（机械制造及其自动化专业论文）数字化预装配系统公差技术的研究.pdf

撷i ? 论文 数字化预装配系统公差技术的研究 摘要 随着全球枣殇髭争酶弱虢激烈，金韭譬三存发鼹静关键在予麴穗糟尽可能短翁辩 间，用尽量少的成本，开发出高质量的产品。作为虑拟制造磐先进制造技术中的一颂 关键技术，数字纯鞭装配( d i g i t a lp r e - a s s e m b l y ) 技术器兹楚在产菇设计阶段蕤供 个环境，对产品的裟配过程进行模拟和分析，减少设计原因造成的缺陷，缩短产晶的 研发周麓，降低产鼓藏本，挺高产灏竞争力。 本文在分析数字化预皱黼技术和计算枫辅助公麓的研究现状基础上，选择计算桃 辕魏公差这数字纯颈装瑟疆零中弱蓬要痰銮毒挈麓磺究辩象，撵出了覆囱公差翁产灏 数字化预装凝系统豹体系结构，在数字亿预漩配系绞中构建产懿模穗避行公差分辨。 遥过对数字纯预装麓系统静产品装瓣模登逡雩亍分辑礤炎，剥瘸特薤技术建立了系统拳每 征揆扳痒来涎配装粼模型：提出了游不凰巍嗣c a d 软件三维实体模型导入劂本系统 中懿方案，溺霹隧u g 软傅造型戆零落箨为实缓进行验涯。逶道特缝麴识澍，将公麓 特征信息在产品几何造型中淡达出采。结合系统的产品装配关系，实现了产品装配尺 寸键戆昏魏生成，势对生成熬装配尺寸链避抒公差分氍。 最后，本文介蹈了以上述研究为基础开发的面向公差数字化预装配系统，并给出 了数字拖鬏装聚系统戆运褥突翻。 美键词：数字化预煺配，成拟装配，计算机辅助公蕤，特征技术，装配建模，装醚尺 砖链，公差分糈 硕士论文 数字化预装配系统公麓技术的研究 a b s t r a c t n o w a d a y st h ec o m p e t i t i o ni nt h eg l o b a lm a r k e ti sb e c o m i n gf i e r c e ra n df i e r c e r , a n d t h ek e ys t r a t e g yf o re n t e r p r i s e st os u r v i v ea n dd e v e l o pi st od e v e l o pn e wp r o d u c t sw i t h h i g hq u a l i t ya n dl o wc o s ti ns h o r tt i m e s od i g i t a lp r e a s s e m b l yt e c h n o l o g ye m e r g e sa s t h et i m e sr e q u i r e a sak e yt e c h n i q u eo fv i r t u a lm a m f f a c t u r i n g ，t h ep u r p o s eo fd i g i t a l p r e a s s e m b l yt e c h n o l o g yi st oo f f e rap a c k a g eo ft o o l sf o rp r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s s t h es i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h ea s s e m b l yp r o c e s sc a nb ec o n d u c t e db e f o r et h er e a l p r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，d e s i g nm i s t a k e sc a nb er e d u c e d ，d e v e l o pc y c l eb es h o r t e n e d ，c o s tb e l o w e r e da n dp r o d u c tc o m p e t i t i v ep o w e rb ee n h a n c e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec u r r e n tr e s e a r c hc o n t e x to f d i g i t a lp r e a s s e m b l y t e c h n o l o g ya n dc o m p u t e ra i d e dt o l e r a n c i n g ，t h ec o m p u t e ra i d e dt o l e r a n c i n gi sc h o s e nt ob e t h er e s e a r c ho b j e c t i v eo ft h i st h e s i s t h ea r c h i t e c t u r eo ft o l e r a n c e o r i e n t e d d i g i t a l p r e a s s e m b l ys y s t e m ( t d p a s ) i sp r e s e n t e df i r s t l y