产品装配误差累积过程的三维可视化模拟方法技术

一种产品误差累积的三维可视化模拟方法，该方法实现的主要步骤有：(1)构建误差传递路径；(2)为误差传递路径中的元件配合关系赋予权值；(3)搜索在误差累积模拟过程中需要进行等效变换的配合关系；(4)对产品中的相关配合关系实施等效变换；(5)从初始误差开始，求解误差累积路径中各元件的位姿矩阵；(6)测量产品模型并输出误差累积结果；(7)循环执行步骤(5)与步骤(6)，对步骤(6)输出的结果进行统计。应用本发明专利技术对产品误差累积进行三维可视化模拟，避免了产品公差设计中繁琐的计算过程，同时使误差模拟的结果得以在三维环境下直观地呈现，从而降低了产品装配误差分析的工作难度，提高了复杂产品精度设计的工作效率。

【技术实现步骤摘要】
产品装配误差累积过程的三维可视化模拟方法
本专利技术是一种针对产品装配误差累积过程的三维可视化模拟方法，主要用于在三维环境下实时地、直观地模拟产品的制造误差累积过程，为复杂产品的精度设计提供简洁的尺寸分析技术手段，属于产品精度设计

技术介绍
参数化、变量化设计理论技术的发展日趋成熟，计算机软硬件的计算速度大幅提升，大大推动了复杂产品精度设计技术的进步。目前，在产品三维模型中模拟产品误差的累积过程成为产品精度设计领域中一个新的研究方向。通过对加工误差的三维建模，可以直观地体现零件偏差对装配精度的影响。国内外学者针对误差累积对产品装配精度的影响已开展了相关研究，近年来该领域的研究方向主要有：(1)制造偏差的建模及其累积过程的求解；(2)产品拓扑结构发生变化后配合关系变动的求解。然而，这些工作大多是在数学层面上进行理论研究，虽取得了一定的成果，但由于其理论并未涉及产品三维模型中误差的建模和累积求解，因此依然存在计算复杂、模拟结果不直观等问题。因此，研究和开发产品装配误差累积过程的三维可视化方法，简化产品公差分析方法及提高误差评估的智能化水平已成为产品精度设计中急需解决的问题。
技术实现思路
为了解决上述存在的技术问题，本专利技术在对元件配合约束的微小变动原理及求解方法研究的理论基础上，针对零件加工误差对配合约束的影响，提出了一种在三维模型上开展误差累积模拟的原理及算法，该方法可以实现复杂产品装配误差的分析，为“舵机产品公差分析系统”提供产品公差的直观分析工具，从而减小公差分析的工作量，提高产品的精度设计水平。本专利技术是一种产品装配误差累积过程的三维可视化模拟方法，其实现的主要步骤有：(1)构建误差传递路径；(2)为误差传递路径中的元件配合关系赋予权值；(3)搜索在误差累积模拟过程中需要进行等效变换的配合关系；(4)对产品中的相关配合关系实施等效变换；(5)从初始误差开始，求解误差累积路径中各元件的位姿矩阵；(6)测量产品模型并输出误差累积结果；(7)循环执行步骤(5)与步骤(6)，对步骤(6)输出的结果进行统计。对上述各步骤的描述如下：步骤1：构建误差传递路径。误差传递路径是依据产品中的装配关系图进行求解的。其具体实施过程如下：第一步：建立装配关系有向图。对于一个产品而言，装配关系有向图中的顶点集表示存在配合关系的全体几何元素集，装配关系有向图中的弧表示产品中的配合关系，一条弧由配合关系中的基准几何元素指向配合几何元素。第二步：指定需要计算累积过程的初始误差；第三步：指定误差累积模拟完毕后需要测量的尺寸。第四步：从初始误差所在几何元素上的配合关系开始，在配合关系有向图的基础上构建误差累积路径，若配合关系有向图中存在两配合元素间的配合关系为间隙配合的情况，则误差累积路径中断，并重新开始累积。步骤2：为误差传递路径中的元件配合关系赋予权值。对误差传递路径中的元件，获取作用于此元件上的所有配合关系，并计算配合关系的权值，配合关系的权值根据如下规则确定：规则1：若该元件作为配合关系中的配合基准件，则该配合关系对该元件的权值为零；规则2：若该元件作为配合关系中的配合元件，则配合关系的权值等于该配合关系所约束的元件自由度的个数。