一种改进利用设计误差建模改进装配性能的方法与流程

本发明涉及机械设计加工技术领域，具体地，涉及一种在设计阶段建立符合要求的误差模型，从而对该误差造成的装配几何精度和力学性能进行评估，最终得到最佳的产品。

背景技术：

机械产品一般都由多个零部件装配构成，零件之间通过装配结合面接触，由螺钉连接在一起。在进行装配体的几何精度、力学性能分析时，各个零件的装配结合面是影响到装配性能的关键因素。传统的设计方法为某个特征设计相应的公差，如给某个平面设计平面度公差，但传统的设计并不考虑该平面在平面度公差内的误差分布状态，即设计阶段只是将零件的装配结合面视为理想的平面，这也就造成了相同公差要求的零件，其表面的误差分布形态不同，如图1，图2、图3示出了现有装配结合面中的误差形态。

图1表示的抛物面形的误差形态。图2表示的正弦形的误差形态。图3表示的马鞍形的误差形态。(图1、2、3中均为将结合面中的点进行x、y、z坐标登记，以记录装配结合面形状。)这也就导致了某些情况下，即便形状公差达到要求，但是装配性能依旧不佳。

背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

技术实现要素：

为了解决改进现有机械产品中装配性能，本申请提出了一种利用设计误差建模改进装配性能的方法。

具体地，该方法包括：确定形状公差范围；获得所述形状公差范围内的形状误差；根据所述形状误差确定表面误差分布形态；根据所述表面误差分布形态，建立零件误差模型，及相应的装配体的误差模型；将多个所述装配体的误差模型，进行几何精度和力学性能分析；根据所述装配几何精度和力学性能分析的结果，得出最佳几何精度和最佳力学性能对应的表面误差分布形态。

进一步地，通过检测已加工装配件的表面，得到所述已加工装配件表面的误差分布形态，由所述已加工装配件的表面误差分布形态分离系统误差和实际随机误差，由所述系统误差分离出所述形状误差。

进一步地，检测所述已加工装配件表面，得到所述已加工装配件的表面误差分布形态的方法为通过三坐标测量机或激光跟踪仪进行装配件表面不同位置点的位置信息测量，并记录各表面点的位置信息，形成已加工零件的表面误差分布形态。

进一步地，分离所述系统误差和所述实际随机误差的方法为，利用曲面回归分析模型和最小二乘法拟合包含系数的确定性曲面，定义所述表面点到所述确定性曲面的法向距离为残差，当第一系数所述确定性曲面上所有表面点的残差的总体平方和趋于最小，且服从空间独立性分布时，所述第一系数的确定性曲面为系统误差曲面。

进一步地，定义不存在误差的装配件加工面为理想平面，将所述系统误差所在平面与所述理想平面对比，未在所述理想平面内的表面点为形状误差点，所述形状误差点形成形状误差曲面。

进一步地，获得所述公差范围内的形状误差包括：设计误差曲面；对各不同曲面进行离散，以得到离散后的各设计位置点；在所述各设计位置点中，增加特定随机误差，得到所述形状误差。

进一步地，获得所述平面度公差范围内的特定的所述形状误差还包括平面度误差的调整。

进一步地，利用有限元分析法，分析多个所述装配体的误差模型的几何精度和力学性能，进而得到最佳几何精度和最佳力学性能所对应的表面误差分布形态。

进一步地，所述几何精度包括同轴度、平行度、垂直度，所述力学性能包括应力、应变、变形和接触均匀性。

本申请提供的方法在设计阶段就考虑装配结合面上可能出现的误差大小及误差分布形态，通过分析装配后的几何精度力学性能，可以根据需求(如装配的几何精度要求、力学性能指标等)来确定装配结合面的最佳误差大小和误差形态分布，并且可以根据最优的性能得到对应的装配工艺参数(如预紧力、配合角度等)。在设计阶段就为实现最优性能的产品提供了参考。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明背景中的抛物面形的误差形态。

