CN108491952B

CN108491952B - 零件配合性能优化方法及系统

Info

Publication number: CN108491952B
Application number: CN201810093396.7A
Authority: CN
Inventors: 楼佩煌; 钱晓明; 马群
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2021-09-17
Anticipated expiration: 2038-01-31
Also published as: CN108491952A

Abstract

本发明公开了一种零件配合性能优化方法及系统，包括检测系统测试、尺寸信息标记、零件分类存放、分组装配等步骤；需要的设备包括测量单元、零件标记单元、尺寸信息处理单元、扫描分类单元、装配单元。测量得到零件的尺寸信息，将尺寸信息标记在零件上、尺寸信息处理单元将测量单元测得的一个批次的零件信息进行处理，将零件分成几组、扫描分类单元通过扫描零件上的标记，判断出零件所处的组数，然后通过分类机构将零件进行分类、装配单元将对应组的零件进行装配。本发明的创新点是在随机配合合格的前提下，通过本方法提高批量性零件配合性能的稳定性，是提高产品批量性性能的一种新方法。

Description

零件配合性能优化方法及系统

技术领域

本发明涉及一种批量性零件性能稳定的选配优化方法，特别是一种用于工业自动化装配系统中的零件配合性能优化方法。

背景技术

常用配合方法有完全互换法、不完全互换法、分组装配法、修配法、调整法。完全互换法适用于自动装配流水线，只需要较少的人工操作，但是对于较精密的装配要求，零件的加工精度要求也很高。不完全互换法可以降低加工精度，由于零件尺寸符合正态分布，因此同时取到公差带两端的情况比较少，大部分是分布在公差带中间，此时配合关系较好。当加工工艺较差，不能达到互换法的要求的时候，可以采用分组装配法。分组装配法可以放大零件的尺寸公差，再将加工好的零件分成几组，按照对应的组进行装配，对应组之间满足完全互换要求。这种方法需要对加工的零件进行检测，这种方法也逐渐适用于自动化生产。修配法需要去除某一零件预留的部分材料，使整体配合达到一定的要求。调整法是通过调整装配体中的某一个零件的尺寸或者位置，从而达到一定的装配精度。修配法和调整法都需要较多的人工参与，比较不适应自动化以及零件的互换性。

在工业自动化装配中，对于大批量零件，由于人工的限制，往往是采用完全互换法进行装配的。一批合格的零件，虽然配合尺寸在要求的公差范围内，然而由于零件尺寸在公差范围内波动，这就造成了一批零件在性能上会有一定的不均等性。本专利公开的这种装配方法，在精益求精的思想指导下，在可在合格装配的前提下，使批量性零件配合性能更稳定。本发明相对于现有技术的有益效果在于：(1)由于将零件分为几个小组，小组之间进行配合，因此同一批次的不同零件配合性能将更加趋于一致，从而产品的工作性能，寿命等参数能够趋于一致。(2)对零件分组增加了断层的处理方式，可以应对复杂情况下，零件尺寸分布不是按照正态分布规律。从而，这种分组装配方式更加可靠，装配精度更加高。(3)考虑到车间实际工作情况，零件分组数适中，不会给车间造成很大的工作压力，同时也能保证生产效率。(4)尺寸信息在零件上有记录，因此能够实现追溯管理，对产品后续维修、保养、更换零件都会有很大的便利。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种新的零件装配方法，以使批量性配合间隙稳定趋于一个稳定状态，使零件配合后使用寿命和工况大致稳定，不会有高有低，使批量性配合产品性能稳定。

在装配车间的生产中，每天的装配任务都是一个固定值，因此，对应零件的数量就是和装配任务相关的。车间需要从仓库调取相应数量的零件来进行装配任务。因此装配环节与生产环节是脱节的，这时就需要一个自动化系统来对零件进行检测与调控。

第一个步骤是检测零件。首先，检测系统分别对相互配合的零件进行检测，判断尺寸是否位于公差范围内，如果不在公差范围内，则将此零件进行报废处理，并申请新的零件进行补充，以保证零件数量满足当日的装配需求。若零件尺寸位于公差范围内，则对合格零件的精度信息进行记录，并进行下一步操作。

第二个步骤是将测得的尺寸信息录入数据库，并通过条码或者二维码将尺寸信息标记在零件上，将零件入库备用，同时统计当前入库备用的总合格零件数量N。

第三步骤是对零件信息进行处理和分组。本系统所需的检测系统所需的精度必须比公差高一个数量级，从而保证分组时具有足够的精度。分组时，首先对数据库中的零件精度信息进行分析，计算实际公差带T，然后对实际公差带平均分n组，每组记为T(i)，i＝1,2,…,n；任意小组T(i)的公差带大小为ΔT，统计每个公差带小组内对应零件数量N(i)。

