一种复杂精密机械产品的装配精度系统分析方法技术方案

本发明专利技术涉及一种复杂精密机械产品的装配精度系统分析方法，属于装配质量预测与控制领域。本发明专利技术通过分析复杂机械产品在结构设计、公差设计、工艺设计和实际装配过程等阶段装配误差的形成和传递特点，建立了各阶段的误差传递模型，分析了它们之间的关系，进行了系统性的装配精度分析。在此基础上提出基于实际测量数据的装配精度预测方法，提出了基于灵敏度的误差对最终装配精度影响大小的计算方法，为产品最终的装配精度预测、仿真和装配精度控制提供依据，为整个机械系统的设计、加工和装配工艺设计提供支持。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种复杂精密机械产品的装配精度系统分析方法，属于装配质量预测与控制领域。
技术介绍
在精密机床、精密仪表等复杂精密机械产品制造过程中，装配质量在很大程度上决定着产品的最终质量。目前精密机械产品的装配管理落后和自动化水平低下的现象比较严重，很多精密机械产品的装调水平主要取决于工人的经验和技能，装配已成为精密机械产品研制和生产中的薄弱环节，也是制约产品质量提高、研制周期缩短和企业核心竞争力提升的重要因素之一。所以研究加工、装配环节各种因素对装配后系统性能的影响机理、耦合关系，通过梳理不同制造阶段装配的特性进行全过程的装配几何精度分析，建立零件各项误差与装配精度之间的定量关系模型，实现产品最终的装配精度预测、仿真和装配精度控制，为精密机械产品的设计、加工和装配工艺设计提供依据。国内外出现了多种装配精度预测和控制的方法。Ceglarek等以时间和成本为目标，基于误差流分析理论对多阶段装配过程的尺寸偏差进行建模、分析和控制，以改善装配质量；Fong、Lawless、Agrawal等研究了多工位制造过程的误差传递，建立了统计方法的AR(1)模型；美国密歇根大学的Shi等提出了状态空间误差传递模型，描述多工位二维白车身装配的误差传递，但模型重点关注装配过程中的夹具误差；上海交通大学的杜世昌等阐述了夹具误差、基准误差、安装误差和加工误差的传递与累积过程，构建了状态空间模型来表达各种误差之间的关系，解决了制造系统中多种偏差流作用下产品的质量控制；江南大学的何博侠等从偏差传递的角度，建立了面向质量分析的零件模型和零件偏差模型与装配系统的状态空间误差传递模型，并通过实例验证了所建模型对装配质量预测和装配过程偏差分析的有效性。然而现有的装配质量和精度控制的研究主要集中在零部件加工精度提高、改进加工和装配工艺方面，但是由于误差传递机理不清楚，产品公差设计和工艺设计都具有一定的盲目性，造成在全部零部件均满足设计要求的情况下，装配后产品质量却无法满足设计要求，装配成品率很低。因此为了揭示复杂产品设计制造全过程的装配精度分析机理，实现装配精度的预测和控制，本专利技术提出一种复杂精密机械产品的装配精度系统分析方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决复杂精密机械产品装配精度的预测和控制的问题，提出一种复杂精密机械产品的装配精度系统分析方法。该方法通过在产品的结构设计、公差设计、工艺设计和实际装配阶段进行的装配过程几何精度分析，分别从在不改变整体装配顺序情况下的关键工步的调整控制以及设计公差优化方面提高产品的装配精度。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。一种复杂精密机械产品的装配精度系统分析方法，包括以下步骤：步骤一、结构设计阶段，零部件各配合特征名义位姿的描述及装配精度模型的构建(S100)：在产品结构设计阶段，根据产品的结构和装配关系以及各零部件的名义尺寸，分别建立参考坐标系、配合坐标系，采用齐次变换矩阵描述两零件配合特征在参考坐标系下的名义位姿0F，多个相邻零件之间的配合特征间的坐标变换0T： F 0 = n f x n f y n f z p f x o f x o f y o f z p f y 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复杂精密机械产品的装配精度系统分析方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、结构设计阶段，零部件各配合特征名义位姿的描述及装配精度模型的构建：在产品结构设计阶段，根据产品的结构和装配关系以及各零部件的名义尺寸，分别建立参考坐标系、配合坐标系，采用齐次变换矩阵描述两零件配合特征在参考坐标系下的名义位姿0F，多个相邻零件之间的配合特征间的坐标变换0T：F0=nfxnfynfzpfxofxofyofzpfyafxafyafzpfz0001T0=ntxntyntzptxotxotyotzptyatxatyatzptz0001---(1)]]>复杂产品是一个多零件装配体，不同零件在装配过程中不断结合，最终零件关键特征描述是在经过一连串相邻零件装配的配合特征之间的齐次坐标逐步变换(假设为n个)求得；因此，描述装配体中关键特征的空间名义位姿的齐次坐标变换矩阵的表达式为：T0n0=T010·T120...Tn-1n0=Πi=1nTi-1i0---(2)]]>即为反映零部件空间位置关系的装配精度模型，其中，是描述最终零件关键特征n在参考坐标系下的名义位姿，是描述各配合特征在名义特征局部坐标系下的齐次坐标变换矩阵；步骤二、基于设计公差累积的装配精度模型构建(S200)：采用小位移旋量(Small displacement torsor，SDT)进行设计公差建模；小位移旋量分别采用三个微小平移矢量ε＝[u,v,w]T和三个微小旋转矢量ρ＝[α,β,γ]T表示，则小位移旋量为D＝[ε,ρ]；将小位移旋量转换为齐次变换矩阵T：T=1-γβuγ1-αv-βα1w0001---(3)]]>结合步骤一的名义位姿描述方法并采用齐次坐标逐步变换方法，将装配尺寸链中的配合表面偏差以齐次变换矩阵的形式嵌入装配路径坐标转换矩阵中，获得公差累积计算模型，即为精度模型；T0n=T01·T12...Tn-1n=Πi=1nTi-1i---(4)]]>其中，与为公差转换矩阵；步骤三、装配阶段的几何误差传递模型构建(S300)：装配阶段通过分析复杂产品多工位装配的特点，对于在一个装配工序的装配误差，采用拟合方法把所测量的加工表面数据拟合为相应表面，并利用步骤二的小位移旋量表示特征面加工误差，利用微分运动向量表示两表面的配合误差；采用齐次坐标变换与微分运动变换相结合的方法建立基于状态空间的多装配工序装配误差传递模型表示如下：X(i+1)＝A(i)X(i)+B(i)U(i)+W(i)  (5)式中：i为第i个装配零部件；X(i)∈Rn×1为第i个装配工序的状态向量，即装配累积误差；U(i)∈Rm×1为第i个零部件的输入向量，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；W(i)∈Rn×1为装配过程中的噪声，是零均值、白噪声信号；A∈Rn×n为状态转换矩阵，描述状态量本身对状态量变化的影响；B∈Rn×m为输入(控制)矩阵，描述输入量对状态量变化的影响；基于复杂机械产品装配全过程对上述最终零件关键特征模型进行展开，获得各零件的特征加工误差与配合误差对最终装配精度的影响关系，即：X(i+1)＝Jm1um1+Jm2um2+…+Jmiumi  (6)式中：i+1为最终装配零部件，Jmi为各配合误差对输出状态向量的控制矩阵，反映配合误差对状态向量变化的影响；采用公式(6)能够进行误差灵敏度分析，计算获得影响最终装配精度的灵敏度系数Δ′i，从而能够分析各误差因素对最终装配精度影响；在实际装配之前通过测量各装配零件的表面形貌，采用公式(6)预测产品最终装配精度；步骤四、实际装配过程中关键工序的精度测量、调整及控制(S400)：复杂产品实际装配过程中，调整是在装配完成的基础上进行的；首先对复杂机械产品装配过程进行分析，从测量的可能性、对最终的装配精度影响的方面，采用误差灵敏度分析以便确定关键测量调整工序；然后对关键测量调整工序的后续装配过程状态进行递归计算，如对零件i进行调节，则步骤三的误差传递模型变为：其中，为装配过程调整后微分运动矢量；在用公式(7)实现误差灵敏度分析和预测产品最终装配精度，当最终装配状态不满足设计精度要求时，需要进行反复调整，直到获得的最终装配精度达到当前条件下的最优值，若最优值满足设计的性能要求，则说明产品合格。...

【技术特征摘要】
1.一种复杂精密机械产品的装配精度系统分析方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、结构设计阶段，零部件各配合特征名义位姿的描述及装配精度模型的构建：在产品结构设计阶段，根据产品的结构和装配关系以及各零部件的名义尺寸，分别建立参考坐标系、配合坐标系，采用齐次变换矩阵描述两零件配合特征在参考坐标系下的名义位姿0F，多个相邻零件之间的配合特征间的坐标变换0T： F 0 = n f x n f y n f z p f x o f x o f y o f z p f y a f x a f y a f z p f z 0 0 0 1 T 0 = n t x n t y n t z p t x o t x o t y o t z p t y a t x a t y a t ...

【专利技术属性】
技术研发人员：阎艳，张体广，张发平，王戈，郭少伟，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11