国机械工程学会第十五届全国学术研讨会, 固力与设计组论文集, pp. 721-728
产品装配维修及回收设计同步化分析之物件陈列表示法
廖伟志 国立台湾科技大学 余志成 机械工程技术研究所
NSC 87-2212-E-011-009 摘 要
本文针对概念设计阶段的陈列设计,将产品零 组件间的装配和空间关系以物件(Object)和链结 (Link)表示,建构物件链结阶层图,并转换成链 结 矩 阵 ( Link Matrix ) 和 干 涉 矩 阵 ( Interference Matrix)的知识架构,配合设计推论演算法则,推导 出装配合理性,拆卸顺序和零件回收拆卸区块,另 外配合零件设计知识库的重建和搜寻,本文所提出 的设计表现法可应用於进行设计装配性,维修模态 和回收性的同步化分析. 关键字: 陈列设计,同步工程,物件,链结,装配, 拆卸,维修,回收. 作参 数 化 , 分 析 设 计的 可 装 配 性 指 标 ( Assembly Index).减少装配步骤亦可达到 DFA 的目的,因此 部分学者专注於装配/拆卸步骤的自动化及最佳化 ( Yokota 和 Brough,1992; Golabi 等 ,1996) ; Mohammad 和 Kroll(1993)以元件特徵(Feature) 代替实体模型(Solid Model)检查空间干涉状况, 并以启发性的方法(Heuristics)推论出元件之间的 空 间 相 对 位 置 以 产 生 装 配 顺 序 . Laperriere 和 EIMaraghy(1992)则以搜寻装配步骤最少的路径, 并配合组合时的稳定性,定位次数,操作致性和 相似操作分类,作为最佳组合的判定依据.DFA 常 建议整合数个零件成为较复杂的模组,导致许多 相关零件的设计变更,因此在设计初期即进行 DFA 的评估变得十分重要. 适宜维修的设计(Design for Serviceability, DFS) 产品与顾客的接触始於产品制造的完成,产品 的可维修性(Serviceability)直接影响保固维修成本 与顾客对产品的满意度与信心.Bryan(1992)以图 示与 语意 表现 法 (Semantic Representation , Duda, 1978),建构出个图形化的组装架构图,描述设计 的陈列(Layout)方式,以 Icons 代表零件,次组合 与连结件 而 Links 则说明机械系统内零件彼此间的 , 关系,并以推论(Inferencing)的方式表列出维修所 需的步骤.Dini 等(1992)则提出六个方向的干 涉矩阵(Interference Matrix),描述零件移除时的空 间干涉情形,并以电脑自动产生拆卸步骤.
前 言
在初期的设计过程即进行相关程序的同步开 发,可缩短研发时程,降低成本与提高品质,避免 传统序列式常因偏重满足功能的需求,而忽略了 设计与相关程序间的互动关系,导致设计与游程 序配合的问题,增加设计变更的困难与时程的延 误.尤其在装配,维修与回收者分析都牵涉到 零组件的接合方式,空间安排与模组化方式,因此 在陈列设计 ( Layout Design )时即应针对产品的装 配零件效率 ( Assembly/ Part Efficiency ),维修模态 分析(Service Mode Analysis)与材料回收和零组件 回用的拆解特性进行同步化的评估,以期在概念设 计阶段掌握设计的最佳化,缩短研发时程与生命周 期成本. 随著近年来同步工程的兴起,有许多研究文献 探讨装配,维修与回收的适宜性对系统陈列设计所 产生的影响: 适宜装配的设计(Design for Assembly, DFA) 分析装配动作的次数,复杂性与零件设计效 率,评估装配的适宜性,并以模组化的设计与零件 几何设计的变更,来简化安装动作,方向,零件对 位与存取,目的在减少装配方面的成本. Boothroyd 与 Dewhurst(1983)提倡以减少零 件数目来降低组装成本,并依经验法则装计算装配 时间与设计效率(Design Efficiency)来评估设计的 可装配性.而 Sturges 与 Kilani(1992)则将组装动
C2
Attach to
C1
