基于裝配特征的半掛車車架快速裝配系統開發研究＊

鄒東文 孫桓五 劉松

（太原理工大學）

基于裝配特征的半掛車車架快速裝配系統開發研究＊

鄒東文 孫桓五 劉松

（太原理工大學）

針對傳統裝配方法存在零件模型修改后裝配位置不能隨之發生相應變化的問題，在深入分析半掛車車架裝配零部件實體特征和裝配配合特征的基礎上，提出基于裝配特征的半掛車車架快速裝配方法，并根據該方法開發出車架快速裝配系統。該方法提高了裝配的準確性和靈活性。

1 前言

傳統的自動裝配方法通常采用計算裝配后各產品的空間坐標確定其空間位置關系[1]，由此，一旦某個零部件的設計參數修改則會導致原有零部件裝配空間變化，從而導致裝配發生嚴重錯誤。與傳統的自動裝配方法相比，基于零部件相對位置關系的自動裝配方法顯示出明顯優越性，其通過對零部件的裝配特征進行約束來確定空間位置。由于該裝配方法中零部件在裝配空間的位置通過零件相對位置關系定義，因此，當其中某個零件的設計尺寸發生變化時，零部件裝配對象類型間的裝配約束關系并未發生改變，從而能保證裝配位置的正確性。

針對半掛車車架裝配中零部件之間存在大量裝配特征的特點，提出了基于裝配特征的快速裝配方法，開發了裝配系統，有效解決了某一零件尺寸設計參數發生改變而導致原有裝配關系破壞、裝配位置發生嚴重錯誤的問題。

2 半掛車車架總成結構特點分析

半掛車車架主要由縱梁、橫梁、頂梁、尾梁、左右邊梁等結構組成[2]，其模型如圖1所示。縱梁是車架的重要部件，由上翼板、下翼板和腹板組成，由于工字型截面抗彎系數較大，目前被市面上的大多數半掛車縱梁所采用。根據噸位不同縱梁腹板高度有所差異。橫梁連接半掛車左、右縱梁組成框架，是車架的主要構件之一。橫梁本身的抗扭性能及其在車架上的分布直接影響車架剛度，本文采用沖壓槽型鋼，橫梁間距一般以800 mm為宜。橫梁與縱梁的連接采用橫梁貫穿縱梁腹板的方式，通過縱梁腹板的孔貫穿于左右縱梁之間，二者交匯處采用不完全焊接，在貫穿處只焊接腹板，上、下翼板不焊接。邊梁位于車架左右、前后兩側，與縱梁、橫梁一起共同組成車架，并對車架起到加固作用，邊梁通常采用槽型鋼。為了增加車架強度，橫梁與腹板之間還設有輔助支撐裝置——斜撐，其主要起支撐橫梁的作用，使橫梁不易發生變形，以增加整個車架的穩定性。

由以上分析可知，半掛車車架的裝配比較固定，通過特定裝配特征之間的配合方式可以完全表達各組件之間的裝配關系。基于裝配特征的半掛車車架快速裝配方法即是對車架各組件預先定義裝配特征，并對其進行標識，存入數據庫中，在數據庫中通過定義裝配特征之間的配合關系由裝配函數的調用來完成車架的快速裝配。

3 半掛車車架中的裝配特征

3.1 裝配特征的定義

裝配特征是反映幾何元素、配合類型、裝配操作方式及裝配關系的所有裝配輔助信息的集合，其數學形式描述如下:

式中，AF為裝配特征；GM為幾何元素；MA為配合類型；AO為裝配操作方式；AI為與裝配有關的所有裝配輔助信息，如裝配公差、裝配速度、裝配工藝操作或規程信息等[3]。

由于裝配特征定義所包含的信息繁雜，且本文研究重點在裝配零件間的幾何元素和配合關系上，不考慮其工藝規程的影響，將以上裝配特征信息簡化為:

AF={GM∪MA}

GM={平面∪圓柱面∪圓錐面∪圓球面∪線∪點∪……}

MA={貼合∪對齊∪相切∪距離∪角度∪……}

即在裝配特征中起重要作用的是幾何元素和配合類型。

由于機械產品中絕大多數零件都是由平面、圓柱面、圓錐面、球面組成，因此裝配特征中的幾何元素也幾乎是由這些元素組成。

3.2 車架的裝配特征

車架的裝配特征主要以平面特征為主。以圖2和圖3的腹板和下翼板裝配為例，圖中腹板和下翼板的裝配特征為平面特征，1和4分別指半掛車車架縱梁腹板和下翼板的對稱面，2和5分別指腹板和下翼板的后端面，3和6分別指腹板的下平面和下翼板的上平面。在裝配中，腹板的上平面和下平面分別與上翼板的下平面、下翼板的上平面焊接，形成縱梁，其截面為工字梁截面。根據裝配截面的形狀特征即可確定三者的裝配位置。首先，腹板和下翼板裝配時，腹板在豎直方向應處于下翼板的對稱面位置，即圖中1與4所示的平面應重合，配合類型MA={貼合}，GM={腹板對稱面∪下翼板對稱面}；腹板的后端面應與下翼板的后端面對齊，即2與5的配合類型MA={對齊}。除此之外，腹板的下平面應與下翼板的上平面貼合，即3與6的配合類型MA={貼合}，GM= {腹板下平面∪下翼板上平面}，至此，腹板和下翼板的裝配完成，裝配特征表示為AF={腹板對稱面∪下翼板對稱面∪腹板后端面∪下翼板后端面∪腹板下平面∪下翼板上平面∪貼合∪對齊}。同理，可以完成腹板與上翼板的裝配。圖4為腹板和下翼板裝配后的效果圖。

半掛車車架裝配中零部件之間的裝配特征絕大多數為平面特征，但還存在其他裝配特征，如牽引總成裝配中既有孔特征又有柱面特征。圖5所示為牽引總成裝配示意圖，其牽引銷底座與牽引銷的裝配方式為軸孔配合。

圖5中，1、2和3、4分別指牽引銷底座與牽引銷上的定位配合孔，在牽引銷與牽引銷底座的配合中起裝配定位作用。由于1、2、3、4為孔特征，故裝配特征幾何元素選其軸線，兩零件之間的孔采用同心約束，配合類型MA={center}，裝配特征AF={孔1軸線∪孔2軸線∪孔3軸線∪孔4軸線∪center}。5與6分別指牽引銷底座的內凹平面與牽引銷的上平面，在裝配時應采用貼合約束，配合類型MA={mate}，幾何元素GM={牽引銷底座內凹平面∪牽引銷上平面}，至此，牽引銷與牽引銷底座的裝配完成。在牽引銷與牽引板的裝配中，7和9分別指牽引銷底座的外圓下端面與牽引板上平面，二者裝配特征的幾何元素均為平面，宜采用貼合約束，MA={mate}；8和10分別為牽引銷外圓面與牽引板內孔面，兩者為軸孔配合，裝配特征的幾何元素分別取其軸線，即GM={牽引銷外圓面軸線∪牽引板內孔面軸線}，施加裝配約束時使二者軸線重合，配合類型MA={center}，則至此牽引銷總成與牽引板的裝配完成。

4 基于裝配特征的半掛車車架快速裝配方法

半掛車車架的快速裝配研究主要用到了自動化裝配技術，該技術利用函數調用方法對待裝配零部件的基準特征及實體特征的成對配合關系進行約束，即通過函數調用方法對已建立相關裝配約束關系和已構造相應裝配函數的零部件特征面、配合面和約束位置等具體特征屬性進行調用，以完成產品零部件的裝配[4]。圖6為車架的自動化裝配流程。在對半掛車車架零部件進行裝配序列規劃的基礎上，以UG為開發平臺，運用參數化技術建立半掛車車架零部件模型，在模型中預先定義裝配特征，對其進行標識并存入數據庫中，在數據庫中定義零部件裝配特征之間的配合關系，最后由自動化裝配程序的調用完成半掛車車架的快速裝配。

5 半掛車車架快速裝配的實現：

5.1 車架零部件裝配序列規劃

縱梁是車架的基礎部件，在裝配中占據基礎性地位，車架其他部件都以縱梁為基礎部件進行裝配，因此在車架的裝配中必須首先導入縱梁。在縱梁的裝配中應以腹板的上、下表面為基準，將上、下翼板分別焊接在其上，形成縱梁。在縱梁裝配完成后添加橫梁，橫梁貫穿左右腹板與縱梁垂直布置，隨后添加進面板橫梁，至此，所有的橫梁已添加完成。接著以橫梁的下表面和腹板的外表面為基準，焊接加強板和斜梁，完成輔助支撐的裝配。再以橫梁的左右兩端面為基準，焊接左右邊梁，之后以左右邊梁的前端面和后端面為基準焊接上頂梁、尾梁。另外在縱梁的腹板處設有加強板，需在縱梁裝配完成后將其添加進去。圖7為車架零部件裝配時的流程圖。