由于装配时分组不能过多，大组划分过多会增加车间现场分区的负荷，不利于提高生产率，同时也会增加设备的数量和成本，所以本方法以划分4大组为例进行说明正态分布曲线下面积规律为68.27％,95％,99％。按照正态分布曲线下面积规律进行合并均匀性小组形成大组。因为划分4大组，这里选择68.27％面积，以31.73％，50％，68.27％为界将零件分为四个大组。

第四个步骤是零件归类。将零件通过分拣带，分拣带上安装扫描摄像头读取零件尺寸信息，得到零件的分组信息，从而将零件运送到规定的分组。

第五个步骤是装配。装配时零件从同一大组中选取，由于同一大组中相配合零件个数一般不相等，则大组内装配完毕后，将剩余的零件拿出来与下一大组的对应零件进行配对。对于断层，因区间较窄，数量较少，应在相应的配对物的配组剩余中找到相对应的均匀小组进行配对，若仍有剩余，则增加公差带小组ΔT或减少公差带小组ΔT进行配对，依次类推，直至断层区间配对完。

本发明相对于现有技术的有益效果在于：(1)由于将零件分为几个小组，小组之间进行配合，因此同一批次的不同零件配合性能将更加趋于一致，从而产品的工作性能，寿命等参数能够趋于一致。(2)对零件分组增加了断层的处理方式，可以应对复杂情况下，零件尺寸分布不是按照正态分布规律。从而，这种分组装配方式更加可靠，装配精度更加高。(3)考虑到车间实际工作情况，零件分组数适中，不会给车间造成很大的工作压力，同时也能保证生产效率。(4)尺寸信息在零件上有记录，因此能够实现追溯管理，对产品后续维修、保养、更换零件都会有很大的便利。

具体实施方式

本发明提供零件配合性能优化方法及系统，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

步骤1：通过检测装置对零件进行测量，剔除不合格的零件，对测量挑选出来的合格零件的精度信息进行记录；

步骤2：将测得的尺寸信息录入数据库，并通过条码或者二维码将尺寸信息标记在零件上，将零件入库备用，同时统计当前入库备用的总合格零件数量N；

步骤3：对数据库中的零件精度信息进行分析，计算实际公差带T，然后将实际公差带平均分n组，每组记为T(i)，i＝1,2,…,n；任意小组T(i)的公差带大小为ΔT，统计每个公差带小组内对应零件数量N(i)；

ΔT＝T/n；

因为一批加工的零件基本服从正态分布，所以大批量的零件都集中在公差带的中心位置，所以零件数量最多的小组应集中第n/2组(奇偶性后面阐述)附近，即Nmax应在N(n/2)附近，因不是严格正态分布，所以N(n/2)应是非常接近Nmax。

边缘公差带小组为T(1)附近及其邻域以及T(n)附近及其邻域的范围内，按照正态分布规律，分布零件的数量应是最少的。

若n为偶数，则中间公差带小组为T(n/2)附近及其邻域；若n为奇数，则中间公差带小组为T((n+1)/2)和T((n-1)/2)附近及其邻域，在中间公差带小组范围内，按照正态分布规律，其分布零件数量应是最多的。

正常情况下，公差带由边缘向中心过渡时，小组零件数量应该是呈递增趋势的。

对于非正常情况，公差带小组位置介于边缘公差带小组和中间公差带小组之间，但其小组内零件数量与临近小组内零件数量的差值较大，形成断层。断层分为凹断层和凸断层。当公差带小组位置靠近中间公差带小组，其中零件分布数量可能比临近小组的零件数量少很多，形成凹断层。当公差带小组位置靠近边缘公差带小组，其中零件分布数量远大于边缘公差带小组内的零件数量，形成凸断层。很明显按照互换性要求，在大批量随机选配过程中，断层的存在会对批量性零件整体配合性能最优有极大的影响。

凸断层的筛选：对于公差带小组T(i)，设置断层识别阈值ΔN，设置邻域范围为[-m*ΔT，m*ΔT],其中m为邻域半径参数，m*ΔT为邻域半径。

如果N(i)-N(i-1)>＝ΔN

N(i)-N(i-2)>＝ΔN

……

N(i)-N(i-m)>＝ΔN

且N(i)-N(i+1)>＝ΔN

N(i)-N(i+2)>＝ΔN

……

N(i)-N(i+m)>＝ΔN

则N(i)为凸断层,记T(i)为Tu(i)

