CN110457783B - 一种并联举升机构的装配误差分析及公差优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种并联举升机构的装配误差分析及公差优化方法，其特征在于，基于三维公差模型建立零件装配特征公差模型和装配误差传递模型，已知机构中某关键尺寸的装配精度要求，以最低加工成本为目标，以装配精度可靠度、并联配合面可装配性、加工能力为约束条件，建立零件装配特征公差优化模型，并构造适应度函数采用遗传算法求解所述零件装配特征公差优化模型。基于三维公差模型分析，能够将二维尺寸链无法表达的公差耦合关系引入机构的装配误差传递模型，使得装配误差的分析结果更加直观和精确。

Description

一种并联举升机构的装配误差分析及公差优化方法
技术领域
本发明属于机械装配技术领域，涉及机构装配精度，尤其是涉及一种并联举升机构的装配误差分析及公差优化方法。
背景技术
产品装配是指从零件到完整产品的过程，该过程也是零件装配特征加工误差不断累积形成装配误差的过程。为提高机构结构稳定性，零件间会出现并联配合形式。传统公差分析与设计以二维尺寸链为主，难以有效地表达公差之间的耦合关系以及机构装配完成时末端零件的位姿要求，并且未考虑到零件之间并联配合时的装配误差耦合问题。因此，建立一种通用的装配误差分析方法，对该类机构进行装配精度的求解和公差优化十分必要。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种并联举升机构的装配误差分析及公差优化方法，本方法基于三维公差模型分析，能够将二维尺寸链无法表达的公差耦合关系引入机构的装配误差传递模型，使得装配误差的分析结果更加直观和精确。
本发明解决上述问题采用的技术方案是：
一种并联举升机构的装配误差分析及公差优化方法，其特征在于，基于三维公差模型建立零件装配特征公差模型和装配误差传递模型，已知机构中某关键尺寸的装配精度要求，以最低加工成本为目标，以装配精度可靠度、并联配合面可装配性、加工能力为约束条件，建立零件装配特征公差优化模型，并构造适应度函数采用遗传算法求解所述零件装配特征公差优化模型。
上述技术方案中，主要包括以下步骤：S1：分析机构装配形式，确定各零件的装配优先级，绘制装配有向图，用以反映机构的装配信息；S2：建立装配特征公差模型；S3：建立并联配合面的装配误差模型；S4：建立机构装配误差模型；S5：求解装配精度可靠度；S6：建立公差优化模型；S7：构造适应度函数：S8：利用遗传算法求解优化模型。
按上述方案，所述步骤S1中，利用装配有向图反映机构的装配优先级和配合形式。
按上述方案，所述步骤S2中，针对每个零件装配特征，建立零件坐标系，综合尺寸公差和形位公差，建立公差域变动模型，得到每个装配特征的位移旋量参数，建立位移旋量参数的误差矩阵。
用一组位移旋量参数(u v w α β γ)表示装配特征变动，旋量变动区间由装配特征的公差决定。
按上述方案，所述步骤S3中，将零件实体特征离散化，选取若干关键点，通过计算装配完成时对应关键点在某些方向的位置关系来判断零件是否发生实体干涉，在具有并联关系的多处配合面时，通过求解各配合面单独装配完成时，在精度输出面某个方向上的误差分量的公共区间，得到具有并联关系的多处配合面在同一方向上的误差分量。
按上述方案，所述步骤S3中，求解零件之间配合面的装配误差时，先分析各对配合面误差旋量是否存在互相约束；若不存在，则该方向上的误差分量只受某一对配合面影响，其值为该配合面误差分量值；若存在，则先求解各配合面单独装配完成时，在精度输出面某个方向上的误差分量的公共区间，得到具有并联关系的多处配合面在同一方向上的误差分量，其值为该配合面误差分量值。
按上述方案，所述步骤S4中，利用齐次变换矩阵，引入装配特征误差变动矩阵，建立机构装配误差传递模型。
按上述方案，所述步骤S5中，以各零件特征公差T＝(Td1,Td2...Tdn,Tp1,Tp2...Tpn)作为基本变量，以装配精度相关函数R(T)和装配精度要求I构造状态函数g(T)＝I-R(T)来求解装配精度可靠度。
按上述方案，所述步骤S6中，以最低加工成本为目标函数，以装配精度可靠度、并联配合面可装配性、加工能力为约束条件，建立零件装配特征公差优化模型。
按上述方案，所述步骤S7中，将装配精度可靠度与加工成本赋予不同权重值构造适应度函数，使优化后零件装配特征公差优化模型兼顾装配精度和加工成本。
按上述方案，所述步骤S8中，利用遗传算法求解零件装配特征公差优化模型。
相对于现有技术，本发明从机构装配误差传递规律出发，根据机构结构特征建立装配误差模型，以装配精度可靠性评估装配精度要求，建立公差优化模型并采用遗传算法求解。已知机构中某关键尺寸的装配精度要求，在满足其装配精度要求的前提下，以最低加工成本为目标优化零件装配特征公差。考虑到了并联配合面的装配误差耦合问题；同时基于三维公差模型建立机构装配误差模型，可以求解关键部件的位姿误差。基于三维公差模型分析，能够将二维尺寸链无法表达的公差耦合关系引入机构的装配误差传递模型，使得装配误差的分析结果更加直观和精确。
附图说明
图1为根据本发明实施的机构装配误差建模流程图
图2为利用遗传算法求解公差优化模型流程图。
具体实施方式
下面结合附图1-2对本发明作进一步的详细描述，但不限定本发明。
本发明包括以下步骤：S1：绘制装配有向图步骤；S2：建立装配特征公差模型步骤；S3：建立并联配合面装配误差模型步骤；S4：建立机构装配误差模型步骤；S5：求解装配精度可靠度步骤；S6：建立公差优化模型步骤；S7：构造适应度函数步骤：S8：利用遗传算法求解优化模型步骤。
本发明的分析与优化过程是：
S1：分析机构装配形式，确定各零件的装配优先级，绘制装配有向图，用以反映机构的装配信息。
S2：针对每个零件装配特征，建立零件坐标系，综合尺寸公差和形位公差，建立公差域变动模型，得到每个装配特征的位移旋量参数，建立位移旋量参数的误差矩阵。
S3：求解零件之间配合面的装配误差，并联配合面间的装配误差由各对配合面误差旋量是否存在互相约束共同决定；若不存在，则该方向上的误差分量只受某一对配合面影响，其值为该配合面误差分量值；若存在，则先求解每对配合面单独装配时的装配误差，然后取同一方向的误差分量的公共区间，可得其输出装配误差该方向分量。
S4：利用齐次变换矩阵，依据装配路径，可以求得精度链末端零件相对于基准零件的理想位姿。将配合面间装配误差作为变换矩阵引入装配误差传递路径，可得精度链末端零件相对于基准零件的实际位姿，从而得到其位姿误差，其装配误差建模流程如图1所示。
S5：利用其位姿误差表达式与装配精度要求构建状态函数g(T)，采用蒙特卡洛法计算装配精度可靠度。位移旋量参数(u v w α β γ)实际变动区间为公差T的函数，而公差旋量即为状态函数中基本变量，因此装配精度可靠度R(T)亦是各零件公差的函数。
S6：采用线性与指数混合模型，计算每个装配特征加工成本，得到机构总加工成本，将其作为构成目标函数。将装配精度可靠度，并联配合面可装配性，加工能力作为约束条件，以此构建公差优化模型。
S7：通过对装配精度可靠度和总加工成本赋予权重值构造适应度函数求解，使得优化结果兼顾成本与装配精度。
S8：该模型属于约束规划模型，可采用遗传算法求解，零件装配特征公差优化模型求解过程如附图2所示。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明方法实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方法的保护范围内。

