基于实际配合状态雅可比旋量模型的装配偏差计算方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑实际配合状态雅可比旋量模型的装配偏差计算方法，通过获取参与装配的各零件的高精度点云数据；将直接参与装配的零件特征定义为装配特征，再获取装配特征的特征信息；分析装配体各零件的空间位置关系，将各零件的点云模型进行空间变换，建立点云装配模型；对装配特征的点云数据进行分割，将表示装配特征的点云提取出来；计算零件平面配合时的实际接触状态,生成平面接触偏差的小位移旋量；计算零件轴孔配合时的实际接触状态，生成轴孔接触偏差的小位移旋量；根据装配尺寸链生成各配合关系的雅可比矩阵；将实际接触状态带入到雅可比旋量模型中，计算装配体的装配偏差，从而提高了精密机械产品装配偏差预测精度。测精度。测精度。

【技术实现步骤摘要】
基于实际配合状态雅可比旋量模型的装配偏差计算方法


[0001]本专利技术属于机械装配
，特别涉及一种考虑实际配合状态雅可比旋量模型的装配偏差计算方法。

技术介绍

[0002]装配作为机械产品生产的最后一道环节，对产品质量起着至关重要的作用。随着现代机械工业对产品质量要求的不断提高，精密机械产品在实际装配过程中对零件本身的加工精度和装配操作的要求愈发严苛。单纯提高加工精度虽然会从一定层面上对装配质量起到一定积极作用，但是无限提高加工精度不仅会使生产成本飙升，也可能因为目前的加工条件不满足精度要求而无法实现。因此，提高装配质量需要从其他方面入手。
[0003]装配偏差是衡量装配质量好坏的重要指标，需要对于装配偏差进行全面合理的分析。装配偏差来源于零件的加工偏差和零件间的配合，目前，针对零件的加工偏差对装配偏差的影响主要采用三维公差分析方法，主流的三维公差方法主要有T
‑
Map方法(Tolerance
‑
Map Method)、直接线性方法(Direct linearization Method)、矩阵方法(Matrix Method)以及统一雅可比模型方法(Unified Jacobian
‑
Torsor Method)。其中部分模型在装配设计阶段已经有了较为成熟的应用，统一雅可比旋量模型因为其结合了旋量模型利于表示公差，以及雅可比矩阵利于传递公差的特点，尤其适合多零件和多公差的分析。但是，零件在装配过程中产生的接触是不确定的，是与零件配合表面的形貌特征关联的，依靠几何尺寸和公差信息建立起的雅可比旋量模型难以反映产品真实的装配偏差。
[0004]目前国内针对考虑零件配合面状态的装配偏差分析方法研究十分有限，尚无一套完整的基于表面形貌的装配偏差计算方法。

