（机械制造及其自动化专业论文）基于新一代gps标准体系的功能公差规范设计研究.pdf

浙江大学硕上学位论文摘要 摘要 公差规范设计在整个公差设计过程中占有非常重要的地位，它直接关系到零件 公差与零件功能的匹配程度。随着新一代产品几何技术规范( g e o m e t r i c a lp r o d u c t s p e c i f i c a t i o r t , g p s ) 标准体系的推出，如何在新的标准体系下进行公差建模，如何 建立零件功能与零件特征之间的关系，建立公差与功能之间的关系，是研究功能公 差的重要内容。本文结合国家自然科学基金“基于新一代g p s 标准体系的计算机 辅助功能公差设计理论与方法( 5 0 7 7 5 2 0 4 尸和浙江省自然科学基金项目“新一代 产品几何技术规范标准实施支撑平台及其关键技术研究”( z 1 0 7 3 3 4 ) ，针对功能公 差中的相关理论与应用技术，进行了基于新一代g p s b 标准体系的功能公差规范设 计的研究，并开发了相应的原型系统。 1 、综述新一代g p s 标准体系的发展历史及其研究现状，探讨公差建模理论和 计算机辅助功能公差的研究现状，分析课题的研究背景，结合国家自然科学基金项 目和浙江省自然科学基金项目提出本文的研究内容和总体框架。 2 、分析了新一代g p s 中特征、几何约束等相关定义，讨论t t r s 功能表面的 分类，分析了产品的几何构成；由点的空间运动解析入手，给出基本表面对应的变 动约束矩阵；探讨了基于特征的公差表示模型。 3 、基于新一代g p s 恒定类的定义研究装配定位节点的分类及其优先次序的确 定原则；对现有装配有向图进行改进，增加装配定位约束表达信息；探讨几何功能 需求的表达与分解方法。 4 、引入配合树、基准参考框架的概念，基于改进装配有向图研究了零件零件之 间分界面的公差规范设计方法，探讨了几何功能需求几何规范设计的功能公差设 计过程和方法；给出了装配体实例及功能公差规范设计结果。 5 、在前几章的理论和方法的基础上，以s o l i d w o r k s 2 0 0 5 为平台，以v i s u a l 浙江大学硕士学位论文摘要 c 斗一h 6 0 为开发工具，开发了基于新一代g p s 的功能公差规范的原型系统，系统包 含装配定位识别与功能公差规范两个模块；应用实例分析阐述了原型系统的主要模 块和功能。 6 、回顾与总结全文的主要研究内容，归纳了本文的主要研究成果，并对今后 的工作进行了展望。 关键词：功能公差、g p s 标准体系、装配定位约束、装配有向图、几何功能需 求、公差规范设计、计算机辅助公差设计 浙江大学硕上学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t o nt h eb a s i so fc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sf o rr e c e n tr e s e a r c hs t a t u so fc o m p u t e r - a i d e d t o l e r a n c i n gb o t hi na n do u to fc h i n a , b i n d i n gs t a t en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( “r e s e a r c ho nc o m p u t e ra i d e df u n c t i o n a lt o l e r a n c i n gd e s i g nt h e o r e t i ca n dm e t h o d s b a s e do ng e o m e t r i c a lp r o d u c ts p e c i f i c a t i o n ”，n o 5 0 7 7 5 2 0 4 ) ，( “r e s e a r c ho nt o l e r a n c e m o d e l i n gb a s e do ng e o m e t r i c a lp r o d u c ts p e c i f i c a t i o n ”，n o 5 0 5 0 5 0 4 6 ) ，f u n c t i o n a l t o l e r a n c i n gd e s i g nb a s e do i lg e o m e t r i c a lp r o d u c ts p e c i f i c a t i o ni ss t u d i e d i nc h a p t e r1 ，t h es t a t eo fa r to nt h eg e o m e t r i c a lp r o d u c ts p e c i f i c a t i o n , t o l e r a n c e m o d e l i n gt h e o r i e sa n dc o m p u t e r - a i d e df u n c t i o n a lt o l e r a n c ea l es t