Screws(5)
图 1 简单元件间的图示链结关系 适宜回收的设计(Design for Recyclability) 虽然在部分工业界已开始重视环保性的设计, 但大多限於般的设计法则与个案式的讨论,缺乏 如 DFA 般较严谨的分析工具.Navinchandra(1991) 曾对设计与环保的相容性做过广泛的探讨,并分析 材料再生所牵涉到的技术与成本.Kroll(1996)以 个 试 算 表 的 模 式 , 提 出 工 作 测 量 分 析 ( Work-
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Measurement Analysis)来量化回收拆卸动作的困难 度,以辨识出产品设计的弱点.Ishii 等 (1993) 则 藉其於 DFS 所提出的图示链结 (Icons-Linkers) 的 图形化架构,尝试将环保的再生性分析 (Recyclability)自动化. 现有文献著重於单设计适宜性的评估,为进 行装配,维修与回收的同步化分析,首先须建立共 通的设计表现法,将概念设计零件之间的装配方 式与空间几何关系建构成推演模型,以配合推论法 则进行拆装顺序的推导及可回收性评估,因此设计 陈列表示法的研究为同步化设计重要的环(廖 伟志, 1998).
2. 同层的物件之间不会有链结关系存在. (图 4-A) 物件 B 和 C 在同层,物件之间有链结关系,这 是错误的,倘若之间确实存在装配关系,正确的 表示法应如(图 4-B).
Base
1
1 4
4 4
Bush
Sensor
4
Motor
1 4
Stand-off
End Plate
物件陈列表示法
物件链结阶层图 立体爆炸图 (图 2) 是许多工程师用来描述物件 在空间的陈设状况,优点是立体图所绘出的机件 图形,正如眼睛所见到的机件般,可目了然; 缺点是立体图的绘制较复杂,而在概念设计阶段, 各零组件的外型尺寸尚未确定,也不须以立体图表 示.若仅是表达物件与其他物件之间的空间装配关 系,本文主张以平面的点线图(Object-Link)表示 (图 3),具有能快速的描绘出物件的空间装配情 况的优点,且不需接受特殊的制图能力的训练. 物件链结阶层图的组成元素包含物件,链结和 阶层.物件包含元件,组件和次组件.链结是指物 件之间的几何接合或是使用固定件的装配方式.链 结具有方向性,如(图 3)物件 Cover 装配在物件 Base ,其方向指向 Base,代表 Cover 的装配行为 是属於主动.而「装配阶层(Assembly Hierarchy)」 对於链结物件其阶层高低代表装配的主被动关系, 如 Bush 装在 Base 表示法是 Bush 在 Base 之. , 若两物件间不存在直接的链结关系,则阶层的高低 表示因空间干涉所造成的先后装配顺序.
Cover
4
2
Plastic Bush
图 3 线性驱动器的物件链结阶层图
A
2 4 1
2 4 1
A
B
4
C
修正
B
4
2
C
2
D
D (B)
(A)
图 4 物件链结阶层图法则-1 3. 同层的物件彼此在装配顺序是独立的,如图 5 物件 B,C 和 D 同在层,又同时与物件 A 有装 3 配行为,理论由排列组合方式 C1 = 3 ,会有 种可能的安装顺序.
A
2 4 2
B
C
4
D
E
图 5 物件链结阶层图法则-2 4. 阶层之间的排列是代表安装的先后.如图 5 物件 E 装在物件 D ,所以必须在第层以后,但物 件 E 的加入是否会影响物件 B 和 C 的移除 由 该图是无法得知,必须藉由干涉关系的分析才能 得知,但至少可获得的结论是「低层物件可能会 影响层物件的移除,但层物件绝对不会影响 低层物件的移除」. 5. 物件间的链结存在个以的结合方式,称为多 重式链结 如图 4 物件 B 和 A 之间装配形式包括 ,
图 2 线性驱动器的立体爆炸图(Boothroyd 等,1994, p.6) 阶层和链结的建立有列原则: 1. 同层的物件之间不会有链结关系存在. (图 4-A) 物件 B 和 C 在同层,物件之间有链结关系,这 是错误的,倘若之间确实存在装配关系,正确的 表示法应如(图 4-B).