a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c ta s s e m b l y m o d e lo ft d p a s ，ad a t a b a s eo ff e a t u r et e m p l a t e si sb u i l tt om a t c ht h ea s s e m b l ym o d e l t h et e c h n i q u et oi m p o r td i f f e r e n t3 dc a dm o d e l si n t oo u rt d p a si sa l s og i v e na n du g m o d e l sa r eu s e dt ov a l i d a t et h et e c h n i q u e t h ef e a t u r ei n f o r m a t i o no ft o l e r a n c ei s i n t e g r a t e di n t ot h eg e o m e t r ym o d e lo fp r o d u c tb yf e a t u r ei d e n t i f y i n gt e c h n i q u e t h e nt h e t d p a sc a r ! g e n e r a t et h ea s s e m b l yd i m e n s i o nc h a i na u t o m a t i c a l l y , a n dt h et o l e r a n c e a n a l y s i sf o r t h ep r o d u c tc a n b ed o n ea c c o r d i n g l y a tl a s t at d 队sp r o t o t y p es y s t e mi sd e v e l o p e db yu st oi n v a l i d a t et h ea b o v er e s e a r c h r e s l k e y w o r d s ：d i g i t a lp r e a s s e m b l y , v i r t u a la s s e m b l y , c o m p u t e ra i d e dt o l e r a n c i n g ，f e a t u r e t e c h n o l o g y , a s s e m b l ym o d e l i n g ，a s s e m b l yd i m e n s i o nc h a i n ，t o l e r a n c ea n a l y s i s 声唆 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了热骇撂注和致谢的部分外，不包含其德入邑经发 袭或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历两使慝过的材料。与我一同工作的嗣事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 叁l 车。， 年月目 学位论文使嗣授权声瞬 鸯京毽工文学骞权操莓本学蕴论文熬电子帮羝震文档，筲戬氆阕 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授投其保存、偌阕或上蠲公毒本学位论文的郏分或全都内容对 予保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 赳车 年月日 葡i 论数7 化顾谩配系统公差技术的研究 1 绪论 计算机的产生，是人类技术发展史上的重大进步随着计算机技术的迅速发展和 广泛应用，传统的机械制造业正在发生一场深刻的革命。它从根本上改变了过去的生 产技术和管理技术，传统的生产设备和单一产品的自动化制造系统正在被计算机控制 机床、柔性制造单元和系统所取代，由原来的局限于产品制造的自动化系统发展到集 产品设计过程、生产过程和经营为一体的自动化系统。同时，随着全球市场竞争的日 益激烈，市场对制造企业提出了更高的t q c s e 要求。产品的设计制造过程也由一个 企业独自完成发展到具有互补性企业之日j 的强强联合 所以产晶的异地设计和制造、敏捷制造技术、虚拟制造技术等先进的制造模式和 技术正在成为制造工程界研究和应用的热点。产品数字化预装配( p r o d u c td i g i t a l p r e a s s e m b l y ) 技术是实现异地设计与制造、敏捷制造和虚拟制造等先进生产方式的 关键技术，近年来也越来越受到国内外学术界的重视。 1 1 数字化预装配技术 作为一种新兴的技术，虚拟装配还处在探索与发展阶段。狭义的虚拟装配就是在 虚拟环境中快速把单个的零件或部件组装成产品的方法。广义的虚拟装配就是指在虚 拟环境中，如何使设计人员方便地进行结构设计、修改，让其更专注于产品功能的实 现。也就是通常所说的面向装配的设计( d f a ) 1 1 1 1 2 1 上海交通人学给出了一个比较明确的虚拟装配定义1 3 1 ： 无需产品或支撑过程的物理实现。