图2为本发明背景中的正弦形的误差形态。

图3为本发明背景中的马鞍形的误差形态。

图4为本发明利用设计误差建模改进装配性能方法的主要流程图示。

图5.1-5.5为本申请已加工装配面的的形状误差分离过程，其中5.1为检测的装配件表面的原始点云坐标图；图5.2为剔除异常坐标点后的点云坐标图；图5.3为分离系统误差和随机误差，其中方格轮廓范围内的为系统误差，黑色点状的为随机误差；图5.4为形状误差曲面；图5.5为随机误差曲面。坐标计量单位均为10^-3米。

图6.1-6.4为本发明基于功能需求的形状误差分布形态的主动设计模型。其中图6.1为设计的抛物面类型的装配件结合面离散后的各点云坐标；图6.2为添加随机误差后的各点云坐标；图6.3、6.4为利用matlab或python等编程软件建立的确定性曲面过程。建立曲面的软件或方法可有多种，对此不做限制。

图7.1-7.3为本发明第三实施例中的建立装配件误差模型，进行力学性能和装配精度分析。其中图7.1为建立利用误差曲面建立装配件误差模型；图7.2为装配整体模型；图7.3为力学性能和装配精度分析。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。

特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

利用设计误差建模改进装配性能方法的主要流程

在以往的研究中，误差分布形态指某些数值的统计结果，如零件表面的z坐标在全局范围内服从正态分布、瑞利分布等；但这些统计特性分布并不能表达出误差的形态。装配性能主要受到宏观的形状误差的影响，因此本申请主要讨论如何通过形状误差的分析建模达到改进装配性能的目的。

图4为本发明利用设计误差建模改进装配性能方法的主要流程图示。

由图4可知，初步选择形状公差公差范围，根据形状公差范围内的大小和形态，先获得形状误差，再根据形状误差确定表面误差分布形态。其中获得形状误差的方法有两种。一为检测已加工零件的表面，获得点云1坐标。此时即为实际零件的表面误差分布形态。但是还需对误差进行分离，将该误差分为加工造成的具有重复性的系统误差和随机产生的随机误差。并将系统误差作为主要误差再进行分离，形成形状误差和位置误差。二为主动设计形状误差和对应的表面误差分布形态：首先设计曲面类型，离散曲面产生点云2坐标，该点云2坐标中均为形状误差，在其中添加随机误差后，即可得到误差表面点云坐标，即设计的表面误差状态。

由图4可知，建立的表面误差形态后，还需进行零件误差模型建立，进而进行对应的装配体模型的建立，再经过几何精度和力学性能分析，得到最佳几何精度和力学性能下对应的表面误差形态。由此方法便可在该装配条件下，进行表面误差分布形态设置，达到提升装配性能的目的。

已加工装配面的的形状误差分离过程

图5.1-5.5为本申请已加工装配面的的形状误差分离过程。详细操作步骤如下：

如图5.1所示，利用三坐标测量机或激光跟踪仪进行装配件表面不同位置点的位置信息测量，得到如图5.1所示的检测的装配件表面的原始点云坐标图。实际上，检测装配件表面位置点的仪器或方法有多种，本申请中仅提出两种常用仪器，对仪器的具体种类不做限制。

进而将该图中异常点剔除，得到如图5.2所示的点云位置坐标图。

再如图5.3分离系统误差和实际随机误差。具体方法为，利用曲面回归分析模型和最小二乘法拟合包含系数的确定性曲面，定义所述表面点到所述确定性曲面的法向距离为残差，当某一系数的确定性曲面所有表面点的残差的总体平方和趋于最小，且服从空间独立性分布时，该系数的确定性曲面为系统误差曲面，如图5.3所示。该系数可称为第一系数。详细的来说，最小二乘方法拟合曲面时，曲面的参数是可以变化的，参数变化后，实际误差点到拟合曲面的距离就会发生变化，这个距离就是残差。所以在众多的曲面中，必然有一组合适的曲面参数使残差的平方和最小。这个是常用的最小二乘法。而分离出的实际随机误差曲面如图5.5所示。其中曲面回归分析模型和最小二乘法拟合确定性曲面为本领域人员常用做法，在此不做详细描述。

