考虑复杂应力场的精密结构装配精度设计理论与控制方法研究

Assembly accuracy of precision structures has always been a key factor restricting the development of precision manufacturing technologies in China. It has been demonstrated that the assembly accuracy cannot be fully ensured just by machining accuracy because it is also affected by the complex stress field and other uncertain factors during the assembly process. In practice, it is very hard to precisely predict the period of assembly process and control the assembly accuracy. To solve these problems, the focuses of this project are put on two respects: design theory and control method. Specifically, the mechanisms of formation, translation and accumulation of assembly deviations under complex stress field are analyzed, and the technical principle for simultaneous track and prediction of assembly accuracy based on the measurement of a sequence of key dimensions is studied. Based on these studies, this project proposes a new theory for assembly accuracy design and a new method for assembly accuracy control for precision structures considering the effects of complex stress field and other uncertain factors. At last, the effectiveness and accuracy of the proposed theory and method are verified in the assembly of the optical unit for the seeker of a Kinetic Kill Vehicle.

精密结构的装配精度问题一直是制约我国精密机械制造水平提升的关键问题。实践表明，大幅提高零件的加工精度仍难以保证精密结构最终的装配精度，因为精密结构装配精度还受到复杂应力场以及装配过程中各种不确定性因素的影响。针对精密结构装调周期不可控，装配精度难以保障的难题，本项目从产品装配精度设计和现场装配精度控制两方面入手，揭示复杂应力场作用下耦合装配偏差的形成机理、传递机理和累积规律，突破基于关键尺寸序列的装配精度实时跟踪和预测等关键技术，建立考虑复杂应力场等不确定性因素的精密结构装配精度设计理论与控制方法，并以某新一代动能拦截弹导引头光学系统的精密装配为具体背景对象，对理论研究成果进行系统验证。

精密结构的装配精度保障问题一直是制约我国精密机械制造水平提升的关键问题。实践表明，大幅提高零件的加工精度仍难以保证精密结构最终的装配精度，因为精密结构装配精度还受到复杂应力场以及装配过程中各种不确定性因素的影响。针对精密结构装调周期不可控，装配精度难以保障的难题，本项目开展了理论、方法和应用三个方面的研究工作。.在理论层面上，本项目研究了考虑复杂应力场变形的公差分析和装配精度设计理论。通过构建典型配合表面的几何接触模型，创造性地提出了“有限元-边界元”相耦合的装配体应力场变形求解方法，并提出了基于几何公差与装配约束关系的三维装配偏差路径搜索方法，应用雅可比-旋量理论实现了各相对位置关系沿偏差传递路径的累积计算。.在方法层面上，本项目研究了基于关键尺寸序列的装配精度实时跟踪预测和控制方法。通过对装配体中关键几何特征进行统一的数学建模表达，确定了关键几何参数误差的数学表达方法，对装配过程中的误差传递进行了分析，并根据装配过程的误差流模型，建立并求解了装配过程的状态方程，从而确定了关键几何参数与装配精度的映射关系，实现了装配精度的实时跟踪和预测。.在应用层面上，本项目开展了KKV 导引头光学系统装配精度设计优化和过程控制实验研究。以某新一代KKV导引头光学系统为研究对象，对项目所取得的研究成果进行了实验验证和工程应用，具体包括导引头光学系统装配精度分析模型的构建、紧固力对光学系统镜片面形和结构变化影响的有限元分析，以及对装配精度预测的实验验证。.本项目的研究意义在于：第一，通过分析应力场变形对装配精度的影响机理，将应力场变形融入公差分析过程中，为精密结构装配精度的设计提供新理论；第二，通过确定关键几何参数与装配精度的映射关系，为精密结构装配精度的实时跟踪和精确控制提供新方法。