多工位薄板装配偏差流传递的状态空间模型

借鉴控制理论中的状态空间方法,研究多工位薄板装配过程中偏差流传递、变换和累积关系的状态空间模型.以零件偏差为状态矢量,夹具偏差为控制矢量,研究夹具偏差和零件偏差之间的对应关系以及零件在工位间转换过程中的重定位偏差,建立多工位装配过程偏差流传递的状态方程;以零件测量偏差为输出矢量,建立表征测点位置和数量的输出方程.最后通过实际零件的装配过程说明该模型的应用方法.     

多工位装配过程夹具系统公差和维护综合优化设计

提出一种面向二维多工位装配过程、综合考虑装配夹具系统全寿命周期成本、产品零件孔制造成本和产品质量损失成本的公差和维护综合优化方法。分析多工位装配尺寸偏差传递关系,建立多工位装配过程产品质量损失模型。然后根据4-2-1夹具定位原则,构建考虑夹具磨损过程损失的夹具定位销副偏差统计数字特征模型。继而发展了以夹具系统全寿命周期成本、零件孔制造成本和和产品质量损失成本为装配总成本最小化的定位销公差、零件孔公差与更换周期优化模型。以汽车侧围装配过程为例,分别研究定位销公差、零件孔公差、定位销更换周期、配合间隙、平均磨损率和磨损率方差对装配总成本的影响,并优化设计定位销公差、零件孔公差和定位销更换周期。所提出的综合优化设计方法比采用定位销等公差设计、零件孔等公差设计、定位销与零件孔等公差设计和定周期更换设计的装配总成本分别减少了16.25%、11.31%、39.93%和13.54%。该方法为产品装配夹具系统高质量低成本设计提供了一种新的途径。     

车身多工位装配系统可靠性评估与维护策略研究

针对车身多工位装配系统夹具的衰退过程,提出了夹具元件磨损、来料零件偏差以及定位元件配合公差等多因素集成影响下的车身装配系统可靠性评估方法。在给定车身波动阈值条件下,提出了基于可靠性模型的多工位夹具部件的动态维护策略。通过一个四工位薄板件装配案例对所提方法进行了应用验证,为夹具系统维护与车身尺寸质量控制提供了理论指导。     

车身柔性虚拟装配偏差模拟分析

在轿车样车试制阶段,为了减少车身尺寸功能评估周期和降低评估成本,引入了车身的虚拟装配.针对功能评估中虚拟装配关键技术,包括装配过程夹具偏差、焊接处理及多工位装配等提出解决方案,实现了在考虑制造偏差、夹具偏差、连接偏差和多工位装配基础上的车身虚拟装配.通过案例论证了提出的虚拟装配方法的可行性.结果表明,该模型的准确度较高,适用于柔性薄板零件的装配偏差分析.     

基于夹具配置的薄板件装配偏差分析模型

为提高当前柔性薄板零件装配偏差分析的效率,提出了一种考虑夹具配置的装配偏差分析模型。通过对柔性薄板的定位装配过程的研究,分析了零件偏差、夹具偏差和装配偏差在各个步骤中的变化过程,建立了N-2-1和3-2-1两种夹具定位规则下的装配前后偏差之间的线性关系;根据装配后夹具定位点的释放模式的不同,建立了过定位释放和完全释放两种模式下的装配偏差分析模型。最后,通过分析实例薄板的装配偏差,表明了该装配偏差分析模型的有效性。     

面向装配系统可靠性分析的车身夹具系统优化设计

为描述多工位车身装配系统的渐进衰退特性,建立了面向车身产品尺寸质量和夹具系统要素的装配系统可靠性模型。结合夹具设计稳定性参数约束,提出了面向白车身装配系统可靠性的车身多工位焊装过程的夹具布局优化方法;在给定夹具布局下构建了定位销制造成本函数,提出多工位夹具定位销磨损率的优化模型并对其进行优化分配。将上述方法应用于侧围装配案例,分析发现优化后装配系统可靠性衰退过程得到较大改善,并有效提升了夹具系统的使用寿命。     