步骤3：搜索在误差累积模拟过程中需要进行等效变换的配合关系(以下也称为相关配合关系)，求解流程通过以下步骤实现：第一步：获得误差累积路径中的第一个配合关系中的主动件与从动件第二步：搜索主动件与从动件之间的所有配合关系，对于其中的任一个配合关系m，执行第三步；第三步：若配合关系m不存在配合尺寸，则此配合关系为相关配合关系；第四步：搜索从动件上的全部配合关系，对于其中的任意一个配合关系m，执行第五步；第五步：若从动件作为配合关系m的主动件，则获取配合关系m的从动件第六步：搜索元件与之间的所有配合关系，对其中的任一个配合关系，执行第三步，直至装配关系图搜索完毕。步骤4：对产品中的相关配合关系实施等效变换。该步骤的实施流程为：对上述的每一个配合关系进行如下操作：第一步：判断配合关系的类型。将配合关系分为固定约束、相合约束以及偏移约束三类，各类型确定规则为：<1>若配合关系限制了元件的所有自由度，从而使元件在装配体中的方位唯一确定，则该配合关系属于固定约束类型；<2>若配合关系通过限制配合元素间的相对几何方位来约束配合元件的运动自由度，则该配合关系属于相合约束类型。<3>若配合关系通过配合尺寸来约束元件的运动自由度，则该配合关系属于偏移约束类型。第二步：对配合关系实施等效变换。对上述各类型的配合关系，实施过程如下：<1>固定约束类型的等效变换，具体实施过程为：①获得元件的零件坐标系在世界坐标系中的原点坐标及三个坐标轴的方向；②获得装配体中的世界坐标系的原点坐标与三个坐标轴的方向；③求解零件坐标系与世界坐标系的三坐标轴间的夹角；④求零件坐标系的原点与世界坐标系的原点在三坐标轴方向上的偏移距离；⑤根据③所得的角度值，分别为元件添加角度偏移约束；⑥根据④所得的距离值，分别为元件添加距离偏移约束。<2>相合约束的等效变换，具体实施过程为：①获取相合约束的主动配合元素及从动配合元素；②为主动配合元素及从动配合元素添加装配尺寸为零的角度偏移约束；③为主动配合元素及从动配合元素添加装配尺寸为零的距离偏移约束。<3>若配合关系属于偏移约束类型，则配合关系保持不变。步骤5：从初始误差开始，求解误差累积路径中各元件的位姿矩阵。该步骤的实施流程为：<1>获得误差累积路径中的第一个配合关系，将其作为当前配合关系；<2>获得当前配合关系的从动件；<3>判断当前配合关系在从动件的所有配合关系中是否权值最大，若是，则执行<4>，否则结束步骤5；<4>根据初始误差值与从动配合元素，计算配合关系中配合尺寸的变动范围；<5>删除从动件上除权值最大的配合关系外的其他配合关系，并将这些配合关系暂时保存；<6>对权值最大的配合关系，在其配合尺寸的变动范围内，微量调整配合关系中的配合尺寸值；<7>计算从动件的位姿矩阵；<8>根据从动件的位姿矩阵计算此元件上相关配合关系的配合尺寸值；<9>调整相关配合关系的尺寸值，并为从动件重新施加相关配合关系；<10>更新模型；<11>获取误差累积路径中的下一个配合关系，将其作为当前配合关系，重复执行<2>，直至误差累积路径中的配合关系全部执行完毕。步骤6：测量产品模型并输出误差累积结果。若两几何元素间能够计算欧氏空间中的距离，则测量其欧氏空间距离；否则，计算两几何元素间的微分距离。步骤7：循环执行步骤5与步骤6，对步骤6输出的结果进行统计。应用本专利技术对产品误差累积进行三维可视化模拟，避免了产品公差设计中繁琐的计算过程，同时使误差模拟的结果得以在三维环境下直观地呈现，从而降低了产品装配误差分析的工作难度，提高了复杂产品精度设计的工作效率。附图说明图1为本专利技术的工作流程图。图2为某产品中的配合关系示意图。图3为图1所示产品的装配关系有向图。图4为图1所示产品的误差累积过程示意图。图5本文档来自技高网...

