【摘要】：几何精度设计是保证机械产品质量的重要环节，贯穿于结构设计、装配设计和工艺设计过程之中，对提高产品性能和制造效率具有重要的意义。随着机械产品结构日趋复杂、装配精度要求不断提高以及三维数字化设计与制造技术应用的日益深入，三维偏差分析已成为产品研发中的热点。为此，本文开展了机械产品几何精度设计中的三维偏差分析技术研究，拟为几何精度设计和提高产品装配精度及一次装配成功率提供了理论基础和实现技术。 论文的主要研究内容如下： （1）阐述了本课题的研究背景，详细分析了公差建模、公差分析、公差综合和计算机辅助公差设计技术的研究现状，提出并总结了现有研究成果存在的问题与不足，给出了本课题的研究目标和意义。 （2）针对几何精度设计过程中几何公差表达不规范的问题，提出了基于多色集合理论的几何公差信息推理及其规范性验证方法。通过构建几何公差信息本体模型，提炼并总结了几何信息、方位信息、约束信息与公差信息之间的约束关系，提出了层次化的几何公差信息推理结构，并基于多色集合理论构建了该层次结构的多色集合模型，采用围道矩阵对信息之间的约束关系加以描述，给出了公差类型和附加符号推理算法，在确保基准体系合理的基础上实现了几何公差信息的规范性验证。 （3）针对零件之间装配成功率计算精确性不高的问题，提出了基于配合接触状态的定位优先级约束下零件装配成功率计算模型。在装配特征变动分析的过程中充分考虑了定位先后顺序的影响，并分别针对平行平面配合、圆柱面配合、圆锥面配合和球面配合等间隙配合，分析了配合接触状态下装配特征变动约束条件，构建了零件装配成功率计算模型，通过随机模拟装配特征的变动，实现了基于多对装配特征定位的两个零件之间装配成功率的精确计算。 （4）针对面向几何公差的装配偏差传递路线难以搜索的问题，提出了基于变动向量空间的装配偏差传递路线搜索方法。在全面地解析不同空间关系下特征之间理论约束方向的基础上，根据线性相关理论归纳了特征之间实际约束方向的求解算法，提出了基于变动向量空间模型的约束方向范围描述手段和偏差传递路线搜索算法，并给出了偏差传递路线的搜索流程，实现了三维偏差的装配偏差传递路线搜索。 （5）针对面向几何公差的装配精度预测效率较低的问题，提出了基于多自由度偏差分布的装配精度预测模型。通过构建几何误差分布统一模型，并根据几何误差与自由度偏差之间的关系，全面解析了公差域和配合间隙约束下平面、直线和点在多个自由度方向上偏差的分布，再经过对装配偏差累积模型进行协方差处理，构建了基于自由度偏差分布的装配精度解析模型，实现了面向几何公差的装配精度和装配工艺能力指数的快速计算。 （6）针对工艺过程中定位基准转换引起的几何公差转换的问题，提出了基于公差变动矢量图的几何公差转换方法。构建了定位关系转换有向图及其数学模型，通过变动分析，建立了加工公差和基准漂移约束下目标特征的公差变动矢量图，提出了基于横截面的公差变动矢量图包围关系判定算法，推导了设计公差与加工公差的约束条件，实现了几何公差的直接转换。 （7）结合论文的研究成果以及相关科研课题，介绍了自主开发的公差信息管理与分析软件系统的总体架构、功能模块和软件界面，并以航天器舱段与设备装配为实例验证了系统的可行性和有效性。

【学位授予单位】：北京理工大学
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH122

自古以来，轴的直径测量一直是制造业的经典课题，从人类制造第一根轴开始，如何测量其直径，并使测量精度不断提高便自始至终成为机械师、科学家们追求的目标。基于新时期国防军工、航空航天事业的发展需要，国家“九五”、国防计量“十五”都把超精密柱径测量纳入重点研究发展项目。本文的研究工作正是在这样一个背景下开展的。 本论文针对精密柱径测量，围绕着提高柱径测量精度的关键理论、方法与技术展开了深入的研究。论文的主要研究内容包括： 1、比较了现有的柱径测量设备和测量原理，基于几何光学法，首次建立了光学扫描测径通用的光学扫描测径数学模型，分析了检出灵敏度和光斑尺寸的关系，并将通用理论模型应用于峰(谷)值、过零和激光半焦斑等三种边缘检出方法，以进行检验。在CCD图像法测径中，基于图像边缘识别理论和方法，建立了柱径CCD光学边缘图像的识别和细分方法。 2、基于BP神经网络，首次在柱径边缘特征点定位路径优化中，建立了基于被测参数模型的神经网络位移预测器； 3、根据黄金分割最优化方法建立了小区域超精密定位最优路径策略。在超精密柱边峰值定位时，首次建立了BP神经网络路径位移预测器和黄金分割最优化路径策略的复合应用路径搜索策略，峰值检出测量效率提高数十倍。 4、基于机构运动学原理，根据测头和被测件的封闭链关系，应用齐次坐标变换法，建立了超精密测量机的运动定位误差综合数学模型，进一步完善了以往测量机的运动定位误差模型。 5、建立了接触测量测头结构参数、设计安装定位误差与测量精度之间的数学模型。首次全面的通过仿真计算比较了各种参数特性对测量结果的影响，给出了具体工程设计、装配的指导原则。 6、基于赫兹接触理论，由于测头接触力产生的弹性变形数学模型，并针对测头、工件不同的参数因子进行了数字仿真，实现了对测头接触弹性变形误差的补偿。 7、设计并研制了新型直线电机驱动进给系统(LDEMA)，并对LDEMA的电磁场特点进行了有限元分析。此外，在动力学分析的基础上，建立了LDEMA的传递函数模型。并针对LDEMA在超精密接触测量中的应用，建立了自调整模糊PID控制策略(SAFPID)。 8、基于对精密直径测量中关键理论、方法和技术的研究，设计并研制了符合阿贝测长原则的COY-I超精密偶件柱径测量仪，测量精度达到国内领先水平。 9、对超精密测量的环境控制进行了研究，提出了相应的控制策略和方法，并最终应用于COY-I超精密偶件柱径测量的工程实践中。

【学位授予单位】：中国人民解放军国防科学技术大学
【学位授予年份】：2002