面向产品研制周期的机械装配精度管理建模及其使能技术研究

The basic research related to the modeling and enabling technologies of tolerance management of mechnical assemblies oriented to the lead time is carried out. A tolerance level model based on the GPS is built to realize the integration between the product geometry model and tolerance items. The deviation accumulation route is obtained by establishing the model of the joint-datum chain to solve the problem that the 3D dimension chain of the mechanical product is always difficult to build and caculate. Considering the effects of geometrical tolerances，composite tolerance and force-deformation, the pose state model of assembly process is created on the basis of the robot's D-H method and the screws theory. Then Monte Carlo simulation is used in tolerance analysis and optimization, and the feedback mechanism of sensitivity analysis result is set as the bridge between design and manufacturing process. A software prototype of mechanical assembly tolerance management will be developed with independent intellectual property based on the technologies and algorithms above,which aims to contribute to the digitization of assembly tolerance management. The research of assembly tolerance management is done from the standpoint of system theory, which will lay the foundation of lead time reduction, product quality assurance and CAD/CAM further utilization.

本项目进行面向产品研制周期的机械装配精度管理建模及其使能技术相关基础研究。基于新一代产品几何技术规范（GPS）国际标准建立公差层次模型，实现机械产品结构与公差项目的集成；基于节点-基准链建立装配结构模型获取偏差累积路线，解决机械产品三维尺寸链建立和解析困难的问题；基于机器人位姿计算的D-H(Denavit-hartenberg，D-H)方法和旋量理论建立装配过程的位姿状态模型，综合分析尺寸和形位公差、复合公差以及受力变形等因素对装配质量的影响；采用Monte Carlo仿真进行装配精度分析和优化，建立从仿真结果到设计的反馈机制，实现产品设计及制造工艺设计的有效集成。建立一套面向产品研制周期的机械装配精度管理软件原型系统，为实现装配精度管理的数字化奠定基础。本项目从系统设计角度研究装配精度保障机制，其成果为缩短研制周期、产品质量保障、CAD/CAM技术的深化应用奠定坚实的理论和技术基础

本项目在TTRS公差模型的基础上，参考新一代GPS国际标准，基于节点—基准链建立产品装配结构模型来获取偏差累积路线，解决机械产品三维尺寸链建立和解析困难的问题；通过D-H方法和旋量理论及公差域的参数化，建立融合形位公差、复合公差、装配条件等影响的装配偏差累积机制，为公差分析奠定基础；通过建立面向产品研制周期的装配精度管理系统，为实现装配精度管理的数字化奠定基础。主要完成内容包括：（1）进一步研究了面向产品研制周期的装配精度管理模型。基于W.E. Deming 的 PDCA思想建立了一套完整的装配精度管理解决方案。（2）建立了基于功能表面和三维特征点的公差层次模型，掌握了计算机公差表达的方法；（3）研究了产品装配偏差累积和传递机制，建立了基于节点—基准链的装配结构模型，针对零件之间的装配关系和零件特征的几何约束两个不同层次的信息建立面向公差分析的装配模型；（4）建立了装配过程的姿态模型，基于机器人位姿计算的D-H法和旋量理论对装配体中零件之间或装配特征之间的关系进行数学描述，建立零件之间或零件特征之间的尺寸或公差的数学关系模型，综合分析尺寸和形位公差、复合公差以及受力变形等因素对装配质量的影响；（5）研究了装配精度管理工具及方法的验证。进行了面向产品研制周期的装配精度管理软件工具原型架构，基于实例装配对本项目所提出的理论与方法的有效性进行了验证。. 本项目的研究准确有效地描述了公差分析所需要的装配信息、特征间节点类型以及约束关系等基础性、关键性信息；建立了装配精度的定量预测模型，避开了传统尺寸链，揭示了偏差累积和传递机制；建立了考虑形位公差、复合公差以及柔性件的弹力变形等因素对装配精度协同影响的公差分析数学模型，实现了装配精度的定量化分析，弥补了现有的公差分析模型对形位公差、复合公差以及柔性件的弹力变形等因素的考虑不足。