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        高精度裝配要求下的設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2021-07-02 01:57:54譚曼華王世旺董旭輝
        關(guān)鍵詞:工藝設(shè)備設(shè)計(jì)

        譚曼華王世旺董旭輝

        (博世汽車部件(長(zhǎng)沙)有限公司,長(zhǎng)沙 410100)

        在現(xiàn)代汽車零部件制造行業(yè),擔(dān)負(fù)著各種零部件裝配組裝的大量生產(chǎn)設(shè)備,是這些零部件質(zhì)量和成本最主要的影響因素。從質(zhì)量和成本角度看,提高設(shè)備的裝配質(zhì)量,同時(shí)降低設(shè)備的制造成本,能提高所生產(chǎn)的零部件產(chǎn)品在汽車市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。這不僅是產(chǎn)品生產(chǎn)廠家所追求的目標(biāo),也是作為非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)者和制造者的責(zé)任所在。

        非標(biāo)設(shè)備制造質(zhì)量及成本,主要取決于其工藝及制造方案。一般來說,設(shè)備的工藝及制造方案要求越高,最終的制造成本也會(huì)越高。在設(shè)備的制作過程中,相應(yīng)的精度要求高。若沒有在過程中把控好,可能會(huì)因?yàn)榱慵睦塾?jì)誤差,導(dǎo)致設(shè)備終端的操作精度因無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)而花費(fèi)大量的成本和時(shí)間去查找問題,并不斷調(diào)整返工,甚至不得不重新更改設(shè)備的方案,造成重大的返工甚至報(bào)廢。因此,如何優(yōu)化設(shè)備的工藝方案,妥善處理設(shè)備制造精度的高要求,設(shè)計(jì)出既滿足最終操作精度的功能結(jié)構(gòu)方案,又能對(duì)組成功能結(jié)構(gòu)的零件精度要求不高的方案至關(guān)重要。這不僅是降低非標(biāo)設(shè)備制造成本的關(guān)鍵,也是非標(biāo)設(shè)備最終能否成功的關(guān)鍵。

        下面以汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的齒條壓塊裝配工藝設(shè)計(jì)的一種非標(biāo)生產(chǎn)設(shè)備方案為例,闡述這種設(shè)備的高質(zhì)量、低成本設(shè)計(jì)概念的設(shè)計(jì)思路。

        1 產(chǎn)品工藝公差分析

        圖1是齒條壓塊在齒條殼體座中已裝配好的位置剖面圖。裝配工藝要求是將序號(hào)2外徑尺寸公差為φ35g6的圓柱型的齒條壓塊,無損地裝入序號(hào)1的齒條殼體座的φ35H7孔中。如圖2所示,根據(jù)對(duì)應(yīng)的裝配尺寸公差,配合φ35H7/g6,可計(jì)算出其中心偏差[1]。

        圖1 齒條壓塊與殼體裝配

        圖2 齒條壓塊與殼體孔中心偏差分析圖

        中心線最小允許偏差為:

        中心線最大允許偏差為:

        這是一種典型的孔軸間隙配合的裝配工藝,間隙很小,屬于一種高精度裝配工藝[2]。

        2 非標(biāo)設(shè)備方案構(gòu)建

        在理解客戶產(chǎn)品的公差現(xiàn)狀、裝配工藝要求后,要構(gòu)建設(shè)備的整體方案。這時(shí)需要綜合考慮多方面要求,如節(jié)拍要求、自動(dòng)化程度要求、不同產(chǎn)品之間的換型要求等。要求不同,設(shè)備的最終方案也可能完全不同。但是,一般來說,裝配工藝的原理應(yīng)該是相同的。這里只闡述在一個(gè)新的設(shè)備案中如何處理產(chǎn)品裝配工藝要求。

