虚拟装配中几何精度可视化及其实现技术

针对公差设计过程中产品几何精度信息的表达缺乏直观性和可感知性的问题,在分析几何偏差、公差域及公差等级等精度信息的基础上,提出基于标注模式和颜色感知的几何精度可视化表达方法。通过解析装配系统中的几何模型、精度模型及三维标注模型,建立几何精度的可视化模型以及精度信息与颜色值的映射关系,解决了可视化模型与几何模型、三维标注模型等的关联问题。在此基础上,借助虚拟环境相关渲染技术,实现了几何偏差或误差相对于上下偏差限的几何精度相对可视化,以及反映公差等级的几何精度绝对可视化,提高了几何精度信息在虚拟装配系统中的可感知和可交互性。相关模型和算法已在原型系统中得到实现,并通过实例进行了验证。     

基于等效运动副化及运动副退化的公差分析法

针对公差不仅在数值上具有随机性,其所约束的几何特征在空间的位置姿态上也具有随机性的特点,提出了公差约束等效运动副化及运动副退化法。等效运动副化将公差约束的几何特征转化为被运动副控制的几何特征,该等效运动副本身是虚拟的具有多自由度的等效运动副,将公差约束的几何特征转化为被多自由度运动副控制的几何特征,装配体转变为一个无误差的开环机械臂,考虑到因装配工艺而产生的不同运动副自由度之间的相互制约的现象,采用运动副退化法去除冗余自由度,由此建立装配体公差分析模型,并将装配体公差模型分析的数值与加工装配体的实验检测值进行对比。     

基于状态空间模型的精密机床装配精度预测与调整工艺

在精密机械装配过程中,整机装配精度保障不能仅通过零件公差设计,还必须通过测量与调整等装配工艺共同实现,因此需要建立装配过程偏差传递预测与控制的数学模型,定量描述装配调整工艺对最终整机精度的影响。运用微分运动矢量作为各装配工序误差状态的统一表达方式,构建了零件公差模型、几何特征测量结果与装配过程偏差源数学表达的对应关系,提出了描述精密机床装配过程中关键几何特征变动、特征测量、调整的偏差传递状态空间模型。基于该模型,根据当前装配工序偏差与装配调整工艺对整机精度的影响规律预测,确定本道工序装配调整策略,从而保障整机装配精度。最后以精密卧式加工中心为对象进行计算分析,验证了该建模方法的有效性。     

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。     

轿车滑移门安装定位点偏差计算与装配偏差建模

轿车滑移门与白车身的匹配精度直接影响到整车风噪声和外观品质.导轨的安装定位以及支架滚轮的装配精度是滑移门安装定位点装配偏差的主要影响因素.通过分析导轨与滚轮的空间装配尺寸关系,得出了滑移门在白车身对应定位点的偏差计算方法,在此基础上利用公差模拟软件ViS_VSA建立某车型滑移门的装配偏差模型,对装配偏差匹配尺寸分布进行仿真计算.该方法有助于提高尺寸公差的仿真精度,为合理分配滑移门定位点设计公差,提高滑移门匹配精度提供了设计依据.     

基于三维模型的航天器装配精度预测方法

针对航天器的装配精度准确预测问题,提出一种基于三维模型的航天器装配精度预测方法.分析了航天器结构的装配连接特点,建立了包括装配体模型、零件模型、结构模型和公差模型四个层次的航天器装配精度信息模型;构建了三维模型坐标系,分析了航天器装配关键节点的公差作用影响以及不同几何坐标系下的装配公差作用转化机理;利用最小偏差传递路径原理搜索得到了航天器的装配公差传递路径,并采用极值法实现了装配精度预测.以航天器的舱段对接和设备安装为例,对所提方法和算法进行了验证.     