对分离出的系统误差与不存在误差的加工面即理想平面进行对比，未位于该理想平面内的点为形状误差点，各个形状误差点形成了形状误差曲面。如图5.4所示。该形状误差是影响装配体力学性能(应力、接触均匀性等)的主要因素，且形状误差是后续模型的基础，因此需特别分离出加以分析。

基于功能需求的形状误差分布形态的主动设计模型

不同的产品中有着不同的结构、受力条件等，对结合面就有着不同的要求。可以根据需求为结合面设计特定的误差分布形态，如使零件结合面处有微量的凹陷，两个结合面在装配力的作用下被压紧，这种情况下结合面的接触状态会更好；此时接触表面的形态、凹陷量的大小都成为设计阶段需要考虑的因素；这种情况下，也需要考虑所选材料的性能和装配预紧力的作用。当主动设计误差分布形态时，应该考虑对装配精度和性能的影响，并且考虑到加工的难易程度，不能造成加工成本的大幅增加；也应以实际可能出现的误差形态为基础。

如图6.1-6.4，示出了基于功能需求的形状误差分布形态，主动进行平面误差模型设计的过程。如图6.1示出了设计的误差曲面，依据的公式如下：

f(x,y)＝a0 a1x a2y a3x² a4xy a5y² a6x³ a7x²y a8xy² a9y³……(1)

其中，ai为曲面方程系数，0≤i≤9；x,y为曲面上各点的横、纵坐标，通过调整方程中的各项ai系数或各变量次数以得到不同曲面。需要注意的是，可以参考上述的实际结合面上检测到的形状误差，进行模型的建立。如背景中提到的抛物面类型的点云形状，本实施例中即以抛物面型进行误差分布形态的模型建立。

进一步地，对上述建立地曲面模型进行离散，得到离散后的各设计位置点如图6.1所示。

建立的曲面模型往往还需要进行平面度调整。主要是针对平面度误差数值大小的调整。即若建立的曲面的外表面的外法向与z轴正向相同，则对于平面度误差，其点云的z坐标数值与平面度息息相关。为了保持误差面的趋势不变，可采用放缩的方式实现平面度误差的调整。可以按照式(2)所示的方法对各点的z坐标进行调整

zij'＝zij*tk/t0……………………………………………………(2)

式中，zij'表示放缩后的新坐标；zij表示放缩前的坐标；tk表示要求的平面度误差数值；t0表示当前点云的平面度误差数值。

然后，在上述各设计位置点中，添加随机误差，即得到所述设计表面误差分布形态，如图6.2所示。计量单位为毫米。放大600倍后如图6.3所示。利用matlab软件对该误差平面进行拟合，形成光滑曲面，如图6.4所示。

基于误差模型地装配性能分析

图7.1-7.3示出了将上述误差平面建立模型，进而利用有限元进行应力分析的过程。如图7.1所示，利用了上述地建立的抛物面类型的误差面，导入到理想的几何模型中，构建包含误差的零件模型。即将建立的误差模型面贴合在理想模型上，即构建了零件模型。误差面也可以选择图5.4中所示的实际检测零件中的形状误差曲面等进行模型建立，多种模型更有利于装配性能的分析。为了摒弃其他影响因素的影响，可以选择不带任何误差的理想模型。

如图7.2所示，将已建立的零件模型装配起来，并拧上连接件。需注意的是模拟中除去本申请建立的误差面，其他模型或连接件均为理想模型。

如图7.3所示，对包含误差的装配体模型进行网格划分，赋予材料模型、添加边界条件等，构建相应的有限元分析模型。并对该有限元模型进行分析，提取相应的结果，如应力、应变、变形和接触均匀性等。也可进行几何精度分析，如同轴度、平行度、垂直度等。

通过构建不同的误差曲面，可以在一公差范围内，建立足够数量的误差模型，并进行分析，得到最佳的力学性能和几何精度下，对应的误差分布形态。即得到最优的曲面参数，以此作为设计要求，进行误差曲面的设计。

该设计误差曲面的方法，不仅可以提升装配性能，还能依据特定需求设计误差形态，以达到装配性能更优良的效果。综上所述，通过对装配面公差的分析，及模型的建立进而再进行有限元力学性能分析，可以有效提升装配件的性能。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。