基于多工位裝配夾具補(bǔ)償?shù)娜嵝约b配尺寸偏差控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)，尤其是一種柔性件多工位裝配偏差控制方法， 具體是一種基于多工位裝配夾具補(bǔ)償?shù)娜嵝约b配尺寸偏差控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 柔性零件由于其自身具有可變形及回彈特性，在裝配過(guò)程中可以通過(guò)變形克服由 于誤差產(chǎn)生的間隙和干涉，但是裝配件會(huì)發(fā)生變形和產(chǎn)生裝配應(yīng)力。在實(shí)際工程中，復(fù)雜產(chǎn) 品往往需要在多個(gè)工位上裝配而成。轉(zhuǎn)換工位時(shí)，裝配偏差會(huì)隨工位的推進(jìn)而傳遞，并逐漸 累積，同時(shí)還會(huì)因定位基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生重定位偏差。在多工位裝配中，尺寸偏差過(guò)大常導(dǎo) 致配合間隙不均勻、裝配協(xié)調(diào)性較差等問(wèn)題，最終影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，需要運(yùn)用有效的方 法減小柔性件多工位裝配偏差，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本。
[0003] 通過(guò)研究裝配過(guò)程中偏差的傳遞與累積，一些減小偏差影響的方法已經(jīng)被廣泛使 用，用來(lái)減小尺寸偏差對(duì)于最終裝配產(chǎn)品質(zhì)量的負(fù)面影響，改善產(chǎn)品質(zhì)量。其中，最普遍的 方法是穩(wěn)健性設(shè)計(jì)，其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段發(fā)揮作用，并盡可能降低產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)于偏差的敏感 度和生產(chǎn)階段的干擾。另一種方法是采用統(tǒng)計(jì)過(guò)程質(zhì)量控制（SPC)檢測(cè)生產(chǎn)過(guò)程中的均值 漂移和偏差變化，需要運(yùn)用糾正或調(diào)整措施將過(guò)程恢復(fù)到正常的運(yùn)行條件。然而，穩(wěn)健性設(shè) 計(jì)只能降低偏差的影響，不能直接提高質(zhì)量;統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制具有滯后性，且不能提供自動(dòng)控 制尺寸偏差的系統(tǒng)方法。統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制(SPC)需要大量樣本來(lái)確定誤差源，所以不能在逐件 裝配中補(bǔ)償誤差。上述這兩種方法都不能在裝配過(guò)程中即時(shí)減小誤差。
[0004] 1996年，Nguyen和Mills改善了自動(dòng)、穩(wěn)健的無(wú)夾具裝配元件，采用多種控制器，把 零部件的力學(xué)模型與力傳感器讀數(shù)相結(jié)合，用來(lái)將金屬薄板件精確定位到名義位置。然而， 它不能通過(guò)更改零部件位置(非名義位置)來(lái)補(bǔ)償最終裝配體的關(guān)鍵產(chǎn)品特征偏差，從而控 制零部件的尺寸偏差。2006年，Hu和Camelio采用了控制零部件誤差的方法解決柔性件裝配 過(guò)程中的尺寸偏差問(wèn)題，提出了一種用于控制輸入零部件誤差的自適應(yīng)控制框架，由預(yù)裝 配測(cè)量和優(yōu)化兩部分組成，用來(lái)決定最優(yōu)控制行為，使組裝后的關(guān)鍵產(chǎn)品特征(KPC)偏差最 小。然而，他們只給出了這種啟發(fā)式方法的概念性框架，并沒(méi)有涉及如何實(shí)施偏差補(bǔ)償?shù)姆?法;而且沒(méi)有考慮該方法的適用范圍，只能短時(shí)間內(nèi)勉強(qiáng)用于決定實(shí)際裝配過(guò)程中的控制 行為，該控制過(guò)程若用于實(shí)時(shí)在線(xiàn)控制，需要一個(gè)高效的離線(xiàn)算法獲得誤差與控制行為之 間的關(guān)系。2007年Lzquierdo等提出了 一種面向單工位裝配的實(shí)際反饋控制方法，可以實(shí)時(shí) 減小線(xiàn)性裝配系統(tǒng)的偏差。2012年，Xie提出一種用于柔性薄板件裝配的逐件控制誤差補(bǔ)償 方法，以改善裝配偏差質(zhì)量。該方法包含離線(xiàn)控制模塊，考慮零件間的接觸和摩擦，采用仿 真模型決定控制行為，使得裝配體的KPC偏差最小。但是基于有限元仿真的方法，需要針對(duì) 每個(gè)裝配件建立仿真模型，在實(shí)時(shí)性和用于生產(chǎn)控制的可行性方面存在較大局限；并且未 考慮多工位裝配模式下如何實(shí)現(xiàn)裝配偏差的連續(xù)控制。
