一種空間尺寸鏈公差分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及尺寸鏈公差分析方法，屬于機械精度設(shè)計領(lǐng)域，尤其涉及一種支持大 重量大尺寸裝配體空間尺寸鏈公差分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，空間尺寸鏈公差分析方法主要可以分為：換面法、空間角度換算法、矢量矩 陣法。換面法就是將空間（三維）尺寸鏈轉(zhuǎn)化為平面（二維）尺寸鏈，再將平面尺寸鏈轉(zhuǎn) 化為線性（一維）尺寸鏈的計算方法。
[0003] 換面法計算思想比較簡單，但對于比較復(fù)雜的空間機構(gòu)，很難采用換面法來建立 尺寸鏈及尺寸鏈方程。
[0004] 空間角度換算法將各組成環(huán)向坐標軸投影，由尺寸鏈圖中各組成環(huán)在坐標系中的 位置求出該組成環(huán)與坐標軸的夾角并投影在軸上，根據(jù)軸上投影列出空間尺寸鏈方程，求 解封閉環(huán)。由于空間角度換算法對于每個尺寸有許多空間角度之間相互轉(zhuǎn)換，公式繁多，使 用起來不易、容易出錯。
[0005] 矢量矩陣法將尺寸用空間中一個矢量表示，空間尺寸鏈就是一組按順序相連的矢 量多邊形，將已知量和未知量視為兩組矢量，通過矩陣建立兩組矢量的關(guān)系，并求解矩陣得 到相應(yīng)結(jié)果。該方法對于在空間線性尺寸鏈的分析取得很好的計算結(jié)果和精度。然而，該 方法對于尺寸鏈中包含未知角度的非線性尺寸鏈情況，求解起來比較困難，精度計算不高， 不適宜使用。
[0006] 綜上，換面法、空間角度換算法、矢量矩陣法在空間尺寸鏈公差分析中的使用并非 十分成熟，而且忽略了重量較大產(chǎn)品的彈性變形，直接影響到了最終的結(jié)果，不具有普遍的 通用性，并且計算精度不高。此外，這三種方法不便于單獨使用計算機去實現(xiàn)對一般通用尺 寸鏈封閉環(huán)的計算。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種支持大重量大尺寸裝 配體空間尺寸鏈公差分析方法。
[0008] -種支持大重量大尺寸裝配的空間尺寸鏈公差分析方法，其特征在于考慮了大重 量大尺寸裝配體的自重和彈性，具體包括以下步驟：
[0009] (1)根據(jù)裝配體或零件圖確定基礎(chǔ)件和配對件；
[0010] (2)建立基礎(chǔ)件空間坐標系；
[0011] (3)根據(jù)裝配體或零件圖建立基礎(chǔ)件和配對件每個尺寸的基于六自由度的零件原 始尺寸矩陣集{1J和公差矩陣集{RJ ;
[0012] (4)若目的裝配精度未知，則轉(zhuǎn)入步驟（5);若目的裝配精度已知，則轉(zhuǎn)入步驟 (12)；
[0013] (5)將零件的公差矩陣集{RJ分類疊加到原始尺寸矩陣{1J上，建立零件變形尺 寸矩陣集{/f};
[0014] (6)根據(jù)步驟⑷中得到的零件變形尺寸矩陣集{ /,6 }對裝配體的所有零件進行三 維建模和預(yù)裝配；
[0015] (7)利用有限元分析技術(shù)分析步驟（6)中得到的裝配體的重力影響量或彈性變形 的物理量，并確定其影響概率矩陣P i和變量矩陣C i;
[0016] (8)確定零件的每個尺寸的變形后公差矩陣集{ K h
[0017] (9)根據(jù)裝配體中零件之間的相互關(guān)系、裝配體的零件結(jié)構(gòu)，將零件變形后公差矩 陣向基礎(chǔ)件空間坐標系的坐標平面投影，得到投影后的公差矩陣
【主權(quán)項】
1. 一種空間尺寸鏈公差分析方法，具體包括以下步驟： (1) 根據(jù)裝配體或零件圖確定基礎(chǔ)件和配對件； (2) 建立基礎(chǔ)件空間坐標系； (3) 根據(jù)裝配體或零件圖建立基礎(chǔ)件和配對件每個尺寸的基于六自由度的零件原始尺 寸矩陣集{1J和公差矩陣集{RJ ; ⑷若目的裝配精度未知，則轉(zhuǎn)入步驟（5);若目的裝配精度已知，則轉(zhuǎn)入步驟（12); (5) 將零件的公差矩陣集{RJ分類疊加到原始尺寸矩陣{1J上，建立零件變形尺寸矩 陣集U6}; (6) 根據(jù)步驟（4)中得到的零件變形尺寸矩陣集{/f}對裝配體的所有零件進行三維 建模和預(yù)裝配； (7) 