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「压扣」和「螺丝」,则组合动作代码顺序为由 左至右,即压扣之后以螺丝固定. 链结矩阵(Link Matrix, LM) 1. 组装类别分类代码与符号 链结矩阵可对照物件链结阶层图,描述各物件 间的装配关系,其关系包含装配模式和装配动作的 主被动性.装配模式分成:(1)使用分离固定件 (Fastener),和(2)利用物件本身的几何特徵或 以焊接,黏著等来达到接合目的,称之为几何接合 (Geometric Fastening),其所对应的代码及符号如 (表 1),组装分类代码采用进位(Binary)有助 於处理多重链结后的合成编码问题,且在解码后只 会产生组链结模式. 表1 组装类别分类代码及符号
分离固定件 代码 符号 1 垫片 1 2 销,钉,栓 2 3 固定环 4 螺丝 8 4 螺帽/ 螺钉 铆钉 16 32
5
码为唯,例如某物件使用垫片和螺丝作为固定 件 垫片和螺丝代码分别为 1 和 8 合成的代码为 9; , , 反言之 9 的组合方式仅有组,即 1 和 8.物件装配 方式若同时有「分离固定件」和「几何接合」,则 合成代码是以「对」(Pair)表示,例如:螺丝和压 扣的合成代码为 Pair(8, 2) = 8002,后码是利用 「几 何接合」,剩的码为「分离固定件」.合成代码 的最大码数为 5 码,因此可定义为前两码为「分离 固定件」方式,后码为「几何接合」(图 6), 例如:某零两组件之间的组合方式同时用到螺钉, 螺丝,扣合和旋入种,其总合成码为 Pair(16+8, 2+8) = 24010.
Pair(Code_1,Code_2)
6
几何接合 代码 符号 插入 1 扣合或压合 2 拉弯或弯曲 4 旋入 8 化学聚合物 16 结合或桩 软焊 32 硬焊 润滑油 黏著剂 64 128 256
Code_1
垫片(1)
Code_2
插入(1)
分 离 固 定 件
销,钉,栓(2) 固定环(4) 螺丝(8) 螺帽/ 螺钉(16) 铆钉(32)
几 何 接 合
扣合或压合(2) 拉弯或弯曲(4) 旋入(8) 化学聚合物结合 或桩(16) 软焊(32) 硬焊(64)
2. 链结矩阵的定义 物件之间的装配动作分为主动和被动.若物件 ei 装配在 e j ,ei 与 e j 之间的链结关系对於物件 ei 为「主动式」链结,LM ( i, j ) 内的数值为正;对於 物件 e j 称为「被动式」链结,LM ( j, i ) 内的数值为 负.LM ( i, j ) 的数值即代表 ei 与 e j 依(表 1)代码 所表示的方式结合.当某物件移除时即表示解除 数值所代表物件间的结合方式(表 1)和(图 6). 由(式 1)得知 LM 是个反对称矩阵,并且在对角 线的值均为零.
