分子泵整機(jī)裝配工藝過(guò)程的綜合評(píng)價(jià)*

馬紹興，何朝暉，張日升，吉方，楊川貴

(中國(guó)工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽(yáng)　621900)

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分子泵整機(jī)裝配工藝過(guò)程的綜合評(píng)價(jià)*

馬紹興，何朝暉，張日升，吉方，楊川貴

(中國(guó)工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽(yáng)621900)

分子泵的裝配順序?qū)Ψ肿颖玫倪\(yùn)行情況和抽氣性能具有較大影響，為了優(yōu)化分子泵裝配工藝，需要綜合考慮裝配操作方便性、裝配精度保證性、工藝簡(jiǎn)單性和裝配可行性等影響分子泵裝配的因素，通過(guò)裝配序列的綜合評(píng)價(jià)方法，建立裝配序列評(píng)價(jià)模型，獲取最優(yōu)的裝配序列，從而在最優(yōu)裝配序列的指導(dǎo)下，優(yōu)化裝配工藝流程并設(shè)計(jì)專用裝配裝置，提高分子泵裝配效率和質(zhì)量穩(wěn)定性。

綜合評(píng)價(jià)；裝配序列；裝配裝置；裝配效率和穩(wěn)定性

0　引言

高速小型復(fù)合分子泵是一種獲取高真空的精密儀器[1]，結(jié)構(gòu)緊湊，是質(zhì)譜設(shè)備等儀器的核心部件。由于高速小型復(fù)合分子泵最高轉(zhuǎn)速可達(dá)90000r/min，裝配質(zhì)量會(huì)直接影響分子泵的運(yùn)轉(zhuǎn)性能和可靠性，裝配前需要對(duì)裝配工藝過(guò)程進(jìn)行規(guī)劃。

對(duì)分子泵整機(jī)裝配工藝過(guò)程的綜合評(píng)價(jià)[2-3]可以為裝配規(guī)劃提供參考依據(jù)，從而獲得最優(yōu)的裝配序列。裝配序列的評(píng)價(jià)方法有很多，如可視化評(píng)價(jià)[4]裝配順序的方法，基于熵權(quán)與模糊集的綜合評(píng)價(jià)[5]方法，最優(yōu)有序參考集確定隸屬度[6]的計(jì)算方法，裝配序列的模糊綜合評(píng)價(jià)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)方法[7]和有向圖[8-9]的活動(dòng)序列相似度的計(jì)算方法等。

在裝配序列評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，本文增加考慮裝配工藝過(guò)程中涉及到的裝配力、裝配工裝、精度檢測(cè)等的評(píng)價(jià)，通過(guò)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的定量分析和裝配過(guò)程的模糊評(píng)價(jià)，選出最優(yōu)裝配序列，為分子泵整機(jī)裝配提供參考依據(jù)。

1　綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的劃分

高速小型復(fù)合分子泵整機(jī)由22個(gè)零部件組裝而成，主要包括轉(zhuǎn)子、底座、泵殼、葉片、高速軸承組件、牽引槽筒等的裝配。組裝過(guò)程涉及到不同預(yù)緊要求的螺紋連接、弱剛性薄壁件的交錯(cuò)裝配、強(qiáng)磁性脆性零件的互斥裝配、多級(jí)螺旋葉輪的柔性支撐，電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子的同軸裝配等，如圖1所示。

圖1　分子泵裝配示意圖

由于牽涉的零件數(shù)目和裝配環(huán)節(jié)較多，為了保證裝配質(zhì)量和裝配效率，需要對(duì)裝配操作方便性、精度保證性、工藝簡(jiǎn)單性和裝配可行性4個(gè)一級(jí)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，4個(gè)指標(biāo)又可根據(jù)上述工藝過(guò)程的特點(diǎn)劃分出16個(gè)二級(jí)指標(biāo)，指標(biāo)的劃分情況如圖2所示。

圖2　分子泵裝配綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分圖

裝配操作的方便性是指單個(gè)零件(以組件形式進(jìn)行組裝的按單個(gè)零件計(jì)算)是否便于裝配操作的順利進(jìn)行，考慮到分子泵零件的重量差異、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、配合間隙、反復(fù)拆裝難易程度等梳理出了7個(gè)二級(jí)指標(biāo)。通過(guò)合理的選擇單個(gè)零件的裝配順序，提高裝配操作的方便性可以提高裝配效率。

裝配精度保證性是指裝配過(guò)程中涉及到的裝配精度檢測(cè)和調(diào)整。根據(jù)影響分子泵裝配的影響因素，如轉(zhuǎn)子和定子的同軸度、支撐座和底座的相對(duì)位置等梳理出了5個(gè)二級(jí)指標(biāo)。合理的裝配序列可以對(duì)裝配精度進(jìn)行合理控制，減少輔助裝配工裝夾具的使用，從而減少裝配時(shí)間和裝配成本[10]。

