尹立明 葉佩青 張 輝
清華大學(xué)精密超精密制造裝備與控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,100084
?
基于等效運(yùn)動(dòng)副化及運(yùn)動(dòng)副退化的公差分析法
尹立明 葉佩青 張 輝
清華大學(xué)精密超精密制造裝備與控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,100084
針對(duì)公差不僅在數(shù)值上具有隨機(jī)性,其所約束的幾何特征在空間的位置姿態(tài)上也具有隨機(jī)性的特點(diǎn),提出了公差約束等效運(yùn)動(dòng)副化及運(yùn)動(dòng)副退化法。等效運(yùn)動(dòng)副化將公差約束的幾何特征轉(zhuǎn)化為被運(yùn)動(dòng)副控制的幾何特征,該等效運(yùn)動(dòng)副本身是虛擬的具有多自由度的等效運(yùn)動(dòng)副,將公差約束的幾何特征轉(zhuǎn)化為被多自由度運(yùn)動(dòng)副控制的幾何特征,裝配體轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)無(wú)誤差的開(kāi)環(huán)機(jī)械臂,考慮到因裝配工藝而產(chǎn)生的不同運(yùn)動(dòng)副自由度之間的相互制約的現(xiàn)象,采用運(yùn)動(dòng)副退化法去除冗余自由度,由此建立裝配體公差分析模型,并將裝配體公差模型分析的數(shù)值與加工裝配體的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。
公差分析; 等效運(yùn)動(dòng)副化; 運(yùn)動(dòng)副退化; 公差累積
特征要素形位精度不僅受到零件本身尺寸公差與形位公差的影響,也受到參與到裝配順序、裝配環(huán)節(jié)[1]中各個(gè)零件的尺寸公差與形位公差的影響?,F(xiàn)有公差研究與公差分析主要解決兩個(gè)方面的問(wèn)題,即零件層面的公差語(yǔ)義表述[2-3]、幾何表述和裝配層面的公差累積與影響[4-5]。特征要素所處空間位置姿態(tài)形態(tài)復(fù)雜,且具有隨機(jī)性[6],公差設(shè)計(jì)的目的就是給出滿足產(chǎn)品功能要求的尺寸與形位誤差的可行域空間[7],將特征要素剛體化[8-10]是目前公差研究中被廣泛接受的處理方法,那么特征要素公差范圍就轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際特征要素對(duì)理想幾何體的形位偏離,這樣處理便于采用數(shù)學(xué)工具[11-12]進(jìn)行分析計(jì)算,小位移旋量(small displacement torsor, SDT)理論建立了標(biāo)準(zhǔn)幾何體公差的數(shù)學(xué)模型[8],用于分析零件特征要素公差是否滿足設(shè)計(jì)公差要求的層面,和討論零件特征要素?cái)?shù)學(xué)模型是否符合如最大實(shí)體要求、最小實(shí)體要求等原則作用的范圍,難以應(yīng)用于解決設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、自頂向下設(shè)計(jì)流程中的根本問(wèn)題[13]。進(jìn)行基于裝配順序的部件公差分析是以裝配體各零部件之間裝配順序?yàn)榛A(chǔ),通過(guò)圖表法建立定位面之間公差傳遞關(guān)系[14],進(jìn)而建立線性尺寸鏈[15]或包含函數(shù)數(shù)值關(guān)系[16]的尺寸鏈求解模型進(jìn)行求解,但無(wú)法體現(xiàn)公差不僅在數(shù)值上具有隨機(jī)性,而且在所約束的幾何特征在空間的位置姿態(tài)上更具有隨機(jī)性的特點(diǎn)。被加工零件特征要素的隨機(jī)性體現(xiàn)在數(shù)值的隨機(jī)性與位置姿態(tài)的隨機(jī)性這兩個(gè)方面,公差分析中采用最大數(shù)值求解、均方根、Monte Carlo方法[17-19]處理零部件在數(shù)值上的隨機(jī)性的特點(diǎn)是滿足要求的,但這不能體現(xiàn)特征要素在尺寸公差與形位公差共同約束下具有的位置姿態(tài)的隨機(jī)性問(wèn)題,特別是對(duì)于裝配體公差分析而言這一點(diǎn)尤其重要。對(duì)于裝配體公差分析,存在兩個(gè)需要解決的問(wèn)題:①位于裝配體中的特征要素的位置姿態(tài)公差模型的建立;②可以表達(dá)任一位置姿態(tài)的公差數(shù)學(xué)模型的建立。對(duì)于問(wèn)題①,有研究采用坐標(biāo)變換法解決公差偏離的問(wèn)題,采用空間運(yùn)動(dòng)學(xué)求解某個(gè)特例的裝配體公差分析問(wèn)題,但并沒(méi)有討論公差約束之間的相互作用關(guān)系。因此,本文提出了基于公差約束等效運(yùn)動(dòng)副化及等效運(yùn)動(dòng)副退化的方法,建立了基于SDT理論的裝配公差分析模型。對(duì)于問(wèn)題②,本文討論并給出了可以表達(dá)基于6個(gè)自由度的任一位置姿態(tài)的公差數(shù)學(xué)模型,從而避免了公差分析中不失一般性的假設(shè),數(shù)學(xué)表達(dá)式的建立也為計(jì)算機(jī)編程和分析計(jì)算提供了算法程序。