u n m a r i z e d t h em a i n c o n t e n t s ，g e n e r a ls t r u c t u r es c h e m eo ft h i sd i s s e r t a t i o na l eg i v e n i nc h a p t e r2 ，t h ec o n c e p t so ff e a t u r e ，c o n s t r a i n ta r ei n t r o d u c e d t h eg e o m e t r i c c o n s t i t u t i o no fp r o d u c tb a s e do nt h es e v e nb a s i ci n v a r i a n c ec l a s s e si sa n a l y z e d t h e t o l e r a n c em a t h e m a t i c a lm o d e l i n gm e t h o db a s e do ng p si ss t u d i e d t h ev a r i a t i o n a l g e o m e t r i cc o n s t r a i n tm a t r i xa n dt h es d ts c r e wm a t r i xa r eg i v e n f e a t u r e - b a s e d t o l e r a n c er e p r e s e n t a t i o nm o d e li sg i v e n i nc h a p t e r3 ，t h ec l a s s i f i c a t i o no ft h ea s s e m b l yo r i e n t a t i o nn o d ea n dt h ep r i n c i p l et o d e t e r m i n et h es e q u e n c eo ft h e s en o d e sa r es t u d i e d i m p r o v i n ga s s e m b l yo r i e n t e dg r a p hi s p u tf o r w a r db ya d d i n gt h ei n f o r m a t i o no f t h ea s s e m b l ya l l o c a t i o nc o n s t r a i n t s t h em e t h o d o fe x p r e s s i o na n dd e c o m p o s i t i o nf o rg e o m e t r i c a lf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n ti sp r o p o s e d ； i nc h a p t e r4 ，t h ec o n c e p t so fm a t et r e ea n dd a t u mr e f e r e n c ef r a m ea r ei n t r o d u c e d ； t o l e r a n c es p e c i f i c a t i o nd e s i g nm e t h o dw h i c hi su s e dt od e f i n et h ei n t e r f a c e sb e t w e e n p a r t s i ss t u d i e d t h ef u n c t i o n a lt o l e r a n c es p e c i f i c a t i o nd e s i g np r o c e s sa n dt h em e t h o db e t w e e n g e o m e t r i c a l f u n c t i o n a l r e q m r e m e n t a n d g e o m e t r i c a ls p e c i f i c a t i o nd e s i g n a r e d i s s c u s s e d a tl a s t ，t w oe x a m p l e sa r ep r o v i d e dt ov a l i d a t et h em e t h o d ； i nc h a p t e r5 ，at o l e r a n c es p e c i f i c a t i o nd e s i g ns y s t e mi sd e v e l o p e da n di n t e g r a t e d i n t os o l i d w o r k s 2 0 0 5 a na p p l i c a t i o ni sg i v e nt oi l l u s t r a t et h ef u n c t i o n so f t h es o f t w a r e ； i nc h a p t e r6 ，t h ec o n c l u