技术实现思路

[0005]针对现有装配偏差分析技术中较少考虑零件配合表面形貌的问题，本专利技术基于雅可比旋量方法，结合零件实际配合状态，构建了一种基于考虑实际配合状态雅可比旋量模型的装配偏差计算方法，从而解决传统雅可比旋量模型针对装配偏差分析得到的偏差结果不准确导致的偏差分析结果与实际装配结果不匹配的问题。实现了装配偏差的精准计算，有助于在装配之前对装配偏差进行估计，改变传统“测
‑
拆
‑
测
‑
装”的装调方式，从而提高装配效率。
[0006]本专利技术完整的技术方案包括：
[0007]一种基于考虑实际配合状态雅可比旋量模型的装配偏差计算方法，具体实现步骤如下：
[0008]步骤1：获取参与装配的各零件的高精度点云数据；具体为通过高精度激光扫描仪测量设备，获得参与装配的各零件的点云数据，得到各零件的点云模型。
[0009]步骤2：将直接参与装配的零件特征定义为装配特征，再获取装配特征的特征信息；
[0010]进一步的，装配特征包含构成特征轮廓的边界点，记作装配特征基准点；装配特征的特征信息包含装配特征在装配体模型所在坐标系中的位置和方向。
[0011]步骤3：分析装配体各零件的空间位置关系，将各零件的点云模型进行空间变换，建立点云装配模型；
[0012]进一步的，根据步骤2中定义的装配特征基准点，计算出两待装配零件点云模型到装配位置的变换矩阵，所述待装配零件点包括第一装配零件和第二装配零件，变换矩阵表达式如下：
[0013][0014][0015]公式(1)中，为第一装配零件沿其自身局部坐标系x,y,z轴到装配位置的旋转参数；为第二装配零件沿其自身局部坐标系x,y,z轴到装配位置的旋转参数；[x
1 y
1 z1]T
为第一装配零件沿其自身局部坐标系x,y,z轴到装配位置的平移参数；[x
2 y
2 z2]T
为第二装配零件沿其自身局部坐标系x,y,z轴到装配位置的平移参数；
[0016]步骤4：对装配特征的点云数据进行分割，将表示装配特征的点云提取出来；具体步骤如下：
[0017]步骤4.1：将待计算实际配合状态零件的点云数据通过如下矩阵来表示：
[0018][0019][0020]公式(2)中，P1为第一装配零件点云，P2为第二装配零件点云，P1和P2矩阵中的每一
行分别表示点云中一个点的x,y,z轴坐标值，k为第一装配零件点云中包含点的数量，l为第二装配零件点云中包含点的数量；
[0021]步骤4.2：在P1中任选3点，将其拟合成一个平面，其表达式为：
[0022]ax+by+cz+d＝0
ꢀꢀ
(3)
[0023]式中，a,b,c表示平面法向量的三个分量，表示平面垂直于法向量所指的方向，d表示平面到坐标系原点的有向距离。
[0024]计算第一装配零件点云P1中其余点到上式(3)所示平面的欧氏距离D；通过距离阈值D
T
来判断点是否为当前平面的内点，若D<D
T
，则计算点为平面的内点，若D>D
T
，则计算点为外点，判断过程如下式：
[0025][0026]设定迭代次数，重复上述过程，直到迭代终止，选取接触平面的内点，得到第一装配零件接触平面内点集合矩阵A中的每一行分别表示内点集合中一个点的x,y,z轴坐标值，m为第一装配零件接触平面内点集合中内点的个数；
[0027]步骤4.3：针对第二装配零件点云P2，采用与步骤4.2同样的方式计算得到第二装配零件接触平面内点集合n为第二装配零件接触平面内点的个数；
[0028]步骤4.4：针对轴孔配合的零件，采用与步骤4.2同样的方式提取出轴和孔上下端面的点云数据，得到轴上端面点云数据S
top
，轴下端面点云数据S
bottom
，孔上端面点云数据H
top
，孔下端面点云数据H
bottom
；
[0029]步骤5：计算零件平面配合时的实际接触状态,生成平面接触偏差的小位移旋量；具体步骤如下：
[0030]步骤5.1：根据每个区域中点的个数不超过5个的原则，对同一平面配合特征类型的点云数据进行等区域划分，计算每块区域中的代表点k
p
，代表点的计算公式如下：
[0031][0032][0033]k
p
.z＝max(abs(p1.z，p2.z，
…
p
c
.z))
ꢀꢀ
(5)
[0034]上述公式(5)中，k
p
.x，k
p
.y，k
p
.z为代表点k
p
的x、y、z轴坐标,l为区域的边长，a1为所在区域在x轴方向上从左往右数的个数，b1为所在区域在y轴方向上从下到上的个数，c为同一区域中点的个数；