根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步給出公差要求,該裝配體結(jié)構(gòu)共由3個(gè)零件組成,零件結(jié)構(gòu)、尺寸要求如圖1~圖3所示,公差要求見(jiàn)表1~表3,裝配體結(jié)構(gòu)如圖4所示,零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中影響到孔相對(duì)于機(jī)架定位面的公差見(jiàn)表4。
(a)主視圖(b)剖視圖圖1 結(jié)構(gòu)1公差及尺寸要求
(a)主視圖(b)剖視圖圖2 結(jié)構(gòu)2公差及尺寸要求
(a)底向約束示意圖(b)側(cè)向約束示意圖圖3 結(jié)構(gòu)3公差及尺寸要求
序號(hào)特征/基準(zhǔn)公差類型公差值(mm)1面/面0.0062面/面0.0153面/面0.0064面/面0.0155面/面0.0066軸/面0.0067軸/面0.0108孔0.2179面/面0.015
表2 結(jié)構(gòu)2公差類型及公差值
表3 結(jié)構(gòu)3公差類型及公差值
圖4 裝配體結(jié)構(gòu)圖
序號(hào)特征/基準(zhǔn)公差類型公差值(mm)1軸/面0.0102孔0.2173面/面0.0154面/面0.0065面/面0.0406面/面0.0107面/面0.0158面/面0.0069面/面0.01510面/面0.01511面/面0.01012面/面0.006
對(duì)上述公差約束下的裝配體組裝件進(jìn)行等效運(yùn)動(dòng)副變換,從裝配流程上分析,裝配體安裝后影響錐頂位置精度的公差共12個(gè),因此,對(duì)裝配體運(yùn)動(dòng)副變換后的構(gòu)件如圖5所示,圖5a是裝配體安裝示意圖,圖5b為等效運(yùn)動(dòng)副的剛體結(jié)構(gòu),圖5b中①,②,…分別表示第1、第2、第3個(gè)運(yùn)動(dòng)副,其中數(shù)字的順序表示運(yùn)動(dòng)副計(jì)算流程的順序,這里的運(yùn)動(dòng)副均為具有多個(gè)自由度的復(fù)合運(yùn)動(dòng)副,因此圖示的形狀并不代表運(yùn)動(dòng)副的形式。
(a)裝配體實(shí)際結(jié)構(gòu) (b)等效運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)化體圖5 裝配體的公差約束的等效變換
加工特征相對(duì)于理想特征產(chǎn)生的偏離可以用偏離矩陣Rot(x,θ)、Rot(y,θ)、Rot(z,θ), τxyz(x,y,z)表示,根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí),空間剛體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)可以分解為繞x、y、z軸的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和沿x、y、z軸的3個(gè)移動(dòng)自由度。繞軸x發(fā)生偏離,偏離角度為θx,則偏離矩陣表達(dá)式為
(1)
沿x、y、z軸發(fā)生偏離,偏離位移分別為δx、δy、δz,則偏離矩陣表達(dá)式為
(2)
繞y、z軸產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)偏離矩陣的表達(dá)式分別為
(3)
(4)
經(jīng)過(guò)繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)偏離和沿軸都位移偏離,剛體的變換矩陣可以表示為
Tzyx=Rot(z,θ)×Rot(y,θ)×Rot(x,θ)×
τxyz(x,y,z)
(5)
在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)中,式(5)中矩陣運(yùn)算的次序是不可以更改的,因?yàn)椴煌涡蜃罱K將得到不同的剛體位置姿態(tài),也就是運(yùn)算次序的改變將使剛體運(yùn)動(dòng)發(fā)生差異,也因?yàn)榧庸ふ`差是加工允許范圍內(nèi)的各種情況,是不能窮舉的,因此,應(yīng)用上述表達(dá)式對(duì)加工公差進(jìn)行預(yù)測(cè)是不可取的。根據(jù)公差分析的需要,需要建立統(tǒng)一的公差表達(dá)式,統(tǒng)一表達(dá)式是公差分析環(huán)節(jié)的第一步。
泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)式是化簡(jiǎn)復(fù)雜等式的有力工具,函數(shù)項(xiàng)sinθx和cosθy展開(kāi)式分別為
(6)
(7)
采用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)后,繞x、y、z軸產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差偏離量Rot(x,θ)、Rot(y,θ)、Rot(z,θ)分別為
(8)
(9)
(10)
公差表達(dá)式為
(11)
A=δx-δy(θz-θxθy)+δz(θy+θxθz)
B=δxθz+δy(θxθyθz+1)-δz(θx-θyθz)
C=-δxθy+δyθx+δz
在精密機(jī)械中,公差相對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸是極小值,公差偏離量θx、θy、θz、δx、δy、δz均為極小值,略去式(11)中二階小量,式(11)將化簡(jiǎn)為