s i o n so ft h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da n df u t u r er e s e a r c h o ff u n c t i o n a lt o l e r a n c es p e c i f i c a t i o nd e s i g nb a s e do nt h en e wg e n e r a t i o no fg p si s p r o s p e c t e d k e y w o r d s ：f u n c t i o n a lt o l e r a n c e ，g e o m e t r i c a l p r o d u c t s p e c i f i c a t i o n ( g p s ) ， t v 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l l o c a t i o nc o n s t r a i n t , a s s e m b l yo r i e n t e dg r a p h , g e o m e t r i c a lf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t , t o l e r a n c es p e c i f i c a t i o nd e s i g n , c o m p u t e r - a i d e dt o l e r a n c i n g v - 拳县 1 。了2 0 6 0 8 0 7 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸江盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者繇童莠 签扣期：w 年y 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸姿盘茔有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲专隽 签字日期：山笤年 l 产 方位特征i 位置 | i 圆跳动 | 全跳动 。 l 基准 l 轮廓粗糙度7 轮廓波纹度 7 刊表面特征 原始轮廓 表面轮廓 棱边 图1 - 3 g p s 标准体系矩阵 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 3 计算机辅助功能公差研究与发展 p a u l 和b e i t e z l 2 0 11 9 8 4 年在( ( e n g i n e e r i n g d e s i g n ) ) 一书中提出概念设计是指出 “在明确任务后，经过抽象化，拟定功能结构，寻找适当的作用原理及其组合，确 定出基本的求解路径，得出求解方案”。作为产品设计过程关键环节的概念设计中， 根据产品生命周期的各个阶段的要求，进行产品功能重造、功能分解以及功能和子 功能的结构设计；c l e m e n t t z l 】等提出的t y r s 理论将零件的功能表面分成7 种类基 本类型，这7 类基本功能表面相互连接形成t i r s ，每一个功能表面由其m g d e ( 最 小集合基准要素) 唯一确定；美国学者s r i n i v a s a n 2 2 提出了基于分形的公差理论， 以分型理论和多分辨分析为数学工具，在公差的科学分配、加工过程选择方面做出 了有益的尝试；m a r o s e n m a n 2 3 1 通过对功能、行为和结构的标准定义及功能的分 解，将设计过程转化为语义与句法的转换过程，从而使每一阶段的设计过程都能用 准确的数学公式表达，便于计算机处理和应用；a m a r e s hc h a k r a b a r t i l 2 4 1 给出了功能 推理模型；j o h n s o n 【2 5 1 给出了功能推理过程中功能的表示方法；l e e 幽将进化思想引 入到c a d 系统中，通过“元体”的概念表达出设计参数、功能和行为等信息，对 关联信息之间的通讯设计做出了有益尝试。 国内方面，李洪杰1 2 7 等通过产品功能的分层表达，构造需求功能矩阵，提出了 基于功能构造的产品进化设计基因模型；黄克j 三 2 8 - 2 9 及其领导的团队成功建立了适 用于计算机的分解重构原理，首创了基于功能表面分解重构的产品结构创成自动化 技术，利用功能表面集对应需求功能基因解决了功能一结构的映射问题，在基于功 能表面分解重构的生长型设计研究方面取得了一些成就；胡洁【3 0 3 1 1 通过分析功能 表面及其联系与形位公差之间的关系，给出了面向功能的计算机辅助形位公差类型 的确定和自动生成方案，以及基于配合树给出了面向功能的三维装配功能公差链的 自动生成方法；赵丽萍【3 2 】等以箱体特征模型为对象，进行了基于功能特征的零件建 模技术方面的研究；胡庆夕【3 3 】应用模糊理论的思想，描述了零件功能与零件特征、 6 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 零件特征与特征的加工方法、特征的加工方法与设备资源之间的映射关系。