基于变形基的柔性薄壁结构公差分配方法

考虑大型薄壁结构变形与偏差之间的关系,针对柔性薄壁结构的装配过程,提出一种基于变形基的薄壁结构偏差描述与公差分配方法。利用模态分析方法建立描述构件偏差的变形基,基于装配区域变形协调和势能最小原理推导零件与装配构件偏差因子的关联关系,以变形基与偏差因子的线性组合精确表征柔性薄壁结构的偏差场。以柔性薄壁结构制造、装配工艺及产品的其它成本为约束条件,建立柔性薄壁结构的公差分配优化模型并采用遗传优化算法进行求解。以火箭筒段的装配过程为例进行了公差分配的案例计算。该方法考虑柔性薄壁结构的柔性变形和偏差场的分布与传递,案例公差分配的结果符合理论分析,验证了方法的可行性。     

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。     

基于公差变动域的几何公差转化技术

针对当前零件加工或装配过程中基准转换导致的几何公差转化问题,提出一种基于公差变动域的几何公差转化技术。根据几何公差关联的功能几何特征类型,解析功能几何处于各空间位置时被其他几何特征约束的自由度;利用功能几何的空间位置,获得其被设计基准约束的自由度;构建定位基准体系,并对其冗余性和完备性进行检查;根据设计基准、定位基准和功能几何之间的定位关系,采用公差累积方程实现功能几何相关的几何公差转化求解。基于上述研究开发了几何公差转化软件系统,通过实例分析验证了上述方法的可行性与有效性。     

考虑形状偏差的公差多面体建模与分析

采用理想表面模型或未考虑形状偏差进行公差建模与分析往往导致零件装配产生干涉风险或装配精度得不到保证。针对该问题，首先基于半空间和多面体的定义将零件特征几何偏差以向量的形式表示，根据尺寸公差带约束构建了零件层的公差多面体不等式组。其次，以理想表面构建装配层公差多面体不等式组，通过使用装配优化函数对装配接触面参数进行调整，将形状偏差纳入公差模型中，从而构建了基于非理想表面的公差多面体不等式组。最后，以铣刀座装配体进行了实例研究，建立了该装配体的各偏差传递路径的公差多面体凸包，并使用闵可夫斯基和依次求解，然后进行交集运算得出目标环偏差值；手工调整公差值并重新计算，直至分析出的目标环偏差值满足初始精度设计需求。     

火箭发动机氢氧泵结构公差优化分配方法

火箭发动机氢氧泵在装配时由于存在多源偏差且双侧多点装配形式复杂,现场需要依靠人工进行修配,存在装配效率与精度低的问题.针对雅可比旋量法进行改进,考虑氢氧泵双侧多点连接特征引入装配约束,建立多点连接并联装配模型,揭示偏差源与装配偏差间的关系.以相对成本-公差函数及质量损失函数之和为优化目标,以装配精度要求、多点连接要求与加工能力约束等为约束条件,建立火箭发动机氢氧泵多点连接装配的公差优化分配模型,并采用遗传算法进行求解.以实际氢氧泵装配过程的数值案例进行计算,研究不同精度指标要求下的各连接位置公差特性,形成最优公差分配方案,为火箭发动机氢氧泵自动化装配与制造质量一致性提供指导.     

基于T-Map的飞机部件交点轴线公差转化方法

针对装配过程装配方案改变后,基准变换致使几何公差变化的问题,以飞机部件装配中的交点装配为研究对象,提出基于公差图(T-Map)的公差转化方法。根据交点轴线的变动建立交点轴线的T-Map公差模型;通过基准变换前后几何尺寸及公差(GD＆T)关系构建交点轴线的基准变换模型,在此基础上,重构基准变换后交点轴线的T-Map;对变换后的交点轴线T-Map进行累积,构建交点轴线叠加T-Map(ST-Map),分析基准变换前T-Map与ST-Map的二维空间域的关系,得到ST-Map最小约束条件,并以不同自由度约束下的最大公差值为判据,获得基于T-Map的交点轴线公差转化关系。最后,引入实例进行公差转化的求解,并与基于特征公差尺寸链的传统公差转化方法进行了比较。     

面向装配偏差仿真分析的STL模型处理技术研究

基于产品设计三维模型进行装配偏差仿真分析是提高产品装配精度的曲然趋势.针对装配偏差分析过程中各类零件定位、测量等几何特征的提取与重构,采用OSG技术对STL模型进行显示渲染和种子点的拾取操作,在点边拓扑关系重构基础上以边的二面角作为判断准则以识别特征边,并自动提取所拾取特征的几何参数和添加相应公差信息.该方法充分利用了STL模型体积小、通用性强等优点,为构建独立于三维造型平台的装配偏差分析系统提供了可靠的输入基础.     