(12)
交換表達(dá)式中偏離矩陣的次序得到:
Tzyx=Txzy=Tzyx=Txyz=Tyxz=Tyzx
(13)
得到的式(12)與偏離矩陣的運(yùn)算次序無(wú)關(guān),因此,式(12)是可以用于公差分析的統(tǒng)一表達(dá)式。
設(shè)計(jì)人員給出的公差設(shè)計(jì)需要滿足功能需求,ASME Y14.5-2005及GB/T1182-2008規(guī)定了幾何特征與公差類型約束關(guān)系,表5給出了基于SDT理論的幾何特征、公差類型、偏離向量相互對(duì)應(yīng)的偏離向量。
表5 公差類型與偏離向量
裝配體運(yùn)動(dòng)副的自由度需根據(jù)實(shí)際公差約束特征的形式確定,裝配體公差約束特征的等效運(yùn)動(dòng)副自由度見(jiàn)表6,表6中運(yùn)動(dòng)副自由度根據(jù)約束類型、約束特征確定。
表6 等效運(yùn)動(dòng)副引入的自由度
裝配過(guò)程中各定位特征所限定的自由度是存在差別的,因此,實(shí)際參與到裝配中的運(yùn)動(dòng)副根據(jù)裝配工藝及結(jié)構(gòu)安裝定位形式運(yùn)動(dòng)副將發(fā)生退化,退化后的運(yùn)動(dòng)副所引入的自由度將減少,根據(jù)裝配工序、工藝分析,本裝配體考慮運(yùn)動(dòng)副退化后的等效運(yùn)動(dòng)副自由度見(jiàn)表7。
表7 等效運(yùn)動(dòng)副退化后的自由度
為了便于分析每個(gè)特征的偏離量對(duì)裝配體精度等的影響,需建立局部坐標(biāo)系和全局坐標(biāo)系,局部坐標(biāo)系用于描述裝配環(huán)中各個(gè)特征可能的偏離程度,全局坐標(biāo)系用于描述結(jié)構(gòu)體空間位置精度。全局坐標(biāo)系建立在裝配體底面理論幾何中心上,局部坐標(biāo)系建立在局部特征理論幾何中心上,局部坐標(biāo)系的z軸正向?yàn)樘卣鞯耐夥ň€方向,根據(jù)右手定則建立。局部坐標(biāo)系下的偏離向量轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系下的偏離向量需經(jīng)過(guò)方向矩陣變換,建立公差偏離向量的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣,見(jiàn)表8,變換矩陣根據(jù)等效運(yùn)動(dòng)副的先后順序建立。
表8 特征局部坐標(biāo)相的方位轉(zhuǎn)換矩陣
將局部坐標(biāo)偏移向量轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系偏移向量的變換公式是
SDTG=d{i}×SDTL
(14)
其中,d{i}即變換矩陣,全局坐標(biāo)系選擇在裝配體結(jié)構(gòu)底面理論幾何中心,采用笛卡兒坐標(biāo)系;SDTG代表全局坐標(biāo)系偏離向量,SDTL代表局部坐標(biāo)系偏離向量。
基于加工特征數(shù)學(xué)模型的建立及處理后,便可以進(jìn)行裝配體公差分析,并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算,結(jié)構(gòu)位置精度變化的計(jì)算過(guò)程需從遠(yuǎn)離機(jī)架的一端開(kāi)始,等效運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)換后的運(yùn)動(dòng)傳遞鏈末端的運(yùn)動(dòng)副就是計(jì)算開(kāi)始的運(yùn)動(dòng)副,并由末端向機(jī)架逐個(gè)進(jìn)行分析和求解,即
(15)
(16)
(17)
其中,Di是第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置。分析計(jì)算在MATLAB里編程實(shí)現(xiàn),并輸出計(jì)算結(jié)果,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9。
表9 特征偏離量數(shù)值計(jì)算值
為了驗(yàn)證上述公差分析方法及程序的正確性,進(jìn)行相關(guān)零件的設(shè)計(jì)、加工制造、裝配、檢測(cè)。零件的加工根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行,加工的零件經(jīng)檢測(cè)滿足設(shè)計(jì)圖紙要求,加工的零部件及檢測(cè)如圖6所示,裝配環(huán)中的公差實(shí)驗(yàn)檢測(cè)值見(jiàn)表10,實(shí)驗(yàn)采用蔡司三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行檢測(cè),三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)型號(hào)為ZEISS PRISMO navigator,線性尺寸E0檢測(cè)誤差為(0.5+L/500)μm,滿足實(shí)驗(yàn)要求。對(duì)裝配體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè),裝配后孔51實(shí)驗(yàn)檢測(cè)值見(jiàn)表11,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,公差累積滿足公差累積分析模型的預(yù)測(cè)結(jié)果。證明采用參數(shù)化、運(yùn)動(dòng)副化、程序化的公差累積分析模型是解決裝配體公差累積分析的一種行之有效的方法。
