基于柔性偏差分析的车身装配顺序优化研究

论文摘要

轿车车身尺寸质量直接关系到整车外观、风噪声、关门效果甚至行驶平稳性,影响轿车车身尺寸质量的主要有零部件设计、装配工艺及制造偏差等因素。随着汽车技术的不断发展,车身制造水平已经接近制造质量控制的极限,车身尺寸质量的进一步提高依赖于装配方案等工艺设计水平的改善。在车身薄板零件的装配过程中,装配顺序、焊接配置和夹具定位策略等装配方案影响着车身产品特征的装配偏差。以装配尺寸质量为目标的装配顺序优化研究方面,多数学者主要采用一维的偏差分析模型,对零件间的对接、搭接等接头形式进行定性分析。但是轿车车身作为具有复杂装配关系的薄板产品,在焊接过程中零件易于变形,传统的刚体偏差分析模型不再适用。本文针对柔性薄板零件的装配顺序优化进行了研究:首先提出了基于多属性有向图的装配顺序规划算法,根据装配约束剔除非工程可行的装配顺序;然后建立多工位柔性薄板偏差分析模型,可计算不同装配顺序下的关键特征的装配公差;最后提出了装配顺序的两级优化算法,实现了装配顺序的优选。在此基础上,为了提高装配顺序优化的效率,开发了装配顺序生成和优化的原型软件,并通过车身侧围、尾灯支架等案例对本文提出的方法进行了验证。本文的主要内容和创新点为:（1）提出基于多属性有向图的工程可行装配顺序规划算法针对通常以装配关系为基础的装配顺序规划算法,所生成的装配顺序难于完全保证工程可行,本文提出了基于多属性有向图的装配顺序规划算法。在装配模型中,不仅描述了零件间的装配关系,而且还添加了装配匹配特征信息和工程实际中的装配约束。并且引入环联分总成和对串、并、环联分总成的详细分类,完善了分总成类型。通过所提出的装配顺序自动规划算法可剔除非工程可行的装配顺序,提高了装配顺序生成的效率。（2）建立多工位柔性装配偏差分析模型传统柔性装配偏差分析模型着重于建立零件偏差和装配偏差间的关系,而在实际柔性薄板零件的装配过程中,夹具偏差起着重要的作用,本文建立了多工位间偏差传递和累积的柔性装配偏差分析模型。在“N-2-1”和“3-2-1”两种夹具定位原则下,夹具偏差、零件偏差和装配偏差在装配过程中有着不同的偏差变化,本文建立了这两种夹具定位规则下的装配前后偏差关系。在多工位装配过程中,按照夹具定位点的释放模式不同,建立了过定位释放和完全释放两种模式下的装配偏差分析模型。该模型可用于分析不同装配顺序下的装配偏差的传递与累积过程,提高了装配偏差计算的精度。（3）提出装配顺序的两级优化算法针对柔性薄板零件的装配偏差分析需通过大量的有限元计算,本文提出了装配顺序的两级优化算法:首先以刚体模型进行装配顺序的初步优化,得出一条优化的装配顺序;然后优化所得到装配顺序下的夹具定位策略和装配焊点组合,用于减少零件变形和降低装配偏差。在以刚体模型为基础的优化过程中,采用遗传算法优化零件间的装配匹配特征,获得优化的装配顺序。在以柔性装配模型为基础的优化中,提出了启发式正交方法优化夹具定位策略和装配焊点组合。为了进一步减少有限元分析次数,提高优化效率,建立了以径向函数为基础的响应面模型拟合优化变量与评估函数之间的关系。本文所提出的装配顺序的两级优化,克服了以往需要大规模有限元分析的缺点,从而提高了装配顺序优化的效率,增加了柔性薄板零件装配顺序优化的可行性。（4）开发装配顺序优化的原型软件在本文理论研究的基础上,为提高装配顺序生成与优化的效率,开发了装配顺序优化的原型软件。该软件以ACCESS数据库为基础,采用VC++作为开发工具,并应用OpenGL技术在软件中显示零件的三维数学模型。该软件根据所研究的主要内容分为装配模型、装配顺序生成、装配偏差分析和装配顺序优化等模块,可以自动生成和优化装配顺序。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景、意义及来源