0 + LM = ei + +
润滑油(128) 黏著剂(256)
图 6 组装类别的合成编码 首先对物件之间装配关系较为单纯的(图 2)线 性驱动器,根据链结矩阵的定义可以得到以的结 果: 表 2 线性驱动器装配方式及代码
对 象 sensor base bush base stand-off base motor base end plate stand-off end plate motor plastic bush end plate cover base cover end plate 装配方式 插入+螺丝 插入 旋入 插入+螺丝 螺丝 插入 压扣 螺丝 螺丝 编 码 Pair(8,1) Pair(0,1) Pair(0,8) Pair(8,1) Pair(8,0) Pair(0,1) Pair(0,2) Pair(8,0) Pair(8,0) 合 成 码 8001 1 8 8001 8000 1 2 8000 8000
ej + 0 0
0 + 0 0 0 0 0 +
0
0 + 0 0
(1)
其 LM(i, j) = -LM(j, i) 3. 编码方式 为了充分表现可能的装配组合模式,组装类别 代码以进位法表示之,则多重组合所成的组合代
base sensor bush stand motor end plastic cover
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-off base sensor bush
0 8001 1 8 8001 0 0 8000 -8001 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 -8 0 0 0 0 0 0 0 -8001 0 0 0 0 8000 0 0
plate bush
0 0 0 0 -8000 0 2 8000 0 0 0 0 0 -2 0 0 -8000 0 0 0 0
N
i=0 num
LM1= stand-off
motor end plate plastic bush cover
(2)
End
num ≠ 0
Y
-8000 0 0
num ≤ 2i
Y
N
i=i+1
对於装配关系较复杂如(图 7),其装配顺序先 以零件 A 为基座,零件 B 插入至零件 A 并以螺丝 固定,零件 C 与零件 B 以压扣结合,接著零件 D 插 入至零件 A,并以螺丝固定於零件 B.零件 E 以压 扣方式和零件 B 结合,最后零件 F 以压扣和螺丝固 定於零件 A ,其相对的链结矩阵如:
num = 2i
Y
N
num = num - 2i-1
2i1
i=i-1
num = num - 2i
2i
图 8 解码流程图 干涉矩阵(Interference Matrix, IM)
A B C D E F 0 8002 8001 0 1 A 0 0 0 2 8000 2 B 8001 0 2 0 0 0 0 LM 2 = C 8000 0 0 0 0 D 1 2 0 0 0 0 E 0 0 0 0 0 0 F 8002
(3)
E F A
C B
若某个物件 e j 的「主动式链结」的移除受到某 物件 ei 的影响,以致无法顺利移出,则 IM(i, j) =1, 反之 IM(i, j) =0,由此所建立的矩阵,称之为「干涉 矩阵」 (图 7) . 物件 B 和 D 均装配在物件 A , 对於物件 B 与 D 而言,与物件 A 之间的装配关系属 於「主动链结」,物件 A,B 和 D 正常的安装顺序 为 A-B-D.从图可发现物件 D 的加入导致物件 B 的主动链结无法解除,必须移除物件 D 后方能顺利 移除 B,故物件 D 会影响物件 B 的移除,同理物件 E 也会影响物件 C 与 D 的主动链结移除.而相对於 物件 C 的加入并不会影响任何物件的主动链结的移 除. 当物件数目太多时,要考量全部物件的干涉效 应是非常不容易的,因此依据先前定义所建构的干 涉矩阵是「区域性」的结果 IM L ,必须检查是否遗 漏,重新整理成「全域性」的干涉矩阵 IM G ,否则 进行拆卸推理会与实际不相符合,导因於最初矩阵 资料建立的疏漏.另外,由干涉矩阵角及对角 线内的数值皆为零,代表已装配的零件不会影响后 来零件的安装,满足此条件 e1 , e2 , , en 便是组可 行的组装顺序. 以 (图 2) 的线性驱动器为例,其 IM 为 (式 6) . 区域型干涉矩阵仅须考虑加入件附近的物件,如有 装配关系或物件本身的空间阻碍等,反覆进行,区 域型矩阵若有交集处,则可推理出全域性矩阵.
base sensor bush stand motor end plastic cover -off base sensor bush plate bush
D
工作平台
图 7 物件结构示意图
4. 解码程序 由合成码还原成单码,才能知道物件之间的 结合方式.首先合成码共有 5 码,前码是「分离 固定件」而后码是「几何接合」,以[前码]为例 若该码不为零,则表示有使用分离固定件,但不知 道包含几种分离固定件,由(图 8)的解码流程图 可以分离出原始码,进而找出装配方式.例如总合 成代码为 24010,前码为 24 为分离固定件的合成 码,由於 24 ≤ 2 5 ,因此可分离出第个代码 16,剩 为 24-16=8,所以另个代码 8 分离出来,分离固 定件为「螺钉」和「螺丝」,同理后码 010 为几 何接合 也可分离出个别代码为 8 和 2 分别代表 , , 「旋 入」和「压扣」.
