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机械装配系统可视化误差研究

【摘要】本文通过对以往技术的研究与分析提出了机械装配系统

误差分析的集成方法，解决了常规误差分析的等价误差建模过程繁琐麻烦的问

题，提升了误差分析的自动化水平，增强了误差分析的实用性。机械系统误差

分析集成方法在鉴误差分析研究课题的成果，并在常规CAD／CAE软件中集成新

的功能模块，以简化系统误差的建模及分析过程。算例表明，该系统可实现误

差分析过程的简洁、直观与实用。

【关键词】机械装配误差分析集成可视化

前言

影响产品精度和可靠性的一个重要因素是产品公差，目前产品公差的确定

基本延用传统方法，即借助人工经验来确定。尽管近年来计算机辅助公差设计

与分析CAT技术己经取得了一定成果，但其距离真正实用还有一段距离，究其

原因是误差分析方法与计算机技术的结合尚不完美，即CAT的自动化水平不高.

1CAT自动化程度不高。近年来所谓的CAT技术系统集成性很低，误差分析

的自动化程度更低，计算机只是充当了计算器的角色。提高CAT系统的集成化

水平，简化误差分析的步骤，增加误差分析结果的可视化，是当务之急。

2）误差分析的繁琐性。常规的误差分析手段为运用统计学方法，按照各种

可能的分布情况，判断公差的累积作用结果，最终判断产品的精度。其过程需

进行大量的数据处理，计算量很大。尽管可借助计算机完成，但运算结果仍是

1组组数据，其可读性及直观性很差。

针对上述缺陷，本文提出机械装配系统误差分析的构建方法，致力于简化

误差分析过程，提高误差分析的自动化水平

一、尺寸链自动生成

现有误差分析方法的实现需要以正确的尺寸链为基础，即首先需要得到尺

寸链模型和方程，然后基于尺寸链进行公差的分析与综合。尺寸链的生成需要

较多的人机交互操作，过程较复杂，适应性不广。文献[3]所研发的三维装配尺

寸链自动生成方法很好地解决了上述难题。该方法从定义装配性能特征人手，

首先对装配模型进行深层次的解析及预处理，以获取隐含在模型内部的公差分

析所需信息。然后利用图论理论，通过构建特征一尺寸邻接矩阵、特征一装配

约束关系邻接矩阵、装配关系传递图等，将装配体中参与装配的零件和特征以

及之间的装配约束关系、尺寸及形状等信息的传递过程以图形表达。最后将三

维尺寸链分为显式和隐式2类，对于显式尺寸链由装配关系传递图有哪些信誉好的足球投注网站连通通

路，可直接获取尺寸链图和方程。对于隐式尺寸链，提出了尺寸方向差异度的

概念、封闭环方向优先的有哪些信誉好的足球投注网站策略以及构建过渡尺寸链的方法，最终可获取尺

寸链图和方程。该方法已在自主开发的三维装配尺寸链自动生成系统中得到验

证。

装配模型的解析采用逐层解析法，从装配体顶层出发，逐层解析装配体以

获得装配约束关系。根据装配约束关系进行零件级解析，获取特征及其草绘截

面和尺寸，并进行尺寸匹配处理，可得到特征与尺寸的对应关系，解析流程如

图1所示。

基于上述三维装配尺寸链自动生成方法，可获取图2所示空间曲柄滑块机

构的尺寸链。三维装配尺寸链的自动生成对计算机辅助公差设计与分析的实用

化具有重要意义，为计算机辅助公差设计和分析的进一步开展和实际应用提供

了基础工具。

二、可视化误差分析

尺寸链的自动生成大大简化了误差分析前期的预处理过程，尺寸链的准确

生成亦为误差分析的准确性奠定了基础。基于上述所生成的尺寸链，运用误差

因素等价替换理论，考虑各种误差因素，对机械装配系统予以等价建模，以获

取其等价模型EVM，从而实现CAT。

1、EVM构建

研究表明，线性规划法架起了运动分析到误差分析的桥梁—运用运动分析

灵敏度实现误差分析TAKS。在机构的运动解析法分析过程中，通过构建运动节

点间的尺寸链环路，将输入运动已知条件转化为对应向量的位置参数，从而求

取其余向量的位置及姿态，实现运动分析。由此得到启发：在机构误差分析过

程中，将所列的尺寸链回路中具有误差的各向量也作为自变量处理，进行运动

分析，这充分考虑了误差因素，实现了机构误差分析。

构建EVM的关键是对各种误差因素予以等价替换，即等价替换装配中的尺

寸／角度误差。用滑动副替代长度误差，用转动副替代角度误差，如图3所

示。替代误差的运动副的加入并不能取代模型中原有的运动副／连接。运用上

述误差等价替换方法，可构建图2所示机械装配系统的EVM，如图4所示。

2、可视化输出

将上述构建的EVM输入常用的运动学分析软件如