基于多工位装配夹具补偿的柔性件装配尺寸偏差控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及计算机辅助制造技术，尤其是一种柔性件多工位装配偏差控制方法， 具体是一种基于多工位装配夹具补偿的柔性件装配尺寸偏差控制方法。
【背景技术】
[0002] 柔性零件由于其自身具有可变形及回弹特性，在装配过程中可以通过变形克服由 于误差产生的间隙和干涉，但是装配件会发生变形和产生装配应力。在实际工程中，复杂产 品往往需要在多个工位上装配而成。转换工位时，装配偏差会随工位的推进而传递，并逐渐 累积，同时还会因定位基准的转换而产生重定位偏差。在多工位装配中，尺寸偏差过大常导 致配合间隙不均匀、装配协调性较差等问题，最终影响产品质量。因此，需要运用有效的方 法减小柔性件多工位装配偏差，提高产品质量，降低制造成本。
[0003] 通过研究装配过程中偏差的传递与累积，一些减小偏差影响的方法已经被广泛使 用，用来减小尺寸偏差对于最终装配产品质量的负面影响，改善产品质量。其中，最普遍的 方法是稳健性设计，其在产品设计阶段发挥作用，并尽可能降低产品质量对于偏差的敏感 度和生产阶段的干扰。另一种方法是采用统计过程质量控制（SPC)检测生产过程中的均值 漂移和偏差变化，需要运用纠正或调整措施将过程恢复到正常的运行条件。然而，稳健性设 计只能降低偏差的影响，不能直接提高质量;统计过程控制具有滞后性，且不能提供自动控 制尺寸偏差的系统方法。统计过程控制(SPC)需要大量样本来确定误差源，所以不能在逐件 装配中补偿误差。上述这两种方法都不能在装配过程中即时减小误差。
[0004] 1996年，Nguyen和Mills改善了自动、稳健的无夹具装配元件，采用多种控制器，把 零部件的力学模型与力传感器读数相结合，用来将金属薄板件精确定位到名义位置。然而， 它不能通过更改零部件位置(非名义位置)来补偿最终装配体的关键产品特征偏差，从而控 制零部件的尺寸偏差。2006年，Hu和Camelio采用了控制零部件误差的方法解决柔性件装配 过程中的尺寸偏差问题，提出了一种用于控制输入零部件误差的自适应控制框架，由预装 配测量和优化两部分组成，用来决定最优控制行为，使组装后的关键产品特征(KPC)偏差最 小。然而，他们只给出了这种启发式方法的概念性框架，并没有涉及如何实施偏差补偿的方 法;而且没有考虑该方法的适用范围，只能短时间内勉强用于决定实际装配过程中的控制 行为，该控制过程若用于实时在线控制，需要一个高效的离线算法获得误差与控制行为之 间的关系。2007年Lzquierdo等提出了 一种面向单工位装配的实际反馈控制方法，可以实时 减小线性装配系统的偏差。2012年，Xie提出一种用于柔性薄板件装配的逐件控制误差补偿 方法，以改善装配偏差质量。该方法包含离线控制模块，考虑零件间的接触和摩擦，采用仿 真模型决定控制行为，使得装配体的KPC偏差最小。但是基于有限元仿真的方法，需要针对 每个装配件建立仿真模型，在实时性和用于生产控制的可行性方面存在较大局限；并且未 考虑多工位装配模式下如何实现装配偏差的连续控制。
[0005] 因此，建立一种适用于柔性件多工位装配过程的适应性控制方法，通过在定位或 重定位环节实施夹具补偿的方式来减小装配偏差，将有助于科学、准确地减小柔性件多工 位装配中的装配偏差，具有工程应用价值。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的针对柔性件多工位装配偏差的适应性控制差的问题，发明一种基于 多工位装配夹具补偿的柔性件装配尺寸偏差控制方法。
[0007] 本发明的技术方案是：
[0008] -种基于多工位装配夹具补偿的柔性件装配尺寸偏差控制方法，其特征在于：首 先，在柔性件多工位装配过程，逐工位的预测、补偿装配偏差，并使参与夹具补偿的夹具定 位点位置在一定范围内能法向调节;其次，以控制理论中状态空间法为基础，在柔性件多工 位装配的定位或重定位环节中加入夹具补偿系统进行偏差数据采集、补偿方案优化和补偿 实施，以减小即将进行装配的工位上的装配偏差。也就是说，本发明以定位点法向可调夹具 为装配设备，在柔性件多工位装配的定位或重定位环节中，采用调节后续工位的夹具定位 点法向补偿量的方法来减小该工位装配件的法向偏差，从而减小最终装配件的偏差。用于 柔性件多工位装配的夹具补偿系统包括偏差数据采集、补偿方案决策、补偿实施三个模块， 可以通过以下技术路线来实现：
[0009] 1.偏差数据采集
[0010] 偏差数据采集模块是夹具补偿系统的输入部分。由于整个装配系统的输入量，即 参与装配的所有零件的制造偏差为已知量，包含第一个工位的夹具补偿系统的输入，因此 第一个工位不需要实施偏差数据采集;对于除第一个工位以外的其它工位，偏差数据采集 是指采集即将在后续工位中进行装配的、由前置工位装配完成的子装配件的尺寸偏差值。 将子装配件的关键产品特征(KPC)以及后续工位中其夹具定位点位置、装配连接点位置作 为偏差数据采集点，采集数据的方式包括：由前置工位的装配偏差传递模型推导得出和由 测量工具测量得到。