圖6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
序號(hào)公差類型偏離量(mm)10.0100620.2079330.0143840.0060750.0374960.0095170.0131680.0059790.01472100.01321110.09775120.00548
表11 裝配體孔51實(shí)驗(yàn)檢測(cè)值
本文針對(duì)裝配體公差分析問(wèn)題,首先采用等效運(yùn)動(dòng)副化處理公差所引入的裝配體結(jié)構(gòu)位置姿態(tài)精度變化及采用運(yùn)動(dòng)副退化法處理不同運(yùn)動(dòng)副自由度之間的相互影響,然后給出了公差統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達(dá)式,最后將模型分析數(shù)值與加工裝配體的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比,實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明,基于等效運(yùn)動(dòng)副化及運(yùn)動(dòng)副退化的公差分析法是預(yù)測(cè)公差累積現(xiàn)象的一種行之有效的方法。后續(xù)開(kāi)展的工作是將上述分析流程及分析方法程序化與可視化,通過(guò)圖形的變動(dòng)為設(shè)計(jì)人員提供直觀的公差過(guò)程與結(jié)果。
[1] Wu Yuguang. Assembly Tolerance Analysis Method Based on the Real Machine Model with Three Datum Planes Location[J].Procedia CIRP,2015, 27: 47-52.
[2] Li H, Zhu H P, Li P G, et al. Tolerance Analysis of Mechanical Assemblies Based on Small Displacement Torsor and Deviation Propagation Theories[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2014, 72(1/4): 89-99.
[3] Li C L, Yang J X, Wang J Y, et al. A Comparison Study of Small Displacement Torsor and Analysis Line Methods for Functional Tolerance Analysis[J]. Advanced Materials Research, 2012, 605/607(4):358-364.
[4] Zhang W M, Chen C, Li Pengzhong, et al. Tolerance Modeling in Actual Working Condition Based on Jacobian-torsor Theory[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems CIMS, 2011, 17(1):77-83.
[5] Hong Y S, Chang T C. A Comprehensive Review of Tolerancing Research[J]. International Journal of Production Research,2002, 40(11): 2425-2459.
[6] Chang-Hsin K, Jhy-Cherng T. An Analytical Computation Method for Statistical Tolerance Analysis of Assemblies with Truncated Normal Mean Shift[J]. International Journal of Production Research,2011, 49(7): 1937-1955.
[7] Barbero B R, Aragón A C, Pedrosa C M. Validation of a Tolerance Analysis Simulation Procedure in Assemblies[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2015, 76(5/8):1-14.
[8] Li H, Zhu H, Li P, et al. Tolerance Analysis of Mechanical Assemblies Based on Small Displacement Torsor and Deviation Propagation Theories[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, 72(1/4):89-99.
[9] Li X L, Li G H, Wang J Y, et al. Three Dimensional Assembly Tolerance Analysis of Gear Drivetrain[J]. Advanced Materials Research,2013, 655/657:1656-1661.