此外还 有很多专家和学者进行了功能公差设计、零件建模技术方面的研究，目前国内对功 能公差的研究也越来越重视。 1 4 公差信息建模的研究与发展 公差信息建模首先要有一个数学模型，其次是表示模型。公差数学模型是对公 差语义的数学描述，公差表示模型是指对数学模型在计算机中建立相应的表示方 式，即以一定数据结构的形式存在。 1 4 1 公差数学模型 1 9 8 3 年r e q u i c h a p l 针对几何造型的需求，以变动簇为基础，提出了实体漂移 法实体漂移法实质上是一种保持实体外形不变的拓扑变换，漂移形成的漂移带即 为公差带，实际特征位于公差带内则认为合格。通过漂移可定义相应的尺寸及形状、 位置公差带，它成为计算机公差建模的理论基础。在漂移理论基础上，j 掣a m m l 和s r h d v a s a l l 5 s , 5 9 从功能要求的角度，提出了边界概念。用边界代替公差带，提出 了虚拟边界要求( v i r t u a lb o u n d a r yr e a u i r e m e n t s ，v b r s ) 和条件公差( c o n d i t i o n a l t o l e r a n c e ，c t s ) 。v b r s 要求实际零件必须满足在装配要求和材料量要求这两个 虚拟边界之内。通过c t s 来实现v b r s 计算形式的转化。但v b r s 和漂移公差带模 型所确定的公差带偏严，与公差标准有较大的偏差，且处理公差类型有限。e t e n s m i 【3 5 1 将r e q u i c h a 的模型形式化，使用公差规范语言( t o l e r a n c es p e c i f i c a t i o nl a n g u a g e ， t s l ) 来描述公差。张文祖【5 3 】等提出用点集定义零件形状、表面特征，并引入构造 关系和构造图来得到零件的尺寸和公差元素集。 h i l l y a r d 与b r a i d l 3 6 】最早提出参数化法与图形参数化设计中的变动几何法密切 相关，之后l i g h t 、l i i l 和g o s s a r d 3 7 - 3 8 】等人对此进行了扩展。他们把几何实体视为 一个参数化的物理框架，初始时框架处于自由状态，点和边分别对应框架的节点和 连杆，尺寸信息是一些使框架受到约束从而得到固定的固件。公差信息则是尺寸信 息所允许的微小变动，即将各种几何约束转化为以特征点坐标为变量的非线性方程 组，这样可以通过参数矢量的位移矢量来表示出尺寸公差的大小参数化方法能较 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 好地表示尺寸公差信息，但无法处理形位公差。 h o 胁a i l 【3 9 】在三维欧氏空间中发展了一种公差模型，将几何图形视为由一些点 矢量组成，公差被看作是一系列的以点矢量为参数的公差函数。用以下不等式来表 示公差： l g ) u 其中：x 为变量参数；厂为公差函数；l 、u 为公差函数的上、下界。t u r n e r 和w r 0 删4 0 】使上述思想进一步正规化，在变动实体造型的基础上给出基于公差可行 域的公差模型。 在此理论的基础上，c l e m e n t 【4 1 1 开展了基于要素的自由度分析，将空间表面分 为7 类，采用t o r s o r 的方法给出了公差描述理论。 a s m e 于1 9 9 4 年颁布的尺寸和公差数学定义的新标准 7 2 1 对公差的解释具有唯 一性，非常适合公差信息在计算机中的建模与表示，受到了学术界和企业界的广泛 关注。 z h a n g t 4 2 】提出了基于自由度的公差数学模型，认为公差建模的关键是要能对满 足公差的要素变动做出正确的解释，即带公差的要素是如何在公差域中变动，表示 出公差信息的语义。要素的变动总是有一定规律可循的，它只能沿要素自由度的方 向变动，而这里变动的区域仍然是由漂移而来。r o y 【4 3 州等人提出基于数学定义的 尺寸公差、形状公差、定向公差和定位公差的数学模型，在公差分析的应用上有了 新的开拓。d a v i d s o n l 4 5 1 等人深入研究了公差域边界及位于公差域内的变动要素关 系，提出了t - m a p 的概念。 国内方面，刘玉生【5 4 1 深入研究了基于数学定义的公差建模与表示方法，提出了 基于数学定义和自由度的公差信息建模方法。在该模型中以自由度变动为模型变 量，由公差的数学定义导出基于自由度变动的公差域边界表示和变动后要素表示统 一的方法。胡洁【5 5 1 研究了变动几何约束网络理论，基于此理论研究了计算机辅助形 位公差类型的生成和形位公差大小的最优分配。蔡敏【1o 】以圆柱要素为研究对象对公 差的数学建模与分析技术进行了研究。陈善勇等【5 6 1 结合李子群代数方法，系统地研 究了多特征的位形空间理论，给出了定向公差约束子流形的局部参数显式表达。此 外还有很多国内外专家学者开展了大量有关公差数学模型的研究工作。 浙江大学硕士学位论文1 绪论 1 4 2 公差表示模型 公差的表示模型是公差分析、综合等后续工作的基础，也是整个产品信息建模 的基础。