基于机器人运动学的三维公差累积建模研究

运用机器人运动学中机械手的微分运动与各关节位置微小变动间关系的求解方法,进行三维公差的累积建模研究.讨论了三维公差的特征自由度表示,在运动坐标系基础上建立三维公差的雅可比传递矩阵累积模型,并用矢量积法得到各自由度变动对关键特征变动的雅可比传递系数矩阵.最后给出一个装配体计算实例,所得结果定量地表示了各配合特征各自由度累积对关键特征空间位置及方向变动的影响,反映了三维装配中零件公差累积情况,可以为进一步的尺寸及形位公差设计提供约束方程.     

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。     

精密装配的基准信息链模型和3D偏差计算

研究了精密零件装配的基准信息链模型与基于该模型的3D偏差累积计算方法。以微硬盘装配为实例,分析了装配过程中的多约束关系,采用基准信息链模型建立了装配空间结构和尺寸偏差关系的数字化表达,给出了齐次变换矩阵和误差矩阵关系式,实现了关键特征的3D偏差累积计算。实例表明,该计算方法可有效应用于数字产品开发的设计决策过程。     

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。     

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。     

自动武器闭锁机构三维装配精度分析技术研究

闭锁机构是自动武器的主要工作机构,其装配质量对武器发射可靠性与使用安全有较大影响。目前,自动武器产品的公差分析仍使用传统的线性尺寸链计算方法,而忽视了特征变动和配合间隙对装配质量的影响。通过三维偏差分析技术对闭锁机构装配精度进行预测,提出了特征要素离散化处理的方法,采用矢量坐标矩阵来描述几何特征要素在空间中的位置变动,通过蒙特卡洛模拟法随机抽样进行仿真试验,模拟实际表面的偏移。分析满足约束条件的随机数样本,求解装配偏差累积模型,得到了与实际装配情况一致的结果。通过实例对比分析了尺寸链计算、旋量矩阵法和软件仿真三种方法的特点,验证了该方法的有效性,为自动武器设计制造集成应用的实施提供了参考。     

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。     

三维装配尺寸链的自动生成

提出了一种基于CAD模型的三维装配尺寸链自动生成方法。该方法从定义装配性能特征入手,首先对CAD装配模型进行深层次的解析及预处理,以获取隐含在模型内部的公差分析所需信息。然后利用图论理论,通过构建特征-尺寸邻接矩阵、特征-装配约束关系邻接矩阵、装配关系传递图等,将装配体中参与装配的零件和特征以及其之间的装配约束关系、尺寸及形状等信息的传递过程以图的形式进行表达。最后将三维尺寸链分为显式和隐式两类,对于显式尺寸链,由装配关系传递图搜索连通通路可直接获取尺寸链图和方程:对于隐式尺寸链,提出了尺寸方向差异度的概念、封闭环方向优先的搜索策略以及构建过渡尺寸链的方法,最终可获取尺寸链图和方程。该方法已在自主开发的三维装配尺寸链自动生成系统中得到了验证。     

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。     

基于偏差流分析法（SOVA）的二维多工位装配顺序规划的研究

针对目前产品装配顺序通常从装配时间和装配成本角度来考虑而难以保证装配质量的情形,应用偏差流分析法,以提高装配质量为目标,提出一种新的二维多工位装配顺序优化方法。以多工位装配过程为研究对象,分析影响装配质量的偏差源,建立偏差及其传递的数学模型,应用装配稳健度概念来评价装配工艺流程方案的优劣。以汽车侧围的4个零件装配为例,运用装配稳健度分析、比较了三种不同的装配顺序,得到了较优的装配方案。实例分析和仿真表明,应用装配稳健度可以分析选择装配顺序方案,为优化设计多工位装配工艺流程提供了新的途径。     

Design automation and optimization of assembly sequences for complex mechanical systems

Assembly sequence design for a mechanical system can have significant impact on manufacturing cost and product quality. Traditionally, such a design process is largely based on experience and best practices, often ineffective and non-optimal as the system becomes complex. This paper proposes a new, systematic method for automatic assembly sequence design and optimization. Key elements include assembly modeling, sequence planning, locating scheme optimization, dimensional quality evaluation, and optimization. First, a directed graph and an assembly matrix are employed to describe the assembly relation of a system. Then, the feasible assembly sequences are generated through layered subassembly detection of adjacency matrices, filtered by engineering constraints. To evaluate quickly the assembly quality and compare the influences of different locating point schemes, a linear 3D variation propagation analysis model with deterministic locating principle is introduced. The optimal locating scheme is then selected using a genetic algorithm with the least variation propagation. Finally, the assembly dimensional quality for different sequences is evaluated and the optimal assembly sequences are achieved through genetic algorithms. A case of automotive body side assembly is presented to illustrate the whole methodology.     

基于装配偏差度的复杂机械产品再制造质量优化方法

为提高复杂机械产品再制造质量可靠性与稳定性,提出了基于装配偏差度的复杂机械产品再制造过程质量优化方法。综合考虑再制造过程装配偏差的形成原因及传递机制,构建了再制造过程装配偏差度函数。通过对相关质量控制域的划分,描述了基于装配偏差度的再制造质量优化判断条件及方法,并用模拟退火遗传算法求解装配偏差度在线优化模型,实现了对复杂机械产品再制造装配质量的优化。最后以某型主减速器主锥再制造总成装配过程为例验证了该方法的可行性和有效性。     

