基于多色集合的连杆清洗夹具概念设计

2013-03-31姜莉莉李德治周鑫卿前茂

机床与液压 2013年7期

姜莉莉，李德治，周鑫，卿前茂

(广东工业大学机电工程学院，广东广州510006)

连杆是发动机传动中的重要零件，其生产加工水平直接影响设备整个动力系统的效率与稳定性。一般生产加工完成以后的连杆往往带有许多油污、切屑和粉尘。这些废弃物的存在，对连杆的使用性能存在很大的隐患。因此，必须对加工完成的连杆进行清洗。常用的清洗方式是利用超声波、高压水射流进行批量清洗，这种清洗方式对表面的清洗效果明显，但是，对连杆体上的细长孔、盲孔等无法进行清洗。为此，采用新的清洗工艺对连杆进行清洗，可以很好地解决目前连杆清洗中存在的不足。作者在分析连杆清洗工艺的基础上，利用多色集合理论的优点，对连杆清洗夹具进行了概念设计。

1 连杆清洗工艺过程分析

根据设计要求，连杆清洗机的主要清洗对象是连杆表面及各种孔内的油污、切屑、粉尘。清洗条件为常温清洗，清洗后连杆表面无油污、粉尘、铁屑。工作效率为一次装10个连杆，且对不同型号的连杆都具有通用性。整个清洗过程，除了装、卸工件外，其他环节实现自动化处理。分析设计要求，连杆清洗的主要工艺过程如图1所示。

图1 连杆清洗主要工艺过程

对工艺过程分析如下:(1)装件。待清洗的连杆由人工安放在专用夹具上，利用定位件进行定位; (2)夹紧。启动连杆清洗程序，在PLC系统的控制下，利用夹紧装置夹紧连杆，定位件退出定位点，连杆悬空夹紧;(3)清洗。PLC控制步进电动机，通过传动系统，把夹紧件传送至密闭的清洗室内，利用控制程序控制喷嘴在相应的点进行高压清洗、漂洗; (4)烘干。清洗完成后，在系统控制下，进入烘干室中，对连杆进行烘干;(5)冷却。连杆烘干以后，在系统控制下，进入冷却室内，利用冷吹风进行冷却处理;(6)卸件。连杆冷却以后，退出冷却室，松开夹紧装置，人工取件，完成清洗。

从连杆清洗的整个工艺过程来看，夹具设计在整个设备的设计过程中占有相当重要的位置，直接影响整个设备的性能。根据设计要求，需设计一个通用性好、结构简单、定位精度高、能自动夹紧、夹紧可靠且效率高的夹具。文献［1-3］根据连杆清洗工艺，从定位精度、夹紧可靠、操作方便及工作效率方面考虑进行设计。

2 多色集合的产品概念设计基本理论

产品概念设计是在对需求进行分析的基础上获得产品的基本形式或形状。其中，产品信息建模和方案推理是概念设计的主要内容。应用多色集合层次结构和递阶结构树建立产品的信息模型，可以很方便地描述产品概念设计信息模型中的功能、分功能和方案元，以及它们之间的推理和约束关系。

基于多色集合的产品概念设计可以利用多色集合理论的个人颜色、统一颜色和递阶结构树来建立产品的概念设计递阶结构信息模型［4-6］。利用多色集合理论建立概念设计递阶结构模型，从功能分解和约束条件两方面进行数学形式的描述、推理。通过相关的推理矩阵和约束矩阵求解设计方案。也可利用多色集合的围道布尔矩阵表达功能模块和结构元素之间的映射关系，用关联图表达结构元素之间的配合约束关系，通过有向关联图中的可达路径及其围道性质获得所有可行的结构设计方案，这些方案能同时满足产品的功能要求和结构配合约束［7-9］。

包含约束关系的多色集合递阶结构树模型G*= {A*，C*}，A*表示节点集合，描述了产品按照总功能逐层分解，直到可以由方案元来实现为止;C*描述了节点之间的约束关系，其元素集合C*构成了节点集合的自相关矩阵，即C*=［Ci(j)］=［A* ×A*］(i＞j)。

建立产品信息模型时，将多色集合递阶结构树模型中同一层的功能与实现该功能的方法 (即节点及节点颜色)以有序对＜F(A(k，ik，jk-1));A(k，ik，jk-1)＞的形式来表示，作为递阶结构树模型中的一个节点。其中，A(k，ik，jk-1)表示第k层、第ik个节点，其父节点为k-1层的第jk-1个节点;F(A(k，ik，jk-1))为第k层、第ik个节点的颜色，它描述了该节点的性能、参数等属性。如果A(k，ik，jk-1)∈A(A为方案元库)，k∈{1，2，…，n}，则该节点为终止节点，停止继续功能分解。

多色集合递阶结构树模型中可能存在的约束关系可以分为3类［4-6］，即F1(c):功能和实现该功能的方法之间的约束;F2(c):功能和功能之间或方案元之间的约束;F3(c):某一功能和另一功能的直接子功能或方案元之间的约束。建立约束关系集合如下F(c)={F1(c)，F2(c)，F3(c)}。如果把所有满足条件的元素构成的集合记为C，把约束关系集合F(c)={F1(c)，F2(c)，F3(c)}看作3类边的着色，那么C和F(c)即边与该边代表的约束类型之间的关系可以采用多色集合中元素与个人着色布尔矩阵［A×F(a)］进行描述。

