基于三維尺寸分析的果穗箱與底盤裝配問題研究

耿佃才，張玉增，高暉，代冬梅，任子童

（261206 山東省 濰坊市 濰柴雷沃重工股份有限公司）

0 引言

我國是玉米種植大國，玉米種植面積和產(chǎn)量居世界第1 位，也是玉米消費(fèi)大國。玉米種植條件復(fù)雜，種植量大，生產(chǎn)成本較高，若缺乏收獲機(jī)械，會嚴(yán)重制約我國玉米產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；l(fā)展[1-2]。1921年澳大利亞專家艾倫設(shè)計(jì)了世界上第1 臺玉米收獲機(jī)，經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，如今美國、德國、俄羅斯等國家的玉米收獲基本上實(shí)現(xiàn)了全程機(jī)械化[3-5]。近幾年，隨著國家對玉米收獲機(jī)的大力扶持與推廣，我國玉米收獲機(jī)械化水平有了顯著提高，各種型號、結(jié)構(gòu)的玉米收獲機(jī)層出不窮，玉米收獲機(jī)的發(fā)展迎來了一個(gè)快速提高的時(shí)代[6-8]。

玉米收獲機(jī)是完成玉米莖稈切割、摘穗、剝皮、脫粒、秸稈處理等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的作業(yè)機(jī)器[9]。作為一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜且功能繁多的農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品，零部件設(shè)計(jì)、制造精度、裝配要求都會影響其使用性能。公差分析一般在多個(gè)零件累積成裝配體后進(jìn)行，稱為公差累積分析[10]。2D 傳統(tǒng)尺寸分析結(jié)果與實(shí)際情況偏差較大、無法處理復(fù)雜問題。而三維尺寸分析是在三維空間中模擬零件之間的裝配移動(dòng)，是對公差進(jìn)行自下而上的公差三維建模仿真過程，其宗旨是解決在成本制造范圍能力內(nèi)合理分配零件的公差，使其尺寸公差目標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求[11]；其分析結(jié)果與實(shí)際情況偏差結(jié)果接近，且可以對影響公差積累的原因進(jìn)行尋源。本文采用三維分析軟件對果穗箱與底盤機(jī)架裝配問題進(jìn)行虛擬裝配仿真分析，并結(jié)合實(shí)物裝配效果進(jìn)行驗(yàn)證，提出了一種解決果穗箱與底盤機(jī)架騰空或者偏斜問題的可行性解決方案及思路，同時(shí)識別出零部件位置關(guān)鍵尺寸公差及控制要求。

1 果穗箱安裝結(jié)構(gòu)及工作原理

果穗箱安裝示意圖如圖1 所示。果穗箱1 位于玉米收獲機(jī)械的后端，通過一個(gè)橫貫果穗箱上的管軸2 作為支點(diǎn)安裝在果穗箱支架3 上，而果穗箱支架安裝于底盤機(jī)架4 上，由于頻繁進(jìn)行卸糧，另一側(cè)直接放置于帶有橡膠減震墊5（通過螺栓聯(lián)接）的底盤機(jī)架上。卸糧時(shí)，通過控制卸糧油缸6 伸長支起果穗箱，果穗箱繞管軸旋轉(zhuǎn)，果穗沿果穗箱滑出，待果穗卸完后，則通過控制卸糧油缸縮短使果穗箱重新落回水平位置[12]。

2 三維尺寸分析

三維尺寸分析法是基于蒙特卡洛模擬算法[13]，依據(jù)零部件的基準(zhǔn)體系、公差及工藝流程進(jìn)行虛擬焊接、裝配，從而準(zhǔn)確計(jì)算目標(biāo)公差的尺寸分析方法[14-15]。仿真過程中，發(fā)現(xiàn)公差的累積情況，對影響公差積累的要素進(jìn)行尋源，并且評估各個(gè)要素在整個(gè)公差積累中所占的比重，以此為依據(jù)對工藝方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出優(yōu)化方案。在成本與公差之間找到合理的平衡，科學(xué)指導(dǎo)尺寸公差的設(shè)計(jì)[11]。