【技术保护点】
产品装配误差累积过程的三维可视化模拟方法，其特征在于：其实现的步骤有：(1)构建误差传递路径；(2)为误差传递路径中的元件配合关系赋予权值；(3)搜索在误差累积模拟过程中需要进行等效变换的配合关系；(4)对产品中的相关配合关系实施等效变换；(5)从初始误差开始，求解误差累积路径中各元件的位姿矩阵；(6)测量产品模型并输出误差累积结果；(7)循环执行步骤(5)与步骤(6)，对步骤(6)输出的结果进行统计；对上述各步骤的描述如下：步骤1：构建误差传递路径，误差传递路径是依据产品中的装配关系图进行求解的，其具体实施过程如下：第一步：建立装配关系有向图，对于一个产品而言，装配关系有向图中的顶点集表示存在配合关系的全体几何元素集，装配关系有向图中的弧表示产品中的配合关系，一条弧由配合关系中的基准几何元素指向配合几何元素；第二步：指定需要计算累积过程的初始误差；第三步：指定误差累积模拟后，需要进行测量的目标尺寸；第四步：从初始误差所在几何元素上的配合关系开始，在配合关系有向图的基础上构建误差累积路径，若配合关系有向图中存在两配合元素间的配合关系为间隙配合的情况，则误差累积路径中断，并重新开始累积；步骤2：为误差传递路径中的元件配合关系赋予权值，对误差传递路径中的元件，获取作用于此元件上的所有配合关系，并计算配合关系的权值，配合关系的权值根据如下规则确定：规则1：若该元件作为配合关系中的配合基准件，则该配合关系对该元件的权值为零；规则2：若该元件作为配合关系中的配合元件，则配合关系的权值等于该配合关系所约束的元件自由度的个数；步骤3：搜索在误差累积模拟过程中需要进行等效变换的配合关系(以下也称为相关配合关系)，求解流程通过以下步骤实现：第一步：获得误差累积路径中的第一个配合关系中的主动件与从动件第二步：搜索主动件与从动件之间的所有配合关系，对于其中的任一个配合关系m，执行第三步；第三步：若配合关系m不存在配合尺寸，则此配合关系为相关配合关系；第四步：搜索从动件上的全部配合关系，对于其中的任意一个配合关系m，执行第五步；第五步：若从动件作为配合关系m的主动件，则获取配合关系m的从动件第六步：搜索元件与之间的所有配合关系，对其中的任一个配合关系，执行第三步，直至装配关系图搜索完毕；步骤4：对产品中的相关配合关系实施等效变换，该步骤的实施流程为：对上述的每一个配合关系进行如下操作：第一步：判断配合关系的类型，将配合关系分为固定约束、相合约束以及偏移约束三类，各类型确定规则为：<1>若配合关系限制了元件的所有自由度，从而使元件在装配体中的方位唯一确定，则该配合关系属于固定约束类型；<2>若配合关系通过限制配合元素间的相对几何方位来约束配合元件的运动自由度，则该配合关系属于相合约束类型；<3>若配合关系通过配合尺寸来约束元件的运动自由度，则该配合关系属于偏移约束类型；第二步：对配合关系实施等效变换，对上述各类型的配合关系，实施过程如下：<1>固定约束类型的等效变换，具体实施过程为：①获得元件的零件坐标系在世界坐标系中的原点坐标及三个坐标轴的方向；②获得装配体中的世界坐标系的原点坐标与三个坐标轴的方向；③求解零件坐标系与世界坐标系的三坐标轴间的夹角；④求零件坐标系的原点与世界坐标系的原点在三坐标轴方向上的偏移距离；⑤根据③所得的角度值，分别为元件添加角度偏移约束；⑥根据④所得的距离值，分别为元件添加距离偏移约束；<2>相合约束的等效变换，具体实施过程为：①获取相合约束的主动配合元素及从动配合元素；②为主动配合元素及从动配合元素添加装配尺寸为零的角度偏移约束；③为主动配合元素及从动配合元素添加装配尺寸为零的距离偏移约束；<3>若配合关系属于偏移约束类型，则配合关系保持不变；步骤5：从初始误差开始，求解误差累积路径中各元件的位姿矩阵，该步骤的实施流程为：<1>获得误差累积路径中的第一个配合关系，将其作为当前配合关系；<2>获得当前配合关系的从动件；<3>判断当前配合关系在从动件的所有配合关系中是否权值最大，若是，则执行<4>，否则结束步骤5；<4>根据初始误差值与从动配合元素，计算配合关系中配合尺寸的变动范围；<5>删除从动件上除权值最大的配合关系外的其他配合关系，并将这些配合关系暂时保存；<6>对权值最大的配合关系，在其配合尺寸的变动范围内，微量调整配合关系中的配合尺寸值；<7>计算从动件的位姿矩阵；<8>根据从动件的位姿矩阵计算此元件上相关配合关系的配合尺寸值；<9>调整相关配合关系的尺寸值，并为从动件重新施加相关配合关系；<10>更新模型；<1...