按其与实体造型系统的关系，公差表示模型可分为依赖于实体模型的表示 模型，即基于c s g 、基于b r e p 及基于c s g b p e p 混合模型等；与独立于实体模 型内的表示模型，即基于t t r s 、基于公差元及基于特征等。 1 、基于b r e p 的方法。基于b r c p 的公差表示模型把实体造型系统视为一个高 层的虚拟模型，软件系统提供一种接口，通过这个接口将公差的表示模型与实体模 型连接起来。如j o l l n s o n m 等人提出的在基于b r c p 的c a m i 系统中讨论了在实 体模型中附加公差信息的问题。 2 、基于c s g 的方法。基于c s g 的公差表示模型是r e q u i c h a 4 7 1 等a 在基于c s g 的造型系统在p a d l 1 和p a d l 2 中发展了一种表示模型，他们使用了v g r a p h 的 数据结构，把公差作为物体特征的属性，用v g r a p h 把这些信息表示出来，v g r a p h 的属性定义可以在c s g 树的生成过程中交互形成，它们定义在基本的面元( n f a c e ) 上，通过n f a c 圮把v g r a p h 与实体模型联系起来。 3 、基于c s g b r e p 的方法，基于c s g b r e p 的公差表示模型是r o y 和l i u t 4 8 - 4 9 1 分析了c s g 和b r e p 造型方式的特点后提出的，它在基于特征造型的系统中讨论 了公差信息的表示问题，使用了层次结构来组织特征。在构造实体的过程中可同时 加入描述信息如公差信息等，c s g 树中节点可以是体素和特征，集合操作可以在层 次结构的任一层进行。b r e p 的描述使用邻面图( f a g ) 来表达，面作为定义物体 的实体，面- 边的关系作为体元之间的基本关系，c s g 与b r e p 结合是通过层次邻 面图来实现，特征添加针对其它特征的尺寸公差等都是在同一层次上或针对同一 预定义的基准框架，公差信息是通过“查询面表”( r e f e r e n c ef a c el i s t ，r f l ) 附 在实体模型之上。 4 、表示元( r e p r e s e n t a t i o n a lp r i m i t i v e ) 和公差元( t o l e r a n c ep r i m i t i v e ) 。表示 元是g u i l f o r d l 7 8 】在变动几何造型系统g e o s 中提出的，在该模型中表示元及公差的 所有信息均是以类的形式定义，通过定义类方法引用这些属性并将公差添加于 c a d 系统中，定义少量的表示元及其组合来表达标准中绝大部分类型的公差，但 还不能完全地表达标准中所有的公差信息。基于条件公差的公差元是w i l l h e l m i 5 0 】 提出的表示元与公差元都是面向对象的概念，适合并行工程下的特征造型系统， 浙江大学硕士学位论文1 绪论 表示元侧重于公差表示，公差元侧重于公差设计。 5 、v g ( v a r i a t i o h a lg e o m e t r u ) 法。v g 法主要是由n 衄e r 和w 6 n z y 【5 l 】发展的， 它通过扩大实体模型的数据结构来进行公差表示。 6 、基于t t r s ( t o p o l o g i c a l l ya n dt e c h n o l o g i c a l l yr e l a t e ds u r f a c e ) 的方法。基 于t t r s 的公差信息表示方法是d e s c r o c h e 一7 7 】在c l e m e n t 的t t r s 理论的基础上提 出的，首先从c a d 系统中提取必需的信息，将零件的各表面以二又树的形式组织， 形成零件的t i r s 二叉树结构，接着构造此t t r s 的最小几何基准元( m i n i m u m g e o m e t r i cd a t u me l e m e n t ，m g d e ) ，根据m g d e 及其相互间的关系，可以确定出 公差类型，公差信息添加在m g d e 上。 7 、基于特征的方法。刘玉生【8 1 考虑到公差信息具有很强的工程语义提出了基 于特征的层次式公差信息表示模型是而提出的。在该模型中，首先对c a d 系统中 零件信息进行拓扑意义上的特征识别和几何意义上的分类与组合，将零件的信息以 特征的形式组织，然后借用t t r s 的概念，构造基于特征的t t r s ，即f t i r s ( f e a t u r e b a s e dt t r s 。f t t r s ) 。模型分为具有密切联系的三层：基于特征的拓扑 与技术相联表面层；最小特征基准元层；约束元层，从而形成层次式的公差表示模 型。张开富等【5 2 】提出了一种基于关键特征和图的零件公差表示方法，将尺寸公差、 形位公差进行统一的图模型描述，有利于公差的计算机表示和误差累计分析与公差 分析。 1 5 本文研究内容及总体框架 1 5 1 课题的提出 公差是联系设计与制造的纽带，公差设计的一般规律是随着结构的自顶向下不 断进化的。