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整机装配工艺设计分析
作者: 信息产业部电子第20研究所 张爱平
1前言
1.1装配的概念
装配是按规定的技术要求, 将零件或部件进行配合和联系, 使之成为半成品或成品的工艺过程。整机装配是生产过程中的最后一个阶段, 它包括装配、 调整、 检验和试验等工作, 且产品的最终质量由装配保证。
产品的质量是以产品的工作性能, 使用效果和寿命等综合指标来评定的。为保证产品的质量, 对产品提出了若干项装配要求, 这些装配要求应当在装配过程中予以保证。所谓装配精度, 就是产品装配后的实际几何参数、 工作性能等参数与理想几何参数、 工作性能等参数的符合程度, 即主要指各个相关零件配合面之间的位置精度, 包括配合面之间为间隙或过盈的相对位置, 以及由于装配中零件配合面形状的改变而需计及的形状精度和微观几何精度(如接触面的大小和接触点的分布)。
1.2问题的提出
在产品逐级装配这一复杂的制造过程中, 装配工艺设计怎样才能发挥其指导生产的作用呢?
传统的生产方式是按设计目录(物料名细表)来组织生产的。而且从现行的设计、 工艺文件分析, 所谓的物料名细表只能说明装配所需的物、 料, 没有表示物料需求的先后顺序。因此对指导生产计划没有起到应有的作用, 不能完全反映整个产品的装配结构、 层次、 顺序以及所需物料的数量。现今国际上的技术发达国家如美国、 日本等已经提出了制造业中优化生产计划的根本思想——按需求来组织生产, 值得我们借鉴。这种需求不但是用户的最终需求, 还包括制造过程中加工、 装配各工序间的需求。需求计划一般以周为单位, 甚至可落实到以天为单位。它改变了传统的以库存控制法来组织生产的方式, 九十年代美国把这一系列思想方法总结为精益生产方式。
要按”需求”的方式组织生产, 就必须弄清楚整个装配过程中的”需求”是什么? 即什么时间、 需要什么物料, 数量多少。这样才能进一步推导出什么时间加工、 什么时间制造毛坯等等。而装配过程中的物料需求正是装配工艺设计的主要内容之一。可见, 一个复杂产品的装配不但要有严格的工艺要求, 而且与企业的生产组织、 装配工艺装备、 工人的技术水平等有关, 否则不能保证装配的质量和按期完成产品的装配。从装配周期分析, 较复杂的产品装配需要一个月到几个月、 一年甚至更多的时间才能完成, 因此其装配过程中的零部件等(物料)的需求也是陆续的, 应按照装配工艺的要求提供, 否则不是停工待料, 就是物料积压。因此改进当前拖拉的生产现状, 应先从总装配开始安排生产计划, 从下道工序向上道工序发出需求指令(看板管理的形式), 形成”拉动”的生产方式。分析这一拉动过程, 就是研究生产过程中的物料需求, 这一需求正是首先由装配工艺设计确定。可见改革现行的装配工艺文件与设计的内容, 成了改革计划管理、 使我所由粗放型发展到集约型的一个重要环节, 也是使先进的工艺设计发挥作用, 获得应有效益的关键。
2 复杂系统的装配工艺设计(以某雷达稳定平台为例)
要想较好地完成一个产品的装配工艺设计, 首先应从熟悉产品的工作性能、 组成及要求入手。
2.1 稳定平台的用途及工作原理
稳定平台是为舰用搜索雷达提供了一个可消除船摇影响的安装基座。稳定平台伺服系统是由一个典型的位置随动系统, 其输入纵横摇角速度信号以及横摇的速度信号是由舰上平台罗经供给的。利用该输入信号去控制稳定平台, 使稳定平台输出一个与输入信号幅值相等且方向相反的角速度信号, 从而克服船摇的影响, 并在规定的摇摆条件及相对风速条件下保证所需要的复现精度。
稳定平台伺服系统由稳定平台、 伺服系统、 方位变速控制箱等组成。它接收来自平台罗径的船摇信号, 将船摇信号变换为直流功率放大信号, 控制稳定平台的伺服电机转动, 使稳定平台的天线旋转轴与海平面相垂直。
2.2 稳定平台的组成和主要技术参数
2.2.1稳定平台的组成
稳定平台主要由底座部分、 支架、 纵横摇框架部分、 同步装置、 方位传动装置及驱动机构等上百个零部件组成。其中底座、 支架、 纵横摇框架等为采用高强度铸铝合金70ss的铸造件。整个雷达五个关键件中的三个: 纵横摇框架、 方位旋转关节及柔轮均位于其中, 另两个关键件——支架、 天线反射器装于稳定平台的方位传动装置上。可见它的装配质量直接影响到整部雷达的工作性能。其结构简要示意图如图1所示。

