基于统计模态特性的多工位柔顺装配夹具设计系统的研究

This project aims to design a comprehensive high precision fixture design system for multi-station compliant assembly. This study leverages Statistical Modal Analysis technique which transfers the data in spatial domain to the modes in the frequency domain using statistical modal decomposition. Detailed study includes: (1) representing the position and form errors for sheet metal part accurately based upon the statistical modal characters. (2) Analyzing the compliant surface contact, the deformation under force and the subsequent spring back upon the force releasing. Based on the analysis, an error model for single stage compliant assembly is built taking into account the interaction between part and part, part and tool, and part and fixture. (3)Studying the interaction between different assembly stations and build a stack up error model for multi-station compliant system. (4) Studying the fixturing impact on multi-station assembly based upon variation propagation analysis, optimize the fixture design and forecast the overall assembly quality and finally form a comprehensive fixture design system. The results from this study on complex surface geometric error representation, multi-station assembly variation modelling, and fixture design and positioning analysis has important theoretical significance and real industrial application values. This study would also aid the representation of complex surface tolerances and provide new way for system fault diagnosis .

本项目研究旨在利用统计模态分析将空间域偏差数据转换为频域模态分量的特点，以实现多工位柔顺装配的夹具设计为研究目标，提出高精度的夹具设计系统。具体研究内容包括：(1)基于统计模态特性有效表征批量薄板的位置和形状偏差；(2)分析柔性曲面接触状态、受力变形量和外力卸载回弹量，考虑工件-工件、工件-夹具和工件-工具之间的相互作用，建立单工位柔顺装配的偏差模型；(3)分析不同工位间的相互作用，建立多工位柔顺装配偏差累积模型; (4)基于偏差传递模型分析夹具对多工位柔顺装配的影响，优化设计夹具，预测产品装配质量，最终形成一套完整的针对多工位柔顺装配的夹具设计系统。本项目研究结果对于复杂曲面几何形状误差的表征，多工位柔顺装配的偏差流模型及夹具定位分析和设计具有重要的理论意义和工程应用价值，同时将为复杂曲面容差表示和系统故障模式诊断提供了积极的借鉴意义。

本项目分析了离散余弦变换DCT、主成分分析PCA、Bezier和B样条外围参数空间方法表示工件的形位公差的优缺点，建立了尺寸和形位公差描述以及批量工件的尺寸和形位公差描述，并基于ANSYS软件建立多工位柔顺装配的偏差模型，以此搭建了实验平台，从而为高精度的夹具设计方法提供基础。具体研究内容包括：(1)基于外围参数空间有效表征批量薄板的位置和形状偏差；(2)基于ANSYS软件分析了柔性曲面接触状态、受力变形量和外力卸载回弹量，考虑工件-工件、工件-夹具和工件-工具之间的相互作用，建立单工位柔顺装配的偏差模型；分析了不同工位间的相互作用，建立多工位柔顺装配偏差累积模型;基于偏差传递模型分析夹具对多工位柔顺装配的影响；（3）为了在线测量装配过程中的偏差，采用基于特征线的视觉测量和结构光方法，并以此提出了新方法，如基于特征直线和曲线的三维重构、基于局部变窗口M-array图像解码的多视重构和基于自适应距离加权的轴线标定方法等，从而提高了测量精度和效率。本项目研究结果对于复杂曲面几何形状误差的表征，多工位柔顺装配的偏差流模型及夹具定位分析和设计具有重要的理论意义和工程应用价值，同时为装配过程偏差的在线测量方法提供了积极的借鉴意义。