可以将装配体看作是由几个子装配体组成，每个子装配体又是由若干个 零件按照一定的装配关系连接而成的，而零件又可以分解为若干个功能表面。因此， 公差设计时，可以将整个产品约束分解为部件约束，再分解为单个零件特征的公差， 最后分解为各个功能表面及其之间的公差。 传统的产品设计及图样表达虽然考虑了功能要求与公差值大小之间的关系，通 1 0 浙江大学硕上学位论文 l 绪论 过分配不同的公差带将实际加工表面限制在一个理想区域内，并没有建立公差带与 使用性能之间的直接关系；传统的公差设计中没有强调零件功能与零件特征的关 系，只是注重纯几何分解造型和纯几何面的相关关系，因此，零件的几何设计和工 艺设计等在满足零件功能要求的前提下不能进行交叉设计；随着现代机械制造技术 的不断发展，加工方式的多样化日益显著，传统公差理论提出的公差带限制由于缺 少与加工方式的密切联系，必须依赖于技术人员的经验来选择加工方式。不同的加 工方式对加工产品的外部特征、内部特性都造成很大差别，影响产品的使用性能。 功能公差侧重于保证产品性能的实现，通过面向功能的公差一一功能公差的研 究，可建立起公差与性能之间的直接联系，强调零件功能与零件特征的关系，为加 工方式的科学选择提供依据。 随着新一代g p s 标准体系的制定推出，如何在新的标准体系下进行公差建模 的研究，如何建立零件功能与零件特征之间的关系，建立公差与功能之间的直接关 系，是研究功能公差的重要任务。本文结合国家自然科学基金“基于新一代g p s 标准体系的计算机辅助功能公差设计理论与方法( 5 0 7 7 5 2 0 4 广和浙江省自然科学 基金项目“新一代产品几何技术规范标准实施支撑平台及其关键技术研究” ( z 1 0 7 3 3 4 ) ，针对功能公差中的相关理论与应用技术，进行基于新一代g p s 标准 体系的功能公差规范设计的研究。 1 5 2 本文研究内容 本论文主要研究内容是在新一代g p s 标准体系下，针对功能公差中的相关理 论与应用技术，探讨零件的装配定位约束与几何功能需求的表达方法，并在此基础 上研究零件零件之间分界面的公差规范设计方法，给出几何功能需求几何规范设 计的功能公差设计过程及方法。论文的主要研究内容如下： 1 、综述了新一代g p s 标准体系的发展历史及其研究现状，探讨了公差建模理 浙江大学硕士学位论文1 绪论 论和计算机辅助功能公差的研究现状，分析了课题的研究背景，结合国家自然科学 基金项目提出了本文的研究内容和总体框架； 2 ，分析了新一代g p s 中特征、几何约束等相关定义，讨论t i r s 功能表面的 分类，分析了产品的几何构成；探讨基于新一代g p s 的公差建模的基本理论，由 点的空间运动解析入手，给出基本表面对应的变动约束矩阵和s d t 旋量矩阵；探 讨基于特征的公差表示模型； 3 ，基于新一代g p s 恒定类的定义研究装配定位节点的分类及其优先次序的确 定原则；对现有装配有向图进行改进，增加装配定位约束表达信息，提出改进的装 配有向图；研究几何功能需求的表达与分解方法； 4 、引入配合树、基准参考框架的概念，基于改进装配有向图研究了零件零件 之间分界面的公差规范设计方法，探讨了几何功能需求几何规范设计的功能公差 设计过程和方法；并进行了装配体实例验证工作； 5 、在前几章的理论和方法的基础上，以s o l i d w o r k s 2 0 0 5 为平台，以v i s u a l c 斗_ 吒0 为开发工具，开发了基于新一代g p s 的功能公差规范的原型系统，系统包 含装配定位识别与功能公差规范两个模块； 6 、对基于新一代g p s 标准体系的功能公差规范设计的研究工作进行了总结， 并对今后的工作进行了展望。 1 5 3 全文总体框架 全文总体框架如图1 - 4 所示。 浙江大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 七 2 基于新一代g p s 标准体系的公差表示 ，一 飞7 、 3 装配定位约束与几何功能表达 j | l 4 功能公差规范设计方法研究 ， ， 弋夕 5 原型系统开发 6 总结与展望 1 6 本章小结 图1 4 论文总体框架 ( 1 ) 介绍了新一代g p s 标准体系的研究现状与体系结构。 ( 2 ) 概述了计算机辅助功能公差的研究及发展现状。 ( 3 ) 综述了公差信息模型的研究现状。 ( 4 ) 提出了本文的主要研究内容及全文的总体框架。 浙江大学硕士学位论文 2 基于新代g p s 的公差表示 2 基于新一代g p s 的公差表示 内容摘要 引入了新一代g p s 中特征、几何约束等相关定义，讨论了t i r s 功能表面的 分类，分析了产品的几何构成；探讨了基于新一代g p s 的s d t 建模的基本理论， 由点的空间运动解析入手，分析了基本表面对应的变动约束矩阵和s d t 旋量矩阵； 探讨了基于特征的公差表示模型 2 1 引言 在产品几何技术规范( g p s ) 语言中，特征及其分类扮演着重要的角色。特征 的定义避免了“零件”定义的容易混淆，作为底层的几何元素与零部件之间的桥梁， 体现了面向功能的形状、位置信息，更有利于公差设计的发展。 