2.2.2主要技术参数
(1)稳定平台系统使用条件(摇摆条件):
横摇纵摇
3%保证度幅值 ≤±20% ≤±10%
角速度 ≤9.6°/s ≤8°/s
角加速度 ≤12°/s2 ≤16.7°/s2
角加加速度 ≤15.2°/s3 ≤34.9°/s3
稳定平台在横摇小于±25°, 纵摇小于±20°时, 平台不被破坏;
(2)相对风速
小于40m/s风速时, 稳定平台保精度工作;
小于55m/s风速时, 不损坏稳定平台;
(3)天线方位转速
工作于两种转速: 20r/min、 40r/min, 转速误差≤5%;
(4)稳定平台重量小于400kg, 其中天馈线系统重量为50kg;
(5)稳定平台伺服系统在上述技术参数条件下, 其复现精度纵横摇分别测量, 均小于0.5°(峰值);
(6)寿命为4000小时;
(7)连续工作时间为24小时;
(8)纵横摇主轴轴心在空间的正交精度为0.02;
(9)纵横摇的极限角度调整: 纵摇±10°, 横摇±20°。
其它如传动部分、 齿轮齿隙的调整以及密封等另有要求。
要使稳定平台达到装配精度, 不能只依赖于提高零件的加工精度, 在一定程度上必须依赖于工艺技术的保证。
2.3 装配作业过程的分析
一般装配工艺由零件装入、 以各种方式连接、 各级部件装配、 总装配等等一系列工序和操作组成。
经加工合格的零件, 必要时在投入装配前需做好各种准备工作。在装配过程中和装配之后, 要经过检测和调整以保证零部件的尺寸、 形状和位置关系。为保证这一切在装配过程中应分层次、 分单元进行, 特别是稳定平台这样的复杂产品。另外, 不但要有严格的工艺技术要求, 还要有工艺顺序要求。工艺的技术要求和装配顺序由装配工艺过程卡提供。
2.3.1整机装配关系
整机最多能够由四层装配关系组成, 最简单的可能只有两层组成。(1)每层能够由各种不同的单元零件所组成; (2)上层装配单元由下层单元及零件组成; (3)产品的装配过程, 从最基本的装配单元开始。装配作业流程如图2所示。

分析上图可知, 最先投产的有: (1)生产周期较长的铸造件: 如底座、 支架、 纵横摇框架等; (2)外协件: 如齿轮等; (3)最下层(组件层)的单元件: 如图中所示的圆销、 蜗轮、 轴套等; (4)外购件: 当前国内市场不多见、 购买周期长的元器件等。
我们应有理有序地组织生产和装配, 避免由于缺乏某个零部件影响组装而导致生产周期被拖延的现象发生。
2.3.2装配工艺配合法的确定
装配的工艺配合法和工作组织形式是根据产品的结构、 零件大小、 制造精度、 生产规模等因素来选择的。工艺配合法与尺寸链的解算密切相关。选择工艺配合法, 需找出装配的全部尺寸链, 结合设计要求和制造的经济性, 经过合理的技术计算, 把封闭环的公差值分配给各组成环, 确定各环的公差和极限尺寸。装配的最终精度, 从有关尺寸链的解算而获得。
工艺配合法分为四种: (1)互换装配法; (2)选配法; (3)修配法; (4)调整法。
2.3.2.1互换装配法
互换装配法是在装配时各配合零件不经修理、 选择或调整即可达到装配精度的方法。其实质就是用控制零件的加工误差的方法来保证装配精度。
军工所当前多为单件小批量生产方式, 因而装配中为保证质量大多数选用互换装配法。稳定平台中关键件纵横摇的空间正交精度0.02mm, 同轴度为0.03mm和0.04mm, 就是靠加工予以保证的。重要件方位旋转关节(转动部分波导管和固定部分波导管)中的主要精度尺寸, 是经两部分波导装配后, 经过精心换算工艺尺寸链, 靠加工予以保证的。其中尺寸链的解算略。
2.3.2.2选配法(适用于大批量生产方式)
选配法是将尺寸链中组成环的公差放大到经济可行的程度, 然后选择合适的零件进行装配, 以保证规定的精度。它按形式不同可分为三类: 直接选配法、 分组选配法和复合选配法, 如屏蔽罩等。
2.3.2.3修配法
修配法是在装配时, 根据实际测量的结果, 改变尺寸链中某预定的修配件(修配环)的尺寸, 使封闭环达到规定的装配精度的方法。如波导管与法兰盘、 轴与轴承等的配合均采用此法。
2.3.2.4调整法
调整法是将尺寸链中组成环在按经济加工的加工精度确定公差时, 选择其中一个或几个适当尺寸的调节件(调节环)进行调整, 来保证规定的装配精度要求。这种调整件可起到补偿装配累积误差的作用, 故亦称补偿件。如偏心轴承套、 轴承端盖、 锁紧螺母等。
2.4 装配作业顺序分析
2.4.1作业的程序分析
为了有效地完成装配, 必须做到:
(1)装配结构及装配要求将产品进行逐层分解, 使产品逐层分解为能够独立进行装配的构件, 直到不能分解为止;
(2)研究确定同一层各零部件的装配顺序;
(3)研究确定各个单元内部各构件的装配顺序。
2.4.2装配顺序的工艺性原则
(1)串联尺寸链: 以简单、 方便为原则安排装配顺序;
(2)并联尺寸链: 先安装精度高的尺寸链, 精度相同时, 先装对多数尺寸链是公共的尺寸链组成环所在的那个尺寸链;
(3)每个尺寸链装配顺序: 应先从基本尺寸链开始, 先公共、 后一般, 先下后上, 先内后外, 先难后易, 先重后轻, 先精后一般的原则。
2.4.3装配顺序的经济性原则:
(1)装配层次, 先低层后高层进行装配;
(2)装配层多的先装;
(3)装配复杂、 精度高、 时间长的最先装。
根据以上的分析和装配顺序的两个原则, 将稳定平台分解为底座、 支架、 同步装置、 纵横摇框架、 自动锁、 水准仪、 驱动机构以及接线装置等零部件, 而其中部件部分, 如自动锁又可分解为滑座、 挡珠器、 壳体、 微动开关、 蜗轮、 法兰盘等几十个零部件; 组件部分如蜗轮, 又能够分解为圆销、 轴套和蜗轮三个零件。因此装配时, 应先从最低层装起, 即先装配蜗轮, 再按顺序装配自动锁, 再装配稳定平台。稳定平台的装配又是从底座部分装起, 按顺序装配支架部分、 纵横摇框架部分、 同步装置部分, 然后组装其它部分: 自动锁、 接线装置等。
2.5 装配工艺的设计方案
根据以上的要求分析, 装配工艺技术文件由装配系统图、 装配名细表、 装配工艺过程卡和工序卡组成, 见图3。

