一种基于数字孪生的变速器传动系统关重部位装配模型构建方法

1.本发明涉及一种基于数字孪生的变速器传动系统关重部位装配模型构建方法，属于机械工业领域。


背景技术：

2.自动变速器的动力传动系统主要包括为整车提供动力的柴油发动机、在起步时增加输出扭矩的液力变矩器、实现档位切换的行星齿轮组及湿式离合器，其中行星齿轮组是变速器机构中动力传递的关键部位。由于行星齿轮组零部件多、受载大等特点，因此在装配过程中行星齿轮组关重部位需要防止错装漏装并加强装配精准度。
3.基于数字孪生技术，可以在现有人工装配的基础上，通过三维数字化建模、传感器采集布局、三维可视化数字孪生模型构建等手段，针对传统工业产线进行升级改造，改善人工装配的精度不足、效率低等问题，进一步提高自动变速器传动系统关重部位的装配合格率与服役可靠性。


技术实现要素：

4.本发明的目的：解决目前变速器传动系统以手工装配为主，面对复杂零部件装配时经常出现的错装漏装、依赖事后检测、无法实时调整等问题，提供一种适用范围广、使用较为方便的传动系统关重部位数字孪生模型构建方法，改进现有的生产装配方式，提高智能装配程度，满足变速器高合格率的要求。
5.本发明采用的技术实施方案：一种变速器传动系统关重部位数字孪生装配模型构建方法，包括：基于图论的变速器行星齿轮机构关重部位确定方法，针对变速器关重部件的数字孪生模型构建方法；数字孪生模型构建方法包括三维数字化模型搭建及前处理、传感器布局及三维可视化动态模型搭建；针对变速器关重部位的装配要素，分析装配运动轨迹，建立三维静态模型，传感器、下位机、上位机之间通过串口连接线连接，数据采用串口传输方式，数据到达上位机并驱动静态模型，实现数字孪生模型搭建。
6.基于图论的变速器行星齿轮机构关重部位确定方法是利用图论的方式，构建变速器传动性能总体及各档位分析模型，通过对各部件力矩、功率等运动特性分析，确定在变速器工作过程中所受力矩及功率最大的部件，着重对其进行装配数字孪生模型建立，具体方法如下。
7.1、变速器行星齿轮机构分析模型构建
8.以图论理论为基础，用点表示行星变速机构的各个构件(包括控制元件)，用线表示构件间的连接关系。在行星变速机构总体分析模型中，删除每个行星排基本构件间的连接边，以及离合器主、被动边顶点间的连接边，可得到q个连通分支。行星变速机构的自由度w＝q－k，其中，k为行星排数。
9.2、变速器行星齿轮机构运动分析
10.(1)运动特性矩阵a1，即描述各行星排构件运动关系的矩阵。
11.单星行星排满足运动关系
12.ns+αn
r-(1+α)nc＝0
13.双星行星排满足运动关系
14.n
s-αn
r-(1-α)nc＝0
15.对于由k个单星行星排组成的变速器，其运动特性矩阵
[0016][0017]
式中，α1,α2，...，αk分别为各行星排特性参数。
[0018]
(2)联接矩阵a2，即描述各行星排构件连接关系的矩阵。若将两个连接在一起的构件一个记为1，另一个记为-1，其它记为0，则每两个连接构件将形成一个仅含有1，-1，0的行向量，最终形成的矩阵称为联接矩阵。
[0019]
(3)挡位矩阵ci(i＝1,2,3,
…
)，是表示变速器在不同挡位时制动器和离合器接合状态的矩阵。制动器接合时，制动构件记为1；离合器接合时，两等速构件一个记为1，另一个记为-1，其它记为0。挡位矩阵的最后一行为输入向量，即输入构件记为1，其它为0。
[0020]
对于由k个行星排组成的变速器，其满足如下运动方程：
[0021][0022]
求解即可得到变速器各构件转速以及各个挡位传动比。
[0023]
3、变速器行星齿轮机构力矩分析
[0024]
(1)力矩特性矩阵u，即描述各行星排构件力矩关系的矩阵。
[0025]
单星行星排满足力矩关系
[0026][0027]
双星行星排满足力矩关系
[0028][0029]
对于由k个单星行星排组成的变速器，其力矩特性矩阵
[0030]
[0031]
式中，α1,α2，...，αk分别为各行星排特性参数。
[0032]
(2)无外力独立构件矩阵di(i＝1,2,3,
…
)，是表示每个无外力独立构件受力状态的矩阵。无外力独立构件不是输入、输出构件，且不是制动构件，所受外力矩为零。将无外力独立构件记为1，其它记为0，最终形成的矩阵称为无外力独立构件矩阵。
[0033]
(3)力矩输入矩阵。将所有输入构件记为1，其它记为0，得到力矩输入矩阵ii(i＝1,2,3,
…
)。
[0034]
对于由k个行星排组成的变速器，其满足如下力矩方程：
[0035][0036]
求解即可得到变速器在各个挡位下作用于构件上的力矩。
[0037]
通过以上步骤，实现了对变速器传动系统行星齿轮机构受力及转速情况的量化，通过数据可以直观地看出行星齿轮排最大受载部件，从而确立关重部件，并针对此部件进行重点数字孪生装配模型构建。
[0038]
针对七档自动变速器传动系统关重部位的装配数字孪生模型构建，是基于装配现场实际装配情况，建立七档自动变速器传动系统关重部位与装配要素静态模型。由于传动系统关重部位零件冗杂，将其按照装配序列划分层级。划分方法如下：
[0039]
1.确立装配初始工位，并将该装配工位机器设置为p1,将该装配工位机器固定部件设置为p
10
,可动部件设置为p
1i
(i＝1,2,3,
…
)，其中数字越大，级别越高，可带动该机器运动部件数量越多。
[0040]
2.确定装配序列，并按照装配顺序依次将装配工位机器设置为pi(i＝1,2,3,
…
)，其中数字越大，装配顺序越后。
[0041]
3.根据装配机器序号，设置对应变速器传动系统零件序号，方法为将传动系统零件序号设置为d
ji
,其中j是其对应装配工位机器序列下标，i是其在本机器上的操作序列号。
[0042]
4.分别对照装配工位机器部件序号与变速器传动系统零件序号，将第一下标相同的部件视为同一装配工位，将第二下标为0的部件连接重组为固定部件，然后按照第二下标从大到小的顺序，分别将装配工位机器与变速器传动系统零件排列，小序号为大序号的子集，从而确定装配要素层级。
[0043]
传感器布局方案是根据人、机、料、法、环、测六要素，选取合适工位进行数据采集。分别针对传动系统关重部件的现有机械设备如压力机、工装托盘、轴承加热器等，进行压力、温度、位移传感器安装，同时针对传动系统关重部件所需功能如检测错装漏装、分析拧紧力矩等，布局视觉相机、力矩扳手等传感器，并通过中控机与上位机建立连接，实现数据采集功能。
[0044]
三维可视化数字孪生动态模型构建方法是依托unity3d引擎，借助c#脚本语言，结合传感器实时数据，通过获取各零件空间位置与姿态等信息，赋值虚拟零件，驱动变速器关重部件几何模型及装配要素模型运动。读取传感器温度、压力等数值，生成相关参数图像，实现装配过程数据可视化，最终构建关重部位装配数字孪生模型。
[0045]
本发明与现有技术相比的优点在于：以可视化的方式实时地监视装配作业情况，利用图论方法，优先确定关重部件，更高效的实现了装配过程的数字孪生模型建立。且提供
一套面向装配工位的，从传感器数据采集到数字孪生模型驱动的变速机构装配全流程模型构建方法。
附图说明
[0046]
图1为本发明的整体方案图；
[0047]
图2为本发明的装配产线数字孪生示意图。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
[0049]
如图1为本发明的整体方案图，针对七档变速机构行星齿轮部件进行运动及力矩分析，通过比较各零件受载情况，确定传动系统关重部位，结合装配序列过程，划分装配机器及行星齿轮结构的装配层级，简化复杂装配体零部件关系；根据实际装配现场，搭建静态三维模型，制定传感器布局方案，选定不同传感器收集人、机、料、法、环、测等多维数据，并利用串口通信方式与上位机相连；依托unity3d可视化引擎，借助c#脚本语言，融合静态三维模型及传感数据，构建变速机构传动系统关重部位数字孪生模型。
[0050]
下面结合装配产线数字孪生示意图，具体介绍本发明的装配序列层次划分及传感器布局方法：
[0051]
如图2，根据实际装配过程，压力机为装配过程第一工序机器，将其设置为p1，照相部件为p2,其中压力机底座、机身以及控制台在装配过程中保持固定，将其设置为p
10
，升降轴带动压力板执行压装动作，因此升降轴为p
12
，压力板为p
11
。按照以上顺序，压力机工位装配层次划分完毕，对应零件按照压力机部件下标即可。
[0052]
传感器布局在图二黑框中，
①
中安放激光位移传感器，以确定托盘在工作台的位置；
②
中安放位移与压力传感器，以测量压装过程中压力机位移及压装力；
③
中安放扫码枪，以确定物料、人员等信息；
④
中安放视觉相机，以检测安装成品是否出现错装漏装现象。传感器采集到的数据涵盖人机料法环测六方面，结合三维引擎，驱动数字孪生模型。
[0053]
提供以上实施方法仅仅是为了描述本发明的便捷性与目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