Claims (7)

1.一种并联举升机构的装配误差分析及公差优化方法，其特征在于
包括以下步骤：
S1：分析机构装配形式，确定各零件的装配优先级，绘制装配有向图，用以反映机构的装配信息；
S2：基于三维公差模型建立零件装配特征公差模型；
S3：基于三维公差模型建立并联配合面的装配误差模型；并联配合面间的装配误差由各对配合面误差旋量是否存在互相约束共同决定；若不存在，则该方向上的误差分量只受某一对配合面影响，其并联配合面间的装配误差为该配合面误差分量值；若存在，则先求解每对配合面单独装配时的装配误差，然后取同一方向的误差分量的公共区间，作为并联配合面间的装配误差；
S4：建立机构装配误差模型；
S5：求解装配精度可靠度；
S6：已知机构中某关键尺寸的装配精度要求，以最低加工成本为目标，以装配精度可靠度、并联配合面可装配性、加工能力为约束条件，建立零件装配特征公差优化模型；
S7：构造适应度函数：
S8：利用遗传算法求解解所述零件装配特征公差优化模型。
2.根据权利要求1所述的并联举升机构的装配误差分析及公差优化方法，其特征在于所述步骤S1中，利用装配有向图反映机构的装配优先级和配合形式。
3.根据权利要求1所述的并联举升机构的装配误差分析及公差优化方法，其特征在于所述步骤S2中，针对每个零件装配特征，建立零件坐标系，综合尺寸公差和形位公差，建立公差域变动模型，得到每个装配特征的位移旋量参数，建立位移旋量参数的误差矩阵。
4.根据权利要求1所述的并联举升机构的装配误差分析及公差优化方法，其特征在于所述步骤S4中，利用齐次变换矩阵，引入装配特征误差变动矩阵，建立机构装配误差传递模型。
5.根据权利要求1所述的并联举升机构的装配误差分析及公差优化方法，其特征在于所述步骤S5中，以各零件特征公差T＝(Td1,Td2...Tdn,Tp1,Tp2...Tpn)作为基本变量，以装配精度相关函数R(T)和装配精度要求I构造状态函数g(T)＝I-R(T)来求解装配精度可靠度。
6.根据权利要求1所述的并联举升机构的装配误差分析及公差优化方法，其特征在于所述步骤S6中，以最低加工成本为目标函数，以装配精度可靠度、并联配合面可装配性、加工能力为约束条件，建立零件装配特征公差优化模型。
7.根据权利要求1所述的并联举升机构的装配误差分析及公差优化方法，其特征在于所述步骤S7中，将装配精度可靠度与加工成本赋予不同权重值构造适应度函数，使优化后零件装配特征公差优化模型兼顾装配精度和加工成本。
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