2.5.1装配系统图
装配系统图是用来表示系统内各独立部分之间的关系的图表。用系统图的方式来描述装配作业对象的作业顺序、 组成及装配方法, 对组织生产、 指导生产很有帮助, 但装配作业构件的形状尺寸等非常复杂。为了能表示出它们的装配关系与装配顺序, 以方框图的形式来表示, 它既反映了装配单元的划分, 又直观地表示了装配工艺过程。它为拟订装配工艺过程、 指导装配工作、 组织计划以及控制装配进度均提供了方便, 而且还能够将复杂的装配设计简化, 为日后的计算机辅助制造系统(CAPP)的应用打下了良好的基础。基本形式如图4所示。

2.5.1.1基础框图形及内容(见图5)

装配关系按标准可分为螺纹连接、 过盈连接、 键连接等。
(1)螺纹连接: 在机械结构中广泛采用螺纹连接。螺纹连接的质量除受加工精度的影响之外, 还与装配技术有很大的关系。如拧紧螺母的次序不对, 施力不均匀, 将使部件变形而降低了装配精度。对于运动部件上的螺纹连接, 若紧固力不足, 会使连接件的寿命大大缩短, 甚至造成事故。因此对于重要的螺纹连接, 必须规定预紧力的大小, 对于中小型螺栓常见定扭矩法(用定扭矩扳手)或扭角法控制预紧力。稳定平台主要技术参数中, 有两项平台不损坏的要求, 除了高强度铸铝合金件等本身的强度外, 螺纹连接的预紧力显得非常突出。
(2)过盈连接: 如轴、 孔的配合等。方法有: 压入法(轴向)、 热胀或冷缩法(径向)。
(3)其它连接: 如铆接、 焊接、 粘接等。铆接方法有扩铆、 胀铆、 用专用铆接工具铆等。焊接、 粘接等各有要求和具体操作方法。
2.5.1.2辅助框图形及内容(见图6)

2.5.1.3 用直线表示基础框之间、 基础框与辅助框之间的联系
直线左端框为装配基准件右端框为装配目标件。从左到右排列的基础框、 辅助框为参与装配的构件及装配作业中使用的标准件和装配顺序, 如图7所示。

