复杂多工位装配偏差非线性传递建模与系统稳健设计研究

偏差传递、累积和耦合是直接影响多工位装配产品质量的重要因素。本项目拟以复杂多工位产品装配系统为研究对象，综合应用现代设计理论与稳健设计方法、先进制造技术、现代控制理论、误差理论与信息处理技术，研究装配系统中的夹具副零件槽孔偏差、配合间隙和弹性变形对偏差传递、累积和耦合的影响,建立复杂多工位装配偏差非线性传递模型；通过偏差流理论分析、数值仿真和试验研究相结合的途径，深入研究装配系统输入参数的随机分布对输出质量特性影响规律；探索针对装配系统的夹具系统夹具布局、几何参数和夹具副弹性变形等问题的不确定性分析方法, 建立基于偏差传递的随机不确定性分析的设计目标稳健性和设计约束可靠性评估相结合的复杂多工位装配系统稳健设计优化模型,提出和发展产品复杂多工位装配系统稳健设计理论和方法。这对发展和丰富机械动态设计理论与方法,加速我国实施制造强国进程和提升我国先进制造技术业水平与市场竞争力具有积极的意义。

多工位装配过程中的偏差传递、累积和耦合是影响其质量的重要因素。本项目以多工位装配过程及其系统为研究对象，综合应用稳健设计方法、先进制造技术、现代控制理论、偏差理论与信息处理技术等，系统分析了多工位装配过程中的夹具副槽孔偏差、配合间隙、重定位偏差、基准偏差对零部件/产品偏差传递、累积和耦合的影响，应用现代控制理论中状态空间分析方法，将二维多工位装配过程抽象为一个系统，分析了该系统的输入变量、输出变量和状态变量，建立了二维多工位装配偏差传递状态空间模型。以此为基础，提出装配稳健度稳健设计多工位装配顺序方案，并通过数论网格法（NT-net）仿真验证了装配顺序稳健规划的有效性，提高了产品的装配质量。提出了基于偏差传递的多工位装配夹具系统公差可行稳健设计建模方法，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，提出了基于状态空间模型的二维多工位装配成功率计算方法，应用Taguchi正交试验直观分析方法，分析得到了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了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，最后以定位销、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，建立了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，建立了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。提出了面向多工位装配过程的夹具任意布局稳健设计与优化方法，分析了夹具定位参数对零件偏差影响，构建了以零件偏差的均方差最小化为目标的二维装配夹具任意布局稳健设计模型，继而运用解析法和遗传算法分别进行夹具布局和夹具定位的单个参数优化和多个参数综合优化，减少了零件装配偏差。分析了不同销孔定位方案下装配质量对各偏差因素的稳健性，开展了基于Taguchi正交试验与3DCS的三维装配销孔定位布局稳健设计。为产品多工位装配过程高质量低成本装配提供了一种新的设计模式。