只需通过分析、先验模型、可视化和数据表达 等手段，利用计算机工具来安排或辅助与装配有关的工程决策。 从该定义中可以看出虚拟装配系统是一个装配决策和分析的工具系统，它不一定 是v r 环境的，但一定是建立计算机中的设计与分析环境。具体的说，我们可以认为 虚拟装配( v i r t u a la s s e m b l y ) 是利用现代计算机技术进步的成果( 包括虚拟现实技术 和先进计算机仿真技术的成果) ，根据产品设计阶段产生的产品数字数据信息，在计 算机内进行虚拟实物复现，并进行装配过程仿真、装配路径规划和装配质量性能分析 验证等操作，以验证产品装配的可行性、可靠性和效率，便于及时发现产品设计和工 艺规划中的缺陷与错误。指导设计者进行改进。因此，虚拟装配是一种将c a d 技术、 可视化技术、仿真技术、决策理论及装配和制造过程研究、虚拟现实技术等多种技术 j j u 以综合返用的技术。 只前国内外研究人员对虚拟装配主要从两个方面展丌研究。因为虚拟装配环境都 颂+ 论文敦字化预装配系统公差技术的研究 需要进行零件和装配建模，建模的过程离不歼c a d 技术的支持。因此，虚拟装配按 照c a d 技术与虚拟技术的结合有两种工作方式 , , 1 1 5 1 ： ( 1 ) 通用c a d 系统加可视化分析工具，在这种方式下，虚拟现实环境仅作为虚 拟装配的可视化显示和操作； ( 2 ) 基于虚拟现实的c a d 系统，在这种方式下，用户直接在虚拟现实环境下建 立零件和装配模型 部分研究人员为了加以区别，将第一种方法称为数字化预装配系统，其余人员则 不加区别的将二种方法统称为虚拟装配。本课题的建模是在通用c a d 系统基础上展 丌的，为了说法的严谨性，我们称课题名称为数字化预装配。 数字化预装配技术利用现代计算机技术的成果，通过有效的装配模型全面地描述 产品装配信息，将产品的装配状态与过程在计算机内进行虚拟实物复现，并进行装配 过程仿真、装配工艺规划和装配质量性能验证等，以验证产品的可装配性，便于及时 发现产品设计和工艺规划中的缺陷与错误，指导设计者进行改进。它在概念上等同于 虚拟装配，同时更强调数字化技术在技术总体中的主导作用。由于虚拟装配仿真是对 现实生产的模拟，其仿真的过程就是实际生产的过程，故可以代替实际的样品生产； 而整个装配仿真是在计算机内数字化进行的，可以通过提高仿真速度，更快捷地发现 问题，纠正错误；并且由于无实物生产的消耗，可节省大笔的生产开销，降低成本 为此，建立数字化预装配系统( d p a s d i g i t a lp r e - a s s e m b l ys y s t e m ) 的体系框架对于 指导数字化预装配的关键技术研究与数字化预装配系统的丌发实现具有重要意义。数 字化预装配系统作为产品装配设计、分析与规划的工作平台，它的研究和开发受到并 行工程、虚拟制造，网络化制造和敏捷制造等现代先进设计制造理念和最新信息技术 的影响。 由于数字化预装配技术是实际装配过程在计算机上的映射，与传统的装配技术相 比，数宁化预装配技术具有以下特点1 2 i ： ( 1 ) 装配过程和环境的全数字化 虚拟装配最大的特点就是装配过程与环境的数字化预装配操作的零件、工具和 环境全在计算机中以数字数掘的形式存在，并通过可视化技术、图形技术和相应的软 硬件展现在工程师面前，装配操作也以数字信号的形式控制运行。 ( 2 ) 与现实装配环境的结构相似性 虚拟装配的目的就是在计算机的虚拟装配环境中进行产品的装配生产，以便发现 设计中的缺陷与错误，因此虚拟装配环境必须与实际装配环境在结构上、本质上具有 相似性，这样才能将实际生产中可能存在的问题在虚拟装配过程中反映出来 ( 3 ) 以模型为核心的装配仿真 虚拟装配是在计算机中仿真实际装配的环境，对产品设计结果进行装配规划和装 2 硕士论文教字化预装配系统公差技术的研究 配的分析评估。因此虚拟装配技术离不开对仿真模型的依赖。建立能反映实际装配过 程的数学模型是成功建立虚拟环境的关键。 ( 4 ) 资源与实践的低消耗性 由于虚拟装配系统基本上没有生产性的资源与能源消耗，且不依赖于实际零件的 加工生产。因此只要设计人员完成了相应的零件设计，就可以进行装配的虚拟操作， 检验设计结果，在时间上也更加快捷。 ( 5 ) 面向集成的开放性 虚拟装配系统的开发必然要考虑到融入已有的设计制造系统中，因此虚拟装配系 统必然是一个面向系统集成的开放式体系结构。 ( 6 ) 支持分布合作性 虚拟装配系统应满足分布在不同部门、不同地点的不同专业人员在统一的装配模 型下同时工作，相互交流，信息共享，加快产品装配数掘传播的速度，从而使产品开 发可以快速地响应市场变化。 1 2 计算机辅助公差 计算机辅助公差设计( c o m p u t e ra i d e dt o l e r a n c i n g - - 简称c a t ) ，是指在机械产 品的设计、加工、装配、检测等过程中，利用计算机对产品及其零部件的尺寸和公差 进行并行优化选择和监控，力图用最低的成本，设计并生产出满足用户精度要求的产 品的过程。计算机辅助公差设计是c a d c a m 集成中的关键技术之_ _ 6 1 1 7 1 ，它不仅影 响产品的质量，且对制造成本起着决定性影响。