利用有限元分析技術(shù)分析步驟(6)中得到的裝配體的重力影響量或彈性變形的物 理量，并確定其影響概率矩陣Pi和變量矩陣C i; (8) 確定零件的每個尺寸的變形后公差矩陣集丨R,: (9) 根據(jù)裝配體中零件之間的相互關(guān)系、裝配體的零件結(jié)構(gòu)，將零件變形后公差矩陣向 基礎(chǔ)件空間坐標系的坐標平面投影，得到投影后的公差矩陣胃、R丨胃、; (10) 根據(jù)步驟（9)中得到的投影后的公差矩陣確定裝配體各組成環(huán)公差矩陣； (11) 根據(jù)裝配體或零件圖確定裝配體封閉環(huán)，并求解裝配體封閉環(huán)，得到裝配體封閉 環(huán)矩陣CL，封閉環(huán)矩陣CL為裝配體最終的裝配精度； (12) 若裝配精度已知，根據(jù)裝配體或零件圖確定裝配封閉環(huán)，并根據(jù)步驟（3)中得到 的零件原始尺寸矩陣集{1J建立封閉環(huán)尺寸矩陣； (13) 建立封閉環(huán)公差矩陣； (14) 將封閉環(huán)公差矩陣疊加到封閉環(huán)尺寸矩陣上，得到封閉環(huán)矩陣CL' ； (15) 建立基礎(chǔ)件的尺寸矩陣集代}，其中，第j個基礎(chǔ)件的尺寸矩陣+CL'， 其中，h為步驟（3)中得到的第j個基礎(chǔ)件的原始尺寸矩陣； (16) 根據(jù)步驟（15)中得到的基礎(chǔ)件的尺寸矩陣集{/丨}和步驟（3)中得到的配對件的 原始尺寸矩陣集{1J反向建立裝配體三維模型； (17) 利用有限元分析技術(shù)分析得到裝配體的重量影響量或彈性變形的物理量，并確定 其變量矩陣q; (18) 根據(jù)裝配體零件的制造難易程度，對步驟（17)中得到的變量矩陣?進行平衡計 算或公差優(yōu)化，若裝配體零件的制造難易程度相近，采用平衡計算法確定裝配體各組成環(huán) 的公差矩陣，若裝配體零件的制造難易程度相差較遠，則采用公差優(yōu)化法確定裝配體各組 成環(huán)的公差矩陣。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟（3)中建立基礎(chǔ)件和配對件每 個尺寸的基于六自由度的零件原始尺寸矩陣I i和公差矩陣Ri的方法，具體為： 對于第i個尺寸，若該尺寸為長度尺寸，記LP = 1，并提取該尺寸與X、y、ζ軸的夾角 ^、|31、丫1;該尺寸在叉、5^軸的分量"!￡、1坊、14;該尺寸的上偏差在叉、5^軸的分量1'加、 riSy、riSZ;該尺寸的下偏差在x、y、z軸的分量 r iXX、riXy、riXZ，則零件原始尺寸矩陣Ii和公差 矩你 T? I 才1 1 A
若該尺寸為角度尺寸，記LP = 2,并提取該尺寸與x、y、z軸的夾角a P β P γ?;該尺寸 的上偏差在x、y、ζ軸的分量 ^is a、^is β Λ ^*is γ ;該尺寸的下偏差在χ、y、ζ軸的分量r ix α、rixy、 rixz，則零件原始尺寸矩陣Ii和公差矩陣R (式I. 2)，
若該尺寸為形位公差，記LP = 3,并提取該尺寸的上偏差在x、y、z軸的分量risa、risfi、 risY ;該尺寸的下偏差在x、y、z軸的分量r ixa、:rixy、rixz，則零件原始尺寸矩陣Ii和公差矩陣 氏為（式1. 3)，
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟（4)中建立零件變形尺寸矩陣 集U4 }的具體步驟為： a) 對公差進行分類；若公差為基孔制類型，記type = 1，若公差為基軸制類型，記type =2,若公差為中心距類型，記type = 3,其他，記type = 4 ; b) 判斷尺寸類型，若LP = 1，轉(zhuǎn)入c)，若LP = 2,轉(zhuǎn)入g)，若LP = 3,轉(zhuǎn)入h); c) 判斷type值，若type = 1，則零件第i個尺寸的變形尺寸矩陣/?為（式1. 4)，否則 轉(zhuǎn)入d);
d) 若type = 2,則零件第i個尺寸的變形尺寸矩陣/f為（式1. 5)，否則轉(zhuǎn)入e);
e) 若type = 3,則零件第i個尺寸的變形尺寸矩陣為（式1. 6)，否則轉(zhuǎn)入f);
f) 若type = 4,則零件第i個尺寸的變形尺寸矩陣0為（式I. 7);