基于偏差传递的二维多工位装配夹具系统公差可行稳健设计

提出一种基于偏差传递的二维多工位装配夹具系统公差可行稳健设计方法。分析二维多工位装配尺寸偏差传递关系,建立由定位销和零件定位孔(槽)公差引起夹具定位偏差的偏差流状态空间模型。采用数论网格方法对定位销和零件定位孔(槽)公差进行采样,将得到的公差样本代入夹具定位偏差模型,求得夹具定位偏差样本空间,将夹具定位偏差作为状态空间模型的输入偏差,提出基于状态空间模型的二维多工位装配成功率计算方法。继而应用Taguchi正交试验直观分析方法,分析得到影响装配成功率的主要因素即夹具系统定位销副关键公差,运用回归正交组合设计拟合得到二维多工位装配成功率与夹具系统定位销副关键公差的响应面模型。以定位销、零件定位孔(槽)制造成本所构成的装配成本最小化为目标,二维多工位装配成功率为约束,建立二维多工位装配夹具系统定位销和零件定位孔(槽)公差可行稳健设计模型。以汽车车身地板二维三工位装配为例,建立其公差可行稳健设计模型并对该模型进行计算与分析,结果表明在装配成本增幅较小的情况下,采用稳健约束后可显著提高公差设计的可行稳健性。该方法为二维多工位装配夹具系统公差稳健设计提供了一种新途径。     

基于数论网格法(NT-net)的二维多工位装配成功率计算方法与实例

提出一种基于数论网格法(NT-net)的二维多工位装配成功率计算方法。首先分析了数论网格法的偏差,描述了数论网格法产生glp集的原理。然后应用数论网格法对夹具定位偏差进行采样,将其代入二维多工位装配尺寸偏差传递状态空间模型中,计算得到二维多工位装配输出偏差。将计算结果和零件上测点允许偏差进行比较,统计出合格样本数,再将其除以总样本数,计算得到二维多工位装配成功率。最后,以车身地板装配为实例,在构建了车身地板二维三工位装配偏差传递模型基础上,求解其偏差传递矩阵,再运用数论网格法计算其装配成功率,并采用蒙特卡洛模拟法进行了验证和分析,结果表明了该方法的有效性。这为产品二维多工位装配成功率的预测提供了一种新的途径。     

运用随机有限元法与正交试验的车身焊装定位点稳健设计

基于随机有限元法与正交试验设计,提出一种车身薄板件焊装夹具定位点稳健设计方法。研究车身件焊接装配过程,通过随机有限元方法,建立焊装夹具误差与零件定位偏差的关系,有效模拟出车身零件因焊装夹具产生的法向定位偏差。以夹具定位点位置为设计参数,夹具定位误差为噪声参数,设计正交试验,分析不同定位方案下零件的定位精度,确定最佳定位方案。该方法在一前围侧板的焊装案例上得以验证。     

薄板装配工艺系统可靠性建模与分析

提出一种计入销/孔(槽)公差面向产品质量的薄板装配工艺系统可靠性建模方法。综合考虑定位销公差、零件孔(槽)公差和定位销磨损量,构建薄板装配偏差统计数字特征模型;分析推导定位销过程磨损模型,探讨装配质量与工艺系统可靠性之间的关系,综合考虑定位销故障率和过程磨损量对工艺系统可靠性的影响,建立工艺系统结构可靠性模型和面向装配质量的可靠性模型,继而形成薄板装配工艺系统可靠性建模方法;以车身侧板装配为例,应用提出的建模方法分析车身侧板装配工艺系统可靠性。结果表明：定位销磨损、夹具布局和销/孔(槽)公差是影响车身侧板装配工艺系统可靠性的重要因素。该方法为薄板装配工艺系统可靠性研究提供了一种新的思路。     

夹具定位方案的数学建模及其优化设计

针对计算机辅助夹具设计的设计质量仍取决于设计者或专家的经验与知识水平、难以得到最优设计结果这一现状，建立了基于工件位置偏移与定位源误差之间关系的定位方案运动学模型，提出了定位方案的优化设计准则，从而改变了传统夹具设计中定位方案的经验性设计模式。通过实例说明了定位方案的稳健优化过程。研究结果表明，基于运动学模型的定位方案优化方法可以提高定位质量。在汽车、航空航天等制造领域中，定位方案的优化方法具有理论与应用价值。     

A mathematical approach to analysis and optimal design of a fixture locating scheme

In manufacturing engineering, localization accuracy is a key concern in the design of a fixture to specify a locating scheme and tolerance allocation. This paper presents a general analysis methodology that is able to characterize the effects of localization source errors based on the position and orientation of the workpiece. From this methodology, a fixture model is formulated by taking into account the overall errors among the system consisting of the workpiece and the fixture in the design of the fixture locating scheme. With this model, the locating principle and a criterion of the robust optimal design are then proposed to improve the localization quality of the fixture. Some examples are provided and allow for a detailed discussion about how to carry out the optimal design of the locating scheme. A comparative study is also made between the optimal solution and the empirical one. Finally, an experiment is made to validate the fixture locating scheme for a cylindrical workpiece. We conclude that this robust design method effectively achieves stable machining precision in workpieces.     

