面向精密装配的形状误差建模与评价

The form error of part mating surfaces is one of the main factors impacting accuracy and accuracy preservation of the precision mechanical system in the precision machinery and instrument. The research of form error modeling and evaluation for assembly performance analysis of precision mechanical systems remains the primary phase at home and abroad. The action mechanism of form error distribution on assembly accuracy and accuracy stability and the law between them is not clear. Assembly of precision instruments lacks theoretical guidance and it is difficult to be optimized quantitatively. Therefore, plane, cylindrical surface, pyramidal face which are very common in the precision assembly and typical mating surfaces machined by typical processes are studied in this project. It is focused on researching form error distribution modeling and pre-evaluation based on information entropy, form error modeling and evaluation of surfaces with different geometrical characteristics for assembly, mathematical modeling of surfaces contact state as well as experimental tests and uncertainty analysis. Based on breaking through the key problems of entropy modeling and pre-evaluation, accurate modeling of surfaces with different geometrical characteristics, optimum fitting of contact surfaces with errors and modeling and evaluation of non-uniform contact stress, an innovative modeling and evaluation mathematical method demonstrating form error and its distribution for assembly is proposed. On the basis of this, form error models and evaluation models for precision assembly is established and evaluation indexes are proposed. It will provide theoretical and methodological supports for quantitative optimization of assembly process, and will provide valuable reference for improving assembly accuracy and accuracy stability of precision mechanical systems.

配合面形状误差是影响精密机械装配精度及精度保持性的主要因素之一。国内外面向精密机械装配性能分析的误差建模与评价研究尚属起步阶段，形状误差分布状态对装配精度及其稳定性的作用机理和规律尚不清楚，精密仪表装配缺乏理论指导，难以定量优化。本项目以精密装配中常见的平面、圆柱面、锥面等典型配合面为实验研究对象，重点研究基于信息熵的形状误差分布建模与预评价、面向装配的不同几何特征表面形状误差建模与评价、误差表面接触状态的建模与评价以及验证实验和不确定性分析等内容，在突破熵建模与预评价、不同几何特征误差曲面精确建模、误差接触面优化拟合和非均匀接触应力建模与评价等关键问题基础上，提出描述面向装配的形状误差及其分布的新的建模与评价的数学方法。在此基础上，建立面向精密装配的形状误差拟合模型和评价模型，提出评价指标，为装配工艺定量优化研究提供理论和方法支持，为提高精密机械系统装配精度和精度稳定性提供有效的工具。

针对精密装配过程中出现的零件加工误差、表面质量满足设计要求但装配后系统精度和性能仍不能满足设计要求的问题，本项目以精密/超精密惯导系统中精密零部件的精密配合表面（平面、柱面等）的形状误差及其几何分布特性为研究对象，重点研究了面向装配的不同几何特征表面形状误差建模、基于信息熵的形状误差空间分布规律建模与评价方法、零件配合表面接触状态的数学建模与评价等内容，建立了面向装配的形状误差模型，打通了带有形状误差的三维建模通道，实现了形状误差模型与设计模型的无缝集成，提出了面向装配的形状误差评价指标。实验结果表明：所建立的形状误差模型与真实表面测量数据的相对误差≤3%；形状误差的评价指标能够有效的评价零件的装配性能；去噪滤波法使得零件三维测量数据的不确定度降低50%；为提高精密机械系统装配精度和精度稳定性奠定理论和方法基础。本项目申请了形状误差建模方法的国际专利1项；发表SCI论文6篇、EI等论文8篇；获得授权发明专利2项；申请国际发明专利1项，国内发明专利6项，培养研究生10名。.本项目的具体创新性成果如下：.1、提出了面向装配的基于NURBS曲面的形状误差建模方法，建立几何形状误差模型，精确表征了零件实际加工表面的几何形状误差及其空间分布特征。在此基础上，重构了CAD底层建模运算等效数据，打通了带有形状误差的三维建模通道，实现了几何分布误差与CAD系统的无缝集成。这是一项变革性的仿真方法，填补国内外空白，申请了国际发明专利1项，发表SCI/EI论文6篇。.2. 提出了面向装配的基于信息熵与最近邻指数相结合的平面形状误差评价方法。定量综合地评价了形状误差高度、位置、平缓性等多维空间分布状态，弥补了传统上以最小包容原理为基础评定形状误差方法在精密装配应用中的不足。本研究推动了面向精密装配的几何精度和误差理论研究的新领域的发展。获得发明专利2项，发表SCI/EI论文7篇。.3、针对三坐标测量设备精度（不确定度大）低于零件精度的问题，提出了基于基准比较的去噪滤波法，运用随机误差与系统误差有机分离及补偿的方法，使测量数据的不确定度降低50%；申请发明专利1项。