精密机械系统误差传递机理与建模

装配质量和精度控制一直是精密/超精密机械制造的瓶颈问题，也是我国相关领域与国际一流水平的主要差距之一。如惯导器件制造中一个普遍问题是零部件加工质量合格的情况下，装配后系统精度达不到设计要求，装配成品率往往很低。其主要原因之一是精密机械系统中零部件加工误差、表面质量、装配误差以及装配工艺参数（即制造特性参数）等因素对系统装配精度的影响规律从理论上尚不清楚，装配工艺带有很大的盲目性。针对上述问题，本项目以精密惯导器件为研究对象，重点研究精密机械系统中零部件加工误差、装配误差、装配力以及由这些因素引起的非均匀接触状态等对系统装配精度的影响机理，在突破形位误差建模、形位误差引起的非均匀接触力学建模和非线性几何误差的数学表达方法等关键问题的基础上，提出考虑误差耦合的精密机械系统误差传递模型和精密机械系统"误差"与"装配精度"定量或半定量分析方法，为提高精密机械系统装配精度和装配成品率提供理论依据。

本项目研究了精密机械系统中零部件加工误差、装配误差、装配力以及由这些因素引起的非均匀接触状态等对系统装配精度的影响机理，在突破了形状误差评价、误差传递建模和非线性几何误差的数学表达方法等关键问题，为提高精密机械系统装配精度和装配成品率提供理论依据。获得发明专利2项，发表论文16篇，其中SCI检索论文3篇，EI检索论文10篇。毕业博士和硕士研究生4人，在读博士和硕士研究生3人。部分研究成果已应用到兵器、航天领域的基础科研和装配工艺指导中。具体的研究进展和主要创新点如下：.1、提出了基于振型分解模型的形状误差的建模方法。形状误差振型分解模型具有充分的数学依据。通过对比重构与测量的形状误差，证明振型分解模型的有效性。根据振型系数，确定形状误差的主导误差，即具有较大振型系数的振型，并据此得到了一种形状误差的分布规律定量描述的方法，同时可以指导引起主导装配误差的加工工艺系统参数分析。部分成果首次发表在“北京理工大学学报”自然科学版上。.2、在国际上首次提出了面向精密装配的形状误差评价问题，并提出一种基于信息熵的平面形状误差评价方法。该方法针对平面形状误差域内的形状分布误差，以装配精度为衡量目标，定量评价形状误差对装配精度的影响大小，弥补了以最小包容原理为基础的现有国际标准评定方法的不足。本研究成果为面向精密装配的几何精度和误差理论研究这一新的领域起到了一定的引领作用。部分成果首次发表在“CIRP CAT2012”会议上（首次设立了“面向装配的误差问题”专题）和“Journal of Engineering Manufacture”上。.3、提出考虑形状误差的配合表面接触状态分析方法。该方法全面考虑了配合表面的形状误差和非均匀装配接触力导致的变形附加误差，为精密机械系统的装配精度定量预测进一步深入研究提供了较好途径；部分成果首次发表在“Applied Mechanics and Materials”期刊上。.4、提出一种基于状态空间的精密机械系统误差传递建模方法。该方法全面考虑形状误差和变形附加误差，采用微分运动向量描述加工导致的特征误差和装配导致的配合误差，运用齐次坐标变换理论，推导系统传递矩阵，定量描述精密机械系统误差的传递和累积效应。误差传递模型可用于预测装配精度、指导装配工艺优化，从而提高装配精度。部分成果首次发表在“机械工程学报”2013年第2期上。