[0005] 因此，建立一種適用于柔性件多工位裝配過(guò)程的適應(yīng)性控制方法，通過(guò)在定位或 重定位環(huán)節(jié)實(shí)施夾具補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)減小裝配偏差，將有助于科學(xué)、準(zhǔn)確地減小柔性件多工 位裝配中的裝配偏差，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的針對(duì)柔性件多工位裝配偏差的適應(yīng)性控制差的問(wèn)題，發(fā)明一種基于 多工位裝配夾具補(bǔ)償?shù)娜嵝约b配尺寸偏差控制方法。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0008] -種基于多工位裝配夾具補(bǔ)償?shù)娜嵝约b配尺寸偏差控制方法，其特征在于：首 先，在柔性件多工位裝配過(guò)程，逐工位的預(yù)測(cè)、補(bǔ)償裝配偏差，并使參與夾具補(bǔ)償?shù)膴A具定 位點(diǎn)位置在一定范圍內(nèi)能法向調(diào)節(jié);其次，以控制理論中狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，在柔性件多工 位裝配的定位或重定位環(huán)節(jié)中加入夾具補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行偏差數(shù)據(jù)采集、補(bǔ)償方案優(yōu)化和補(bǔ)償 實(shí)施，以減小即將進(jìn)行裝配的工位上的裝配偏差。也就是說(shuō)，本發(fā)明以定位點(diǎn)法向可調(diào)夾具 為裝配設(shè)備，在柔性件多工位裝配的定位或重定位環(huán)節(jié)中，采用調(diào)節(jié)后續(xù)工位的夾具定位 點(diǎn)法向補(bǔ)償量的方法來(lái)減小該工位裝配件的法向偏差，從而減小最終裝配件的偏差。用于 柔性件多工位裝配的夾具補(bǔ)償系統(tǒng)包括偏差數(shù)據(jù)采集、補(bǔ)償方案決策、補(bǔ)償實(shí)施三個(gè)模塊， 可以通過(guò)以下技術(shù)路線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0009] 1.偏差數(shù)據(jù)采集
[0010] 偏差數(shù)據(jù)采集模塊是夾具補(bǔ)償系統(tǒng)的輸入部分。由于整個(gè)裝配系統(tǒng)的輸入量，即 參與裝配的所有零件的制造偏差為已知量，包含第一個(gè)工位的夾具補(bǔ)償系統(tǒng)的輸入，因此 第一個(gè)工位不需要實(shí)施偏差數(shù)據(jù)采集;對(duì)于除第一個(gè)工位以外的其它工位，偏差數(shù)據(jù)采集 是指采集即將在后續(xù)工位中進(jìn)行裝配的、由前置工位裝配完成的子裝配件的尺寸偏差值。 將子裝配件的關(guān)鍵產(chǎn)品特征(KPC)以及后續(xù)工位中其夾具定位點(diǎn)位置、裝配連接點(diǎn)位置作 為偏差數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，采集數(shù)據(jù)的方式包括：由前置工位的裝配偏差傳遞模型推導(dǎo)得出和由 測(cè)量工具測(cè)量得到。
[0011] 2.補(bǔ)償方案決策
[0012] 補(bǔ)償方案決策模塊是夾具補(bǔ)償系統(tǒng)的核心部分，包括裝配偏差建模、補(bǔ)償量?jī)?yōu)化 模型建模與最優(yōu)補(bǔ)償量求解三個(gè)步驟。
[0013] 2.1裝配偏差建模
[0014]將夾具定位點(diǎn)的法向補(bǔ)償量作為一組可調(diào)變量，建立即將進(jìn)行裝配的后續(xù)工位上 的柔性件裝配偏差傳遞模型。對(duì)于第一個(gè)工位，考慮的偏差源為參與裝配的零件制造偏差 與夾具定位偏差;對(duì)于除第一個(gè)工位以外的其它工位，考慮的偏差源包括參與裝配的子裝 配件裝配偏差、零件制造偏差和夾具定位偏差。建模過(guò)程包括定位、夾緊、連接、釋放回彈四 個(gè)步驟，對(duì)柔性件的變形采取小變形、線(xiàn)彈性假設(shè)，將關(guān)鍵產(chǎn)品特征(KPC)作為測(cè)點(diǎn)，運(yùn)用影 響系數(shù)法的理論建立裝配過(guò)程中柔性件各測(cè)點(diǎn)與各偏差源在變形和回彈時(shí)的關(guān)系。采用有 限元軟件對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)行仿真，提取定位、夾緊、連接和釋放回彈步驟中各裝配力與變形的 超元?jiǎng)偠染仃?。最終建立夾具定位點(diǎn)法向補(bǔ)償量、偏差源偏差與該工位裝配件的測(cè)點(diǎn)偏差 之間的偏差傳遞關(guān)系，即為該工位的裝配偏差傳遞模型。
[0015] 2.2補(bǔ)償量?jī)?yōu)化模型建模
[0016]根據(jù)上述后續(xù)工位上考慮夾具定位點(diǎn)法向補(bǔ)償量的柔性件裝配偏差傳遞模型，建 立該工位基于夾具補(bǔ)償?shù)难b配偏差優(yōu)化模型。優(yōu)化變量是夾具的可調(diào)定位點(diǎn)的法向補(bǔ)償 量。優(yōu)化目標(biāo)有多個(gè)，包括:使該工位裝配件的各測(cè)點(diǎn)偏差的平方和最小，使夾具各可調(diào)定 位點(diǎn)的補(bǔ)償量的平方和最小。約束條件包括:各夾具定位點(diǎn)的補(bǔ)償量在一定的可調(diào)節(jié)范圍 之內(nèi)，裝配件的各測(cè)點(diǎn)偏差在裝配工藝要求允許的范圍之內(nèi)。