凹断层的筛选：对于公差带小组T(i)，设置断层识别阈值ΔN，设置邻域范围为[-m*ΔT，m*ΔT],其中m为邻域半径参数，m*ΔT为邻域半径。

如果N(i)-N(i-1)<＝ΔN

N(i)-N(i-2)<＝ΔN

……

N(i)-N(i-m)<＝ΔN

且N(i)-N(i+1)<＝ΔN

N(i)-N(i+2)<＝ΔN

……

N(i)-N(i+m)<＝ΔN

则N(i)为凹断层，记T(i)为Ao(i)

因位于边缘公差带小组附近的凸断层的存在会影响批量性配合稳定性，所以凸断层必须要单独挑选出来，单独分组。

而位于中心公差带附近的凹断层，其附近零件小组零件数较多，因此单个凹断层小组零件数较少，对整体的影响不大，因此可以忽略凹断层。

邻域半径参数m的设置很重要，m过小断层多，不利于现场作业分区需要；m过大断层少，批量性配合整体稳定性较差。m应根据现场配合工况实际情况进行调整，即断层的深度决定了断层的数量，这里为了阐述方法方便，假设存在一个m，使得凸断层数为4，即形成凸断层为Tu(1)，Tu(2)，Tu(3)，Tu(4)。

凸断层筛选后，进行不均匀性分组，即对均匀性分组形成的小组进行合并，局部相邻的小组合并成一个大组。不均匀性分组应分4～8大组为宜，大组划分过多会增加车间现场分区的负荷，不利于提高生产率，同时也会增加设备的数量和成本，所以本方法以划分4大组为例进行说明(划分6大组和8大组的说明方法与划分4大组的方法完全相同)。

正态分布曲线下面积规律为68.27％,95％,99％。按照正态分布曲线下面积规律进行合并均匀性小组形成大组。因为划分4大组，这里选择68.27％面积。

若n为偶数，则选取中间公差带小组T(n/2)为分断点，则分为4大组，分别为P1＝[T(1),T(15.86％n)],P2＝[T(15.86％n+1),T(n/2)],P3＝[T(n/2+1),T(84.14％)],P4＝[T(84.14％n+1),T(n)]。其中15.86％n和84.14％n舍去小数取整。

若n为奇数，则选择中间公差带小组T((n+1)/2)和T((n-1)/2)为分断点，则分为4大组，分别为P1＝[T(1),T(15.86％n)],P2＝[T(15.86％n+1),T((n-1)/2)],P3＝[T((n+1)/2),T(84.14％n)],P4＝[T(84.14％n+1),T(n)]。其中15.86％n和84.14％n舍去小数取整。

合并区间[T(1),T(15.86％n)]内均匀性小组形成P1大组，同理，合并其余3个区间形成P2、P3、P4大组。

至此，不均匀分组完毕，分组结果为大组[P1,P2,P3,P4]和凸断层[Tu(1)，Tu(2)，Tu(3)，Tu(4)]。

实施例1

本方法适用于零件配合问题，但不止适用于轴和孔的配合，为讨论方便，以轴和孔的配合问题为例进行阐述。1.对轴和孔按照上述分组方法进行均匀性分组和不均匀性分组，形成如下待配合体。

孔的分组结果：

[P1,P2,P3,P4]和断层[Tu(1)，Tu(2)，Tu(3)，Tu(4)]

分别计算每个大组和断层内孔零件数为：

[N(P1),N(P2),N(P3),N(P4)]

[N(Tu 1),N(Tu 2),N(Tu 3),N(Tu 4)]

轴的分组结果：

[p1,p2,p3,p4]和断层[tu(1)，tu(2)，tu(3)，tu(4)]

分别计算每个大组和断层内轴零件数为：

[N(p1),N(p2),N(p3),N(p4)]

[N(tu1),N(tu2),N(tu3),N(tu4)]

2.不均匀分组的配合

将孔的大组Pi和轴对应大组pi内的零件进行配合，其中i＝1，2，3，4。由于对应分组内的零件数量不一定相等，因此每组配合会有剩余。剩余量可如下式计算：

若孔的数量多，则表示为下面四式：

ΔN(P1)＝|N(P1)-N(p1)|；

ΔN(P2)＝|N(P2)-N(p2)|；

ΔN(P3)＝|N(P3)-N(p3)|；

ΔN(P4)＝|N(P4)-N(p4)|；

若轴的数量多，则表示为下面四式：

ΔN(p1)＝|N(P1)-N(p1)|；

ΔN(p2)＝|N(P2)-N(p2)|；

ΔN(p3)＝|N(P3)-N(p3)|；

ΔN(p4)＝|N(P4)-N(p4)|；

3.配组剩余的配合问题

剩余配对问题以孔的P1大组剩余的情况为例，优先P1剩余零件和p2剩余零件配对，若没配完，则继续P1剩余零件和p3剩余零件配对，依次类推。接下来，由于轴p2大组零件剩余，因此优先p2和P3配对，若没配完，则继续p2和P4配对，依次类推。其他组剩余问题，也采用这种配对方式。这样，就实现了尽可能使批量性配合稳定性提高的要求。