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。     

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。     

基于偏差传递的二维多工位装配夹具系统公差可行稳健设计

提出一种基于偏差传递的二维多工位装配夹具系统公差可行稳健设计方法。分析二维多工位装配尺寸偏差传递关系,建立由定位销和零件定位孔(槽)公差引起夹具定位偏差的偏差流状态空间模型。采用数论网格方法对定位销和零件定位孔(槽)公差进行采样,将得到的公差样本代入夹具定位偏差模型,求得夹具定位偏差样本空间,将夹具定位偏差作为状态空间模型的输入偏差,提出基于状态空间模型的二维多工位装配成功率计算方法。继而应用Taguchi正交试验直观分析方法,分析得到影响装配成功率的主要因素即夹具系统定位销副关键公差,运用回归正交组合设计拟合得到二维多工位装配成功率与夹具系统定位销副关键公差的响应面模型。以定位销、零件定位孔(槽)制造成本所构成的装配成本最小化为目标,二维多工位装配成功率为约束,建立二维多工位装配夹具系统定位销和零件定位孔(槽)公差可行稳健设计模型。以汽车车身地板二维三工位装配为例,建立其公差可行稳健设计模型并对该模型进行计算与分析,结果表明在装配成本增幅较小的情况下,采用稳健约束后可显著提高公差设计的可行稳健性。该方法为二维多工位装配夹具系统公差稳健设计提供了一种新途径。     

基于辅助定位接点的装配公差建模

针对现有的装配公差数学模型不能完全表达装配定位接点对零件约束的问题,研究零件定位特征与装配定位接点之间的关系。将装配定位接点的配合类型进行归纳和分类,并以向量方程/不等式的方式表示辅助接点上各种配合对零件运动自由度的约束。得到的向量方程/不等式可以表达辅助接点的几何及公差信息,并用于修正一般的装配公差模型。最后通过该方法在公差分析中的应用实例验证了所提方法的有效性。     

基于多维矢量环的装配偏差源敏感度分析

为了准确有效地实现偏差累积分析和装配精度预测,提出一种基于多维矢量环的装配偏差源敏感度分析方法。根据装配生产实际,将偏差源分为加工尺寸偏差、加工形状和位置偏差以及装配位置偏差三类;进一步将偏差源敏感度表示为装配尺寸微小变化的变化量与偏差源尺寸微小变化的变化量的比值。将装配连接形式抽象为面-面连接、面-弧连接、面-角连接、转动连接、弧-弧连接和固定连接,并分析每类连接形式的相对自由度。依据装配工艺确定的装配约束关系、装配顺序和定位方式,定位零件之间的连接点,建立零件的基准参考结构,并以此为基础建立偏差传递路径;依据偏差传递路径创建装配体多维矢量环,建立各维度的标量方程;利用一阶泰勒展开和矩阵变换方法,求解出敏感度表达式。以机翼内襟翼摇臂装配体偏差源敏感度分析为例,验证了该偏差源敏感度分析方法的有效性。     

基于配合约束的几何公差分配方法

当公差原则为相关原则时，如何建立相关尺寸公差到几何公差的定量转换关系，实现几何公差的精准分配，是该领域亟待解决的问题。通过几何公差自顶向下分配的定性分析与定量计算，提出一种基于配合约束的几何公差分配方法。根据配合公差、互参照公差和自参照公差之间的约束，构建了基于配合约束的公差关联模型；基于上述关联，构建了与产品结构同步的几何公差设计过程模型；将装配接点作为配合公差传递的基本载体，根据装配接点的顺序和表面类型，提出了相关配合表面旋量矩阵的分析方法，并基于旋量矩阵生成相关表面的几何公差约束；以基于旋量矩阵的公差约束、加工精度约束和互参照公差对自参照公差的约束为约束条件，以最小总公差成本为目标函数，利用遗传算法实现了几何公差数值的优化。最后，以曲轴活塞机构为实例进行了几何公差的分配，经与经验法对比，验证了该方法的经济性与有效性。