現(xiàn)階段用于三維尺寸分析主流的三維公差仿真軟件，都是基于產(chǎn)品、生產(chǎn)制造過程的三維尺寸分析軟件，在三維仿真環(huán)境中對所有相關(guān)零部件通過公差驅(qū)動(dòng)進(jìn)行裝配，實(shí)現(xiàn)尺寸鏈的計(jì)算仿真分析。按照實(shí)際加工能力初始定義零部件公差，然后按照工藝及裝配順序，按加工能力給零件公差建立起尺寸計(jì)算分析模型，根據(jù)零件基準(zhǔn)體系及公差進(jìn)行分析，在三維空間內(nèi)對各個(gè)特征的公差進(jìn)行疊加分析計(jì)算[16]。

3 公差仿真分析

3.1 三維尺寸分析假設(shè)條件

使用三維尺寸軟件進(jìn)行公差建模和分析時(shí)，假設(shè)條件[17]如下：

（1）零件公差的設(shè)定遵循如下流程：①裝配順序服從于產(chǎn)品及工藝設(shè)計(jì)；②基準(zhǔn)體系服從于定位設(shè)計(jì)及工裝設(shè)計(jì)；③公差大小服從于現(xiàn)有制造水平。

（2）除非特別指出，零件公差均服從正態(tài)分布；

（3）所有零部件均被認(rèn)為是剛體，不存在形變；

（4）零件在裝配中的磨損不考慮在內(nèi)；

（5）CAD 模型的尺寸均使用理論正確尺寸；

（6）仿真計(jì)算的次數(shù)（樣本數(shù)）為5 000 次；

（7）模擬結(jié)果超差率控制在5%以內(nèi)即算合格；

（8）安裝時(shí)油缸不受力，不考慮油缸安裝受力引起的尺寸變化。

3.2 果穗箱裝配工藝流程

果穗箱與果穗箱支架分裝完成后，兩者最后裝配在底盤機(jī)架上。裝配工藝流程圖如圖2 所示。

3.3 基準(zhǔn)體系制定

基準(zhǔn)體系指零部件設(shè)計(jì)、制造、檢測過程中貫穿前后的基準(zhǔn)點(diǎn)系統(tǒng)，作為從開發(fā)到制造、檢測直至批量裝車各環(huán)節(jié)所有涉及到的人員共同遵守的定位點(diǎn)要求[18]，也是建立虛擬裝配過程中尺寸分析模型的定位選取的基礎(chǔ)?；鶞?zhǔn)系統(tǒng)制定示意圖如圖3—圖5 所示。

3.4 公差設(shè)計(jì)

公差要求常用GD&T 圖來表達(dá)。GD&T 圖是用來描述零部件定位基準(zhǔn)、形位公差、尺寸、配合公差等一種精準(zhǔn)的工程技術(shù)語言[19]，是尺寸分析模型中公差輸入的條件。各零部件公差定義示意圖如圖6—圖8 所示。

3.5 仿真分析

采用三維尺寸分析軟件，按照圖9 所示的尺寸仿真分析流程示意圖，建立果穗箱與底盤機(jī)架裝配分析模型。為了分析果穗箱與底盤機(jī)架騰空或者偏斜問題，對果穗箱和底盤機(jī)架之間建立測量點(diǎn)，創(chuàng)建位置及方向如圖10 所示。

4 結(jié)果分析

4.1 果穗箱與底盤機(jī)架間隙

仿真分析模型創(chuàng)建完成后，將模擬裝配次數(shù)設(shè)定為5 000 次，隨后進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，得到如圖11所示仿真分析結(jié)果。

