基于特征自由度变动的装配误差累积建模研究

利用基于装配功能对于各零件装配特征变动的雅可比矩阵,结合特征自由度和变动理论,建立表示装配功能要求的特征变动与装配零件特征变动联系的数学模型。运用该数学模型,可以定量地表示装配特征的变动对产品装配功能要求的影响,为设计者指出对装配功能影响较大的零件公差并有针对性地对其进行公差分析。     

基于特征自由度变动的公差综合建模与仿真

针对产品设计阶段规定的装配功能要求,在特征自由度公差表示模型的基础上,利用齐次坐标变换的知识分析并推导了装配功能要求与零件配合特征自由度变动的关系矩阵,通过矩阵求逆的方法得到公差综合仿真等式,由此建立了基于特征自由度变动的公差综合模型。以齿轮泵为例,研究并建立了两齿轮装配后的侧向间隙（装配功能要求）与泵体及齿轮相应配合特征自由度变动的公差综合模型,运用Monte Carlo方法进行了仿真实验,得到各配合特征自由度在公差范围内的变动量及分布统计结果,验证了建立的公差综合模型及仿真方法的有效性和实用性。     

基于特征几何变动的三维公差综合建模方法研究

针对计算机辅助公差设计中的三维公差综合问题,研究并建立了基于特征几何变动的三维公差综合方法和模型。在机械产品的装配中,将各零件配合几何特征视为刚体,利用刚体在三维空间中六个自由度方向上的微小几何变动所形成的区域来描述三维公差,在此基础上,采用机器人运动学中的齐次坐标变换方法获得各个特征几何变动量的累积关系等式,并通过工程计算中常用的广义逆求解得到装配功能要求与各配合几何特征自由度变动量间的关系,由此建立三维公差综合模型。最后,将本文阐述的方法运用于齿轮泵装配体实例,得到了轮齿侧向间隙要求与各配合特征几何变动量间的三维公差综合模型,从而验证了本文所提方法的实用性和有效性。     

基于尺寸变动度的装配序列偏差传递模型及质量评价方法

为了准确有效地评价不同装配序列中累积偏差对产品装配质量的影响,建立基于尺寸变动度的装配序列偏差传递模型及质量评价方法,以尺寸变动度所关注的装配特征为目标特征,在构建的装配特征邻接关系矩阵和几何特征公差关系矩阵基础上自动建立偏差传递模型,根据偏差传递过程求解累积偏差确定尺寸变动度。设计人员可据此获得装配质量最优的装配序列,同时可对零件设计公差进行改进。以人造宝石专用加工机床为例,验证了方法的有效性。     

一种面向可装配性的公差分析方法

基于新一代产品的几何技术规范,分析了装配体的几何信息构成,给出了基于自由度分析的变动域建模原理和变动域-SDT(small displacement torsor)映射关系,采用齐次坐标变换描述了特征几何变动在装配体中的传播和累积,建立了包含零件公差信息和装配间隙信息的装配公差累积模型;构建了公差回路的矩阵表达式,用两个简单装配公差分析实例说明了零件可装配性条件及分析过程;最后以一个工程计算分析实例验证了方法的正确性。     

4自由度非全对称并联机构的完整雅可比矩阵

少自由度并联机构完整雅可比矩阵为6x6矩阵,包括运动子矩阵和约束子矩阵两部分,由于前者的代数特征不能反映出机构的约束特性,在对此类机构进行运动学分析和几何参数优化设计时,必须建立完整的6x6雅可比矩阵.鉴于此,基于对偶螺旋理论,以4自由度机构2RPS-2UPS为例,给出非全对称少自由度并联机构完整雅可比矩阵的推导方法.首先,根据螺旋理论推导约束支链中的运动螺旋系和反螺旋系,并利用互易积获得约束子矩阵.其次,锁定每个支链中的主动关节,根据螺旋理论计算约束支链和全运动支链中新增反螺旋系,并利用互易积建立运动子矩阵.将约束子矩阵和运动子矩阵联立建立机构完整雅可比矩阵.最后,分析雅可比矩阵的秩,得到2RPS-2UPS并联机构产生奇异位形的条件.     