薄板冲压件焊装夹具设计方法

由于薄板冲压件的易变形性和制造误差特征 ,薄板焊装夹具设计显著区别于普通机械加工工件定位夹具。本文首先介绍了夹具设计的形闭合与力闭合概念、螺旋理论的发展 ,给出了确切定位和完全夹紧条件 ;然后 ,重点阐述了面向薄板冲压件焊装夹具设计的“N- 2 - 1”定位原理和夹具的优化设计方法 ;最后分析了夹具的稳健性设计方法。可以预料 ,采用该方法可有效地减少和控制定位误差的影响。     

Machining fixture layout design using ant colony algorithm based continuous optimization method

In any machining fixture, the workpiece elastic deformation caused during machining influences the dimensional and form errors of the workpiece. Placing each locator and clamp in an optimal place can minimize the elastic deformation of the workpiece, which in turn minimizes the dimensional and form errors of the workpiece. Design of fixture configuration (layout) is a procedure to establish the workpiece–fixture contact through optimal positioning of clamping and locating elements. In this paper, an ant colony algorithm (ACA) based discrete and continuous optimization methods are applied for optimizing the machining fixture layout so that the workpiece elastic deformation is minimized. The finite element method (FEM) is used for determining the dynamic response of the workpiece caused due to machining and clamping forces. The dynamic response of the workpiece is simulated for all ACA runs. This paper proves that the ACA-based continuous fixture layout optimization method exhibits the better results than that of ACA-based discrete fixture layout optimization method.     

Principle and Simulation of Fixture Configuration Design for Sheet Metal Assembly with Laser Welding, Part 2: Optimal Configuration Design with Genetic Algorithm

A fixture plays a key role in ensuring proper metal fit-up in sheet metal assembly with laser welding. In this paper, an optimal fixture configuration design model is proposed based on a new locating scheme which includes both total locating and direct locating on welds. In this model, both the number and the location of the concerned locators are taken as objectives. The proposed prediction and correction method is used for determining the number of direct locators, and a pattern sorting method is developed for determining the number of total locators. Considering the degree of metal fit-up (DMF) to be a fuzzy quantity, a feasible evaluation criterion of DMF is also developed using a fuzzy synthesis evaluation method. A powerful optimisation technique – genetic algorithm – is employed as the optimisation procedure. A case study is presented which demonstrates the effectiveness of the optimal model, and the degree of metal fit-up can be improved compared to the initial locating scheme.     

Principle and Simulation of Fixture Configuration Design for Sheet Metal Assembly with Laser Welding, Part 1: Finite-Element Modelling and a Prediction and Correction Method

The quality of the stamping process has a direct effect on laser welded sheet metal assembly. The fixture plays an important role in the satisfactory metal fit-up that laser welding requires. The traditional "3-2-1" locating scheme will no longer suffice for the deformable laser sheet metal assembly process. Because of the often poor stamping quality, a complex die fixture has to be employed to meet the metal fit-up requirements. The die fixture corresponds to an "infinite-2-1" locating scheme where the tooling cost is very high and yet lacks flexibility. This limits the application of laser welding. In this paper, a new locating scheme with both total locating and direct locating for welds is proposed. A total locating scheme is used to locate the overall assembly, and a direct locating scheme is used to locate the weld location, which is critical for ensuring correct metal fit-up. A finite-element model and a prediction and correction method for the direct locator configuration are developed in this paper. A case study is used to show that the proposed method is effective for sheet metal assembly for laser welding.     

基于运动学方法的线性尺寸定位误差通用建模与分析

定位误差是评价夹具性能的重要指标 ,分析定位误差是夹具设计中的一个重要环节。由于定位元件与工件的制造误差 ,工件安装后将不可避免地产生位置偏移 ,定位误差就是由于工件上的工序基准点位置在加工方向上发生偏移而引起的。现有夹具定位方案误差分析方法 ,如合成法、极限位置法以及微分法所建立的定位误差计算模型仅适用于特定类型的定位方案 ,不具备通用性 ;而目前利用运动学方法所建立的夹具模型仅考虑了定位接触点位置的影响 ,没有考虑调刀基准点位置偏移的影响。为此 ,根据运动学方法 ,在完善夹具模型的基础上 ,本文提出线性尺寸定位误差的通用模型与分析技术。