果穗箱與底盤機(jī)架間隙偏差為±5.89 mm，即果穗箱一側(cè)騰空間隙為5.89 mm。由于卸糧油缸不可調(diào)整，果穗箱與果穗箱支架連接后與底盤機(jī)架安裝形成過定位現(xiàn)象，故一定存在一點(diǎn)出現(xiàn)騰空現(xiàn)象，仿真結(jié)果示意圖見圖11。其主要影響因素為底盤機(jī)架上果穗箱支架安裝面的面輪廓度、底盤機(jī)架上果穗箱的匹配面及果穗箱（與底盤機(jī)架）匹配面的面輪廓度，貢獻(xiàn)度排名如表1 所示。

表1 貢獻(xiàn)度排名Tab.1 Contribution ranking

4.2 果穗箱與底盤機(jī)架上安裝橡膠墊的螺栓偏斜距離

果穗箱與底盤機(jī)架上安裝橡膠墊的螺栓偏斜距離為±12 mm（3D 數(shù)模理論距離為24 mm 即間隙量為12～36 mm），其超差率為零，滿足裝配要求。偏斜距離仿真分析結(jié)果如圖12 所示。其主要影響因素為盤機(jī)架上果穗箱支架安裝面的面輪廓度、果穗箱與果穗箱支架之間的浮動(dòng)、左、右支架與底盤機(jī)架的孔銷浮動(dòng)，貢獻(xiàn)度排名如表2 所示。

表2 貢獻(xiàn)度排名Tab.2 Contribution ranking

5 優(yōu)化方案

（1）果穗箱與底盤機(jī)架裝配后一定會存在1 處出現(xiàn)騰空現(xiàn)象。根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)定果穗箱與底盤機(jī)架間隙偏差目標(biāo)為±4 mm，其超差率4.04%（＜5%）（超差率即仿真狀態(tài)參數(shù)超出公差次數(shù)與總仿真此時(shí)的百分比[20]。超差率＜5%分析項(xiàng)作為設(shè)計(jì)合格判定標(biāo)準(zhǔn)），仿真優(yōu)化分析結(jié)果如圖13 所示?？赏ㄟ^增減調(diào)整墊的方法消除間隙偏差影響，考慮其橡膠墊的壓縮量，調(diào)整墊的厚度及數(shù)量根據(jù)目標(biāo)值設(shè)定。

（2）果穗箱與底盤機(jī)架上安裝橡膠墊的螺栓偏斜量為12～36 mm，在實(shí)際運(yùn)行過程中會出現(xiàn)與底盤螺栓頭干涉現(xiàn)象，由于偏斜效果對使用性能影響較小，故將裝配結(jié)構(gòu)更改，將普通螺栓改為沉頭螺釘裝配，消除其在使用過程中出現(xiàn)的干涉現(xiàn)象，更改效果如圖14 所示。

5 實(shí)物測量

為了驗(yàn)證仿真分析后果穗箱與底盤機(jī)架偏差情況（未加調(diào)整墊片）及果穗箱與螺栓位置偏斜量，隨機(jī)抽取生產(chǎn)線樣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場測量，共測量10 臺樣車。實(shí)測值如表3 所示。經(jīng)驗(yàn)證分析，測量結(jié)果（騰空間隙、偏斜量）基本與仿真分析結(jié)果相符合。

表3 實(shí)測值Tab.3 Measured values

6 結(jié)論

本文從玉米收獲機(jī)械果穗箱與底盤機(jī)架裝配問題出發(fā)，將尺寸仿真虛擬分析運(yùn)用到問題查找和解決中，通過仿真分析及驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

（1）基于三維分析仿真結(jié)果與裝車效果，提出了一種解決果穗箱與底盤機(jī)架騰空或者偏斜問題的可行性解決方案；

（2）仿真分析可準(zhǔn)確獲得裝配問題的主要影響因素，為后期質(zhì)量控制和優(yōu)化方案提供了依據(jù)；

（3）三維尺寸分析可為玉米收獲機(jī)械產(chǎn)品提供結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝方案、公差設(shè)定等優(yōu)化方案，減少生產(chǎn)過程中的更改，節(jié)省了時(shí)間與成本。