面向产品功能的三维公差设计与优化方法研究

本项目从复杂产品的功能设计出发，以新一代产品几何技术规范标准为基础，利用共形几何代数和非线性最优化理论等现代数学工具，开展三维功能公差设计与优化方法研究。在分析产品装配结构和零件装配连接的基础上，归纳和总结保证产品正常工作的各种几何条件，自动生成相应的几何功能要求；建立公差规范知识库系统，研究将复杂几何功能要求转化为所有影响零件三维公差链的规范与验证算法；综合考虑零件的几何偏差、装配间隙和定位特征优先顺序的影响，研究装配连接的三维几何偏差传递和累积关系，确定三维公差链中各公差的影响系数和百分比贡献；提出零件几何模型的参数化方法，探讨多目标公差优化模型的有效数值解法；设计、开发出完整的计算机辅助公差设计系统。以上研究将建立一整套三维公差设计理论和方法，在产品设计阶段实现对最终产品几何行为的预测，保证产品数字化设计过程的连续性，有助于提高我国机械工业的核心竞争力，具有重要的理论意义和实用价值。

产品几何质量的控制对于机械领域的企业一直是个非常重要的挑战，贯穿了产品生命周期的全过程。本项目从复杂产品的功能设计出发，以新一代产品几何技术规范标准为基础，利用共形几何代数等现代数学工具，开展三维功能公差设计方法研究，有助于提高我国机械工业的核心竞争力。.根据产品的三维装配模型、装配工艺和装配顺序，定义产品在不同工作位形下各零件之间的装配连接。归纳和总结了保证产品的工作精度、可制造性、可装配性与可维护性的各种几何条件，采用ISO 公差语言对几何功能要求进行表达和量化。基于ISO 公差标准，提出了装配定位特征公差规范模式的知识定义与表示方法，建立了功能公差规范知识库。将不同几何功能要求转化为各影响零件的公差规范，保证功能要求与公差规范之间的可追溯性。考虑零件的尺寸公差、几何公差和装配间隙的影响，推导各类装配连接的三维几何偏差传递和累积关系；建立了极值情况下几何功能要求的解析计算模型，确定不同公差的影响系数和百分比贡献。建立三维公差链的统计分析模型，确定几何功能要求的均值和标准差，探讨了不同的统计假设对分析结果的影响。基于组件技术设计计算机辅助公差设计系统的基本架构，定义系统与CAD 软件的集成方案、人机交互方式和预期性能指标，开发并测试了功能要求分析、公差规范、公差分析、公差标注等可重用组件，针对并联机器人开展了公差设计方法研究。.本课题按计划全面完成了预期研究内容，现已建立起一套复杂产品的功能公差设计理论和方法；在国内外期刊和会议上发表学术论文14篇，其中：SCI收录1篇，EI收录9篇；开发出完整的计算机辅助公差设计系统，取得计算机软件著作权2项；通过本项目，培养了博士后1名，博士生2名，硕士3名。