一种基于雅可比旋量模型的行星齿轮箱三维公差分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于雅可比旋量模型的行星齿轮箱三维公差分析方法，包括零件特征公差信息、装配体特征副信息和位姿信息的基础信息获取；通过蒙特卡洛仿真生成基于确定目标的路径特征偏差旋量；基于装配体特征副信息并采用狄克斯特拉算法获得偏差传递路径；并基于偏差传递路径，结合位姿信息生成雅克比矩阵；获取包括目标功能特征参数、路径公差敏感度和路径公差贡献度。本发明专利技术的有益效果是，通过基于机器人机构学原理，构建出基于雅可比矩阵的三维公差分析模型。特别适用于行星齿轮箱的三维公差分析，并可借助计算机技术形成计算机辅助设计软件，满足设计阶段反复修改装配结构和公差分配需求。差分配需求。差分配需求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于雅可比旋量模型的行星齿轮箱三维公差分析方法


[0001]本专利技术涉及行星齿轮箱累积误差分析技术，特别是一种基于雅可比旋量模型的行星齿轮箱三维公差分析方法。

技术介绍

[0002]大型行星齿轮箱在装配过程中各零件各装配面的偏差会通过装配接触累积，影响齿轮啮合处等关键功能部位的偏差。设计和制造时使用公差来控制偏差，实施公差分析可以在装配前预测偏差累积情况并分析各偏差的影响大小，从而调整公差分配。大型行星齿轮箱具有高刚度、多零件三维空间分布、多零件并联配合等特征，且其装配方式涉及到空间方向各异的平面贴合、圆柱面贴合、销孔装配、螺栓装配等。传统尺寸链只能分析零件尺寸的一、二维投影，所以依靠传统尺寸链公差分析无法有效表达装配体中各装配面的偏差对关键功能部位的影响，往往出现各零件公差检验合格但是装配完成后关键功能部位偏差过大的情况。
[0003]现有的公差分析方法是基于尺寸链方法的极值法和方根法。一二维尺寸链不能表达形位公差和间隙带来的零件转动影响，对于行星齿轮传动系统来说会忽略三维尺寸链上的部分偏差源，导致计算精度不够高，且无法有效溯源。国内目前有诚智鹏DCC公差分析软件和DTAS棣拓软件等一二维尺寸链分析软件，但没有三维偏差分析软件。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是针对现有公差分析手段不能满足行星齿轮箱三维公差的不足，提供一种基于雅可比旋量模型的行星齿轮箱三维公差分析方法，该方法基于机器人机构学的关节运动原理和位姿变换原理，用三平动三转动共六自由度的旋量来表征装配面偏差，用6
×
6雅可比矩阵来反映单位装配面偏差对目标关键功能部位偏差的影响。从而构建出包括公差表征旋量模型和公差传递雅可比矩阵的三维公差分析模型。特别适用于零件多，装配关系复杂，装配路径并联成网，导致偏差传递路径选取困难的行星齿轮箱的三维公差分析需求，并可借助计算机技术形成计算机辅助设计软件，满足设计阶段需要反复修改装配结构和公差分配方案设计阶段需求。
[0005]为实现前述目的，本专利技术采用如下技术方案。
[0006]一种基于雅可比旋量模型的行星齿轮箱三维公差分析方法，包括以下步骤：
[0007]S1，装配体基础信息获取：基于行星齿轮箱的装配体获取构成装配体的零件特征信息、公差信息、装配体特征副信息和位姿信息；以及基于所述装配体确定的目标功能特征副和目标功能特征偏差项目；
[0008]S2，生成路径偏差旋量和雅克比矩阵：利用零件特征公差信息，并通过蒙特卡洛仿真生成基于所述目标的，并能够用于计算路径公差贡献度的路径特征偏差旋量；基于装配体特征副信息和最短尺寸链原则构建装配体无向图，并采用狄克斯特拉算法获得基于所述目标的偏差传递路径；基于所述偏差传递路径，结合位姿信息生成基于所述目标的，并能够
用于计算路径公差敏感度的雅克比矩阵；
[0009]S3，目标参数获得：所述目标参数包括目标功能特征参数、路径公差敏感度和路径公差贡献度，三者中的一种或任意两种；或者全部三种；其中，所述目标功能特征参数为通过路径特征偏差旋量与雅克比矩阵乘积进行雅克比旋量模型矩阵计算，获得目标功能特征偏差旋量，并按设定的向量表征方式表征的目标功能参数；所述路径公差敏感度基于所述雅克比矩阵计算获得；所述路径公差贡献度基于所述路径特征偏差旋量计算获得。
