基于实例的DFA装配质量研究 - 文章

基于实例的DFA装配质量研究

作者：马峻张宇李伯民

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摘　要：目的　研究DFA(Design For Assembly)下影响产品装配质量的因素并对其进行评价。方法　以曲柄连杆组部件为实例，依据有关设计方法学理论，分析了DFA中装配质量与装配模型的关系，论述了建立装配质量体系结构中装配特征表达的重要性。结果　构架了面向装配设计的DFA装配质量体系，以此原理结合实例对DFA中装配质量的分析做了具体的表达。结论　为并行设计中全面实施面向装配的设计以及为DFA下游的应用提供理论基础。
关键词：曲柄连杆机构；DFA；装配；质量

引　言

并行设计 (Concurrent Design) 简称 CD，强调在产品设计阶段必须充分考虑产品生命周期的各个方面，进一步缩短产品设计周期，降低产品设计与制造成本。因此，在 CD 中提出了面向 X 能力的 DFX-ability 设计技术[1]，即面向产品生命周期中的某一 X 阶段的设计。目前，DFX 技术的研究主要集中在DFA(面向装配的设计) 和 DFM (面向制造的设计)。现阶段DFA技术的研究内容主要包括：产品可装配性、装配合理性、装配效率、装配计划评价[2] 4 个方面，而对DFA下装配质量的研究甚少。DFA 技术的实质就是在产品设计阶段充分考虑与产品装配有关的问题，从而得到满足于设计功能需求且装配质量好的产品。产品是由许多零部件按照装配顺序组成的有机体，产品开发中单个零件容易满足设计要求，而在实现由零件到产品的装配过程中，由于受到各种因素的影响和装配体之间的约束作用，使装配的产品不能达到预期的质量要求，究其原因是由于在设计阶段没有对产品的装配质量充分考虑。基于以上原因，在 CD 中建立有效的产品DFA装配质量分析体系，实现产品设计中有效的装配质量信息反馈，对解决这一问题是一种行之有效的途径。作者以车辆发动机关键部件曲柄连杆组部件为实例，分析了影响曲柄连杆组件装配质量的因素，构架DFA装配质量体系，并对装配信息集成中的装配特征表达进行了深入研究。

1　DFA 装配模型与装配质量

机械产品由具有层次关系的零部件组成，通过一定的装配顺序组成装配体 (部件)，并与其他零部件装配成产品 (满足特定功能要求的有机体)，产品的这种装配关系可用装配模型表示，而装配模型用具有层次关系的装配树来表达。那么，依据装配模型装配成的产品是否满足预定的功能要求就成为目前DFA研究中的一个重要问题。

根据设计方法学中功能求解原理，把设计产品的总功能分解到能直接找到解法的分功能 (功能元) 为止。功能分解的结果可用功能的形式表达，功能树的末端为功能元[3]，功能元的体现为零件。在DFA中，满足功能元的零件，根据装配模型装配成产品，对应的是总功能，这种对应关系可表示为图 1。产品与功能间的关系可表现为产品满足功能的程度质量关系，也即装配模型通过质量约束对应于产品功能实现，这里的质量关系主要指DFA装配质量。

图1产品装配模型与功能树相互关系

在基于曲柄连杆组部件的DFA装配质量研究中，从局部可以把曲柄连杆组部件看作为产品，依据上述理论得出的关系可用图 2 直观表达。曲柄连杆组部件在发动机中是实现热能与动能转化的重要部件，其装配质量对其功能的实现有着重要意义，即使DFA上游设计中零件满足功能要求，但由于在装配中约束条件或约束等各方面的原因作用也会出现装配质量问题，那么曲柄连杆组部件对实现热能到动能的转化过程就有可能出现故障，影响产品的正常工作。