机械装配偏差源及其偏差传递机理分析

产品装配偏差源和偏差传递机理分析,是装配精度预测的前项工作。综合影响装配功能的尺寸和形位精度、装夹定位精度信息,将刚性零件装配的偏差源分为几何位置偏差、几何形状偏差和装配位置偏差三类;进一步建立面向三类偏差源统一表达和评价的多元统计学模型,及其相对装配功能的正负累积性判断方法。基于偏差源统一表达,分析偏差在零件间、零件内两特征间的偏差传递和相互作用,提出偏差传递的三种偏差流;根据装配过程中是否存在装配间隙,将偏差流分为连续流和断续流两种。基于偏差有向图,对三种偏差流和配合偏差流进行表达;并建立面向整个产品偏差传递及装配功能表达的装配偏差有向图模型。结合某航天器装配为例,验证偏差源表达和偏差传递模型的有效性。     

Locating Error Considering Dimensional Errors Modeling for Multistation Manufacturing System

Multistation machining process is widely applied in contemporary manufacturing environment.Modeling of variation propagation in multistation machining process is one of the most important research scenarios.Due to the existence of multiple variation streams,it is challenging to model and analyze variation propagation in a multi-station system.Current approaches to error modeling for multistation machining process are not explicit enough for error control and ensuring final product quality.In this paper,a mathematic model to depict the part dimensional variation of the complex multistation manufacturing process is formulated.A linear state space dimensional error propagation equation is established through kinematics analysis of the influence of locating parameter variations and locating datum variations on dimensional errors,so the dimensional error accumulation and transformation within the multistation process are quantitatively described.A systematic procedure to build the model is presented,which enhances the way to determine the variation sources in complex machining systems.A simple two-dimensional example is used to illustrate the proposed procedures.Finally,an industrial case of multistation machining part in a manufacturing shop is given to testify the validation and practicability of the method.The proposed analytical model is essential to quality control and improvement for multistation systems in machining quality forecasting and design optimization.     

多工位装配过程夹具系统公差和维护综合优化设计

提出一种面向二维多工位装配过程、综合考虑装配夹具系统全寿命周期成本、产品零件孔制造成本和产品质量损失成本的公差和维护综合优化方法。分析多工位装配尺寸偏差传递关系,建立多工位装配过程产品质量损失模型。然后根据4-2-1夹具定位原则,构建考虑夹具磨损过程损失的夹具定位销副偏差统计数字特征模型。继而发展了以夹具系统全寿命周期成本、零件孔制造成本和和产品质量损失成本为装配总成本最小化的定位销公差、零件孔公差与更换周期优化模型。以汽车侧围装配过程为例,分别研究定位销公差、零件孔公差、定位销更换周期、配合间隙、平均磨损率和磨损率方差对装配总成本的影响,并优化设计定位销公差、零件孔公差和定位销更换周期。所提出的综合优化设计方法比采用定位销等公差设计、零件孔等公差设计、定位销与零件孔等公差设计和定周期更换设计的装配总成本分别减少了16.25%、11.31%、39.93%和13.54%。该方法为产品装配夹具系统高质量低成本设计提供了一种新的途径。     

基于误差流理论的多工位装配过程质量稳定性

为适应质量控制对象由产品转向过程的趋势,对多工位装配过程中的质量稳定性问题进行研究。将多工位装配过程视为一维离散时变系统,采用状态空间方程对其进行建模,模型中的系统矩阵包含了装配过程中的物理结构信息。通过对比理想状态和实际情况下的模型,得到装配过程的误差流模型。在此基础上,根据有界输入有界输出(BIBO)稳定性的概念,通过分析过程误差流模型可得到判断过程是否质量稳定的判定条件,并进一步提出衡量质量稳定性优劣的指标—稳定度这一新概念。以汽车白车身装配过程中一个三工位薄壁件装配为例,对所提出的判据和稳定度概念进行仿真验证。     

轿车翼子板装配偏差建模与定位工艺优化

轿车翼子板装配质量对整车尺寸质量有很大影响。造成翼子板装配偏差的因素有:翼子板本身尺寸偏差、白车身尺寸偏差、装配工艺工装偏差。在实际生产中,通过对翼子板的定位优化来减小输入偏差对最终装配偏差的影响,是减小翼子板装配偏差、提高装配质量的首选途径。结合基于欧拉变换的空间零件偏差传递模型和MPS优化算法,建立了一套针对翼子板的建模与定位工艺优化方法。此方法在某自主品牌轿车生产中的应用取得了明显的效果,并且显示出比传统优化方法更高的效率。     

Modeling method for assembly variation propagation taking account of form error

The propagation of variations, such as fixture errors and datum errors resulting from assembly and machining processes, has been extensively studied. However, only a few studies that focus on form error propagation in assembly systems have been implemented. Machining errors, especially form errors, have great impact on assembly accuracy and accuracy stability of precision mechanical systems. With form errors being the research object, a method for calculating mating variation and specifying mating coordinate is proposed to improve the accuracy of the variation propagation model. Taking into account the form error of mating surfaces, the assembly variation propagation of a precision mechanical system is analyzed, and the brief derivation procedure of the variation propagation model is introduced afterwards. The variation propagation model involves a new concept of mating variation specified by the two mating surfaces. An innovative method, the difference surface search based method, is proposed to calculate the mating variation amongst the mating surfaces. The obtained mating variation is then utilized to specify the mating coordinate in the variation propagation model. Moreover, FEM is employed to simulate the contact state of the two mating surfaces to demonstrate effectiveness of the proposed method. Meanwhile, the mating variation and mating coordinate obtained are incorporated into the assembly variation propagation model, which is then verified by a following case study through a comparison between the calculated results and the experimental results. The comparing results indicate that the established model improves the prediction of assembly accuracy. The developed model enables the investigation of various fundamental issues in variation reduction, including variation analysis, process monitoring, accuracy prediction, and accuracy control.