随着c a d ，c w 集成技术的发展， 计算机辅助公差设计系统研究的重要性日渐突出，国内外众多学者从事该领域的理论 研究和软件开发，取得了显著的成果。但是目前，就虚拟装配环境中加入公差元素对 虚拟装配进行分析，实现对产品装配优化地研究还是很少的，本节将介绍计算机辅助 公差的发展状况，同时阐述本课题的重点难点 1 2 i 计算机辅助公差设计的发展历史 1 ) 基础理论形成阶段： 英国剑桥大学的h i l l y a r d i s l 博士首次于1 9 7 8 年提出利用计算机辅助确定零件的几 何形状、尺寸和形位公差的概念，他提出用数学模型来描述零件的几何形状，并以此 来进行零件的尺寸和公差设计。同年，月麦的b j o r k e l 9 1 教授在其著作( c o m p u t e r a i d e d t o l e r a n c i n g 中提出利用计算机来进行尺寸链设计和制造公差的控制。他们的工作奠 定了c a t 的基础，这是c a t 技术发展的丌端。 硕l 论文教宁化预链配系统公差技术的研究 2 ) 理论成型阶段： 1 9 8 3 年，r e q u i c h a ”l 发表几何公差理论基础一文，提出了漂移公差带理论， 奠定了计算机辅助公差设计的理论基础1 9 8 4 年，k a r o l i n 在美国制造工程师协会召 开的a u t o f a c t 6 上发表计算机辅助公差分析一文，首次实现了用计算机表达 和分析“公差图”。并完成工艺规程中的公差设计。同年，c a m i 发表研究报告尺 寸和公差设计，提出在计算机中表达尺寸和公差的方法。到1 9 8 7 年，美国的t u r n e r i l 】 博士发表了其博士论文计算机辅助几何设计中的公差问题。建立了一套具有实用 意义的公差数学理论和公差分析的方法a h m a d 也发表了论文一个用于机械设计 中公差选择的专家系统，利用专家系统方法进行i s o 互换性配合公差的选择。1 9 8 8 年，以色列学者w e i l l 0 2 1 发表了“t o l e r a n e i n gf o rf u n c t i o n ”一文，从而掀起了世界范 围内的c a t 研究热潮。这一阶段的研究工作涉及到了公差设计的各个领域，形成了 比较系统的c a t 理论，这些工作共同形成了计算机辅助公差历程的第二个咀程碑。 3 ) 迅速发展阶段： 1 9 8 9 年在以色列的海法c i r p 召开了首届计算机辅助公差设计专题学术国际会 议1 9 9 1 年在美国、1 9 9 3 年在法国和1 9 9 5 年在日本召开了第二、三和四届国际c a t 会议，这段时间是计算机辅助公差设计理论研究的发展期c l e m e n t 等提出了丁r r s 理论奠定了在c a d 系统中建模尺寸和形位公差的基础；美国机械工程师学会于1 9 9 4 年颁布了最新的尺寸和公差标准( a n s iy 1 4 5 m ，1 9 9 4 ) ：在1 9 9 4 年1 月的佛罗罩达会 议上，i s o 联合协调小组( j o i n th a r m o n i z a t i o ng r o u p ) 批准组建统计公差工作小组；1 9 9 5 年i s o 建立了以s r i n v a s a n 教授为首的统计公差工作小组着手统计公差标准的研究和 准备工作：1 9 9 6 年6 月1 4 日，在巴黎将原i s o 厂r c 3 。i s o 厂r c l 0 s c 5 和i s o 厂r c 5 7 几 个委员会合并，成立了编号为i s o f r c 2 1 3 的新技术委员会，将有关的公差与配合、 形状和位置公差、表面粗糙度等产品几何公差方面的技术标准纳入新的技术委员会的 工作范畴。1 9 9 7 年第五届国际c a t 会议在加拿大温索尔大学召开，这次会议的主题 是形位公差设计的研究和实用性公差设计软件的开发1 9 9 9 年第六届公差会议在荷 兰，t w e n t e 大学召开，开发实用的三维c a t 系统成为这次会议的主题s a l o m o n s 博 二士【1 3 】自1 9 9 5 年完成其博士论文以来，一直致力于实用性c a t 系统的开发，其研究小 组丌发的f r o o m 系统可实现二维的公差分析 在国内，浙江大学【1 4 1 6 1 计算机辅助公差设计课题组从1 9 9 3 年起连续获得“计算 机辅助公差设计”、。设计和制造公差并行优化设计的研究”、“综合公差计算机辅助设 计系统的研究”、。基于产品几何技术规范的集成公差设计理论与方法”四个国家自然 科学基金资助项目，并出版了国内首本c a t 专著一 计算机辅助公差优化设计 r q 重厌人学i lg | 的张根保教授等批学者。直从事c a t 的研究，并在公差并行设计、分 4 碗i 论文教宁化预装配系统公差技术的研究 形公差理论等领域取得了成果华中科技大掣9 1 的李柱教授、徐振高教授等很早就从 事互换性与测量技术研究，并对中国的c a t 研究投入了极大的热情，在统计公差及 其误差评定等领域的研究成果显著另外，哈尔滨工业大学、北京理工大学、上海交 通大学、西安交通大学、合肥工业大学等高校都有专门从事c a t 技术的研究团体， 进行了不少工作，在国内外发表了很多学术论文1 2 02 5 i 。 