图2 曲柄连杆组部件装配模型与功能树关系

基于上述原因，DFA 装配质量的研究必须建立在有效的产品装配模型基础上。装配模型不仅要表达产品零部件的装配顺序和装配关系，还应包含装配体和与装配体有关的信息 (装配连接方式的选择、配合方式、具有相对运动的配合件间的关系等)，而这些有关装配的特征信息的实现与满足都对装配质量有着影响，因此首先要对与装配有关的特征信息进行全面表达。

2　装配特征信息表达

装配模型直观地反映了产品装配的层次关系以及设计参数之间的约束和依存关系。在DFA中，产品装配模型用具有层次关系的装配树来表达，树的每一个结点为本层次的零部件，结点之间的边反映了上下层装配单元间装配的所属和约束关系。因此，DFA 中零件的特征信息不仅包含了 CD 其他方面 (CAD，CAPP，DFM 等) 的设计信息，而且也包含了零件的装配信息，即装配特征信息，这些特征信息表达了零件完成装配活动所具备的技术条件。零部件间的装配实际上是以一件为装配基准，另一件装配特征满足这个装配基准的过程。依据机械设计与制造的有关理论，实现零件装配要具有确定的位置，正确的连接方式，合理的配合和明确的相互运动关系。曲柄连杆组部件中如连杆，它连接活塞与曲轴，连杆小头通过衬套 (与连杆小头内表面相贴合) 与活塞销外圆面相配合，连杆大端 (直口或斜口连杆) 通过连杆大端盖由螺栓紧固与轴瓦相贴合 (相互之间静止)，再由轴瓦实现与曲轴的配合 (间隙配合)，而活塞销定位于活塞销孔 (面与面的贴合)，完成与活塞销孔和连杆衬套间的相互转动。

根据以上分析，装配特征可分为 4 类：位置特征、连接特征、配合特征、运动特征。

位置特征指零件与零件、零件与部件或部件与部件间在装配时位置上的关系，它是对几何特征的约束，实现零部件装配的位置确定。按其配合面的不同形式，位置特征又可分为面与面的贴合、位置的对齐、接触面的相切和点面接触 4 种。

连接特征指零件与零件、零件与部件或部件与部件间在装配时通过连接件的约束实现装配的目的。连接在装配中起着重要的作用，通常所采用的连接方式按其使用连接件的不同可分为：螺纹连接、键连接、销连接、联轴器连接[4]和过盈配合连接，其中过盈配合连接是通过较大的过盈量实现件与件的连接，一般用于承载量小的轴孔配合连接，其他 4 种联接通常采用标准件。

配合特征指配合件间面与面接触的程度，分为间隙配合、过盈配合和过渡配合 3 种。

运动特征指配合件间相对位置的变化关系，这种关系表现为：相对静止、相对运动和连带运动 3 种基本形式。曲柄连杆机构中，连杆表现为一定角度的摆动和沿缸体轴向的往复运动的合成，而曲轴为旋转运动，连杆大头为相对静止。具体内容如图 3 所示。

图3 运动特征结构图

CD 中特征信息的表达和传递是以数据形式实现的，因此也必须对装配特征的有关信息进行数据表达，以一定的数据结构实现存储。根据DFA中装配特征是反映装配体之间的所属和约束关系，在建立装配特征信息数据表达之前，首先必须表达这种所属和约束关系。基于以上原则建立如图 4 所示的装配关系矩阵，矩阵的维数为零件数，采用上三角矩阵。矩阵的非零元素表示零件之间存在着与装配有关的所属和约束关系。图 4 中反映了连杆与连杆大端盖、轴瓦、螺栓、衬套存在有装配关系 (用非零元素aij 表示)，而与曲轴、活塞销、活塞没有直接的装配关系 (用零元素表示)。装配单元的装配特征信息用链表结构存储，如图 5 所示。链表节点存储装配特征信息编码，链表头指针地址存放在装配关系矩阵中非零元素 aij 中。装配特征的编码是根据用户便于识别的原则，采用简略的英文名称编写的，例如运动特征的连带运动中的皮带传动可编为 “sttr”，其他以此类推。