[0010]采用前述技术方案的本专利技术，通过基于机器人机构学的关节运动原理和位姿变换原理，用三平动三转动共六自由度的旋量来表征装配面偏差，用6
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6雅可比矩阵来反映单位装配面偏差对目标关键功能部位偏差的影响。从而构建出包括公差表征旋量模型和公差传递雅可比矩阵的三维公差分析模型。特别适用于零件多，装配关系复杂，装配路径并联成网，导致偏差传递路径选取困难的行星齿轮箱的三维公差分析需求，并可借助计算机技术形成计算机辅助设计软件，满足设计阶段需要反复修改装配结构和公差分配方案需求。
[0011]优选的，所述零件特征公差信息包括零件、特征和公差是指棣属于设定零件的特征信息和公差信息；其中，特征是指标注公差信息的装配面；所述特征信息包括棣属于特征种类的特征几何参数，以及由特征位置和特征方向构成的位姿信息；所述特征种类分为圆柱面和平面；所述特征几何参数包括与圆柱面特征对应的圆柱母线长，与平面特征对应的平面最大长度和最大宽度；所述特征位置是指特征中心在装配体参考坐标中的坐标；其中，圆柱面特征的特征中心为圆柱面轴线中点；平面特征的特征中心为平面中心点；所述位姿信息采用4
×
4齐次坐标变换阵表达，包含特征副坐标相对基准坐标的3
×
3投影矩阵和3
×
1位置坐标，表达式如下：
[0012][0013]其中，
[0014][0015]式中：[C
1i
]，[C
2i
]，[C
3i
]是特征i坐标系三个坐标轴的单位方向向量在全局坐标系中的投影长度，dx
i
，dy
i
，dz
i
为特征i坐标系原点在全局坐标系中的坐标；
[0016]所述公差包括无基准的公差和有基准的公差；其中，无基准的公差包括标注于一个面的尺寸公差、形状公差；有基准的公差包括以零件上的至少一个特征为基准，标注于两个面的尺寸公差、方向公差、位置公差和跳动公差。
[0017]优选的，所述装配体特征副由内部副和装配副组成；所述内部副为同一零件的两个特征面，且形成内部副的条件为一特征面有以另一特征面为基准的公差；所述装配副为不同零件装配的两个特征面，且形成装配副的条件为两个特征面通过装配紧密接触。
[0018]进一步优选的，在同一零件的内部副中，若两个特征面之间没有含基准的公差，但有依靠机床精度保证的公差关系，则记为零公差的内部副。
[0019]进一步优选的，在构建的装配体无向图中，节点代表装配副的特征面，边代表同一
零件的内部副关系或装配副关系；其中，装配无向图按邻接矩阵表达，该邻接矩阵中以所有装配的特征面为行列标记，有在同一零件上的内部副关系或有形成一对装配副关系的在对应行列中标记为1，无关系则标记为0。
[0020]更进一步优选的，在装配关系中主要起限位作用的装配关系的点接触或相当于点接触的小面接触关系，则在矩阵中的对应位置标记高于1的数字，以表明该装配关系在最短尺寸链原则计算中路径长，占比弱。
[0021]更进一步优选的，在采用狄克斯特拉算法过程中，以装配无向图中一个节点为出发点，计算到另一个节点的最短路径，获得由一组特征表征的偏差传递路径，通过将偏差传递路径与装配体中的特征副信息相结合，获得偏差传递路径上的对应特征副。
[0022]优选的，在S2的路径特征偏差旋量的生成过程包括：
[0023]S21，搜索偏差传递路径上所有特征的公差，选择其中基准在路径特征上的含基准的公差以及其他无基准的公差；
[0024]S22，由零件特征公差信息确定每个公差的上下限；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于雅可比旋量模型的行星齿轮箱三维公差分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，装配体基础信息获取：基于行星齿轮箱的装配体获取构成装配体的零件特征信息、公差信息、装配体特征副信息和位姿信息；以及基于所述装配体确定的目标功能特征副和目标功能特征偏差项目；S2，生成路径偏差旋量和雅克比矩阵：利用零件特征公差信息，并通过蒙特卡洛仿真生成基于所述目标的，并能够用于计算路径公差贡献度的路径特征