1 2 2 计算机辅助公差设计的研究现状 计算机辅助公差设计自1 9 7 8 年由o b j o r k e 提出以后，己经有了三十多年的历史， 囚内外学名在t i 算机辅助公差分析与综合、公差建模与表示、并行公差设计等方面做 了系统深入的研究，取得了丰硕的研究成果。目前，这方面的研究正朝着以下几个方 面发展1 2 ： 1 ) 计算机辅助公差建模理论、方法和表示 公差模型有数学模型和表示模型两大部分。1 9 8 3 年r e q u i c h a 提出基于漂移 ( o f f s e t t i n g ) 的点集数学模型，引入变动族形成漂移带即公差带，用几何概念统一了 不同的公差类型，通过漂移可以定义相应的尺寸及形状、位置公差带，成为计算机公 差建模的理论基础。在此基础上，j a y a r m a n 和s r i n i v a s a n 2 6 1 等于1 9 8 9 年，用边界的 概念替代了公差带，发展了虚拟边界表示法v b r s6 r m u a lb o u n d a r yr e q u i r e m e n t s ) ， 它是公差带向实际应用中的一种转化。但是它和前者一样，所确定的公差偏严此后 e t e s m i 将r e q u i c h a l 27 1 的模型形式化，用公差规范语言( t o l e r a n c es p e c i f u e a t i o n l a n g u a g e ，t s l ) 束描述公差，并提出了一些公差具体应用的有关概念。 公差表示模型主要有漂移几何和基于数掘结构的模型。漂移集合模型是基于漂移 公差带理论的，如v g r a p h 图( r e q u i e m ) ，是在c s g 树上表示公差。在c s g 表 达方式中实体被表达成体素的集合操作的组合，由于c s g 树可以使用预先设计好的 “特征”作为体素来进行构造，故高层次的特征表述和确认是可能的，但c s g 表达 方式有不唯一性和冗余性，不利于尺寸和公差( d & ，r ) 信息的表达：基于数据结构的模 型则有：基于b r e q 数据结构的计算机表示，b r e p 对一于表达底层特征信息有利， 但所有信息均在同一层次上，不利于高层特征信息的表达，且没有显式表达“空间约 束”的信息；u r o y 和c r l i u 2 $ 1 在分析了c s g 和b r e p 造型方式的特点后指出： 较好的方法是采用c s g b r e p 混合表达造型。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，面和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 过结构邻面图来实现，特征添加的针对其它特征的尺寸公差等信息都是在同一层次上 或针对同一预定义的基准框架。 硕十论文 数字化预装配系统全差技术的研究 d e s r o c h e i l 2 9 1 等从研究建立独立于造型系统的公差信息表示模型的角度出发，提 出了基于t t r s ( t e c h n o l o g i c a l l ya n dt o p o l o g i c a l i yr e l a t e ds u r f a c e - - 与工艺和拓扑相 关的表面) 的公差信息表示方一法：首先从c a d 系统中提取必需的信息，将零件的各 表面以二叉树的形式组织，形成零件的t t r s 二叉树结构；然后构造此t t r s 的m g d e ( 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 s - - 最小几何基准要素) ，根据m g d e 及其相互 关系，可以确定出公差的类型。 g u i l f o r d p o 在变动几何造型系统g e o s 中基于特征提出了表示元 印嘲e m 撕o n a l p r i m i t i v e ) 的概念。w i l l h e l m 和l u 【，o j 在并行工程环境中发展了基于条件公差的公差元 ( t o l e r a n c ep r i m i t i v e ) 的概念。公差元中包含了公差要求函数集t = a l ，a 2 a m ， ， 基准集d = d l ，d 2 d n ( 1 n 妈) ，拟合参数集b j - - b j1 , b j 2 b j o ，条件公差 关系集c t j = c t j l ，c t j 2 c t j p 。公差元与名义实体及功能要求相连接，定义过程交 互进行；每次定义都会自动进行一致性检验。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，表示元侧重于公差的表示，公差元侧重于公差的设 计。 2 ) 计算机辅助公差分配和分析 公差分配( t o l e r a n c ed i s t r i b u t i o n ) 就是已知封闭环公差，按照一定的方法和约束 条件，优化分配各组成环的公差，也称为公差设计( t o l e r a n c ed e s i g n ) 或公差综合 ( t o l e r a n c es y n t h e s i s ) 。