复杂零件真实表面建模理论、方法及其在产品装配设计中的应用

Part surface modeling is a key technology of assembly design and assembly quality prediction of complex product. In order to describe the surface characteristic of part fitting surface in product assembly accurately, the theory and method of realistic surface modeling of complex part are proposed. Firstly, the hybrid dimensional model of part surface topography is established, which can express both the integral dimensional information of part surface in macro level, and the fractal dimensional detail in micro level. Then the characteristic parameter identification method of part surface based on the multi-scale fidelity of surface topography is proposed, and the coupling between characteristic parameters of part surface and multi-scale geometric errors such as roughness, waviness and form error is realized. Moreover, the assembly positioning and contact analysis methods of complex part based on contact cluster constraint are proposed, and the real positioning of part fitting surface is realized by constraint reasoning of contact clusters, so the influence of realistic geometric characteristics on the assembly accuracy can be predicted. Finally, the realistic surface modeling and assembly design system for complex product is developed, which is applied to the assembly design of the horizontal machining center, and provides geometric basis for assembly quality prediction of complex product.

零件表面建模是复杂产品装配设计和装配质量预测中的关键技术。针对如何客观、准确地描述产品装配中零件配合面的表面特性这一问题，提出复杂零件真实表面建模理论与方法。建立整数维和分数维相结合的零件表面混合维模型，在整体上表达零件表面整数维信息的同时，很好地表达了零件表面的分数维细节；提出基于表面形貌多尺度保真的零件表面特征参数辨识方法，实现零件表面特征参数与粗糙度、波纹度和形状误差等多尺度几何误差的耦合；提出基于接触簇约束的复杂零件装配定位与接触分析方法，通过接触簇约束推理实现装配零件配合面的真实定位，预测零件真实几何特征对装配精度的影响。在理论研究的基础上，开发复杂产品真实表面建模与装配设计系统，应用于卧式加工中心的装配设计中，为复杂产品装配质量预测提供几何依据。

复杂零件结合面的表面特性是影响产品装配质量的重要因素，因此复杂零件表面模型的精度成为产品装配设计和装配精度分析的关键。针对同类研究缺乏考虑零件表面特征参数与公差、多尺度几何误差的耦合关联的问题，本项目在分数维几何建模理论的基础上，提出了零件真实表面建模理论和方法，从数据来源、特征参数识别和装配接触簇计算等三个方面保证了建立的零件表面模型的真实性。首先建立了复杂零件表面形貌与实际加工工艺的关联，根据复杂零件表面的局部采样数据，基于多尺度保真的方法辨识出了采样零件表面形貌在宏观和微观上的特征参数。通过模拟加工刀具的运动参数和切削量，建立了完整零件表面形貌的混合维数学模型，从而在整体上表达零件表面整数维信息的同时，很好地表达了零件表面的分数维细节。其次，提出了零件的真实几何实体模型构建方法，在CAD系统中构建了集成结构拓扑、公差信息和微观形貌信息的零件真实几何实体模型。通过结合面接触簇约束分析实现了含有真实表面形貌特征的零件实体模型装配定位，精确分析了零件真实几何特征对装配精度的影响以及工作载荷下装配零件的接触性能。在理论研究的基础上，开发复杂产品真实表面建模与装配设计系统，应用于加工中心和航空电液伺服阀等复杂精密产品的装配设计与分析中，为复杂产品装配质量预测提供几何依据。应用结果表明，本项目提出的理论和方法使复杂产品的装配精度提高了8.5%。项目资助在国内外学术期刊上发表了SCI、EI论文5篇，授权了国家发明专利1项，培养了3名硕士研究生，项目负责人获得了教育部2016年度高等学校科学研究优秀成果奖科技进步一等奖，参加了1次国际学术会议。项目投入经费25万元，支出14.62万元，剩余经费10.38万元将用于本项目研究的后续支出。