基于装配特征的半挂车车架快速装配系统开发研究＊

邹东文 孙桓五 刘松

（太原理工大学）

基于装配特征的半挂车车架快速装配系统开发研究＊

邹东文 孙桓五 刘松

（太原理工大学）

针对传统装配方法存在零件模型修改后装配位置不能随之发生相应变化的问题，在深入分析半挂车车架装配零部件实体特征和装配配合特征的基础上，提出基于装配特征的半挂车车架快速装配方法，并根据该方法开发出车架快速装配系统。该方法提高了装配的准确性和灵活性。

1 前言

传统的自动装配方法通常采用计算装配后各产品的空间坐标确定其空间位置关系[1]，由此，一旦某个零部件的设计参数修改则会导致原有零部件装配空间变化，从而导致装配发生严重错误。与传统的自动装配方法相比，基于零部件相对位置关系的自动装配方法显示出明显优越性，其通过对零部件的装配特征进行约束来确定空间位置。由于该装配方法中零部件在装配空间的位置通过零件相对位置关系定义，因此，当其中某个零件的设计尺寸发生变化时，零部件装配对象类型间的装配约束关系并未发生改变，从而能保证装配位置的正确性。

针对半挂车车架装配中零部件之间存在大量装配特征的特点，提出了基于装配特征的快速装配方法，开发了装配系统，有效解决了某一零件尺寸设计参数发生改变而导致原有装配关系破坏、装配位置发生严重错误的问题。

2 半挂车车架总成结构特点分析

半挂车车架主要由纵梁、横梁、顶梁、尾梁、左右边梁等结构组成[2]，其模型如图1所示。纵梁是车架的重要部件，由上翼板、下翼板和腹板组成，由于工字型截面抗弯系数较大，目前被市面上的大多数半挂车纵梁所采用。根据吨位不同纵梁腹板高度有所差异。横梁连接半挂车左、右纵梁组成框架，是车架的主要构件之一。横梁本身的抗扭性能及其在车架上的分布直接影响车架刚度，本文采用冲压槽型钢，横梁间距一般以800 mm为宜。横梁与纵梁的连接采用横梁贯穿纵梁腹板的方式，通过纵梁腹板的孔贯穿于左右纵梁之间，二者交汇处采用不完全焊接，在贯穿处只焊接腹板，上、下翼板不焊接。边梁位于车架左右、前后两侧，与纵梁、横梁一起共同组成车架，并对车架起到加固作用，边梁通常采用槽型钢。为了增加车架强度，横梁与腹板之间还设有辅助支撑装置——斜撑，其主要起支撑横梁的作用，使横梁不易发生变形，以增加整个车架的稳定性。

由以上分析可知，半挂车车架的装配比较固定，通过特定装配特征之间的配合方式可以完全表达各组件之间的装配关系。基于装配特征的半挂车车架快速装配方法即是对车架各组件预先定义装配特征，并对其进行标识，存入数据库中，在数据库中通过定义装配特征之间的配合关系由装配函数的调用来完成车架的快速装配。

3 半挂车车架中的装配特征

3.1 装配特征的定义

装配特征是反映几何元素、配合类型、装配操作方式及装配关系的所有装配辅助信息的集合，其数学形式描述如下:

式中，AF为装配特征；GM为几何元素；MA为配合类型；AO为装配操作方式；AI为与装配有关的所有装配辅助信息，如装配公差、装配速度、装配工艺操作或规程信息等[3]。

由于装配特征定义所包含的信息繁杂，且本文研究重点在装配零件间的几何元素和配合关系上，不考虑其工艺规程的影响，将以上装配特征信息简化为:

AF={GM∪MA}

GM={平面∪圆柱面∪圆锥面∪圆球面∪线∪点∪……}

MA={贴合∪对齐∪相切∪距离∪角度∪……}

即在装配特征中起重要作用的是几何元素和配合类型。

由于机械产品中绝大多数零件都是由平面、圆柱面、圆锥面、球面组成，因此装配特征中的几何元素也几乎是由这些元素组成。

3.2 车架的装配特征

车架的装配特征主要以平面特征为主。以图2和图3的腹板和下翼板装配为例，图中腹板和下翼板的装配特征为平面特征，1和4分别指半挂车车架纵梁腹板和下翼板的对称面，2和5分别指腹板和下翼板的后端面，3和6分别指腹板的下平面和下翼板的上平面。在装配中，腹板的上平面和下平面分别与上翼板的下平面、下翼板的上平面焊接，形成纵梁，其截面为工字梁截面。根据装配截面的形状特征即可确定三者的装配位置。首先，腹板和下翼板装配时，腹板在竖直方向应处于下翼板的对称面位置，即图中1与4所示的平面应重合，配合类型MA={贴合}，GM={腹板对称面∪下翼板对称面}；腹板的后端面应与下翼板的后端面对齐，即2与5的配合类型MA={对齐}。除此之外，腹板的下平面应与下翼板的上平面贴合，即3与6的配合类型MA={贴合}，GM= {腹板下平面∪下翼板上平面}，至此，腹板和下翼板的装配完成，装配特征表示为AF={腹板对称面∪下翼板对称面∪腹板后端面∪下翼板后端面∪腹板下平面∪下翼板上平面∪贴合∪对齐}。同理，可以完成腹板与上翼板的装配。图4为腹板和下翼板装配后的效果图。

半挂车车架装配中零部件之间的装配特征绝大多数为平面特征，但还存在其他装配特征，如牵引总成装配中既有孔特征又有柱面特征。图5所示为牵引总成装配示意图，其牵引销底座与牵引销的装配方式为轴孔配合。

图5中，1、2和3、4分别指牵引销底座与牵引销上的定位配合孔，在牵引销与牵引销底座的配合中起装配定位作用。由于1、2、3、4为孔特征，故装配特征几何元素选其轴线，两零件之间的孔采用同心约束，配合类型MA={center}，装配特征AF={孔1轴线∪孔2轴线∪孔3轴线∪孔4轴线∪center}。5与6分别指牵引销底座的内凹平面与牵引销的上平面，在装配时应采用贴合约束，配合类型MA={mate}，几何元素GM={牵引销底座内凹平面∪牵引销上平面}，至此，牵引销与牵引销底座的装配完成。在牵引销与牵引板的装配中，7和9分别指牵引销底座的外圆下端面与牵引板上平面，二者装配特征的几何元素均为平面，宜采用贴合约束，MA={mate}；8和10分别为牵引销外圆面与牵引板内孔面，两者为轴孔配合，装配特征的几何元素分别取其轴线，即GM={牵引销外圆面轴线∪牵引板内孔面轴线}，施加装配约束时使二者轴线重合，配合类型MA={center}，则至此牵引销总成与牵引板的装配完成。

4 基于装配特征的半挂车车架快速装配方法

半挂车车架的快速装配研究主要用到了自动化装配技术，该技术利用函数调用方法对待装配零部件的基准特征及实体特征的成对配合关系进行约束，即通过函数调用方法对已建立相关装配约束关系和已构造相应装配函数的零部件特征面、配合面和约束位置等具体特征属性进行调用，以完成产品零部件的装配[4]。图6为车架的自动化装配流程。在对半挂车车架零部件进行装配序列规划的基础上，以UG为开发平台，运用参数化技术建立半挂车车架零部件模型，在模型中预先定义装配特征，对其进行标识并存入数据库中，在数据库中定义零部件装配特征之间的配合关系，最后由自动化装配程序的调用完成半挂车车架的快速装配。

5 半挂车车架快速装配的实现：

5.1 车架零部件装配序列规划

纵梁是车架的基础部件，在装配中占据基础性地位，车架其他部件都以纵梁为基础部件进行装配，因此在车架的装配中必须首先导入纵梁。在纵梁的装配中应以腹板的上、下表面为基准，将上、下翼板分别焊接在其上，形成纵梁。在纵梁装配完成后添加横梁，横梁贯穿左右腹板与纵梁垂直布置，随后添加进面板横梁，至此，所有的横梁已添加完成。接着以横梁的下表面和腹板的外表面为基准，焊接加强板和斜梁，完成辅助支撑的装配。再以横梁的左右两端面为基准，焊接左右边梁，之后以左右边梁的前端面和后端面为基准焊接上顶梁、尾梁。另外在纵梁的腹板处设有加强板，需在纵梁装配完成后将其添加进去。图7为车架零部件装配时的流程图。