[10] 吳玉光,劉玉生.面向公差技術(shù)的幾何要素自由度表示與操作及其應(yīng)用[J].中國(guó)機(jī)械工程, 2015,26(11): 1509-1515. Wu Yuguang,Liu Yusheng. DOF Representation and Operation of Geometric Feature and Its Applications for Tolerance Technology[J].China Mechanical Engineering,2015,26(11): 1509-1515.
[11] Jaishankar L N, Davidson J K, Shah J J. Tolerance Analysis of Parallel Assemblies Using Tolerance-maps and A Functional Map Derived from Induced Deformations[C]//Proceedings of The ASME International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference.Portland, 2013:V03BT03A008.
[12] Govindarajalu J, Karuppan S, Manoharan T. Tolerance Design of Mechanical Assembly Using NSGA II and Finite Element Analysis[J]. Journal of Mechanical Science and Technology,2012, 26(10): 3261-3268.
[13] Sahani A K, Jain P K, Sharma S C. Tolerance Stack up Analysis for Angularity of Components and Their Assembly[J]. Procedia Engineering, 2014, 69(1):952-961.
[14] Marziale M, Polini W. Review of Variational Models for Tolerance Analysis of an Assembly[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part B Journal of Engineering Manufacture, 2011, 225(B3):305-318.
[15] Dumas A, Gayton N, Dantan J Y, et al. A new System Formulation for the Tolerance Analysis of Overconstrained Mechanisms[J].Probabilistic Engineering Mechanics, 2015, 40:66-74.
[16] Tang S Y, Guan D, Wu X, et al. Analysis on Virtual Assembly Tolerance for Pitch-adjustable Lateral Propulsion Device [J]. Procedia CIRP, 2015, 27:131-136.
[17] 余治民,劉子建,董思科,等.基于蒙特卡羅模擬與響應(yīng)面方法的公差建模[J].中國(guó)機(jī)械工程, 2015,26(4): 427-434. Yu Zhimin,Liu Zijian,Dong Sike,et al.Tolerance Modeling Based on Monte-Carlo Simulation and Response Surface Method[J].China Mechanical Engineering,2015,26(4): 427-434.
[18] Khodaygan S, Movahhedy M R.Tolerance Analysis of Assemblies with Asymmetric Tolerances by Unified Uncertainty-accumulation Model Based on Fuzzy Logic[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2011, 53(5/8): 777-788.
[19] Wang Hui,Yu Tianxiang,Pang Huan,et al. Mechanism Reliability Simulation Analysis for Multi-support Axis Seizure Considered Assembly Tolerance[C]//International Conference on Quality, Reliability,Risk,Maintenance,and Safety Engineering.Xi’an,2011: 35-41.
(編輯 陳 勇)
Tolerance Analysis Based on Equivalent Kinematic Pair and Degradation of Kinematic Pair
Yin Liming Ye Peiqing Zhang Hui
Beijing Key Lab of Precision Manufacturing Equipments of Tsinghua University,Beijing,100084
Subject to the random characteristics in deformations, position and value of the features which were constrained by tolerance, a method to analyze the stack-up of tolerance by deeming tolerance constrains to equivalent kinematic pair was proposed herein. Under the situation of equivalent kinematic pair, the features constrained by tolerance were transformed to the features constrained by n-DOF of kinematic pair and the assembly would be transformed to a robot arm, which connected by the rigid parts and without any errors. As the results of the assembly processes, the affections of interaction among different kinematic pairs were the emerging problems after transformed. To deal with that problems, the method of degradation for kinematic pair was proposed herein. Then the formula to analyze stack-up of tolerance was established based on the method of equivalent kinematic pair and degradation for kinematic pair. Finally, those methods were used to analyze a realistic assemble product, and compared the calculated values with the experimental results.
tolerance analysis; equivalent kinematic pair; degradation of kinematic pair; tolerance stack-up
2016-01-11
國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAI03B002);北京市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(Z141100000514015);清華大學(xué)自主科研項(xiàng)目(20111081026);清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題重點(diǎn)項(xiàng)目(SKLT12A03)
TH115
10.3969/j.issn.1004-132X.2016.22.001
尹立明,男,1982 年生。清華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)優(yōu)化與力學(xué)分析。葉佩青,男,1963年生。清華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院研究員、博士研究生導(dǎo)師。張 輝,女,1969年生。清華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副研究員、博士研究生導(dǎo)師。