IM1=
stand-off motor end plate plastic bush cover
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 1
0 0 0 0 0 1 0 1
0 0 0 0 0 1 0 1
0 0 0 0 0 1 0 1
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
(4)
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以(图 7)的物件结构为例,使用「区域型」概 念所得到的干涉矩阵如(式 5),若要移除物件 B, 由(式 5)之第行仅发现物件 D 仅须先移除,与 事实不符,因为移除物件 D 须先移除物件 E,而物 件 E 的移除又必须移除物件 F,总结来说物件 B 的 移除所需要先后移除的物件为 F,E,D,因此 (式 5) 须修正为(式 6).
A 0 0 0 0 0 0 B 0 0 0 1 0 0 B 0 0 0 1 1 1 C 0 0 0 0 1 0 C 0 0 0 0 1 1 D 0 0 0 0 1 0 D 0 0 0 0 1 1 E 0 0 0 0 0 1 F 0 0 0 0 0 0
4. end plate stand-off,由推理流程图第或第步 骤可得知 end plate 在第层. 5. 同理可推理出 plastic bush 和 cover 应置於第 层,整理以过程可以得到(图 3)的物件链结 图示法. 物件维修步骤的推理 物件维修的拆卸步骤可以由 LM 和 IM 推理出 来.其 IM 因具有判定物件是否可以成为次组合 (Sub-Assembly) 能力,故其推理结果可以达到最少 的拆卸步骤.(图 10)为物件维修拆卸的流程图, 依循该拆卸流程图可以得知:
NP=物件数 欲维修物件m I=NP
A B IM L = C D E F
(5)
A A 0 B 0 C 0 IM G = D 0 E 0 F 0
E F 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
J=NP
IM(I,m)=0
是
LM(I,m)=0
否
IM(J,I)=0 否
是
(6)
否
是
拆除物件J
拆除物件I
IM的第J列和行 皆为零
IM的第I列和行 皆为零 否
J=J-1
链结干涉矩阵的推理
物件链结阶层图的推理 物件链结图示法的产生首先必须得到物件所 在的阶层(Level),我们定义第层的阶层最高, 最后层的阶层最低.若同层同时有好几个物 件,则左边的是较先装配的,其推理流程如: 1. 若某物件 b 之 LM 列皆为负值,LM(b, j) ≤ 0 且 IM(b, j) = 0 , j = 1 ~ n , 则 表 示 是 个 基 座 (base),应置於第层. 2. 若某物件 k 装配在第 m 层的物件且 IM (k,x) =0,x 是第 m+1 层以的已装配零件,则该物件 在第(m+1)层. 3. 若某物件装配在第 m 层的物件,但影响第 n 层之某物件的移除且 n > m ,则此物件在第 (n+1)层. 以线性驱动器为例,依据(式 2)和(式 4)可以 得到以结果: 1. LM 的 base 列皆为负值,且 IM 的 base 列皆为 零,所以在第层. 2. sensor base 且 IM 的 sensor 列皆为零,由推理流 程第步骤可得到位於第层. 3. bush,stand-off 和 motor 与 sensor 情形相同,所 以也是位於第层.