5.2 車架快速裝配實例

以UG為開發平臺，利用二次開發工具UG/ Open Menuscript、UG/Open UIStyler UG/Open GRIP和UG/Open API，結合.NET編程，開發了半掛車車架快速裝配系統。具體開發步驟以縱梁的自動裝配為例。由于半掛車車架的快速裝配建立在模型庫基礎上，因此，裝配之前必須建立半掛車車架零部件庫。首先在UG平臺上運用參數化技術完成半掛車車架零部件的建模，在零部件建模階段，需要對參與裝配操作的基本幾何特征進行屬性命名，得到特征名，以便在裝配環境下識別[5]。

裝配特征可以通過裝配約束來表示，一個裝配特征對應一個裝配約束對[6]。在車架裝配中，以腹板和下翼板裝配為例，由于在模型建立階段已經對腹板和下翼板相應的裝配特征面進行了屬性命名，只需在數據庫中定義這兩個裝配特征面之間的裝配關系即可。腹板對稱面與下翼板對稱面之間的配合關系為貼合，腹板后端面與下翼板后端面的約束為對齊，腹板下平面與下翼板上平面的配合類型為貼合，至此腹板和下翼板在數據庫中的裝配關系定義完成，二者已按要求實現完全約束。

在數據庫中完成了零部件裝配關系定義后，通過裝配程序對已建立相關裝配約束關系的零部件特征面、配合面和約束位置等具體特征屬性進行調用即可完成裝配，得到如圖8所示的腹板和下翼板自動裝配效果圖。依次類推，可以完成整個車架的自動裝配，整個車架裝配完成后的效果圖如圖9所示。

6 結束語

以半掛車車架裝配零部件的實體特征和裝配配合特征為基礎，提出了基于裝配特征的半掛車車架快速裝配方法。該方法有效解決了車架在傳統自動裝配方法中，當其中一個零件的尺寸發生改變時與之相關聯的其他零件的相對位置不能隨之發生相應變化的問題。使用該方法能大大提高半掛車車架的裝配效率，保證裝配的準確性。此外，該方法同樣適用于裝配特征相對固定的產品，可為其他裝配系統的設計提供借鑒。

1石海波.一種基于特征的裝配模型及其裝配系統開發.制造業自動化，2010，13:18～20.

2喬維高.專用汽車結構與設計.北京:北京大學出版社，2010.

3孫文，周惠群，趙小東.基于裝配特征的虛擬自動裝配的研究和表達方法的描述.科學技術與工程，2006，15:2350～2353.

4帝瑞靜.半掛車快速裝配系統開發研究:[學位論文].太原:太原理工大學.2012

5張宏星，許敏，蔣祖華.面向自動裝配的裝配特征定義與表達方法研究.機械科學與技術，2005，07:824～826.

6楊顯剛，何玉林，金鑫，李成武.基于自動裝配技術的參數化部件庫的關鍵技術研究.中國機械工程，2013，14:1910～1915.

（責任編輯簾青）

修改稿收到日期為2014年11月1日。

Research and Development of the Rapid Assembling System of Semitrailer Frame based on Assembly Feature

Zou Dongwen，Sun Huanwu，Liu Song
（Taiyuan University of Technology）

To eliminate the defects of the traditional assembly method that assembly position can't change automatically corresponding to modification of the component models，this article presents a rapid assembly method for semi-trailer frame upon assembly features based on the in-depth analysis of the solid features of semi-trailer frame assembly components and matching features，and develops a rapid assembly system of semi-trailer frame.This method improves precision and flexibility of assembling.

Assembly feature，Semi-trailer frame，Rapid assembly，Assembly relationship

裝配特征半掛車車架快速裝配裝配關系

U463.32

A

1000-3703（2014）12-0028-04

太原市科技明星項目（11014922）資助