2.5.2装配工艺过程卡
在装配系统图的基础上, 划分装配工序、 规定工序计划(包括调整和检验工序), 并按我所规定的格式编制工艺过程卡。稳定平台的装配内容主要如下(其它按顺序装配, 具体内容略)。
2.5.2.1装配前的准备工作
(1)装配前进行零件的清洗, 获得所需的清洁度。首先按图纸齐套零件后, 领取汽油3kg/台～5kg/台, 润滑脂”201”、 密封胶”601”、 万能胶”801”、 硅橡胶”414”等。清洗各部件, 将齿轮、 轴承等零件清洗后, 检查轴承是否有卡滞现象, 清洗好上润滑油待用, 用万能胶将密封垫粘贴到相应的零件上。
(2)为达到工艺上的装配精度要求, 对有关零件进行刮削。因为刮削能够提高工件的尺寸精度和形位精度, 降低表面粗糙度和提高接触刚度等。可用涂色法检验, 也可用相配的零件检验。经测量的零件, 大孔要修配, 小孔要用丝锥过孔, 不该涂漆的需修刮。另外, 方位传动机构经装配调整后, 各部件及零件作好拆装标记, 以便在平台纵横装配时拆装装配用。
(3)对装配工作台面用框式水平仪、 平尺对台面的平度、 直线度等进行校正校平。
(4)某些部件(传动部分)应按图纸要求在装配前进行必要的运转试验, 试验合格后, 再投入装配。
2.5.2.2稳定平台装配中的一些具体要求
(1)大多数零部件的装配采用的是互换装配法。基准件为底座, 底座底面和装支架的上平面需经刮研, 确保平面度和平行度要求, 检测可用水平仪、 平尺进行。
(2)旋转零件, 如齿轮和啮合间隙等, 装配时采用调整或修配法, 齿轮副侧隙能否符合规定, 在剔除齿轮加工因素以外, 与中心距偏差密切相关。由于侧隙还会同时影响齿轮的接触精度, 因此要求与接触精度结合起来调整(中心距)。具体有三种方法: (a)修刮轴承套或轴瓦; (b)利用本身的调整进行调整。如双片齿轮、 偏心的轴承套等; (c)用表(百分表)打各个部位的径跳和端跳, 以及轴向的窜动, 并进行调整。
(3)过盈连接件: 如轴承、 键、 销钉等采用压入法, 能用压力机的均使用压力机, 决不能用榔头直接敲击轴承边缘。轴承的轴向游隙, 用垫圈或锁紧螺母进行调整。
(4)根据测量误差, 对照装配精度要求以调整法和修配法消除其偏差, 然后复校装配精度, 直达产品所规定的各项技术要求, 最后固定、 打销。
(5)所有盖板在全部机构调整合格后, 最后进行紧固、 密封, 电装在机装调整合格后进行。
(6)装配工人技术水平, 要求象稳定平台这样复杂的装配, 需高级工以上的技术等级, 以确保产品的装配质量。有些装配需多人配合, 具体见工艺卡。
(7)环境条件的要求: 工作场地(装配间)应有防尘、 防振措施。对就位精度要求高的纵横摇框架部分, 需具有超慢速装置的吊装设备。
(8)各部件在总装之间和总装之后, 均应经过严格检验和必要的试验, 各工序件间实行三检, 严格工艺纪律。
2.5.3装配名细表(物料表)
表1由结构设计提供。为适应集约管理的要求, 建议用分层次的零件名细表和汇总表来代替, 既表示需要量, 也表示需求的先后。
我所现在的产品生产名细表如表1所示。

应加入需完成的时间, 实际完成时间以及分层情况, 以便在组织生产中能与装配工艺结合, 使之切实有效地指导生产。
另外为了估算装配周期, 安排工作计划, 对各个装配工作需要确定工时定额, 工时定额一般都是根据实际经验和统计资料估计的。一般工时定额划归计划处管理, 但这一项工作确是装配工艺设计中相当重要的一部分。什么时间完成、 什么时间需要什么物料, 均以此为依据, 管理工作也应切实抓紧。
3结论
纵观整个装配工艺过程, 从熟悉产品的用途、 性能、 要求入手, 到装配系统图的设计, 然后根据装配系统图描述各装配单元的组成和相互之间的关系, 确定装配方法、 划分装配工序、 规定工序计划、 设计工艺过程文件、 计算劳动量(工时定额), 从而进行生产指导, 使设计人员的目的要求最终以装配工艺技术来保证。整个过程不突出重点, 而是从小处着手, 消除积累误差, 一切为了保证装配精度, 一切为了保证产品质量, 突出整体装配工艺技术的重点及其重要性。在产品逐级装配这一复杂的过程中, 要把质量第一的思想贯彻始终。
另外装配工艺设计其指导生产的作用主要体现于:
(1)组织计划生产方面应分层次、 有目的、 有计划地从总装配向前发出需求指令, 避免盲目投产, 做到有理、 有序地组织生产;
(2)指导操作者具体进行操作, 即采用什么方法、 什么设备、 按什么顺序装配, 尽量采用先进的设备和工艺方法;
(3)为检验人员标出应控制的内容及检测工量具等, 确保产品的质量稳定。