图4 装配关系矩阵

图5 装配特征链

3　DFA 装配质量分析

在有效的装配特征表达的基础上，实现装配模型特征信息的集成，针对装配模型中装配特征与装配质量的内在联系，依据装配体与功能的关系，结合实例归纳影响产品装配质量的结构因素。

车辆发动机曲柄连杆组部件是发动机的核心部件，工况条件差，因此良好的装配质量对其正常工作是相当重要的。从曲柄连杆组部件装配关系矩阵可以看出，件与件之间存在着直接或间接的关系，其中一件存在质量问题就会影响其他零件的正常工作。作者以连接连杆与连杆大头盖的螺栓为例，分析其对装配质量的影响。

螺栓作为装配中的连接件，在装配中起着重要的作用，其结构参数的合理与否和装配中装配操作的合理性都对其本身，以及与之存在装配关系的装配体装配后是否满足装配质量要求有着直接或间接的影响，其具体质量影响体系如图 6 所示。

图6 连杆螺栓质量结构

以上是对车辆发动机曲柄连杆组部件中连杆螺栓为例，分析其在装配中对其他装配体的影响，对于曲柄连杆组部件中存在装配关系的其他零件也有诸如以上的质量结构。综合各种情况，产品装配质量的结构因素如图 7 所示。总体可分为两类：一类是装配参数的确定，另一类是装配计划的制定，而第二类因素对装配质量的影响又是通过对装配特征的影响间接起作用的。从理论和实践两方面可以看出，装配参数确定的合理，就可以保证装配在理论上满足装配质量的要求；而装配计划制定的正确，就可以最大限度地符合装配参数，保证装配质量。

图7 装配质量结构因素

曲柄连杆组部件中的连接件连杆螺栓按照上述影响装配质量的结构因素体系，得出有关影响的加权因子，采用系统模糊可靠性设计方法，建立适当的数学模型，可得出理想的结构参数和操作指标，这些结构参数和操作指标通过装配特征信息关系反馈到连接件的设计部分，完成对连接件连杆螺栓的有关设计内容的修改，最终达到连杆螺栓对曲柄连杆组部件装配的需要。采用该方法对承受工作载荷为 p=2 MPa 的连杆螺栓进行模糊可靠性结构设计，得出的结构参数与传统方法相比，在相同的可靠度条件下，螺栓直径减小了 2.6 mm，结构更趋于合理，有利于提高连杆大端的强度。针对危险截面，改变原有截面形状，改善连杆螺栓的力学性能。反之，对已确定的螺栓可以进行模糊可靠度分析，可靠性差的可适当修改结构参数，提高其工作可靠性。

4　结　论

该设计是在 Sun 工作站上进行的，在 UNIX 环境下利用 Openwin 工作平台，结合 I-DEAS 软件，采用 C 语言编程开发的。

DFA 中装配特征的有效表达，可以对装配模型特征信息进一步集成，实现信息反馈路径的畅通，达到 CD 产品设计的反复修改，满足产品生命周期各方面的要求。

通过对影响曲柄连杆组部件装配质量因素的分析，得出了DFA装配质量体系结构，为DFA下游的应用提供了理论依据。

基于实例下的DFA装配质量体系的研究，进一步完善了DFA设计。由于影响DFA装配质量的因素较复杂，作者仅对其中一部分进行了论述，其他内容还有待于进一步研究。

马峻(1968-)，男，讲师，硕士.从事专业：机械制造工艺.
马峻（华北工学院机械工程系，山西太原 030051）
张宇（华北工学院电子工程系，山西太原 030051）
李伯民（华北工学院机械工程系，山西太原 030051）

参考文献：
[1]　Biren P。Concurrent Engineering Fundamentals，Integrated Product and Process Organization
[2]　Hsu W，Lee G C S，Su S F。Feedback approach to design for assembly by evaluation of assembly plan
[3]　黄纯颖。设计方法学
[4]　侯晓林，张申生，步丰林。并行工程中的产品装配模型(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/2/2005)


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