否
J=m 是
I=I-1
I=m 是
维修物件m
(更换,修理,调整,润滑等)
依拆卸顺序反相再组合
完成
图 10 物件维修步骤推理流程图 1. 由 IM 该物件的行资料检查是否有干涉物件.若 存在干涉物件则必须先行移除,拆除的顺序与装 配顺序相反. 2. 由 LM 该物件的列资料找出移除某物件须拆除哪 些链结,拆除过程只拆除主动链结,有些物件 可以次组合型态同移除,可以减少不必要的细 部分解工作. 3. 图 10 的虚线区域是拆卸流程,物件维修完后必 须再组装回原貌,其顺序是依据最初的装配顺 序. 以(图 7)为例,维修物件 A 必须依序拆除哪
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些物件 由(式 6)的 A 行可得知没有干涉物件, 因此物件 A 为个基座,由(式 3)的 A 列得知要 维修物件 A 必须解除和物件 B D 和 F 的链结关系, , 因为物件 F 在最初装配顺序比物件 B 和 D 为后面, 另外移除物件 F 并无干涉物件,故物件 F 可直接从 A 拆除.这种所谓的拆除 F 是指解除与其他物件 的主动链结关系.接来是解除物件 B 与物件 D 的 链结关系 但是由 IM 发现影响物件 B 移动有物件 E , 和 D,因此必须先拆除物件 E 和 D,依据装配顺序 关系,故其拆卸顺序为物件 E 和物件 D,最后解除 物件 B 的链结因为解除 B 和 A 的主动键结后,物件 B 尚有与物件 C 的被动链结,但 C 并不会影响 A 的移除,而可不予处理,物件 B 是以次组合物件移 动,该次组合包含 B 和 C.所以,本推理可得结果 是合理而必要的维修拆卸步骤. 表 3 移除 A 的拆卸步骤 拆除顺序 F A E B D B D A B A 物件回收区块的推理 产品回收处理方式包含回收,回用和废弃.其 拆卸程序与维修拆卸程序并不完全相同,对於维修 程序来说,考量物件拆除的因素仅有装配关系和几 何干涉关系,找出必要的拆卸步骤;而回收程序的 拆卸主要考量材料的相容性和回收处理方式,材料 彼此相容且不影响其他物件的移除时,在回收拆卸 过程可视为个合并区块(Block),不须分开处 理,如部份热塑性的塑胶材质具有相容的特性.否 则各物件,组件自成个区块.因此,产品回收拆 卸效率与区块数目有密切关系,区块数目越少其回 收拆卸效率越高. 形成合并区块的要素: 1. 合并物件区块内的物件包括使用的固定件其材 质须具有相容性.若材质不具备相容性,则必须 分类拆解以便於回收处理. 2. 物件区块合并后必须保有稳定性,故区块内的物 件之间须存在链结关系. 3. 确保被合并后的区块不得使任何物件变得完全 无法移出. 以(图 7)为例,假设各物件材质如: 表 4 图七设计之各物件材料表
物件 A B C D E F 螺丝
材质 铁合金
ABS PC PS ABS
铁合金 铁合金
其高分子材质间的相容性可以整理如表 5: 表 5 高分子材质的相容性
B (ABS) ● ○ ● C (PC) ● × ○ D (PS) ○ × ● E (ABS) ● ● ○ -
B C D E
●代表相容性佳.○代表少量相容.× 代表不相容.