雷达天线举升机构重载转动副偏差计算与可装配性分析

针对某型雷达天线举升机构中的重载转动副,利用小变量簇的变动范围来表达零件特征的几何变动域,基于坐标转换矩阵建立公差分析模型,并运用此模型表述重载转动副装配过程偏差的传递及累积,从而对装配过程中零件公差、间隙引起的装配偏差累积和零件配合特征产生的间隙进行比较;提出针对重载转动副的可装配性评价概念,同时进行基于装配过程的参数化定义,并通过实例进行说明。如此可以有效地指导雷达天线举升机构中重载转动副的装配规划,提高整机的装配成功率。     

基于SDT的三维公差域建模方法研究

以自由度和变动理论为基础,研究了基于SDT的平面特征公差数学模型表示方法。首先研究了三维公差域参数化表示方法,基于新一代产品几何规范标准体系(GPS),将几何偏差分为本质偏差和方位偏差,研究了三维公差域参数化建模方法,并基于运动自由度分析的SDT方法分析了三维公差域建模的一般步骤。最后以平面特征的公差建模为例,对不同类型的平面分别建立了数学模型。     

基于齐次坐标变换的统计装配公差建模

基于新一代产品几何规范与认证体系,研究了基于齐次坐标变换的统计装配公差建模方法。将装配有向图改进为装配体几何关系图,图象化地表达与装配公差有关的关键特征及特征间的关系。用三维向量和齐次坐标转换矩阵来建立能够表达主要装配定位连接和辅助装配定位连接信息的装配公差传递模型。以实际零件为随机自变量,以该装配公差传递模型为映射函数,建立了统计装配公差分析模型。给出了该方法在公差分析中的应用实例。     

无奇异双向犁翻转机构运动学分析与性能优化

翻转机构是翻转式双向犁的核心工作部件,翻转过程中如何避免或越过奇异位置是此类机构设计和应用时必须要解决的问题。根据机构学理论,将冗余自由度引入双向犁翻转机构的设计中,得到一种新型2自由度运动冗余翻转机构。首先,通过建立机构的位置和速度约束方程,得到机构的输入、输出雅可比矩阵,以输入、输出雅可比矩阵的行列式不等于零为判定条件,推导出犁架实现无奇异往复翻转运动时,机构应满足的几何约束条件。其次,基于力传递矩阵和速度雅可比矩阵,对机构的力传递性能、刚度性能和承载力性能进行分析,总结机构设计参数对各项性能指标的影响规律,得到了机构综合性能优选时的参数设置范围。所得结论可为新型特别是重型双向犁的研发提供设计思路和参考依据。     

具有不等定位公差约束的轴线特征变动建模及其实现

结合运用自由度和变动思想,给出轴线基于自由度变动的数学表示.研究变动建模的约束条件,以此为基础详细研究当轴线特征两端给定的定位公差要求不相等时的各种变动建模方法,准确地表示轴线公差约束的语义.针对在三维CAD系统中实现变动建模效率低的情况,研究基于区域分割算法和预计算处理的高效变动轴线建模实现方法,最后给出应用实例分析.     

基于旋量参数的三维公差累积的运动学模型

研究了三维公差累积的运动学模型及其在计算机辅助公差设计中的应用，基于机器人学中的运动学分析方法研究了自参考和互参考公差域的旋量参数及其约束不等式，给出三维公差累积的运动学模型的一般表示式；研究了此模型在公差优化设计中的应用，一个齿轮泵的实例验证了此模型的有效性。     

一种基于数学定义的三维公差语义表示方法

目前三维CAD系统中的几何公差信息只是一种文本符号，缺乏工程语义，如何对其作出合理的解释对于CAD/CAM集成有着十分重要的意义，给出了基于语义的几何公差分类方法及基于自由度变动的基本几何要素数学表示方法，基于公差的数学定义，系统地推导了各种类型公差的三维语义表示方法，准确完整地表示出了其语义；最后给出实例进行应用分析。     

五自由度3D打印并联机器人设计及分析

为实现多向3D打印,设计了一种新型五自由度3D打印并联机器人,该机器人具有两个转动自由度和三个平动自由度,其特点是采用铰接的动平台以获得大的工作空间。根据建立的运动学模型,计算了该机器人机构的运动学反解,分析了定姿态位置工作空间和定位置姿态工作空间,用螺旋理论方法建立了速度雅可比矩阵,在此基础上分析了五自由度3D打印并联机器人的奇异性、灵巧性,并进行了运动仿真分析。研究结果表明,所设计的五自由度3D打印并联机器人具有大的位置工作空间和姿态工作空间,该机器人在工作空间内存在奇异位置,通过添加冗余驱动后可以消除奇异位置,并且具有良好的灵巧性,适合多向3D打印。     