        由公差分析可知,這么小的裝配間隙只是單純從裝配的功能尺寸公差計(jì)算而來的,在設(shè)備中還需考慮產(chǎn)品的定位。如圖1所示,該殼體座需要利用夾持住兩端的孔D1、D2,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)φ35H7的定位。因?yàn)檫@個(gè)間接定位的原因,孔φ35與兩端孔的垂直度公差0.1 mm將會(huì)累積到裝配時(shí)的中心線偏差,導(dǎo)致這個(gè)公差值已超過所需控制的間隙值,意味著理論上總會(huì)有產(chǎn)品在裝配時(shí)發(fā)生相撞。

        針對(duì)這種產(chǎn)品公差過大、裝配精度要求高的情況,一般有如下3種處理方式。一是改變產(chǎn)品零件的設(shè)計(jì),提高產(chǎn)品零件的精度要求。但是,這可能會(huì)提高產(chǎn)品零件的制造成本。如果不能保持整體利益,客戶不會(huì)輕易同意。二是提高設(shè)備的設(shè)計(jì)精度要求,以保證最終要求。但是,這很可能導(dǎo)致設(shè)備的零件加工難度和成本大幅增加,不但增大了質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn),而且可能導(dǎo)致裝配的產(chǎn)品成本偏高而缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。三是保留產(chǎn)品零件設(shè)計(jì)及裝配要求不變,通過優(yōu)化設(shè)備的工藝方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),靈活處理裝配工藝的要求[3-4]。

        綜合各種要求,設(shè)備被設(shè)計(jì)成為一種全自動(dòng)裝配方案。齒條殼體座定位好在隨行夾具上,經(jīng)由傳送帶送至設(shè)備工作位置后,由設(shè)備在殼體座的兩端孔D1和D2利用夾持裝置將其頂起定位,以等待齒條壓塊的裝配。齒條壓塊由設(shè)備的另一抓取裝置從物料盒中抓住齒條外圓φ35g6,再直接裝入齒條殼體座的φ35H7的對(duì)應(yīng)孔內(nèi)。

        3 標(biāo)設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        按此定位方案的要求,考慮到產(chǎn)品的間接定位帶來的累積偏差,會(huì)導(dǎo)致殼體座孔的位置中心更大的不確定性。通常的方案會(huì)采用視覺系統(tǒng)引導(dǎo)識(shí)別孔中心的實(shí)際位置,然后由處于同一平面X/Y兩個(gè)方向的伺服電機(jī),驅(qū)動(dòng)夾著齒條塊的抓取裝置移動(dòng)到φ35H7孔實(shí)際的中心位置后再裝配。

        但是,這種帶視覺系統(tǒng)的方案比較復(fù)雜,調(diào)試工藝復(fù)雜,成本高。從優(yōu)先考慮如何降低成本的設(shè)計(jì)要求看,可以考慮浮動(dòng)裝配方案[5-6],即預(yù)先考慮最終裝配終端的可能偏差,通過一些浮動(dòng)概念的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在設(shè)備自動(dòng)裝配時(shí),可以根據(jù)產(chǎn)品的差異性自適應(yīng)地裝入。按此要求,設(shè)計(jì)出如圖3所示的抓取裝置的3D圖方案。伺服電機(jī)控制齒條壓塊的下行裝配動(dòng)作的速度,浮動(dòng)機(jī)構(gòu)可以在碰到殼體座孔時(shí)自由浮動(dòng),然后導(dǎo)入進(jìn)孔內(nèi),從而實(shí)現(xiàn)裝配的工藝要求。浮動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理如圖4所示,其中偏差D是X、Y方向的可能浮動(dòng)量。這個(gè)浮動(dòng)量需要覆蓋產(chǎn)品的誤差量,只要一點(diǎn)水平方向的分力,就可以驅(qū)動(dòng)抓取裝置在X、Y的平面方向自由移動(dòng),從而模擬出手在水平內(nèi)找孔的中心動(dòng)作。