由以的资料并配合 (图 11) 的区块化流程图, 物件区块化的步骤如: 1. 物件产生合并区块后,LM 和 IM 会缩小成 RLM 与 RIM. 2. 根据形成合并区块要素的第条:「材质之间必 须要有相容性」 ,符合该条件有 (A,F) (B,C) , , (B,E)和(C,E).若物件之间有分离固定件, 则必须并考量.因此, (B,C) (B,E) (A,F) , 和 满足材质相容条件. 3. 由(式 4)可以得知 A-B,C-B,D-B,E-B 和 F-A 有装配关系. 4. 综合第和第步骤得知,有(B,C),(B,E) 和(A,F)可能成为合并区块,但是必须形成合 并区块后,不会使已经存在物件的无法移出.检 查合并物件的 IM 和 LM 分别以 RIM 和 RLM 表 , 示,零件合并成区块后,合并的区块成为个次 组件,因此区块化的 LM 和 IM 会比原先的矩阵 小,例如 M 和 N 合并成区块,若 M 装配顺序较 先,则简化后的矩阵 M 列(行)的资料包含继 承 N 列(行)的资料,IM 的 M 列(行)和 N 列 (行) 取联集得 RIM.而同理 LM 的 M 列 (行) 和 N 列(行)则相加得 RLM.以零件 B 和 C 为 例,合并后的干涉矩阵和链结矩阵运算方式如 (式 10)和(式 12)所示. 5. (式 7)和(式 8)是合并区块化的逻辑运算式, 合并区块后的 LM 和 IM 资料,将置於合并物件 装配顺序较先的位置,(式 6)经由(式 8) 的逻辑运算后,可得到区块化后 RIM 为 (式 9) , 由该式可发现角不为零,表示物件 A 和 F 合 并后有部份物件将无法拆除,不符合形成物件区 块的第要件.物件 B 和 E 情况也是相同,形成 区块后导致物件 D 无法拆除.由(式 11)得知 物件 B 和 C 可以形成合并且区块不会影响其他物 件的移出,(式 13)为(式 12)经逻辑运算简 化后的 RLM.
链结关系 螺丝+压扣 压扣 螺丝 插入 螺丝+插入
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RLM M+ N,i = LM M,i + LM N,i RLM i,M+ N = LM i,M + LM i ,N
(7) (8)
= ,共有 5 个区块,拆解步骤为表 6 所示:F E D (B+C) A. 表 6 区块化后的链结关系 拆除顺序 F A E (B+C) D (B+C) D A (B+C) A 链结关系 螺丝+压扣 压扣 螺丝 插入 螺丝+插入
NP=物件数目 I=1,J=1 RLM=LM,RIM=IM
RIM M+N,i = IM M,i ∨ IM N,i RIM i,M+N = IM i,M ∨ IM i,N
i = 1 ~ p, 原矩阵零件数
(A+F) (A+F) 0 B 0 RIM= C 0 D 0 E 0
B C 1 1
0 1 1 0 0 0 1 0
D E 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0
E F 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
(9)
IM=
A B C D A 0 0 0 0 B 0 0 0 0 C 0 0 0 0 D 0 1 0 0 E 0 1 1 1 F 0 1 1 1
J=J+1
(10)
Material(I,J,F)=1
否
是 否
RLM(J,I)0
A (B+C) D 0 (B+C) 0 RIM= D 0 E 0 F 0 A
A B
E 0 0 0 0 1
D
F 0 0 0 0 0
E F
0 0 1 1 1
0 0 0 1 1
C
是
RIM 角是否为零
否
(11)
是 合并I和J
RLM(式3.9),RIM(式3.10)
I=I+1
LM=
A 0 0 8002 8001 0 1 B 8001 2 8000 2 0 0 2 0 0 0 0 C 0 8000 0 0 0 0 D 1 0 2 0 0 0 0 E 0 0 0 0 0 F 8002
(12)
J=I
否
I=NP
是
结束 (RLM,RIM)
RLM=
A (B+C) D E F
A (B+C) D E F 0 8002 0 8001 1 8000 2 0 0 8001 1 8000 0 0 0 0 2 0 0 0 8002 0 0 0 0
图 11 区块化流程图 (13)
结 论
本文研究物件陈列表示法统合产品装配,维修 和回收分析的共通的关系,并提出物件链结阶层 图,链结矩阵和干涉矩阵作为同步化分析的基础. 由物件链结图示法的「阶层」高低关系可得知零件 装配的主被动性与装配顺序,而物件链结阶层图另 方面可以链结矩阵(LM)和干涉矩阵(IM)作为 运算架构,藉由 LM 与 IM 的推理可以得到:
物件区块化后的拆解步骤与组装步骤是相反. 差别在於组装过程是以单物件为对象;区块化后 的拆解步骤是以多个物件构成的合并区块和单区 块为对象,如 (式 11) (行) 的列 是
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1. 装配顺序合理性 若满足干涉矩阵角为零,则矩阵由左而右的 物件顺序,为组可行的装配顺序. 2. 拆卸程序 可推出零件维修和回收时合理而必要拆卸步骤,避 免多余的细部拆卸步骤. 3. 回收合并区块 配合零件的材质资料库,符合「形成区块要 素」则可以合并成个区块.在回收拆卸时可以 视为单组件移除,避免不必要的拆卸动作. 本文所提出的表示法便於电脑辅助分析的推 导,可结合装配性评估,维修模态分析与回收拆解 效率分析,进行同步化设计分析的自动化.