【技术特征摘要】
1.产品装配误差累积过程的三维可视化模拟方法，其特征在于：其实现的步骤有：(1)构建误差传递路径；(2)为误差传递路径中的元件配合关系赋予权值；(3)搜索在误差累积模拟过程中需要进行等效变换的配合关系；(4)对产品中的相关配合关系实施等效变换；(5)从初始误差开始，求解误差累积路径中各元件的位姿矩阵；(6)测量产品模型并输出误差累积结果；(7)循环执行步骤(5)与步骤(6)，对步骤(6)输出的结果进行统计；对上述各步骤的描述如下：步骤1：构建误差传递路径，其特征是，误差传递路径是由依据产品中的装配关系图进行求解的，具体实施过程如下：第一步：建立装配关系有向图；对于一个产品而言，装配关系有向图中的顶点集表示全体存在配合关系的几何元素集，装配关系有向图中的弧表示产品中的配合关系，一条弧由配合关系中的基准几何元素指向配合几何元素；第二步：指定需要计算累积过程的初始误差；第三步：指定在误差累积模拟完毕后需要测量的尺寸；第四步：从初始误差所在几何元素上的配合关系开始，在配合关系有向图的基础上构建误差累积路径，若配合关系有向图中存在两配合元素间的配合关系为间隙配合，则误差累积路径中断，并重新开始累积；步骤2：为误差传递路径中的元件配合关系赋予权值；其特征是，对误差传递路径中的元件，获取作用于此元件上的所有配合关系，并计算配合关系的权值，配合关系的权值根据如下规则确定：规则1：若该元件作为配合关系中的配合基准件，则该配合关系对该元件的权值为零；规则2：若该元件作为配合关系中的配合元件，则配合关系的权值等于该配合关系所约束的元件自由度个数；步骤3：搜索在误差累积模拟过程中需要进行等效变换的配合关系，该配合关系在后文中也称为相关配合关系，求解流程通过以下步骤实现：第一步：获得误差累积路径中的第一个配合关系中的主动件与从动件第二步：搜索主动件与从动件之间的所有配合关系，对于其中的任一个配合关系m，执行第三步；第三步：若配合关系m不存在配合尺寸，则此配合关系为相关配合关系；第四步：搜索从动件上的全部配合关系，对于其中的任意一个配合关系m，执行第五步；第五步：若从动件作为配合关系m的主动件，则获取配合关系m的从动件第六步：搜索元件与之间的所有配合关系，对其中的任一个配合关系，执行第三步，直至装配关系图搜索完毕；步骤4：对误差传递路径中的配合关系以及产品中的相关配合关系实施等效变换；该步骤的实施流程为：对上述的每一个配合关系进行如下操作：第一步：判断配合关系的类型；将配合关系分为固定约束、相合约束以及偏移约束三类，各类型确定规则为：<1>若配合关系限制了元件的所有自由度，从而...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟飙，王勃，王旭东，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21