在现有的基于特征的c a d 系统中，公差信息仅仅是一种点缀与符号，并不具 有工程语义。要实现公差信息在计算机中有效、合理的表示，就必须建立合理的公 差表示模型，将公差信息按工程语义集成于c a d 系统中。 本章首先介绍了新一代g p s 标准体系与公差表示密切相关的产品几何描述的 相关概念，分析了产品、零件、功能表面之间的关系，用变动几何约束的概念将特 征与公差联系起来；针对实现公差信息在计算机中有效、合理的表达，探讨了基于 特征的公差表示模型结构。 2 2 基于新一代g p s 的产品几何信息构成分析 产品几何技术规范是一套有关产品几何量技术参数的标准体系，它贯穿一切几 何产品( 有尺寸大小和形状的所有产品，包括高新技术产品，航空航天产品、检测 仪器、机电产品、生物工程产品等) 从研究、设计、开发、制造，验收、使用等全 浙江大学硕士学位论文2 基于新一代g p s 的公差表示 过程，也是工程领域必须依据的规范。这一标准体系与现代技术相结合，是对传统 公差设计和控制思想的一次革命性的大变革。 2 2 1 基于新一代g p s 的产品几何信息构成 从工程制造的角度来看，零件是制造的基本单元，产品可以递归地定义为零件 问的装配。但是，从几何公差角度来看，“零件”这个概念很难定义，容易造成混 乱，不适合作为产品递归定义的最底层。因此，g p s 引入特征的概念来定义零件： 零件以特征为边界，特征之间由几何约束唯一确定。 g p s 中特征是指构成零件几何形状的点、线、面等最基本的几何单元。从几何 角度来看，点是最小实体，其次是线，然后是面。但从产品功能角度来看，点、线 的功能概念非常模糊，表面则能表达零件之间的定位、加紧、传动、阻挡、密封等 功能，并具有明确的几何意义、规范的数学表达式。因此，可以把零件看作是由若 干功能表面组合而成。 根据新一代g p s 关于i 匣定类的定义，零件的功能表面被划分为7 种恒定类。 每一类恒定类表面由其最小几何基准要素( m i n i m u mg e o m e t r i cd a t u me l e m e n t ， m g d e ) ( 参考点、参考直线或参考平面的能定位相应表面的集合) 来标识。 图2 1 表示了装配体、零件、功能表面之间的关系。一个装配体可以分解为若 干零件，零件可以进一步分解为若干功能表面，它们之间的联系形成几何约束； t r r s 理论将表面分为七类：球面类、圆柱面类、平面类、螺旋面类、旋转面类、 棱柱面类和任意表面；每一类表面由其m g d e 唯一确定，并由其m g d e 来实现表 面在欧氏几何空间的定位。功能表面的m g d e 实际上就是由足够确定相应表面不 变的点、线、平面的最小几何。 浙江大学硕十学位论文 2 基于新一代g p s 的公差表示 装配层零件层 l 恒定类基本图形 m g d e 。：= ：0 一) ： c s o 球心 。：l 一7 二； c c囝轴线 广一 口 陟”r c p口 平面 l l c i i 瓣 轴线及螺旋 1 r 面卜的点 i 螺旋轴及螺 么二 l i c r 司一旋面上点 r ；功能表面层 i c r四线、面 i 。 i c x d 表面上要素 的任意组合 图2 - 1 装配体的几何构成示图 装配体几何信息中不仅包括名义几何信息，还包含几何变动信息。在装配层， 几何变动信息有两种：一是零件本身的几何变动( 公差) 信息，公差可以规范在表 面的组成要素上，也可规范在导出要素上，目的是限制特征表面的变动范围；另一 是装配间隙变动信息，是指不同零件上的相互接触配合的两个特征要素之间的几 何变动信息。 2 2 2g p s 中特征的定义 新一代g p s 中，特征就是指构成零件几何形状的点、线、面等最基本的几何 单元。特征从总体上可以分为整体特征( i n t e g r a lf e a t u r e ) 和导出特征( d e r i v e d f e a t u r e ) 。整体特征是指由点、线、面等基本几何要素组成的、能直观看到的零件 的几何形状，如圆柱体的圆柱面。导出特征，也称导出特征，是指由一个或多个整 体特征导出的中心点、中心线或中心面，如圆柱体的轴线。 根据特征存在的不同领域，可以分为四种类型，现以如图2 - 2 所示的圆柱面为 例说明。 浙江大学硕士学位论文2 基于新一代g p s 的公差表示 图样工件 工件操作 n 一_ _ _ - l 名义特征 门 实际特征 j? ：提取特征 il ， ! j 扩般特钲 ! f ： l i ， j 。 i n l 5 a 2 功能公差规范模块 田5 7 装配有向图 零件3 _ p 。 a 首先是获得装配体的所有子d f r 的公差规范链，通过调用“s t a n d a r d i z a t i o n ”菜 单中的“公差规范链”来实现，如图5 - 8 所示。知本实例中，装配体只有一条公差 规范链：零件1 ) 零件2 - 零件3 装配体l 中包台的蛰差规范链育： 零件1 ) 霉件2 一霉件3 确定 图5 - 8 公差规范链 接着设置末端零件的相关信息，通过调用“s t 盟d a 础z 幽”菜单中的“提取末 端零件”来实现，如图5 - 9 所示这里设置的末端零件相关信息主要包括与几何功 能需求( g f r ) 相关的公差项目、公差值、公差原则等 末端零件信息一_ _ 末端零件名称堕! 