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.1.3 课题来源
• 1.2 国内外研究现状综述
• 1.2.1 车身制造尺寸质量偏差源分析
• 1.2.2 装配顺序规划研究
• 1.2.3 柔性薄板零件装配偏差分析
• 1.2.4 装配过程分析及优化研究
• 1.3 本文研究工作的内容
• 1.3.1 目前研究中存在的问题和不足
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 研究方法
• 1.4 本文的章节安排
• 第二章 基于多属性有向图的车身装配顺序规划
• 2.1 引言
• 2.2 装配顺序对装配偏差的影响
• 2.2.1 一维装配体分析
• 2.2.2 二维装配体分析
• 2.2.3 三维装配体分析
• 2.2.4 柔性薄板装配体分析
• 2.3 车身装配体的多属性有向图及邻接矩阵表达
• 2.3.1 装配体的多属性有向图表达
• 2.3.2 装配体的邻接矩阵
• 2.3.3 分总成类型及数学表达式
• 2.4 可行装配顺序规划流程
• 2.4.1 收缩矩阵
• 2.4.2 装配序列的生成流程
• 2.4.3 装配顺序表达
• 2.5 车身侧围案例的可行装配顺序生成
• 2.5.1 串联分总成
• 2.5.2 并联分总成
• 2.5.3 环联分总成
• 2.5.4 收缩矩阵
• 2.5.5 可行装配顺序
• 2.6 本章小结
• 第三章 车身柔性零件装配偏差分析建模
• 3.1 引言
• 3.2 车身零件的装配偏差分析模型
• 3.2.1 柔性薄板零件的定位过程
• 3.2.2 薄板零件装配过程
• 3.2.3 柔性薄板零件装配偏差分析模型
• 3.2.4 柔性薄板零件多工位装配过程
• 3.3 柔性薄板件装配偏差分析流程实现
• 3.3.1 柔性薄板装配体
• 3.3.2 装配偏差传递过程
• 3.3.3 装配偏差分析模型结果比较
• 3.4 本章小结
• 第四章 金属薄板零件装配顺序的两级优化
• 4.1 引言
• 4.2 基于刚体模型的装配顺序优化
• 4.2.1 装配顺序优化问题分析
• 4.2.2 装配匹配特征优化
• 4.2.3 基于遗传算法的装配操作优化流程
• 4.2.4 车身侧围案例
• 4.3 柔性薄板零件的装配工艺优化
• 4.3.1 基于径向基函数的响应面模型
• 4.3.2 基于启发式正交算法的夹具定位方案优化
• 4.3.3 启发式正交算法在装配焊点方案优化中的应用
• 4.4 本章小结
• 第五章 装配顺序优化原型系统开发
• 5.1 引言
• 5.2 装配顺序优化原型系统
• 5.2.1 装配模型的输入
• 5.2.2 装配顺序生成
• 5.2.3 公差分析
• 5.2.4 装配顺序优化
• 5.3 尾灯支架装配案例分析
• 5.3.1 案例介绍
• 5.3.2 以刚体模型为基础的装配顺序优化
• 5.3.3 确定性定位下的装配公差分析
• 5.3.4 零件间装配焊点组合方案优化
• 5.4 “N-2-1”定位时尾灯支架装配分析
• 5.4.1 “N-2-1”定位原理应用
• 5.4.2 确定性定位下装配公差分析
• 5.4.3 零件间装配焊点组合方案优化
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 主要工作及结论
• 6.2 创新点
• 6.3 不足之处及研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参与的项目和软件开发