 6 n 2 i 式中 产品中的零件总数 产品中的必要零件总数 产品中的有用零件总数 产品中的冗余零件总数 这里借用b 疵o y d 的思想h 1 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 产品在功能上要求该零件要相对已装配上的零部件 运动 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 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 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 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 为了考察冗余零件在可装配性评价因素体系中的作用 可通过产品装配性 设计效率进行定量考察 现定义产品装配设计效率如下 己 型l 2 2 n o n b 七nc 其中 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 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蹭3 2 标准件数 标准件是指一些常用的零件 如螺栓 弹簧 键等等 为了规范 统一 通用而 制定了相应的标准 是具有标准代号的零 部 件 元器件和外购件 一般有国家标 1 3 第二章产品可装配性评价基本原则及影响因素基于操作难度指标的可装配性评价方法 准件 专业标准件 企业标准件 前两种多为高效的专业化生产 可直接外购 后者 由企业自行生产 它可采用高效率生产设备 一般来说 产品中标准件越多 则可减少使用的专用工夹具 装配成本低 提高 装配效率 但像紧固件类的联接件 如螺栓 螺母 螺钉 垫片等 则在产品的装配 中影响了装配效率 设计中应尽量减少紧固件的数量 为了考核标准件对装配效率的影响 可通过标准件系数考察标准件在装配中的 影响 弘烈 一言 c 2 弓 其中 s 标准件数 f 标准紧固件数 厶 标准件系数 若系数偏低 可通过增加非紧固类的标准件数或减少紧固件数来调整 总之 f 能够从产品装配效率的角度量化产品装配的可装配性 3 装配关系数 装配关系是指零部件之间的相对位置和配合关系 它反映了零件之间的相互约束 关系 装配关系多增加产品的装配难度 延长了产品的装配时间 为了评价装配关系数对产品可装配性的影响 可通过装配关系系数考察装配关系 在装配中的影响 现定义产品装配关系系数如下 岛 1 一箬 2 4 o 其中 零件总数 m 装配关系数 c 产品相互两个零件可能产生的最大装配关系数 若产品每两个零件之间均有装配关系 则装配关系系数为o 零件间的约束关系 复杂 装配难度相对最大 因此 在设计中要尽量降低装配关系数 4 装配规划任务的并行性 在产品概念设计中 装配规划任务执行的并行性是影响产品装配工作量的一个重 要因素 装配规划任务具有并行性的产品装配 装配子任务可并行地执行 关于并行性的相关概念 在给出评价装配任务并行性的形式化公式之前 先定义几个概念 基于操作难度指标的可装配性评价方法第二章产品可装配性评价基本原则及影响因素 定义l 装配任务 将两个零件 一个零件和一子装配体或两个子装配体装配成 更复杂的子装配体或装配体的操作过程 定义2 线性装配规划 装配任务的串行序列 定义3 非线性装配规划 装配任务的并行序列 线性装配规划装配任务必须一项一项地执行 非线性装配规划装配任务可并行地 执行 线性和非线性装配规划的示意图如图2 2 所示 线性装配规划a 线性装配规划b 图2 2 线性与非线性装配规划 假定图2 2 所示的装配规划b 中的部分装配任务可并行执行 装配规划b 将使 用较少的装配时间 装配规划中并行装配任务数与总装配任务数之比是衡量装配规划 优劣的指标之一 在不违反装配任务序列约束的前提下 为缩短装配时间 装配任务 应尽可能地并行执行 为提高装配规划任务的并行性 可对装配规划进行编辑修改 使得 a 修改后的装配规划仍然是可行装配规划 b 修改后的装配规划具有最短的 临界装配路径 并行任务数的计算 在产品概念设计时 把组成整机的部件作为系统的一个零件来考虑 并根据其在 产品中的相互位置关系 所起的作用和实现的功能等建立产品构成的二维和三维 零 件的结构在约束条件的传递下逐步细化 并行执行装配的最主要特征是每一个并行的 任务都要有一个独立的装配基准 最先进入装配的零件称为装配基准件 它可以是一 1 5 第二章产品可装配性评价基本原则及影响冈素基于操作难度指标的可装配性评价方法 个零件 也可以是最低一级的装配单元 因此 装配基准件上的基准面数决定了装配 任务的并行数 第二个进入装配任务的零部也有若干个不同的装配基准面 则又可增 a n 级的并行任务数 依此类推 可得到产品级的并行任务数 n n 2 他 玖 2 5 其中 i 产品总的装配并行数 l i 第一级基准件的装配基准面数 第二级基准件的装配基准面数 l 第n 级基准件的装配基准面数 在概念设计中 我们先可以把零件数作为装配任务