元动作装配单元的故障维修决策

元动作装配单元的故障维修决策

张泽

摘要:在对机械产品进行“功能运动动作”结构化分解的基础上,将影响元动作装配单元装配精度的误差源分为零部件的形状误差、位置误差、装配位置误差和运动误差等四类误差源。引入误差链接模型作为元动作装配单元误差关联关系的基本封装单元,构建结构化误差关联模型链接网络和链接矩阵,形象描述误差间的耦合嵌套关系。提出基于误差链接模型的装配误差传递路径求解方法,用老鼠迷宫算法搜索所有可能的误差传递路径，以装配精度最高作为判别依据,得到各误差分量的有效传递路径。以蜗杆转动元动作装配单元蜗杆轴线平行度误差有效传递路径为目标,对上述方法进行验证,结果表明该方法能够高效地搜索到所有误差传递路径,并快速获得有效传递路径。该方法的提出为整机装配过程质量预测与控制提供了理论依据。

关键词:元动作装配单元;误差;误差链接模型;误差传递路径;精度

引言

为快速确定故障部位，缩短维修时间,提出一种基于元动作装配单元的故障维修决策方法。首先，提出元动作装配单元的概念,并介绍其特点和划分原则，然后,采用模糊集理论和灰色关联理论将元动作装配单元故障进行风险性分析并排序,进而对各故障灰色关联度进行归一化处理并用主次图法确定关键故障,最后利用灰色聚类分析法对关键故障进行聚类分析,选择出元动作装配单元关键故障的合理维修方式。通过对某加工中心某元动作装配单元进行实例分析,证明了该方法的有效性。

1元动作装配单元

1.1 FMA功能分解方法

数控机床是典型的复杂机电系统,为方便讨论其装配质量特性,首先需要对数控机床进行分解,将其简化为易建模的基本单元,然后分析基本单元装配质量,再综合讨论整机的装配质量。FMA结构化分解方法是将数控机床的加工过程按照“功能-运动-动作”的方式进行自上而下逐层分解的方法,其核心思想就是将机床加工功能这个复杂的综合运动拆分成一系列基本的动作单元,将机床的加工功能看作是一系列相互关联的动作,所示为FMA结构化分解方法。数控机床经过FMA结构化分解至不能再分解的动作层后,可得最小动作单元动作。元动作是结构相对独立能够实现目标动作,可控可分析并且不能再细分的动作单元,如蜗杆转动元动作。虽然数控机床的加工过程很复杂,通过FMA结构化分解得到的元动作一般是机械结构的两种基本动作形式:直线移动和转动,有利于简化装配质量的分析过程。

1.2元动作装配单元

元动作装配单元是指在装配过程中，由一个实现元动作的基准件为装配基础,可以独立组装,达到规定的尺寸链与元动作技术要求,并能够实现该元动作规定功能的一组零件组成的独立组件。典型的元动作结构单元由以下要素组成:支撑件、动力源、执行件和传动紧固件,为所示丝杠转动元动作装配单元。数控机床可视为由一系列MAU组装而成的产品,有关MAU误差源及误差传递模型的研究是整机装配精度预测的基础,元动作之间的配合方式对整机装配精度亦产生较大影响。MAU之间有两种配合方式:固定结合面配合和运动部件配合,如蜗轮转动MAU与蜗杆转动MAU之间既以箱体结合面配合,又以运动中的蜗杆蜗轮进行配合。

2误差链接模型

2.1元动作装配单元误差源

FMA结构化分解方法以动态观点对机床进行分解,赋予MAU以动态特性,因此它的误差区别于一般零部件的误差。元动作装配单元由零件装配而成,最终装配精度不仅体现在形位误差,还体现在运动部件的动态特性中,下面就MAU误差源进行概述。(1)形状误差。几何形状误差是指实际被测要素的形状对其理想要素的变动量,包括平面度、直线度、圆度等。在装配过程中以误差几何为基准或接触配合表面时,被配合的零件发生位姿变动,位姿变动逐渐累积影响最终MAU装配精度。(2)位置误差。几何位置误差是指关联被测要素对其基准要素的变动量,可分为定向误差、位误差和跳动误差。当以误差几何为基准或接触配合面时,被装配零件会产生位姿变动,参与差传递积累过程,影响MAU装配精度。(3)装配位置误差。装配位置误差包括装夹定位误差引入的零件位置误差和间隙配合时位置不确定性引入的误差,包括定位和定向误差。装配位置误差在装配过程中会和形位误差产生耦合,共同影响最终的MAU装配精度。(4)运动误差。产生相对运动的两零件间实际位移与理论位移之差称为运动误差,包括传动位移和回程位移,是零部件形位误差、装配位置误差和原理误差的综合反映。对影响MAU装配精度的几点说明:MAU的最终装配精度还受测量误差的影响。对于精密机床的装配过程,测量误差会产生放大效应,为提高精度预测准确度,测量误差不能被忽略;对于长轴、薄板类零件,刚体假设不再适用，由装配力引起的零件变形误差不可忽略,可通过ANASYS有限元分析软件进行仿真求解,零件变形误差可看作是几何位置误差,参与误差传递积累过程。

2.2基于链接的误差传递模型

文献引入链接的概念作为质量特性关联关系的基本封装单元,为质量问题发生机理的分析提供了新思路,文中试图引用链接概念构建误差关联关系模型,为误差传递路径的求解提供新的方法。

2.3误差链接模型

MAU误差链接模型是MAU误差关联关系的基本封装单元。构建链接就是误差关联关系结构化建模过程,用圆圈表示MAU各零件或装配结合面误差项,用矩形框表示误差传递关系准则,一般为误差转换矩阵,它们之间的连接用箭头表示,且箭头方向表示误差传递的方向。误差链接是对零件间误差关联关系的图形化表达,而链接和链接间往往也存在着关联关系,本文用链接耦合和链接嵌套来表达误差链接之间的关联关系。由link1和link3共同决定,称link1和link3为链接耦合。在振动,温升等因素的影响下,并不是link1和link3的叠加结果，尤其是高频振动下呈现出明显的非线性关系,链接耦合能够形象地表示零件间的约束干涉关系。是link1的输出,同时又是link2的输入,称link1和link2为链接嵌套。MAU误差链接网络是基于误差链接对复杂的误差关联关系进行综合描述的网络图形,是由链接耦合和链接嵌套形成的复杂关系网络，误差链接网络既展示了误差在零件间的传递与积累过程,又刻画了零件误差的耦合作用,是描述MAU误差关系强有力的工具。

3结束语

链接网络是基于链接对MAU零件间误差传递机理或规律形象化表述与刻画,是定性的表达,若要定量表达误差间的关联关系，需将其转化为链接矩阵。链接矩阵是以结构化的方法对链接网络中误差关联关系的定量描述,能够准确识别误差之间关联关系。链接矩阵主要包括链接、误差和误差传递关系三类要素,采用两级复合矩阵架构,其中行元素为链接,一级列元素为零件,二级列元素为几何特征误差项,矩阵要素有两类:误差传递基准B和误差变换矩阵M,其中基准通常为零件加工基准(a类误差传递)或装配基准。

参考文献

[1]徐昌文模糊数学在船舶工程中的应用[M].北京:国防工业出版社，1994.

[2]王艳玮，樊其瑾，彭炎午.基于模糊聚类的产品合理子装配划分[J].机械科学与技术，2001,20(2):299-302.