4.断层的配合

对于断层，因区间较窄，数量较少，应在相应的配对物的配组剩余中找到相对应的均匀小组进行配对，若仍有剩余，则增加公差带小组ΔT或减少公差带小组ΔT进行配对，依次类推，直至断层区间配对完。

5.批次标记的重要性

零件的批次对于选配是非常重要的，因不同批次的零件在加工过程中，因加工工艺、操作工个人习惯经验、设备运转工况的微小差异性，会对合格零件的公差带范围稳定性有一定的影响，所以尽量不要混批次配对。重复上述1-4步后，若仍有少量剩余，可以在下一批次剩余中混批配对，以尽量减少混批对配合稳定性带来的影响。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种零件配合性能优化方法，其特征在于，所述方法包括检测系统测试、尺寸信息标记、零件分类存放、分组装配步骤；首先，测量得到零件的尺寸信息，将尺寸信息标记在零件上；再将测得的一个批次的零件信息进行处理，将零件分成若干组；通过扫描零件上的标记，判断出零件所处的组数，然后通过分类机构将零件进行分类、装配单元将对应组的零件进行装配；

所述方法通过如下步骤实现：

步骤一，对零件尺寸进行测量，保留尺寸误差在公差范围内零件，并对合格零件的精度信息进行记录；

步骤二，将测得的尺寸信息录入数据库，并将尺寸信息标记在零件上，将零件入库备用，同时统计当前入库备用的总合格零件数量N；

步骤三，对零件信息进行处理并分组，首先将零件按公差带进行分组，均匀分为n小组，再按照正态分布规律将小组合并，形成几个大组；

步骤四，将零件通过分拣带，读取零件尺寸信息，得到零件的分组信息，从而将零件运送到规定的分组；

步骤五，先装配对应大组内的零件，接着装配断层内的零件，直到完全配合完；

所述步骤三的具体过程为：

首先对数据库中的零件精度信息进行分析，计算实际公差带T，然后对实际公差带平均分n组，每组记为T(i)，i＝1,2,…,n；

任意小组T(i)的公差带大小为△T，统计每个公差带小组内对应零件数量N(i)；

△T＝T/n

边缘公差带小组为T(1)附近及其邻域以及T(n)附近及其邻域的范围内，当公差带小组位置靠近中间公差带小组，其中零件分布数量比临近小组的零件数量少很多，形成凹断层；当公差带小组位置靠近边缘公差带小组，其中零件分布数量远大于边缘公差带小组内的零件数量，形成凸断层；当存在断层时，对断层进行筛选，单独分组；

断层筛选后，对均匀性分组形成的小组进行合并，局部相邻的小组合并成一个大组；

当存在凸断层时，对于公差带小组T(i)，设置断层识别阈值△N，设置邻域范围为[-m*△T，m*△T],其中m为邻域半径参数，m*△T为邻域半径；

如果N(i)-N(i-1)>＝△N

N(i)-N(i-2)>＝△N

……

N(i)-N(i-m)>＝△N

且N(i)-N(i+1)>＝△N

N(i)-N(i+2)>＝△N

……

N(i)-N(i+m)>＝△N

则N(i)为凸断层,记T(i)为Tu(i)

当存在凹断层时，对于公差带小组T(i)，设置断层识别阈值△N，设置邻域范围为[-m*△T，m*△T],其中m为邻域半径参数，m*△T为邻域半径；

如果N(i)-N(i-1)<＝△N

N(i)-N(i-2)<＝△N

……

N(i)-N(i-m)<＝△N

且N(i)-N(i+1)<＝△N

N(i)-N(i+2)<＝△N

……

N(i)-N(i+m)<＝△N

则N(i)为凹断层，记T(i)为Ao(i)。

2.根据权利要求1所述的一种零件配合性能优化方法，其特征在于，所述步骤五的具体过程为：

装配时零件从同一大组中选取，大组内装配完毕后，将剩余的零件拿出来与下一大组的对应零件进行配对；对于断层，在相应的配对物的配组剩余中找到相对应的均匀小组进行配对，若仍有剩余，则增加公差带小组△T或减少公差带小组△T进行配对，依次类推，直至断层区间配对完。

3.根据权利要求1或2所述的一种零件配合性能优化方法，其特征在于，所述尺寸信息采用二维码或者条码标记在零件上。