[发明专利]一种用于精密机械系统误差传递建模的配合误差计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于精密机械系统误差传递建模的配合误差计算方法，属于制造质量预测与控制领域。

背景技术

精密机械系统制造中的一个普遍问题是，零部件加工合格的情况下，装配后系统的精度无法满足设计要求，装配成品率低。主要原因之一是，精密机械系统中零件加工误差、表面质量、装配误差以及装配工艺参数等因素对系统装配精度的影响规律理论上尚不清楚，装配工艺带有盲目性。本发明是在构建表达精密机械系统零件加工误差与系统精度之间关系的误差传递模型过程中提出的。

在机床设备、精密仪器等精度要求较高的产品制造中，整机零部件质量及其相对位置精度是影响产品性能的重要因素之一。由于零部件尺寸及其在整机中位置的不同，各零部件对整机精度的影响程度是不相同的，若不能量化这些影响，就不能有区别地制定零部件的精度要求，从而造成过高的制造成本，或产品达不到精度要求。另一方面，现代制造业要求更好地实现制造质量的预测与控制，但由于缺乏相应的预测模型，在产品制造的早期预测最终产品的质量还存在困难。基于误差传递建模的装配精度预测与控制，是解决这一困难的主要方法。

近十多年来，国内外出现了多种误差传递建模方法：Agrawal等人研究了多工位制造过程的误差传递问题，建立了状态空间形式的AR(1)模型；Mantripragada和Whitney提出“基准流”的概念，确定和定义装配过程中的运动约束与配合；美国密歇根大学的Jin和Shi提出状态空间误差传递模型，描述多工位二维白车身装配的误差传递，但模型的应用对象具有特殊性，仅限于二维装配。虽然，经过扩展的状态空间误差传递模型可用于三维装配，但建模的重点是装配过程中的夹具误差。

综上所述，目前所有的误差传递模型均未考虑配合表面的形状误差。此外，由于零件存在形状误差，在装配力的作用下，零件会产生非均匀的应力与应变，从而产生变形误差。配合表面形状误差和零件产生的变形误差，正是影响精密机械系统精度的主要原因之一。

为了考虑到零件配合表面存在的形状误差以及装配力作用下零件产生的非均匀应力引起的变形误差，本发明提出一种用于精密机械系统误差传递建模的配合误差计算方法。

发明内容

本发明的目的在于为精密机械系统的误差传递建模，提出一种考虑零件的配合表面形状误差和变形误差的配合误差计算方法。零件变形误差是指装配力作用下的零件变形引起的零件实际形状相对于零件名义形状的变化。根据本方法计算得到的配合误差，可以确定状态空间误差传递建模中实际配合坐标系的位置与方向，从而改进误差传递建模过程，使所建立的误差传递模型能够更准确地表示误差的累积与传递过程。

如图1和2所示，考虑到零件A的配合表面A2和零件B的配合表面B4都存在形状误差，因此替代配合表面6不是由基准配合表面(配合表面A2或配合表面B4)确定，而是由两个配合表面共同确定，因此，本发明中的配合误差计算方法考虑了两个配合表面的形状误差，所述配合误差的计算步骤如下：

步骤一，确定两个配合表面的形状误差及差表面：

使用三坐标测量机以扫描的方式分别测量一批零件的配合表面的形状误差，通过统计方法获得这一批零件的两个配合表面的形状误差D₁和D₂，将得到的两个配合表面的形状误差D₁和D₂相减，得到差表面的数据；根据差表面的数据，利用固有振型分解法建立配合表面与差表面的模型。差表面是指将两个配合表面的形状误差转化到其中一个配合表面上而获得的表面，转化后的另一个配合表面转化为理想表面，理想表面是指不存在形状误差的表面。

步骤二，确定两个配合表面之间的接触点：

由于形状误差的存在，配合表面之间仅在若干点处接触。一般情况下，二维配合存在两个接触点，三维配合存在三个接触点。根据差表面的数据计算获得差表面上的凸包，即为极小值点。利用对接触点的判断方法，确定差表面上的接触点，并获得接触点的坐标数据。

所述对接触点的判断方法为：

对于二维配合，首先判断差表面与任意两个凸包顶点连线所在直线的位置关系，如果差表面全部位于两个凸包顶点连线所在直线的同一侧，则这样的两个凸包是可能的接触点，否则，不是可能的接触点；其次，判断装配力作用线与可能是接触点的两个凸包连线的交叉点位置，如果该交叉点位于两个凸包之间，则这样的两个凸包就是二维配合的接触点，否则，不是接触点。