偏差旋量；基于装配体特征副信息和最短尺寸链原则构建装配体无向图，并采用狄克斯特拉算法获得基于所述目标的偏差传递路径；基于所述偏差传递路径，结合位姿信息生成基于所述目标的，并能够用于计算路径公差敏感度的雅克比矩阵；S3，目标参数获得：所述目标参数包括目标功能特征参数、路径公差敏感度和路径公差贡献度，三者中的一种或任意两种；或者全部三种；其中，所述目标功能特征参数为通过路径特征偏差旋量与雅克比矩阵乘积进行雅克比旋量模型矩阵计算，获得目标功能特征偏差旋量，并按设定的向量表征方式表征的目标功能参数；所述路径公差敏感度基于所述雅克比矩阵计算获得；所述路径公差贡献度基于所述路径特征偏差旋量计算获得。2.根据权利要求1所述的基于雅可比旋量模型的行星齿轮箱三维公差分析方法，其特征在于，所述零件特征公差信息包括零件、特征和公差是指棣属于设定零件的特征信息和公差信息；其中，特征是指标注公差信息的装配面；所述特征信息包括棣属于特征种类的特征几何参数，以及由特征位置和特征方向构成的位姿信息；所述特征种类分为圆柱面和平面；所述特征几何参数包括与圆柱面特征对应的圆柱母线长，与平面特征对应的平面最大长度和最大宽度；所述特征位置是指特征中心在装配体参考坐标中的坐标；其中，圆柱面特征的特征中心为圆柱面轴线中点；平面特征的特征中心为平面中心点；所述位姿信息采用4
×
4齐次坐标变换阵表达，包含特征副坐标相对基准坐标的3
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3投影矩阵和3
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1位置坐标，表达式如下：其中，式中：[C
1i
]，[C
2i
]，[C
3i
]是特征i坐标系三个坐标轴的单位方向向量在全局坐标系中的投影长度，dx
i
，dy
i
，dz
i
为特征i坐标系原点在全局坐标系中的坐标；所述公差包括无基准的公差和有基准的公差；其中，无基准的公差包括标注于一个面的尺寸公差、形状公差；有基准的公差包括以零件上的至少一个特征为基准，标注于两个面的尺寸公差、方向公差、位置公差和跳动公差。3.根据权利要求1所述的基于雅可比旋量模型的行星齿轮箱三维公差分析方法，其特征在于，所述装配体特征副由内部副和装配副组成；所述内部副为同一零件的两个特征面，且形成内部副的条件为一特征面有以另一特征面为基准的公差；所述装配副为不同零件装
配的两个特征面，且形成装配副的条件为两个特征面通过装配紧密接触。4.根据权利要求3所述的基于雅可比旋量模型的行星齿轮箱三维公差分析方法，其特征在于，在同一零件的内部副中，若两个特征面之间没有含基准的公差，但有依靠机床精度保证的公差关系，则记为零公差的内部副。5.根据权利要求3所述的基于雅可比旋量模型的行星齿轮箱三维公差分析方法，其特征在于，在构建的装配体无向图中，节点代表装配副的特征面，边代表同一零件的内部副关系或装配副关系；其中，装配无向图按邻接矩阵表达，该邻接矩阵中以所有装配的特征面为行列标记，有在同一零件上的内部副关系或有形成一对装配副关系的在对应行列中标记为1，无关系则标记为0。6.根据权利要求5所述的基于雅可比旋量模型的行星齿轮箱三维公差分析方法，其特征在于，在装配关系中主要起限位作用的装配关系的点接触或相当于点接触的小面接触关系，则在矩阵中的对应位置标记高于1的数字，以表明该装配关系在最短尺寸链原则计算中路径长，占比弱。7.根据权利要求5所述的基于雅可比旋量模型的行星齿轮箱三维公差分析方法，其特征在于，在采用狄克斯特拉算法过程中，以装配无向图中一个节点为出发点，计算到另一个节点的最短路径，获得由一组特征表征的偏差传递路径，通过将偏差传递路径与装配体中的特征副信息相结合，获得偏差传递路径上的对应特征副。8.根据权利要求1所述的基于雅可比旋量模型的行星齿轮箱三维公差分析方法，其特征在于，在S2的路径特征偏差旋量的生成过程包括：S21，搜索偏差传递路径上所有特征的公差，选择其中基准在路径特征上的含基...

【专利技术属性】
技术研发人员：冉贞德，程向东，赵俊渝，张立欣，靳静力，王达超，张显银，
申请(专利权)人：重庆齿轮箱有限责任公司，
类型：发明
国别省市：