机械制造过程中尺寸路径图的理论与应用研究

影响机械装配/加工/毛坯制造各阶段目标尺寸精度的因素都可归结为两点：一是目标尺寸的形成路径，二是路径中的相关尺寸精度。.目标尺寸形成路径涉及到各种基准选择、加工顺序安排及零件尺寸标注模式等众多问题，将这些问题抽象为尺寸路径图，分别建立装配/工艺/毛坯制造各阶段的尺寸路径图，从中找出各类目标尺寸在形成过程中的一些普遍规律，通过优化尺寸路径图来优化上述众多问题。 .从各阶段的尺寸路径图中还能获取到完整的尺寸模型，在全体目标尺寸及公差的驱动下，自动生成其相应阶段的相关尺寸及公差，从而形成一套"尺寸路径优化与尺寸公差计算"为一体、面向全过程设计方法，能更好地满足尺寸驱动设计的需求。.对公差计算中出现的负公差及虚数公差给出解释，将其定义为虚公差，解决了公差连续性问题，完善并统一公差计算方法，适合计算机辅助设计。

毛坯制作、零件加工、机械装配构成装备制造的三大环节，这三个环节相互关联，但其最终目标是在最经济最环保的条件下满足装备的性能，其性能的一个重要指标是装备的精度，而三个环节中的几何（包括尺寸及位置）基准、尺寸及公差确定的合理与否会直接影响到装备的精度与生产成本，因此，以保证装备精度及其降低材料消耗为目标，综合研究三大环节中的基准及其尺寸及公差的设计理论与方法有重要的意义。本项目把各个环节中的尺寸形成的路径作为切入点，对基准与尺寸进行一体化研究取得了以下成果：.一、建立了装配尺寸路径图理论：研究表明，在装配体结构、各个功能尺寸的精度排序确定的情况下，各个功能尺寸的最短形成路径是唯一确定的，且该路径最容易保证各个功能尺寸的精度。路径图的功能有三个：1）面向装配体的全部功能尺寸，实现了装配体全数字化的尺寸及公差设计，对尺寸驱动的参数化设计有重要作用；2）能够表达装配体的全部功能尺寸与相关零件尺寸之间的关系，有利于从全局考虑各个零件的尺寸及公差的确定；3）路径图直接决定了装配体中全部零件的尺寸基准，这些基准能够使各个功能尺寸路径最短从而使其获得最高的精度。.二、建立了工艺尺寸路径图理论：研究表明，在机械加工工艺路线确定的情况下，各个零件的设计尺寸及其加工余量的形成路径是唯一确定的，路径图描述了工件的加工过程，对工艺路线进行了数学表达，有利于对工艺路线的优化，此外从路径图中还可以提取工艺过程中的全部尺寸关系，具有寻找工艺尺寸关系方便、便于计算机辅助设计等特点，工艺尺寸路径图已被《机械制造工程学》教材采用。.三、提出了毛坯尺寸基准选择原则：目前，毛坯尺寸基准的选取均与零件图尺寸基准一致，研究表明，这样不但会使毛坯各面粗加工余量误差增大，从而需增大余量，也会使零件尺寸误差增大，项目提出了基于具体加工工艺的毛坯尺寸基准选择原则，该原则已被清华大学王先逵教授主编的《机械制造工程学》教材采用。.四、实现了“误差补偿量及其补偿范围”的数字化描述：人们常用误差补偿的方法来保证装配精度，但误差补偿量及其补偿范围没有能够实现数字化描述，从而影响了误差补偿量的正确分析与计算，实际上，误差补偿与误差有其相同的基本属性，既然误差用公差来限制，那么误差补偿也能够用公差描述，因此我们提出用虚公差描述误差补偿量及补偿范围，使得误差补偿与误差得到了有机的统一，使得相关计算更加快捷与准确。