公差分析是指己知尺寸链中各组成环公差，分析封闭环公差是 否满足预定的精度要求。 f 统的公差设计有两种不同的方法：第一种方法是极值法；另一种方法是从统计 学的观点出发，根掘加工尺寸的分布规律，利用概率论，求解确定公差。极值法由于 其不可克服的缺点，已较少使用，现在的公差分配基本上是以第二种方法为基础。 m i t c h e l l 和s i d d a l l l 3 1 1 提出了一种“矢量空间”的方法进行公差综合；d o n g 和s o o m d 3 1 对= 维的c a d 数据库中的轴对称旋转体也提出了一种单向公差链的综合方法。l e e 和w 的【3 4 1 从“公差是一随机变量”的观点出发，将以加工成本作为最终优化目标， 装配和设计要求作为限制的公差分配问题转化为一个带有限制条件的多元约束优化 问题。c h a s e 和g r e e n t 3 5 i 提出了“e s t i m a t e dm e a ns h i f t ( e m s ) ”模型进行公差处理。 h o f f m a n 建立了一个考虑到对于给定加工过程而引起的加工和起动误差的二维公差 分配模型。b o u r d e t 为公差优化提出了另一个从设计公差到加工公差的转变的模型。 d a n i c e l 利用b o u r d e t 模型，证明了计算的公差可以利用工件输入( 包括部件图和它的 初始尺寸) 的公差设定值和加工机床能力的数据的输入( 执行的加工过程，各项循环的 结果等) 系统不断循环往复地执行，以最终得到公差的最优值。 6 硕十论文 教字化预装配系统公差技术的研究 3 ) 计算机辅助公差设计的体系结构” 1 1 一 造型系统 ； ： 。 t i j 造型接口i 上ll 【公差表示与建模 ，一1 r 1 3 卜、一 0 产品数 据库 公筹分析公弟分配 、一， 一 t，o 0 系统管理员接口 l ，里，里雩暨 呼p _ 时 l ；区寸曲 il ； j 、，j、! ， 硕士论文 敦字化预装配系统公差技术的研究 从该图可知，公差表示定义在名义实体之上，其内容取决于功能要求、装配要求 及公差设计结果而公差设计( 包括公差分析和公差综合) 需同时考虑产品周期中的多 种要求，加制造、工艺、质量、成本和装配等，采用设计公差和工序公差并行或串行 设计模式，其结果通过表示模型表达。在这个框架下能很好地支持并行工程环境，也 可适用非并行工程环境。 4 ) 公差一一成本函数的研究 为了实现合理的公差分配，建立一个实用性的成本一公差模型至关重要目前国 内外提出的成本一公差模型主要有以下几种：指数模型、幂指数模型、负平方模型、 多项式模型、以及指数和幂指数组合模型等，这些模型都有着一个共同的特点，都是 基于。公差愈小、成本愈高”这样一个观察事实的，首先假设一个含有几个系数的函 数关系式，然后根据收集到的公差一成本数据采用曲线拟合的方式确定各个系数，用 这种方法建立的成本模型没有跟具体实现公差的工艺过程联系起来，因而就无法确切 反映成本与公差间的关系；另一方面，收集这些公差成本数据也不现实，所以这样 的成本模型是无法在实践中应用的，应彻底抛弃现行成本模型的建立方法，开发出一 个与工艺过程相联系的，以工程数据库为支持的，实用性的成本模型。p q 1 2 3 尺寸链生成方法研究现状 尺寸链技术在c a t 中是一种重要的技术。在产品设计中，需要借助于装配尺寸 链技术确定最佳功能尺寸标注模式，也需要借助于装配尺寸链技术获得设计函数，从 而实现公差的分析和综合。尺寸链计算是否正确直接影响机械产品的质量，也影响到 制造过程是否合理，长期以来尺寸链的解算成了一个不可忽视的技术问题。 1 ) 国内外传统的尺寸链生成方法【1 7 】圆 尺寸链是一个相关的依序连接的尺寸组合，在装配图中的尺寸关系是通过数学表 达式即设计函数来描述的公差设计函数是指装配技术要求、产品的功能等有关尺寸 的函数关系，如孔轴配合件的配合间隙的数学表示等。为了建立设计函数，可以利用 c a d 系统中的装配模型，对于比较复杂的装配结构，就需要借助于网络图来表达装 配，利用计算机对网络图进行处理，可以方便地生成设计函数，并获取公差设计所需 的全部信息目前主要有三种公差设计函数的产生方法： ( 1 ) 基于特征结构数据库生成法，采用这种方法的尺寸链自动生成系统主要由 数据库、搜索算法、输入和输出所构成装配数据库中包含各种尺寸相关信息；搜索 算法用来完成尺寸链的自动生成；输入数据为构成封闭环的始、末两个要素以及搜索 方向等：输出为尺寸链的设计函数，在数据库中可搜索生成对应封闭环构成封闭多边 形的所有尺寸链 硕士论文 致字化预装配系统公差技术的研究 ( 2 ) 变动几何生成方法，这种方法主要用于参数化c a d 系统中其基本原理是 将图形中的几何约束转化成以特征点坐标为变量的非线性方程组，通过求解这个非线 性方程组从而确定特征点基于交动几何的参数化设计方法，不仅能处理几何约束， 而且也能处理整体约束和工程约束但它难以避免数值方法求解稳定性差的缺点，尤 其对近似奇异的情况，求解规模和速度也难以得到有效控制。 ( 3 ) 变动结构法。该方法是建立在一定的实体模型上的，因而可移植性差。 