譚曼華王世旺董旭輝

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

在現(xiàn)代汽車(chē)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(chē)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(lái)說(shuō)，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(guò)程中，相應(yīng)的精度要求高。若沒(méi)有在過(guò)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(wú)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(wèn)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(chē)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(wú)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(lái)說(shuō)，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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(jué)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(jué)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(guò)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(guò)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）。考慮零件與零件裝配時(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(guò)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(guò)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(kāi)。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(guò)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(lái)保證設(shè)備的功能塊的最終位置精度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

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(guò)多的零件加工精度要求過(guò)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(kāi)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(wèn)題。當(dāng)公差精度要求過(guò)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?xún)r(jià)比高的設(shè)備。