志 谢
本研究蒙国科会编号NSC 87-2212-E-011-009 计画经费补助,仅此致谢.
Products Assembly and Disassembly", Annals of the CIRP,Vol.41,pp.5-9 Mohammad, R. and Kroll, E.(1993), "Deriving Exploded Views by Graph Transformation for Assembly Planning", Advance in Design Automation,DE-Vol.65-1, Vol.1, pp.183-193 Navinchandra, D.(1991), "Design for Environmentability", ASME Design Theory and Methodology,DE-ol.31, pp.119-125 Sturges, R.H. and Kilani, M.I.(1992),"Towards an Integrated Design for an Assembly Evaluation and Reasoning System", Computer Aided Design,Vol.24 No.2,pp.67-79 Yokota, K. and Brough, D.R.(1992), "Assembly / Disassembly Sequence Planning", Assembly Automation, Vol.12 No.3,pp.31-38 廖伟志, "物件陈列表示法与产品组装维修和回收设 计同步化分析", 国立台湾科技大学机械工程 技术研究所, 硕士论文
参考文献
Boothroyd, G., Dewhurst, P.,(1983), Design for Assembly: a designer's handbook, Boothroyd Dewhurst Inc., Wakerfield, Rhode Island. Boothroyd, G. , Dewhurst, P. , Knight, W.(1994),Product Design for Manufacture and Assembly,pp.6 Bryan, C., Eubanks, C. and Ishii, K., (1992) "Data Representation for Serviceability Design", ASME Design Theory and Methodology, pp.1-8 Dini,G. , Santochi,M.(1992), "Automated Sequencing and Subassembly Detecting in Assembly Planning", Annals of The CIRP, Vol.41, pp.1-4 Duda,R.O., et.al.,(1978), Semantic Network Representations in Rule-Based Inference System, Pattern-Directed Inference Systems, Waterman, D. and Hayes-Roth, F., eds., Academic Press, New York. Golabi, S., Abhary, K. , Luong, L. H.S.(1996), "An Automatic Approach for Assembly Sequence Planning", Engineering Design and Automation 2(3), pp.171-185 Ishii, K., Eubanks, C.F., and Marks, M. (1993), "Evaluation Methodology for Post-manufacturing Issues in Life-cycle Design", Concurrent Engineering: Research and Application, Vol.1, pp.61-68 Kroll, E.(1996), "Application of Work-Measurement Analysis to Product Disassembly for Recycling", Concurrent Engineering: Research and Application, Vol.4 No.2, pp.149-157 Laperrirer, L. and ElMaraghy, H.A.(1992), "Planning of
LAYOUT DESIGN REPRESENTATION AND CONCURRENT ANALYSIS OF ASSEMBLY SERVICEABILITY AND RECYCLABILITY Wei-Jyh Liao Jyh-Cheng Yu
Department of Mechanical Engineering National Taiwan University of Science and Technology Taipei, Taiwan 106, R.O.C.
ABSTRACT
The paper proposes a scheme of design representation to picture the assembly and geometric relationship among the components in the layout design. The concept of object and link is adopted to describe the layout as an interlinked structure of components. The design representation is transformed to a deductive model using the link Matrix and the interference Matrix. The deductive model will construct the inferencing engine for the concurrent analysis of assembly rationality, disassembly sequence, and recycling blocks. Keyword: Layout Design, Concurrent Engineering, Link, Object, Assembly, Disassembly, Serviceability, Recycle
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