2 ) 尺寸链技术在c a d 系统中的应用 自从b j o r k e 教授提出计算机辅助公差设计这一概念以来，经国内外专家的努力， 已出现了多种公差设计系统。从功能实现的角度而言，现在的公差系统着重于利用计 算机计算的功能，通过设计算法，用户在该公差系统中输入零件的尺寸信息后，系统 可以实现尺寸链的搜索和生成，并进行公差的分析。例如d a s s a u l ts y s t e m s 的 c a t i a 3 d f d t i m , t e x a s 公司的t f t o l 3 d + t 地v s a 公司的v s a - g d t 和v s a - 3 d ， 德国h e x a g o n 的t o l 等国内的有同济大学机械工程系开发的利用f o x p r o 数据 库的公差系统，这个系统利用了数据库技术，编制了标准公差等常用数据库，用户在 选定公差精度后可直接查询，以减少设计人员的输入工作量和出错的可能性。华中理 工大学c a d 中心对基于特征的装配尺寸链自动生成进行了研究，通过一个二维整数 数组来形成零件邻接矩阵来表示装配体中各零件之间的装配关系，在分析零件邻接矩 阵后得到装配信息，从而形成装配信息数据库清华大学机械设计研究室开发的公差 系统使用“零件配合关系图”和“零件配合关系矢量矩阵”来自动获取装配体配合零 件链。 上面这些系统大都可以实现尺寸链的生成和公差的分析，但有个共同的不足之处 是在集成三维c a d 系统方面做的不够，并且这些系统都独立于c a d 系统，不能做 到从c a d 系统中提取信息，其思路都是通过手工生成装配信息数据库后再利用计算 机的计算功能生成尺寸链。而一般的使用者习惯的是通过c a d 系统来进行图纸的管 理，需要使用者在使用管理图纸的c a d 系统外还要使用公差系统，而且需要将图纸 信息重新输入到公差系统中，这样给使用带来了较大的不方便，没有实现基于c a d 系统的自动生成。 重庆大学开发的公差系统较好的结合了c a d 软件，利用现有的c a d 软件来建 立产品的装配模型。他们用v b 作开发语言，采用s o l i d e d g e 作为实现过程中的c a d 支持软件，借助o l e 技术，将s o l i de d g e 作为服务器应用程序使用，对s o l i de d g e 进行2 次开发，提供它的内部函数作为可被访问的对象较好的利用了s o l i de d g e 提 供的对象层次结构关系，充分的利用了已有的c a d 系统，是在集成c a d 系统方面 跨出了重要的一步。 上述的方法要么c a d 集成性差，系统独立于c a d 系统之外；要么就是对现有 硕士论文 数字化预装配系统公差技术的研究 c a d 软件进行二次开发，不能脱离国外的c a d 软件，没有自主知识产权都具有一 定的局限性，因此本教研室依托总装备部4 十五”预研项目“数字化预装配技术 数字化样机及预装配关键技术”，开发独立的数字化预装配系统，研究并提出一个具 有开放结构的数字化预装配平台，支持装配模型的建模方法和技术，使在这个平台支 持下建立的装配模型，不仅可以表达装配体的静态模型，而且能够支持装配动态过程 ( 装配序列、装配路径规划) 的优化，并且实现装配模型的重用和重构在装配技术 的基础上向前发展，基于图形技术、特征技术将公差技术集成进入数字化预装配系统， 对系统的产品模型进行优化分析 1 3 论文的研究内容及总体框架 1 3 1 论文的研究内容 “数字化预装配系统及公差技术的研究”依托总装备部“十五”预研项目“数字 化预装配技术数字化样机及预装配关键技术”，目的在于研究并突破数字化预装 配中的公差建模关键技术；提出一个具有开放结构的数字化预装配平台，在这个平台 支持下建立公差模型，利用计算机对产品及其部件的尺寸和公差进行并行优化和监 控针对传统的产品设计中设计公差的给出多凭设计师的经验，或用类比，或统计分 析等方法，根据产品的总体精度要求分配确定这种方法只能限制零件参数实际变动 的极限值或极限范围，不能反映实际参数的概率分布以及描述这些参数的特征，难以 科学地控制产品质量的问题为此，有必要建立一个科学、精确的模型：满足产品精 度要求、又获得低成本的效果。 面向公差数字化预装配系统采用通用c a d 系统与可视化分析工具相结合的方 法。首先用c a d 软件建立三维对象模型，然后将该对象模型输入到虚拟环境中，进 行可视化显示与分析利用系统建立的特征模板库，通过特征的识别，提出将不同的 三维c a d 模型引入到d p a s 系统中的解决方案，并以u gn x 为例进行了实现。用 户在u gn x 平台上进行三维零件造型，通过w r l ( v r m l 中性文件) 和+ g e , o ( 零 二 件特征信息文件，由u gn x 二次开发获得) 文件引入到d p a s 中，完成零件的特征 造型。用户沉浸在三维环境中，通过指定零部件之间的约束特征和联接特征与系统交 互操作，生成虚拟装配树，建立产品的装配模型。同时对装配模型进行分析，利用装 配体装配特征获得装配尺寸链，然后对装配尺寸链进行公差分析数字化预装配系统 的开发采用面向对象的方法，基于m i c r o s o i t 的组件技术- - c o m 技术，利用v c + + 6 0 编程语言开发，使数字化预装配系统更具有可重用性、可扩充性，便于系统的不 断发展。 