裝配工藝簡(jiǎn)單性是指裝配工藝過(guò)程中裝配工藝的復(fù)雜程度，復(fù)雜程度影響裝配的連續(xù)性。梳理出裝配聚合度和重力方向裝配次數(shù)2個(gè)二級(jí)指標(biāo)，可以保證相似裝配集中進(jìn)行，避免重復(fù)定位，從而提高裝配效率。

分子泵裝配需要專用工裝和工具保證裝配質(zhì)量，故裝配可行性包括幾何可行性和機(jī)械可行性2個(gè)二級(jí)指標(biāo)，通過(guò)分析可以解決裝配過(guò)程中發(fā)生的零件和零件、零件和工裝工具的干涉問(wèn)題，排除無(wú)法裝配的序列，得到可行的裝配序列。

2　綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算

通過(guò)對(duì)裝配序列的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定量計(jì)算，可以對(duì)裝配序列進(jìn)行可靠的評(píng)價(jià)，篩選出適合裝配工藝要求和約束條件的最佳方案。通過(guò)層次分析法求解出所有指標(biāo)的權(quán)重，通過(guò)隸屬度的計(jì)算方法獲得并行度、聚合性和裝配可行性指標(biāo)的隸屬度，最后通過(guò)基于最優(yōu)參考集的計(jì)算方法獲得其他指標(biāo)下裝配序列的相似度，從而對(duì)分子泵的裝配工藝過(guò)程進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.1評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算

層次分析法[11-12]是一種常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算方法，通過(guò)計(jì)算將多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為一個(gè)反映綜合情況的定量評(píng)定值。通常裝配序列的模糊綜合評(píng)價(jià)值可以表示為：

(1)

其中：ωi為一級(jí)指標(biāo)權(quán)重，ωij為二級(jí)指標(biāo)權(quán)重，fij為各指標(biāo)的隸屬度，Mi為一級(jí)指標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)值，M為整體評(píng)價(jià)值，i=1,2,3,4；j=1,2,…,16。

2.2隸屬度計(jì)算

(1)裝配并行度的隸屬度：并行裝配的零件數(shù)越多，裝配時(shí)間越短，并行度越好。裝配并行度及其隸屬度可以通過(guò)式(1)進(jìn)行定義：

(2)

其中：PD為裝配的并行度，fC16為裝配并行度的隸屬度，p為裝配序列中可進(jìn)行并行操作的次數(shù)，tm1和tm2為第m個(gè)并行裝配中，并行分支1和分支2所用的裝配時(shí)間(m=1,2,3,…,p)，PPm1和PPm2為第m個(gè)并行裝配中，并行分支1和分支2的零件總數(shù)，N為零件的總數(shù)。

(2)聚合性的隸屬度：聚合性指標(biāo)可以利用同一類裝配作業(yè)在裝配序列中連續(xù)完成次數(shù)的平均值來(lái)衡量，故隸屬度的計(jì)算公式如下：

(3)

其中：Nall為裝配序列中裝配作業(yè)的總數(shù)，Nm為序列中第m中裝配作業(yè)連續(xù)完成的次數(shù)，r為序列中裝配作業(yè)類型的數(shù)量。

(3)可行性的隸屬度：可行性評(píng)價(jià)主要是針對(duì)裝配過(guò)程中干涉的零件(工具)個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)，干涉零件(工具)越少裝配可行性越好，可行性隸屬度可以定義為：

(4)

其中：x為裝配過(guò)程中發(fā)生干涉的零件(工具)個(gè)數(shù)，N為零件(工具)的總數(shù)。

2.3裝配序列相似度計(jì)算

裝配序列相似度是指在每一個(gè)單獨(dú)的評(píng)價(jià)指標(biāo)下，按照各自的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，分別建立的最優(yōu)參考序列與待評(píng)價(jià)序列的相似程度。獲取最優(yōu)參考序列相似度的方法如下：

Step1：初始設(shè)定k=0，s=0；

Step3：k=k+1；如果k≤n，則跳轉(zhuǎn)到Step2；

Step4：計(jì)算序列P′的裝配相似度為：

(5)

3　在分子泵整機(jī)裝配的應(yīng)用

以自主研制的63mm口徑高速小型復(fù)合分子泵的整機(jī)(圖3)裝配為例，對(duì)4種理論可行的裝配序列進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖3　分子泵整機(jī)裝配模型