[0011] 2.补偿方案决策
[0012] 补偿方案决策模块是夹具补偿系统的核心部分，包括装配偏差建模、补偿量优化 模型建模与最优补偿量求解三个步骤。
[0013] 2.1装配偏差建模
[0014]将夹具定位点的法向补偿量作为一组可调变量，建立即将进行装配的后续工位上 的柔性件装配偏差传递模型。对于第一个工位，考虑的偏差源为参与装配的零件制造偏差 与夹具定位偏差;对于除第一个工位以外的其它工位，考虑的偏差源包括参与装配的子装 配件装配偏差、零件制造偏差和夹具定位偏差。建模过程包括定位、夹紧、连接、释放回弹四 个步骤，对柔性件的变形采取小变形、线弹性假设，将关键产品特征(KPC)作为测点，运用影 响系数法的理论建立装配过程中柔性件各测点与各偏差源在变形和回弹时的关系。采用有 限元软件对装配过程进行仿真，提取定位、夹紧、连接和释放回弹步骤中各装配力与变形的 超元刚度矩阵。最终建立夹具定位点法向补偿量、偏差源偏差与该工位装配件的测点偏差 之间的偏差传递关系，即为该工位的装配偏差传递模型。
[0015] 2.2补偿量优化模型建模
[0016]根据上述后续工位上考虑夹具定位点法向补偿量的柔性件装配偏差传递模型，建 立该工位基于夹具补偿的装配偏差优化模型。优化变量是夹具的可调定位点的法向补偿 量。优化目标有多个，包括:使该工位装配件的各测点偏差的平方和最小，使夹具各可调定 位点的补偿量的平方和最小。约束条件包括:各夹具定位点的补偿量在一定的可调节范围 之内，装配件的各测点偏差在装配工艺要求允许的范围之内。
[00Π ] 2.3最优补偿量求解
[0018] 由装配偏差传递模型可以得到：当偏差数据采集模块给定一组输入偏差量时，装 配件测点的偏差和夹具定位点法向补偿量呈线性关系，故该优化模型的求解为二次规划问 题。构造目标函数，在约束条件规定的范围内，得出满足优化目标的最优解。这里需要根据 有无可行解进行分情况讨论。如果存在可行解，则在下一模块中依照其调节夹具定位点的 补偿量;如果没有可行解，则需要考虑采用其它方式保证装配质量，如:考虑在该工位添加 新的夹具定位点等，这些方法的具体实现方案不在本发明的研究内容之中。
[0019] 3.补偿实施
[0020] 补偿实施模块是夹具补偿系统的执行部分。根据上述方案决策模块中对基于夹具 补偿的装配偏差优化模型的求解结果，调节可调夹具定位点的法向补偿量。如果调节夹具 定位点无法满足对该工位装配偏差质量的要求，则考虑采用增加夹具定位点数量等方法， 该内容不在本发明的实施范围之内。
[0021] 本发明的有益效果是:基于多工位装配夹具补偿的柔性件装配尺寸偏差控制方法 可以利用多工位装配中的定位或重定位环节，根据即将进行装配的后续工位的输入偏差， 即时、准确地调节该工位的夹具定位点法向补偿量，实现逐工位的柔性件装配偏差适应性 控制，以保证最终装配产品偏差质量的合格率。
【附图说明】
[0022] 图1采用夹具补偿的柔性件多工位装配过程示意图。
[0023] 图2用于柔性件多工位装配尺寸偏差控制的夹具补偿系统流程图。
[0024] 图3定位点法向可调夹具的结构示意图。
[0025] 图4柔性件多工位装配在工位k中3-2-1定位阶段的示意图。
[0026] 图5柔性件多工位装配在工位k中N-2-1定位阶段的示意图。
[0027] 图6柔性件多工位装配在工位k中夹紧阶段的示意图。
[0028] 图7柔性件多工位装配在工位k中连接(铆接)阶段的示意图。
[0029] 图8柔性件多工位装配在工位k中释放铆枪阶段的示意图。
[0030] 图9柔性件多工位装配在工位k中释放额外定位点阶段的示意图。
[0031] 图10柔性件多工位装配在工位k中释放过约束定位点阶段的示意图。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图和实例对本发明做出进一步详细说明。
[0033] 如图1-10所示。
[0034] -种基于多工位装配夹具补偿的柔性件装配尺寸偏差控制方法，它在柔性件多工 位装配过程，逐工位的预测、补偿装配偏差，并使参与夹具补偿的夹具定位点位置在一定范 围内能法向调节。同时以控制理论中状态空间法为基础，在柔性件多工位装配的定位或重 定位环节中加入夹具补偿系统进行偏差数据采集、补偿方案优化和补偿实施，以减小即将 进行装配的工位上的装配偏差。详述如下：
[0035] 图1给出了采用夹具补偿的柔性件多工位装配过程的示意图，与运用状态空间法 描述的常规的多工位装配过程相比，在各工位的定位或重定位环节之中增加了夹具补偿系 统。其中，第一个工位以零件偏差X〇为系