[00Π ] 2.3最優(yōu)補(bǔ)償量求解
[0018] 由裝配偏差傳遞模型可以得到：當(dāng)偏差數(shù)據(jù)采集模塊給定一組輸入偏差量時(shí)，裝 配件測(cè)點(diǎn)的偏差和夾具定位點(diǎn)法向補(bǔ)償量呈線(xiàn)性關(guān)系，故該優(yōu)化模型的求解為二次規(guī)劃問(wèn) 題。構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，在約束條件規(guī)定的范圍內(nèi)，得出滿(mǎn)足優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)解。這里需要根據(jù) 有無(wú)可行解進(jìn)行分情況討論。如果存在可行解，則在下一模塊中依照其調(diào)節(jié)夾具定位點(diǎn)的 補(bǔ)償量;如果沒(méi)有可行解，則需要考慮采用其它方式保證裝配質(zhì)量，如:考慮在該工位添加 新的夾具定位點(diǎn)等，這些方法的具體實(shí)現(xiàn)方案不在本發(fā)明的研究?jī)?nèi)容之中。
[0019] 3.補(bǔ)償實(shí)施
[0020] 補(bǔ)償實(shí)施模塊是夾具補(bǔ)償系統(tǒng)的執(zhí)行部分。根據(jù)上述方案決策模塊中對(duì)基于夾具 補(bǔ)償?shù)难b配偏差優(yōu)化模型的求解結(jié)果，調(diào)節(jié)可調(diào)夾具定位點(diǎn)的法向補(bǔ)償量。如果調(diào)節(jié)夾具 定位點(diǎn)無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)該工位裝配偏差質(zhì)量的要求，則考慮采用增加夾具定位點(diǎn)數(shù)量等方法， 該內(nèi)容不在本發(fā)明的實(shí)施范圍之內(nèi)。
[0021] 本發(fā)明的有益效果是:基于多工位裝配夾具補(bǔ)償?shù)娜嵝约b配尺寸偏差控制方法 可以利用多工位裝配中的定位或重定位環(huán)節(jié)，根據(jù)即將進(jìn)行裝配的后續(xù)工位的輸入偏差， 即時(shí)、準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)該工位的夾具定位點(diǎn)法向補(bǔ)償量，實(shí)現(xiàn)逐工位的柔性件裝配偏差適應(yīng)性 控制，以保證最終裝配產(chǎn)品偏差質(zhì)量的合格率。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1采用夾具補(bǔ)償?shù)娜嵝约喙の谎b配過(guò)程示意圖。
[0023] 圖2用于柔性件多工位裝配尺寸偏差控制的夾具補(bǔ)償系統(tǒng)流程圖。
[0024] 圖3定位點(diǎn)法向可調(diào)夾具的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖4柔性件多工位裝配在工位k中3-2-1定位階段的示意圖。
[0026] 圖5柔性件多工位裝配在工位k中N-2-1定位階段的示意圖。
[0027] 圖6柔性件多工位裝配在工位k中夾緊階段的示意圖。
[0028] 圖7柔性件多工位裝配在工位k中連接(鉚接)階段的示意圖。
[0029] 圖8柔性件多工位裝配在工位k中釋放鉚槍階段的示意圖。
[0030] 圖9柔性件多工位裝配在工位k中釋放額外定位點(diǎn)階段的示意圖。
[0031] 圖10柔性件多工位裝配在工位k中釋放過(guò)約束定位點(diǎn)階段的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明做出進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0033] 如圖1-10所示。
[0034] -種基于多工位裝配夾具補(bǔ)償?shù)娜嵝约b配尺寸偏差控制方法，它在柔性件多工 位裝配過(guò)程，逐工位的預(yù)測(cè)、補(bǔ)償裝配偏差，并使參與夾具補(bǔ)償?shù)膴A具定位點(diǎn)位置在一定范 圍內(nèi)能法向調(diào)節(jié)。同時(shí)以控制理論中狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，在柔性件多工位裝配的定位或重 定位環(huán)節(jié)中加入夾具補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行偏差數(shù)據(jù)采集、補(bǔ)償方案優(yōu)化和補(bǔ)償實(shí)施，以減小即將 進(jìn)行裝配的工位上的裝配偏差。詳述如下：
[0035] 圖1給出了采用夾具補(bǔ)償?shù)娜嵝约喙の谎b配過(guò)程的示意圖，與運(yùn)用狀態(tài)空間法 描述的常規(guī)的多工位裝配過(guò)程相比，在各工位的定位或重定位環(huán)節(jié)之中增加了夾具補(bǔ)償系 統(tǒng)。其中，第一個(gè)工位以零件偏差X〇為系