i o 硕士论文 数字化预装配系统公差技术的研究 数字化预装配系统及公差技术的研究 课题主要研究的关键技术： 1 ) 建立面向公差的数字化预装配系统数据管理体系结构，将原先基于文件的信 息模型转换成结合文件与数据库的信息模型模式，将模型中表达的公差信息等特征信 息用数据库方式存取，可以手动输入和从装配模型中识别和选取 2 ) 根据项且要求建立数字化预装配系统的公差模块尺寸链及其设计函数是公 差分析和公差综合的基础，通过利用计算机图形技术实现零部件在数字化预装配系统 环境中特征的拾取等操作，在零件特征信息数据库的基础上，结合装配约束关系，实 现装配树中零件尺寸链的自动搜索。 3 ) 公差分析与综合，根据系统需要，对目前流行的公差分析方法进行研究，在 保证装配精度的同时，降低生产成本。 1 3 2 论文的总体结构 根据研究内容的分析，将全文分为七章，内容及章节安排如下： 第一章：论述数字化预装配技术和公差技术的概念、特点及国内外的研究现状， 介绍本文所依托的项且，并阐明本文的主要研究工作。 第二章：对面向公差的数字化预装配系统进行需求分析，提出适合公差技术的系 统的体系结构。 第三章：对面向公差的数字化预装配系统进行系统建模。用零件级特征、装配级 特征、管理级特征对产品的模型进行详细的分析；建立产品层次模型和关联模型相结 合的装配模型；并将公差信息建立到零件特征层上，结合特征技术实现公差技术的各 个要求。同时建立系统数据库，利用数据库技术支持软件的各个功能的实现。 第四章：基于特征技术实现装配尺寸链的自动生成。对装配关系进行详细研究， 利用装配约束关系自动生成装配尺寸链。 第五章：在装配尺寸链生成的基础上进行公差分析，判定设计公差是否能够满足 产品的功能、成本以及可制造性、可装配性的要求，并可以根据功能、成本和工艺约 束进一步来优化零部件的公差，从而解决产品的功能要求与制造成本之间的矛盾。 第六章：介绍开发的数字化预装配系统，对本文所提的技术进行实例验证 第七章：总结全文，对后续工作进行展望。 颧士论文教宇化预装配系统公差技术的研究 2 面向公差的数字化预装配系统体系结构 2 1 引言 产品装配及其过程设计是产品开发链中的一个重要环节人们往往比较重视产品 设计( c a d ) 及加工工艺过程的规划( c a p p ) ，而对装配及其过程设计仍未给予足 够的重视。事实上，资料表明在工业化国家中，用于产品装配的时间约占全部时间的 5 3 ，用于产品装配的成本超过生产成本的4 0 ，而且大约三分之一的人力在从事 与装配有关的活动【2 】【4 】。因此，装配作为制造过程中的后置关键工序，直接影响了企 业的市场竞争能力数字化预装配技术利用现代计算机技术，通过有效的装配模型全 面地描述产品装配信息，将产品的装配状态与过程在计算机内进行虚拟实物复现，并 进行装配过程仿真、装配工艺规划和装配质量性能验证等，以验证产品的可装配性， 便于及时发现产品设计和工艺规划中的缺陷与错误，指导设计者进行改进。它在概念 上等同于虚拟装配，同时更强调数字化技术在技术总体中的主导作用。由于虚拟装配 仿真是对现实生产的模拟，故可以代替实际的样品生产；而整个装配仿真是在计算机 内以数字化形式进行，可以更快捷地发现问题，纠正错误；并且由于无实物生产的消 耗，可节省大笔的生产开销，缩短工期，降低成本。 作为虚拟制造领域的重要研究内容之一，数字化预装配的技术研究与系统开发受 到了广泛重视。国内外对数字化预装配技术中的相关技术内容已经进行大量的研究， 取得了一定的成果，并开发出一些用于数字化装配设计、规划与分析的系统和工具。 但随着计算机技术和信息技术的深入发展，数字化预装配技术表现出一些新的特征。 构建支持产品全生命周期装配活动的数字化预装配环境，在环境中方便地进行装配设 计、综合分析、规划活动正成为目前数字化预装配技术的研究目标。而公差技术作为 产品质量、零件精度、成本分析等重要分析手段成为虚拟制造技术的重要组成部分， 发挥了极其重要的作用。为此，建立面向公差的数字化预装配系统的体系框架对于指 导数字化预装配的关键技术研究与数字化预装配系统的开发实现具有重要意义j 2 2 面向公差的数字化预装配系统需求分析 数字化预装配是在产品数字化定义的基础上，利用计算机模拟产品全生命周期中 与装配相关的活动，其本质在于产品装配对象、装配过程与装配环境的数字化通过 将现实与装配有关的事物与装配过程离散化、数字化，建立起与产品装配、质量分析 硕士论文 致字化预装配系统公差技术的研究 成本控制等活动相关的装配对象、装配过程与装配环境的计算模型通过采用基于数 值计算的智能方法，利用计算机对装配过程和装配活动中的各种物理量、几何位移以 及控制规划等进行数字化描述表达和数值计算处理，最终得到产品的装配结构、装配 关系、装配序列，在得到装配关系各方面的情况基础上进行装配尺寸链的自动生成、 公差分析、公差综合等，实现在设计阶段不用生产产品的样机、样件，就可以对产品 的可装配性、装配操作的可控性和装配经济性进行预测和评估，发现产品装配设计中 存在的问题，为设计修改提供指导性意见。 、 数字化预装配系统作为产品装配设计、分析与规划的工作平台，它的研究和开发 受到并行工程、虚拟制造、网络化制造和敏捷制造等现代