VRML在六自由度并联机器人设计中的应用

六自由度并联机器人的设计过程十分复杂，VRML作为一种通用的虚拟现实建模语言，为各个设计过程之间架起了一座沟通的桥梁，从而加快了系统的整体开发过程。提出了利用VRML在廉价的PC机上构建六自由度并联机器人三维虚拟世界的方法，并给出了与其它编程语言之间的接口实现方法。     

基于SolidWorks和ANSYS的五自由度关节式机械手结构设计及分析

在介绍五自由度关节式机械手结构方案基础上,基于SolidWorks完成机械手机身、手臂及腕部的结构设计,并完成各部件的三维实体建模,最终实现机械手整体的三维模型及渲染。经导入ANSYS系统中,实现对该机械手的有限元分析,对机械手结构设计进行性能验证,及时发现不足之处,为进一步优化设计提供理论指导。     

Vehicle Planar Motion Stability Study for Tyres Working in Extremely Nonlinear Region

Many researches on vehicle planar motion stability focus on two degrees of freedom(2DOF) vehicle model, and only the lateral velocity (or side slip angle) and yaw rate are considered as the state variables. The stability analysis methods, such as phase plane analysis, equilibriums analysis and bifurcation analysis, are all used to draw many classical conclusions. It is concluded from these researches that unbounded growth of the vehicle motion during unstable operation is untrue in reality thus one limitation of the 2DOF model. The fundamental assumption of the 2DOF model is that the longitudinal velocity is treated as a constant, but this is intrinsically incorrect. When tyres work in extremely nonlinear region, the coupling between the vehicle longitudinal and lateral motion becomes significant. For the purpose of solving the above problem, the effect of vehicle longitudinal velocity on the stability of the vehicle planar motion when tyres work in extremely nonlinear region is investigated. To this end, a 3DOF model which introducing the vehicular longitudinal dynamics is proposed and the 3D phase space portrait method is employed for visualization of vehicle dynamics. Through the comparisons of the 2DOF and 3DOF models, it is discovered that the vehicle longitudinal velocity greatly affects the vehicle planar motion, and the vehicle dynamics represented in phase space portrait are fundamentally different from that of the 2DOF model. The vehicle planar motion with different front wheel steering angles is further represented by the corresponding vehicle route, yaw rate and yaw angle. These research results enhance the understanding of the stability of the vehicle system particularly during nonlinear region,and provide the insight into analyzing the attractive region and designing the vehicle stability controller, which will be the topics of future works.     

Accurate low DOF modeling of a planar compliant mechanism with flexure hinges: the equivalent beam methodology

A methodology for accurate and efficient finite elements method (FEM) simulations of planar compliant mechanisms with flexure hinges is presented. First, using symmetry/antisymmetry boundary conditions and 3D elements, one-eighth of a single hinge is simulated to determine its true stress/stiffness characteristics. A set of fictitious beams is derived, which have the identical characteristics. This set is used in conjunction with other beams that model relatively stiff links to generate an equivalent model of an entire mechanism consisting of the beam elements only. The model has a low number of degrees-of-freedom (DOF) and appears to be more accurate than any 2D FEM models, even those with very large number of DOF. The methodology has been developed specifically for the right circular flexure hinge; however, it can be applied to all types of revolute flexure hinges.     

复杂发动机关键机构的公差分析和优化

分析了公差对复杂发动机性能的影响,提出了针对复杂产品的公差分析和优化方法,综合考虑了各零件公差值大小、公差分布位置和零件误差积累对产品性能的影响,并根据公差分析结果和零件的加工成本等综合因素对零件公差进行优化。定义了具有公差信息的3维模型,开发了通用计算机辅助设计模型到公差模型的数据接口,给出了复杂产品公差分析和公差优化的一般步骤。最后,使用该方法对某型发动机曲柄连杆机构和活塞机构进行了公差分析和优化,并在实际产品开发中得到了验证。