        圖3 伺服壓裝浮動(dòng)方案

        圖4 機(jī)構(gòu)浮動(dòng)原理示意圖

        設(shè)備工藝方案確定后,是設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)[7]。設(shè)備一般是由不同的功能塊組成,每個(gè)功能塊一般均有約數(shù)十個(gè)上百個(gè)零件組成,且齒條壓塊及齒條殼體座分別由不同模塊定位夾持,并通過不同的零件鏈接固定在共同的臺(tái)板上。各自功能塊之間的聯(lián)接零件的加工誤差,會(huì)在功能塊的末端形成至少X、Y、Z的3個(gè)方向累積誤差(為簡(jiǎn)化方案,旋轉(zhuǎn)自由度方向暫不作考慮)??紤]零件與零件裝配時(shí)的合理性,為保證裝配精度和制作成本,各零件之間的加工精度一般按±0.02 mm的要求。例如,以10個(gè)聯(lián)接零件計(jì)算,累積到終端的精度理論上都已超過0.2 mm以上,從而會(huì)導(dǎo)致被夾持的齒條塊及齒條殼體座孔的位置在終端可能會(huì)有更大的偏差,增加了裝配時(shí)磕傷的風(fēng)險(xiǎn)。

        基于此公差配合分析,設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮將所有公差的不確定變化,設(shè)計(jì)安排到其中的某個(gè)零件上,然后通過對(duì)這個(gè)零件的現(xiàn)場(chǎng)配磨調(diào)整,從而滿足最終的精度要求。如圖5和圖6所示,根據(jù)累積誤差的可能性,按X、Y、Z這3個(gè)方向考慮。在圖5的高度Z方向設(shè)計(jì)配磨墊,以調(diào)整保證高度Z方向的精度;在圖6的X、Y方向設(shè)計(jì)調(diào)整墊,以保證X、Y方向的精度。這樣可以在各自的功能模塊將零件的公差放開。在不考慮互換性的前提下,零件公差可由±0.02 mm放寬至±0.2 mm,而最終的終端精度通過X、Y、Z現(xiàn)場(chǎng)調(diào)配保證達(dá)到至少±0.02 mm的要求。不但大大降低了中間的環(huán)節(jié)要求,還保證了終端精度。

        圖5 高度Z方向調(diào)整方案

        圖6 平面X、Y方向調(diào)整方案

        最后,關(guān)鍵是要在裝配調(diào)試時(shí)重新找到設(shè)備的精準(zhǔn)中心[8]。這里按照產(chǎn)品在設(shè)備中的定位方式制作產(chǎn)品的傀儡件,以模擬產(chǎn)品在設(shè)備中的工作狀態(tài),加工主要的定位基準(zhǔn),然后放入設(shè)備中進(jìn)行校驗(yàn),從而校正相關(guān)的定位點(diǎn)的基準(zhǔn)、夾持點(diǎn)的基準(zhǔn)以及裝配的基準(zhǔn),以此配磨相關(guān)的配模墊和調(diào)整墊來保證設(shè)備的功能塊的最終位置精度要求。

        4 結(jié)語

        有高精度裝配工藝要求的非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì),不能簡(jiǎn)單將終端精度要求分配至設(shè)備的中間環(huán)節(jié),否則可能會(huì)造成設(shè)備過多的零件加工精度要求過高,零件制作難度系數(shù)大,難以保證質(zhì)量,且增加了制造成本。非標(biāo)設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)者要有低成本設(shè)計(jì)的理念,從構(gòu)造工藝方案開始,到結(jié)構(gòu)的細(xì)化設(shè)計(jì)、加工制造、裝配調(diào)試,要能敏感發(fā)現(xiàn)問題。當(dāng)公差精度要求過高時(shí),可以嘗試改變?cè)O(shè)備方案、改變結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)配做等措施,設(shè)計(jì)出低成本、質(zhì)量可靠、性價(jià)比高的設(shè)備。

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