根據(jù)分子泵整機(jī)的構(gòu)成特點(diǎn)，規(guī)劃了如圖4所示的4個(gè)典型的裝配序列，理論上，這4種裝配序列均可以滿足整機(jī)的裝配。其中裝配序列a和b為串行的裝配方法，按照“由里到外”的裝配順序進(jìn)行裝配，裝配序列c和d為并行裝配，c先以底座1為裝配基準(zhǔn)，完成支撐座4、真空插頭15、蓋板19等的裝配，以泵殼5為裝配基準(zhǔn)完成轉(zhuǎn)子3、靜葉片、槽筒2等的裝配，最后只完成底座和泵殼的對(duì)接，d僅以底座1為裝配基準(zhǔn)，其余零部件通過(guò)并行支線裝配成為組件后再往底座上組裝。

(a)裝配序列a

(b)裝配序列b

(c)裝配序列c

(d)裝配序列d

3.1分子泵整機(jī)裝配評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算

根據(jù)各級(jí)指標(biāo)對(duì)分子泵整機(jī)裝配質(zhì)量影響的重要程度，利用層次分析法分別確定4個(gè)一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。

同理，二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重分別是：

根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重、隸屬度的計(jì)算公式，可以得到如表1所示的評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)評(píng)價(jià)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，表中最優(yōu)參考集S為在每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)下，分子泵整機(jī)的最優(yōu)裝配順序，但并不一定是可行的序列，將規(guī)劃4條理論可行的裝配序列Sa～Sd與最優(yōu)參考集進(jìn)行相似度的比較，各指標(biāo)下的相似度越高，裝配序列越優(yōu)良。

表1　裝配序列a～d的相似度計(jì)算表

續(xù)表

3.2討論與實(shí)踐

通過(guò)公式(1)和表1可得，裝配序列a～d的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果依次為：Ma=0.62937，Mb=0.60601，Mc=0.77963，Md=0.81323。

由評(píng)價(jià)結(jié)果可知：Mb

根據(jù)裝配序列d設(shè)計(jì)了一套分子泵的集成化裝配裝置，如圖5所示。根據(jù)裝配序列d將裝置劃分為6個(gè)工位，包括轉(zhuǎn)子組件裝配工位、底座組件裝配工位、泵殼和支撐座組件裝配工位、整體對(duì)接工位、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡工位和三坐標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)工位。工位上設(shè)置壓裝機(jī)構(gòu)、精度檢測(cè)機(jī)構(gòu)和定力矩預(yù)緊機(jī)構(gòu)，工位間采用自動(dòng)物料傳送機(jī)構(gòu)進(jìn)行物料傳送，通過(guò)基于裝配序列d的集成化裝配裝置，將裝配效率從4臺(tái)/天提高到了20臺(tái)/天，轉(zhuǎn)子等的裝配精度，如同軸度從0.05mm降低到0.02mm，所有的泵均能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)速90000r/min，滿足使用要求。

圖5　多工位并行集成化裝配裝置示意圖

4　結(jié)論

裝配序列的綜合評(píng)價(jià)能夠定量、快速、準(zhǔn)確的獲得復(fù)雜產(chǎn)品較優(yōu)的裝配序列，以最優(yōu)裝配序列為依據(jù)，可以獲得更合理的裝配工藝流程用以指導(dǎo)裝配，并在裝配工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出專用的高效、自動(dòng)化的裝配裝置，從而提高裝配效率，保證裝配質(zhì)量。

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(編輯李秀敏)

Comprehensive Evaluation of Assembly Process of Molecular Pump

MA Shao-xing, HE Zhao-hui, ZHANG Ri-sheng, JI Fang, YANG Chuan-gui

(Institute of Mechanical Manufacturing Technology, China Academy of Engineering Physics, Mianyang Sichuan 621900, China)

The assembly sequence of molecular pump makes great effect on the operating and pumping performance the pump. In order to achieve the optimal assembly process of molecular pump, the convenience of operations, the assurance of the assembly accuracy, the simplicity of the process and the feasibility of assembly must be considered, and the evaluation model of the assembly sequence is built by using the comprehensive evaluation method. The optimal assembly sequence of the pump is calculated by the model and it can be applied to optimize the assembly process and to design a set of assembly equipment, so the study can be used to guarantee the assembly efficiency and the quality of the pump.

comprehensive evaluation;assembly sequence;assembly equipment;assembly efficiency and quality

1001-2265(2016)09-0145-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.09.042

2016-05-24

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)資金資助(2013YQ130429)

馬紹興(1987—)，男，四川雙流人，中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所工程師，碩士，研究方向?yàn)榫苎b配與測(cè)量，(E-mail)franckmars@163.com。

TH162；TG506

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