技术特征：
1.一种基于数字孪生的变速器传动系统关重部位装配模型构建方法，其特征包括：变速器行星齿轮机构关重部位确定方法；传动系统关重部位装配数字孪生模型建立方法。2.如权利要求1所述的变速器传动系统关重部位确定方法，其主要特征在于：基于图论对七档自动变速器传动系统即行星齿轮机构构建分析模型，通过建立运动矩阵及力矩矩阵，计算各档位各部件转速及受力情况，按照受载情况，确定关重部位。3.如权利要求1所述的关重部位装配数字孪生模型建立方法，其主要特征在于：针对七档自动变速器建立三维静态装配模型，按照装配序列划分层级，依据人机物料法环六原则，规划传感器布局方案，采集现场实时数据驱动静态三维模型，基于可视化软件及大屏形式对环境温度、关重部位受载情况、装配质量等指标进行展示。

技术总结
发明专利申请涉及一种针对装配现场的变速器传动系统关重部位装配数字孪生模型构建方法，该方法通过确立变速器传动系统关重部位，对其进行装配序列分级，并结合传感器布局，实时、有效地采集产线装配数据，直观地反应产线装配数据之间的关系，对实时装配进行预测与指导，解决了现行装配方法只能事后调整、装配时间长、成品合格率低的问题，有效地提高了产品装配合格率。品装配合格率。品装配合格率。


技术研发人员：王延忠 张文硕 谢斌 张欣宇
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/9/14