5.2 车架快速装配实例

以UG为开发平台，利用二次开发工具UG/ Open Menuscript、UG/Open UIStyler UG/Open GRIP和UG/Open API，结合.NET编程，开发了半挂车车架快速装配系统。具体开发步骤以纵梁的自动装配为例。由于半挂车车架的快速装配建立在模型库基础上，因此，装配之前必须建立半挂车车架零部件库。首先在UG平台上运用参数化技术完成半挂车车架零部件的建模，在零部件建模阶段，需要对参与装配操作的基本几何特征进行属性命名，得到特征名，以便在装配环境下识别[5]。

装配特征可以通过装配约束来表示，一个装配特征对应一个装配约束对[6]。在车架装配中，以腹板和下翼板装配为例，由于在模型建立阶段已经对腹板和下翼板相应的装配特征面进行了属性命名，只需在数据库中定义这两个装配特征面之间的装配关系即可。腹板对称面与下翼板对称面之间的配合关系为贴合，腹板后端面与下翼板后端面的约束为对齐，腹板下平面与下翼板上平面的配合类型为贴合，至此腹板和下翼板在数据库中的装配关系定义完成，二者已按要求实现完全约束。

在数据库中完成了零部件装配关系定义后，通过装配程序对已建立相关装配约束关系的零部件特征面、配合面和约束位置等具体特征属性进行调用即可完成装配，得到如图8所示的腹板和下翼板自动装配效果图。依次类推，可以完成整个车架的自动装配，整个车架装配完成后的效果图如图9所示。

6 结束语

以半挂车车架装配零部件的实体特征和装配配合特征为基础，提出了基于装配特征的半挂车车架快速装配方法。该方法有效解决了车架在传统自动装配方法中，当其中一个零件的尺寸发生改变时与之相关联的其他零件的相对位置不能随之发生相应变化的问题。使用该方法能大大提高半挂车车架的装配效率，保证装配的准确性。此外，该方法同样适用于装配特征相对固定的产品，可为其他装配系统的设计提供借鉴。

1石海波.一种基于特征的装配模型及其装配系统开发.制造业自动化，2010，13:18～20.

2乔维高.专用汽车结构与设计.北京:北京大学出版社，2010.

3孙文，周惠群，赵小东.基于装配特征的虚拟自动装配的研究和表达方法的描述.科学技术与工程，2006，15:2350～2353.

4帝瑞静.半挂车快速装配系统开发研究:[学位论文].太原:太原理工大学.2012

5张宏星，许敏，蒋祖华.面向自动装配的装配特征定义与表达方法研究.机械科学与技术，2005，07:824～826.

6杨显刚，何玉林，金鑫，李成武.基于自动装配技术的参数化部件库的关键技术研究.中国机械工程，2013，14:1910～1915.

（责任编辑帘青）

修改稿收到日期为2014年11月1日。

Research and Development of the Rapid Assembling System of Semitrailer Frame based on Assembly Feature

Zou Dongwen，Sun Huanwu，Liu Song
（Taiyuan University of Technology）

To eliminate the defects of the traditional assembly method that assembly position can't change automatically corresponding to modification of the component models，this article presents a rapid assembly method for semi-trailer frame upon assembly features based on the in-depth analysis of the solid features of semi-trailer frame assembly components and matching features，and develops a rapid assembly system of semi-trailer frame.This method improves precision and flexibility of assembling.

Assembly feature，Semi-trailer frame，Rapid assembly，Assembly relationship

装配特征半挂车车架快速装配装配关系

U463.32

A

1000-3703（2014）12-0028-04

太原市科技明星项目（11014922）资助