根据对多色集合递阶结构树节点及约束的分析，对多色集合递阶结构树模型形式化，如图2所示。

图2 多色集合递阶结构树形式化模型

该模型中各个节点的递归表示形式如下:

式中:＜F(A(0，0，0));A(0，0，0)＞为根节点; F(A(0，0，0))为设计对象的总功能;A(0，0，0)为实现功能的方法;n(k+1，ik)为第k层、第ik个节点的子节点数目;nk为第k层所有节点数目。

根据多色集合递阶结构树形式化模型，求取模型中节点连接边的集合C*=［A*×A*］，即节点集合的自相关矩阵，行与列一次为模型节点。从该矩阵可以推导出模型中存在的边元素，对边进行着色，得到元素与个人着色布尔矩阵。在推理时，根据该矩阵中各元素的不同取值选择不同的推理矩阵。如果F1(c)=1，则节点间存在第1类约束关系，选择布尔矩阵［F(a)×F(A)］进行推理;如果F2(c)=1，则节点间存在第2类约束关系，选择统一颜色的自相关矩阵［F(A)×F(A)］或个人颜色的自相关矩阵［F(a)×F(a)］进行推理;如果F3(c)=1，则节点间存在第3类约束关系，选择布尔矩阵［F(a)× F(A)］进行推理，特别地，如果 F1(c)=1或F3(c)=1，且推理到达方案元层时，选择布尔矩阵［A×F(A)］进行推理。经过该推理过程，能得到满足要求的方案组，经进一步优化，可以得出最优的设计方案。

3 连杆清洗夹具模型的建立

分析连杆清洗的整个工艺过程，连杆清洗夹具系统主要由定位方式及夹紧方式组成。其中，一些装配紧固件、夹紧装置、控制系统等，都已经是很成熟的产品，可以直接作为方案元。定位方式的选择与夹紧方式的选择在功能原理上不存在直接的约束关系。因此，该系统中的主要约束是功能和实现该功能的方法之间的约束。对夹具系统进行功能分解，建立夹具的功能方法树模型如图3(a)所示。

图3 夹具系统功能方法树模型及形式化模型

根据图3(a)，对夹具系统功能方法树模型进行形式化，如图3(b)所示。从图3(b)可知，模型中共有5个节点，其集合形式表示为A*={＜F(A(0，0，0));A(0，0，0)＞;F(A(1，1，0));F(A(1，2，0));A(1， 1，0);A(1，2，0)}。其中，第0层总功能F(A(0，0，0))=第1层分功能F(A(1，1，0))=方案元A(1，1，0)=a1，…，a8;A(1，2，0)=a9，…，a14。各功能元的物理意义如表1所示，各方案元的物理意义如表2所示。

表1 第0层、第1层的功能元所表示的物理意义

续表1

表2 方案元所表示的物理意义

4 基于多色集合的夹具方案推理

边的集合C*=［A*×A*］为递阶结构树模型中各节点的自相关矩阵，如矩阵 (3)所示。行与列依次为＜F(A(0，0，0));A(0，0，0)＞;F(A(1，1，0)); F(A(1，2，0));A(1，1，0);A(1，2，0)。从该矩阵可知它共有4条边，记为C={C21，C31，C42，C53}。

对边进行着色，则表示该边与该边所表示约束关系的个人着色布尔矩阵如矩阵 (2)所示。分析矩阵(2):边C21，C31，C42，C53的着色颜色为F1(c)=1，即在这些节点之间存在的约束关系只有功能与实现该功能的方法之间的约束，故可按布尔矩阵［F(a)× F(A)］进行推理。图4为各节点之间的推理矩阵与约束矩阵。图中共分为4部分:第1部分表示矩阵［F (A(0，0，0));F(A(1，1，0))］;第2部分表示矩阵［F (A(0，0，0));F(A(1，2，0))］;第3部分表示矩阵［F (A(1，1，0));A(1，1，0)］;第4部分表示矩阵［F(A (1，2，0));A(1，2，0)］。根据设计要求，需设计一个通用性好、结构简单、定位精度高、能自动夹紧、夹紧可靠且效率高的夹具，所以初始围道矢量矩阵为按照布尔矩阵［F(A(0，0，0));F(A(1，1，0))］，［F(A (0，0，0));F(A(1，2，0))］进行推理，可以得到3种可行方案，如表3所示。

图4 推理矩阵与约束矩阵

表3 根据推理约束矩阵(3)、(4)得到的3种可能的方案

针对方案1，使用布尔矩阵［F(A(1，1，0));A(1，1，0)］，［F(A(1，2，0));A(1，2，0)］进行推理可以得到16组符合要求的方案，分别为:(a3，a7，a10，a12，a14);(a3，a8，a10，a12，a14);(a3，a7，a10，a13，a14); (a3，a8，a10，a12，a14);(a4，a7，a10，a12，a14);(a4，a8，a10，a12，a14);(a4，a7，a10，a13，a14);(a4，a8，a10，a13，a14);(a5，a7，a10，a12，a14);(a5，a8，a10，a12，a14); (a4，a7，a10，a13，a14);(a4，a8，a10，a13，a14);(a6，a7，a10，a12，a14);(a6，a8，a10，a12，a14);(a6，a7，a10，a13，a14);(a6，a8，a10，a13，a14)。同理，对方案2、3使用布尔矩阵(3)、(4)部分进行推理，可以得到符合要求的方案组合。