蔓 公差项目塑塑 公差值 t 1 r = = = = = 公差原则阻 圉5 - 9 丰端零件信息 o k c a n o e l 浙大学碰学位论文 5 型系统开芨与实例研究 耋黧篡，嚣鞋鳙，i 照配辫羔粤! 群体塑! i 酩休甜i j ：溢：而 参芒基准框架? ：一一。：；i i ，蚩 、主基准9 ， 第二基准ur 牡恫 第二基准型一， 圈5 - 1 l 舟界面设计 最后根据对每一个零件进行公差规范设计后，可以通过调用“s i 曲d a i d i z 撕o n ” 浙江大学硕士学位论文5 原型系统开发与实例研究 菜单中的“公差设计结果”得到被规范零件的公差规范信息，如图5 1 2 所示。 零件名称i 表面名称| 公差项目| 公差值| 公差原则 基准要素 零件3 番件3 5 4 本章小结 t同捆压 q 垂直度 d盲线序 f i t x t t t s 图5 1 2 零件3 的公差规范结果 ( 1 ) 以s o l i d w o r k s 2 0 0 5 为平台，以v i s u a lc h 击0 为开发工具，开发了 基于新一代g p s 的功能公差规范设计的原型系统，系统包含装配定位识别与功能 公差规范两个模块。 ( 2 ) 应用实例研究，阐述了系统的主要模块和功能 浙江大学硕士学位论文6 总结与展望 6 总结与展望 内容摘要 总结了本文的主要研究内容，对新一代g p s 标准体系下功能公差规范设计今 后的研究工作进行了展望。 6 1 全文总结 随着新一代g p s 标准体系的制定推出，如何在新的标准体系下进行公差建模， 如何建立零件功能与零件特征之间的关系，建立公差与功能之间的关系，是研究功 能公差的重要任务。本文结合国家自然科学基金“基于新一代g p s 标准体系的计 算机辅助功能公差设计理论与方法( 5 0 7 7 5 2 0 4r 和浙江省自然科学基金项目“新 一代产品几何技术规范标准实施支撑平台及其关键技术研究”( z 1 0 7 3 3 4 ) ，针对功 能公差中的相关理论与应用技术，进行了基于新一代g p s 标准体系的功能公差规 范设计的研究。 本论文的主要内容是在新一代g p s 标准体系下，针对功能公差中的相关理论 与应用技术进行研究：探讨了零件的装配定位约束与几何功能需求的表达方法，并 在此基础上研究了零件零件之间分界面的公差规范设计，给出了几何功能需求几 何规范设计的功能公差设计过程及方法，开发了基于新一代g p s 标准体系的功能 公差规范的原型系统。论文的主要研究内容有： l 、结合i s o t c 2 1 3 分析了t i r s 的七种基本表面类型与g p s 标准体系中恒定 类的内在联系；探讨了基于新一代g p s 的公差建模的基本理论，由点的空间运动 解析入手，给出基本表面对应的变动约束矩阵；讨论了基于特征的公差表示模型； 2 、研究了装配节点的分类及装配定位节点优先次序的确定原则，并改进了现 有装配有向图，增加装配定位约束表达信息；分析了几何功能需求的表达与分解方 6 9 浙江大学硕士学位论文 6 总结与展望 法： 3 、引入配合树、基准参考框架的概念，基于改进装配有向图研究了零件零件之 间分界面的公差规范设计，探讨了几何功能需求几何规范设计的功能公差设计过 程和方法；给出了装配体实例及功能公差规范设计结果，验证了功能公差设计方法 的正确性； 4 、在s o l i d w o r k s 2 0 0 5 中开发了功能公差规范的原型系统，用实例分析阐述了 原型系统的主要模块和功能。 6 2 工作展望 本文主要围绕装配体功能公差规范设计方案展开了研究，但这些内容仅仅是公 差研究的一部分，仍然有许多工作有待开展。结合论文，以下几个方面需要进一步 研究： l 、文中探讨了由几何功能需求( g f r ) 各个与公差有关特征的公差规范设计 方法，但主要涉及的是平面、圆柱面等简单表面的公差规范设计，对于螺旋面、回 转面、复杂表面等还需日后进一步研究； 2 ，对复杂几何功能需求的分界，文中列出了几种常见的复杂几何功能需求分 解例子，但都只考虑了公差规范链起始于末端零件、终止于基础零件的情况。当所 有公差规范链均汇聚于支撑零件的情况下的公差规范设计方案还需进一步研究； 3 、公差的规范设计只是公差设计的一部分，公差规范设计后的公差值确定还 需进一步研究； 4 、功能公差规范设计原型系统的开发。本文研究了装配体的功能公差规范设 计原型系统，其最终目标是为了实现c a d 集成环境的公差设计。因此，今后软件 开发的重点是基于本文的原型系统，开发集成于c a d 的公差设计的原型系统，为 最终实现公差规范设计的商业化软件奠定基础。 浙江大学硕士学位论文参考文献 参考文献 【l 】吴昭同，杨将新等计算机辅助公差优化设计杭州：浙江大学出版社1 9 9 9 【2 】张根保计算机辅助公差设计及其关键技术全国首届计算机辅助公差设计专题学术会议 论文集杭州2 0 0 0 ：6 - q 4 【3 】吴昭同现代质量工程中几个重要的研究进展全国首届计算机辅助公差设计专题学术会议 论文集杭州2 0 0 0 ：1 5 。2 3 【4 】4b j o r k e ，o c o m p u t e r - a i d e dt