天线铆接装配工艺优化系统研究与开发

乔家鹏　　幸　研　　倪　　俊

（东南大学机械工程学院，南京 211189）

天线铆接装配工艺优化系统研究与开发

乔家鹏幸研倪俊

（东南大学机械工程学院，南京 211189）

针对由长短筋板、弯角件等金属薄壁件通过大量铆钉连接而成的双曲面天线部装在铆接装配中易受铆接冲击变形的情况，本文提出一种铆接装配工艺优化方法。结合双曲面天线尺寸偏差计算方法，以铆接方向为研究对象，提出基于遗传算法的铆接装配工艺优化方法，并以VS2010为平台开发天线铆接装配工艺优化系统。

薄壁件铆接方向工艺优化变形

引言

当零件壁厚与内径曲率半径（或轮廓尺寸）之比小于1：20时，称作薄壁零件［1］。薄壁件大量用于航天航空等高科技产品中，课题背景天线既是由薄壁件通过铆钉连接而形成天线骨架，然而由于薄壁件的外形要有较高协调度，零件界面尺寸相对其轮廓尺寸较小，相对刚度低［2］，使得天线在装配过程中极易受到铆接冲击影响而变形。传统模式下，工作人员多依靠经验确定薄壁件的铆接方向的工作方法，已渐渐不能满足生产要求。

东南大学赵勇等针对薄壁结构的铆钉铆接过程建立了仿真模型，利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA中的重启动技术分析多铆钉铆接过程，提出不同的铆接方向对铆接件的变形也是有影响的。东南大学倪俊等针对双曲面天线装配尺寸精度分析进行研究，提出了金属薄壁件装配尺寸精度计算方法［3］。本文在上述工作的基础上，提出了基于遗传算法的铆接装配工艺优化方法，并以VS2010为平台开发出天线铆接装配工艺优化系统。

图1曲面天线

图2装配体模型

1模型介绍

对某些结构尺寸比较大的天线，其骨架通常由若干小装配体组装而成，这些小装配体称为天线部装。图2为从天线部装中提取的装配体模型。

表1装配体模型参数

2　铆接工艺优化

2.1偏差计算方法

以铆接前后关键点位移的均方根（RMS）来表示天线的装配尺寸误差：

式中，n为关键点总数，Δx、Δy、Δz表示关键点变形。结合薄壁件铆接变形等效计算方法和三维弹性装配尺寸精度算法［4］，计算铆接前后模型的装配误差。

2.2遗传算法

算法概要：对于一个求函数最大值的优化问题（求最小值类似），一般可描述为下述数学规划模型：

式中，X=［x1，x2，L，xn］T为决策变量，f（X）为目标函数，式（1）和（2）是约束条件，U是基本空间，R是U的一个子集。满足约束条件的解X称为可行解，集合R表示由所有满足约束条件的解所组成的一个集合，叫做可行解集合［5］。

2.3优化步骤

（1）获取装配体及工装基础信息库（金属薄壁件装配尺寸精度计算方法要求）；

（2）定义单个铆钉连接的铆接方向的指标为设计变量，规定沿坐标轴正向铆接变量值为1，沿坐标轴负向铆接变量值为0；

（3）建立设计变量与铆接方向的映射关系；

（4）从所述装配体静力学计算代码输出的计算结果中，提取铆接薄壁装配体轮廓关键点变形；

（5）以关键点变形的均方根值，作为目标变量；

（6）运用遗传算法，最小化目标变量，得到与之对应的一组优化结果。

3系统菜单

利用MFC技术，集成ANSYS有限元分析功能，在VS2010平台开发出装配工艺优化系统。根据铆接方向优化需要准备对象有限元模型文本及其装配信息让然后再进行优化求解的流程，仿照ANSYS的Fluent模块，以流程树的形式布局整个软件。其中优化器部分主要根据图3所呈现的优化流程来进行，并在其中通过启动写入APDL语言的批处理文件来调用ANSYS进行相关仿真计算，并把计算结果输入优化器进行下一步优化计算。

（1）基础信息检查。在基础信息检查模块中，打开需优化模型的有限元模型文本，以及给定的装配信息文本，为优化迭代中的装配误差计算做准备。

图3铆接装配工艺优化流程图

图4有限元模型选择及装配信息文件输入界面

（2）铆接方向优化。铆接方向优化模块中，首先需把ANSYS版本号对话框修改为当前所使用的计算机中已安装的ANSYS版本号；然后依次点击初始化按钮和开始按钮，即可开启优化器，并可以在软件下方的迭代监视窗口中记录整个迭代过程。

图5铆接方向优化界面

图6创建铆接方向优化报告

（3）后处理。优化完成后，只需要点击后处理模块中的创建优化报告按钮，即可生成word版优化报告。可以方便的从优化报告中查看模型信息、优化前后每个铆钉对应的铆接方向以及优化前后的装配误差值对比。

4　铆接试验

4.1实验准备

采用坐标测量机（图7）测量试件的关键点均方根，其操作空间500mm×500 mm×300 mm，测量精度可达到0.1μm。

图7坐标测量机

4.2试验步骤

对装配试件，按给定的装配工艺（优化前和优化后的铆接方向），进行如下几个步骤操作：

（1）按图2所示的装配关系，将各试验件定位夹紧并按照所给方案铆接；

（2）利用坐标测量机测量测点（试件轮廓关键点）坐标，并记录数据；

（3）对所获得数据进行处理，根据2.1中计算公式计算装配误差均方根（RMS）。

4.3试验结果及讨论

具体铆接方向见下表：（1表示沿坐标轴正向铆接，0表示沿坐标轴负向铆接）根据图4方法，对模型铆接装配方案进行优化，计算得到如下表所示的迭代图及表2中的优化铆接方案。

表2铆接方向表

图8优化迭代监视图

表3优化效率

从表3可以看出，通过对48铆钉模型的铆接方向进行优化，装配误差均方根误差减小了60%左右。

5总结

通过对薄壁件铆接装配中铆接工艺进行研究，确定了对铆接方向参数进行优化，建立了基于遗传算法的铆接方向装配工艺优化系统。试验结果显示，本文提出的方案可显著减小由铆接方向引起的装配尺寸误差，对实际装配有指导作用，提高了装配质量和生产效率。

［1］王志厚.薄壁零件加工中防止变形的措施［J］.宝成技术，1991 （2）：20-37.

［2］范慧芳.薄壁件加工工艺优化技术研究［D］.长春理工大学，2012.

［3］倪俊，汤文成，幸研.双弯曲反射面天线卧立转换尺寸偏差分析方法［J］.机械工程学报，2015，51（17）：120-127.

［4］Ni J，Tang W，Xing Y.Three-dimensional precision analysis with rigidandcompliantmotionsforsheetmetalassembly［J］. InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology，2014，73（5-8）：805-819.

［5］周明.遗传算法原理及应用［M］.国防工业出版社，1999.

Development of Antenna Riveting Assembly Process Optimization System

QIAO Jiapeng，XING Yan，NI Jun
（School of Mechanical Engineering，Southeast University，Nanjing 211189）

Sheet metal is very prone to deformation，which is caused by riveting impact，this paper aims at providing a platform to guide the assembly of double curved reflector with abundant rivets. Combined with the hyperbolic plane antenna size deviation calculation method，in the direction of the riveting as the research object，put forward the riveting assembly technology of the genetic algorithm based on optimization method and with the help of VS2010 as the platform forthedevelopmentofsheetmetalassemblyprocessoptimization system，provide a simple-to-use software for the cooperation unit.

sheet metal，riveting direction，process optimization，deformation