g) 若LP = 2,零件第i個尺寸的變形尺寸矩陣/f為（式1.8)，否則轉(zhuǎn)入h);
h) 若LP = 3,零件第i個尺寸的變形尺寸矩陣為/f = /,。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟（7)中影響概率矩陣P i和變量 矩陣(^為：
式中a ^ β ^ γ &為第i個尺寸重力影響量或彈性變形的物理量與x、y、z軸的夾角； 1^、1_、1^為第1個尺寸重力影響量或彈性變形的物理量在1、7、2軸的分量；〇_、01^、 為第i個尺寸重力或彈性變形的影響概率與X、y、Z軸的夾角；I pic;x、lpic;y、Ipira為第i 個尺寸重力或彈性變形的影響概率在X、y、Z軸的分量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟（8)中零件的第i個尺寸的變 形后公差矩陣。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟（9)中得到的投影后的公差矩 陣R7W.、Ri分別為：
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟（17)中變量矩陣為：
式中α # β # γ μ為第j個尺寸重力影響量或彈性變形的物理量與x、y、z軸的夾角； 1_、i#y、為第j個尺寸重力影響量或彈性變形的物理量在χ、y、z軸的分量。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟（18)，若裝配體零件的制造難易 程度相近，采用平衡計算法，則各組成環(huán)的公差矩陣為：R i =。 η -1
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟（18)，若裝配體零件的制造難易 程度相差較遠，則采用公差優(yōu)化法確定各組成環(huán)的公差矩陣，具體步驟如下： a) 根據(jù)現(xiàn)有加工能力，對產(chǎn)品各零件加工難易程度進行分析，設(shè)加工難易程度因子為 Yil，最難加工取值為0. 1，最易加工取值為1，中間取值0. 1-1 ; b) 對欲分析產(chǎn)品各零件的基本尺寸進行歸類，設(shè)基本尺寸類別因子為Yi2，最大尺寸取 值為〇. 1，最小尺寸1，中間取值〇. 1-1 ; C)對欲分析產(chǎn)品各零件的材料變形能力進行歸類，設(shè)變形因子為Yi3，在組裝后的產(chǎn)品 中發(fā)生彈性變形的零件取值為取為0. 1，塑性變形取值為0. 5,不變形取值為1 ; d) 設(shè)每個組成環(huán)綜合因子為Yi,則 Yi= Y π · Yi2 · Yi3 e) 比較判斷Yi,首先查找Yi值最大的組成環(huán)尺寸，根據(jù)現(xiàn)有的加工能力下最高精度等 級進行公差賦值，并向三基準平面投影構(gòu)建公差矩陣R 1，比較公差矩陣R1與變量矩陣c丨中 各元素的大小，當(dāng)前者均小于后者，&即為綜合因子最大組成環(huán)尺寸的公差矩陣；此時： CU^q-Rl f) 比較判斷Yi,首先查找Yi值次大的組成環(huán)尺寸，重復(fù)步驟e)，直至完成所有的組成 環(huán)公差分配。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種支持大重量大尺寸裝配的空間尺寸鏈公差分析方法，其考慮了大重量大尺寸裝配體的自重和彈性，利用矩陣、三維建模和有限元分析，構(gòu)建三維空間尺寸鏈，全面考慮尺寸的空間改變以及裝配精度的動態(tài)補償；利用空間六個自由度原理建立矩陣，對空間尺寸鏈進行優(yōu)化分類和平衡計算，使大重量大尺寸的工程裝備尺寸公差設(shè)計更趨于合理，減小加工與安裝難度，節(jié)省人工成本。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104834790
【申請?zhí)枴緾N201510267926
【發(fā)明人】徐秀龍, 周金宇, 顧翔, 魏軍, 王思銘, 石磊, 雷衛(wèi)寧
【申請人】南通中遠船務(wù)工程有限公司, 江蘇理工學(xué)院
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年5月22日