[0035]i,j分别表述划分区域的行总数和列总数，将两个零件接触平面计算得到的代表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于考虑实际配合状态雅可比旋量模型的装配偏差计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取参与装配的各零件的高精度点云数据，得到各零件的点云模型；步骤2：将直接参与装配的零件特征定义为装配特征，再获取装配特征的特征信息；步骤3：分析装配体各零件的空间位置关系，将各零件的点云模型进行空间变换，建立点云装配模型；步骤4：对装配特征的点云数据进行分割，将表示装配特征的点云提取；步骤5：计算零件平面配合时的实际接触状态,生成平面接触偏差的小位移旋量；步骤6：计算零件轴孔配合时的实际接触状态，生成轴孔接触偏差的小位移旋量；步骤7：根据装配尺寸链生成各配合关系的雅可比矩阵；步骤8：将实际接触状态带入到雅可比旋量模型中，计算装配体的装配偏差。2.根据权利要求1所述的一种基于考虑实际配合状态雅可比旋量模型的装配偏差计算方法，其特征在于，所述步骤1的实现方法为：通过高精度激光扫描仪测量设备，获得参与装配各零件的点云数据。3.根据权利要求1所述的一种基于考虑实际配合状态雅可比旋量模型的装配偏差计算方法，其特征在于，所述步骤2中，装配特征的特征信息包含装配特征在装配体模型所在坐标系中的位置和方向；装配特征包含构成特征轮廓的边界点，记作装配特征基准点。4.根据权利要求1所述的一种基于考虑实际配合状态雅可比旋量模型的装配偏差计算方法，其特征在于，所述步骤3的具体为：根据步骤2中定义的装配特征基准点，计算出两待装配零件点云模型到装配位置的变换矩阵，所述待装配零件点包括第一装配零件和第二装配零件，变换矩阵表达式如下：换矩阵，所述待装配零件点包括第一装配零件和第二装配零件，变换矩阵表达式如下：上式中，为第一装配零件沿其自身局部坐标系x,y,z轴到装配位置的
旋转参数；为第二装配零件沿其自身局部坐标系x,y,z轴到装配位置的旋转参数；[x
1 y
1 z1]
T
为第一装配零件沿其自身局部坐标系x,y,z轴到装配位置的平移参数；[x
2 y
2 z2]
T
为第二装配零件沿其自身局部坐标系x,y,z轴到装配位置的平移参数。5.根据权利要求1所述的一种基于考虑实际配合状态雅可比旋量模型的装配偏差计算方法，其特征在于，所述步骤4的具体步骤如下：步骤4.1：将待计算实际配合状态零件的点云数据通过如下矩阵来表示：步骤4.1：将待计算实际配合状态零件的点云数据通过如下矩阵来表示：上式中，P1为第一装配零件点云，P2为第二装配零件点云，P1和P2矩阵中的每一行分别表示点云中一个点的x,y,z轴坐标值，k为第一装配零件点云中包含点的数量，l为第二装配零件点云中包含点的数量；步骤4.2：在P1中任选3点，将其拟合成一个平面，计算P1中其余点到所得到的平面的欧氏距离；通过距离阈值来判断点是否为当前平面的内点，得到第一装配零件接触平面内点集合；步骤4.3：针对第二装配零件点云P2，采用与步骤4.2同样的方式计算得到第二装配零件接触平面内点集合；步骤4.4：针对轴孔配合的零件，采用与步骤4.2同样的方式提取出轴和孔上下端面的点云数据，得到轴上端面点云数据S
top
，轴下端面点云数据S
bottom
，孔上端面点云数据H
top
，孔下端面点云数据H
bottom
。6.根据权利要求1所述的一种基于考虑实际配合状态雅可比旋量模型的装配偏差计算方法，其特征在于，所述步骤5的具体步骤如下：步骤5.1：对同一平面配合特征类型的点云数据进行等区域划分，计算每块区域中的代表点k
p
，并将两个零件接触平面计算得到的代表点分别置于第一接触平面代表点矩阵M
A
和第二接触平面代表点矩阵M
B
中；步骤5.2：根据步骤5.1中得到的第一接触平面代表点矩阵M
A
和第二接触平面代表点矩阵M
B
构建接触点计算的差分表面D和参考表面R，计算公式如下：
上式中，表示第一装配零件接触面的代表点，表示第一装配零件接触面的代表点，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亚醉，申皓东，赵罡，于勇，景喜双，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：