專利名稱：一種復(fù)雜裝配體裝配公差規(guī)范及其公差帶類型推理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)輔助公差設(shè)計(jì)(CAT)領(lǐng)域，具體涉及一種基于多色集合理論的 復(fù)雜裝配體裝配公差規(guī)范及其公差帶類型的推理方法。
背景技術(shù)：
大多數(shù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造難免涉及到零件或者組件的裝配問題。裝配公差不僅 直接決定著產(chǎn)品的可裝配性和裝配質(zhì)量，而且還極大地影響著產(chǎn)品的制造成本和使用壽 命。因此，在新產(chǎn)品的開發(fā)階段，設(shè)計(jì)合理的裝配公差規(guī)范就顯得非常重要。目前，三維計(jì) 算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)已在產(chǎn)品生命周期的設(shè)計(jì)階段得到了廣泛的應(yīng)用。在大多數(shù)CAD造型 系統(tǒng)中，它們的核心是實(shí)體造型器，設(shè)計(jì)者可以基于理想尺寸人機(jī)互動地建立起產(chǎn)品的三 維裝配模型。這些系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地表達(dá)零件的幾何信息，并提供一些尺寸公差信息。 但是，在這些幾何數(shù)據(jù)和所傳遞的公差信息之間，并不存在有效的聯(lián)系，同時，所提供的公 差信息也未包含對應(yīng)的工程語意。一些CAT系統(tǒng)致力于公差規(guī)范的設(shè)計(jì)。例如，CATIA、 3DFDT 系統(tǒng)在產(chǎn)品的裝配模型及它的TTRS樹建立起來之后，就能夠自動提供公差類型，但 是它只能提供部分幾何公差類型；在CE/T0L 6 Sigma系統(tǒng)中，只能手工獲得公差規(guī)范；而 在eM-TolMate系統(tǒng)中亦必須通過手工獲得公差規(guī)范。因此，CAD/CAT系統(tǒng)迫切地需要一種 公差信息的處理模塊，它能夠完整地描述產(chǎn)品的三維裝配公差信息，幫助工程技術(shù)人員綜 合分析和設(shè)計(jì)尺寸公差和幾何公差。如何實(shí)現(xiàn)裝配公差規(guī)范的自動化設(shè)計(jì)是CAD/CAT系統(tǒng) 能否實(shí)現(xiàn)有效集成所必須解決的關(guān)鍵問題之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決復(fù)雜裝配體裝配公差規(guī)范及其公差帶類型的設(shè)計(jì)問題，目的是為 計(jì)算機(jī)輔助公差設(shè)計(jì)(CAT)提供一種有效地解決方法。這種方法滿足“Top-down”設(shè)計(jì)技 術(shù)的需求，符合設(shè)計(jì)者在復(fù)雜產(chǎn)品公差設(shè)計(jì)過程中的邏輯思維習(xí)慣，具有比較強(qiáng)的適用性。 這種方法基于多色集合理論建立統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了裝配公差規(guī)范及其對應(yīng)的公差帶 類型的推理。由于多色集合的推理關(guān)系矩陣易于編程，因此這種方法容易在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)， 便于同CAD系統(tǒng)集成。這種技術(shù)方法使得裝配公差規(guī)范的設(shè)計(jì)朝著具體的裝配幾何特征方 向前進(jìn)了一步，為裝配公差規(guī)范的實(shí)用化設(shè)計(jì)做出了一定的努力。本發(fā)明為在CAT系統(tǒng)中 自動推理裝配公差規(guī)范和裝配公差帶類型提供了一種新方法。一種復(fù)雜裝配體裝配公差規(guī)范及其公差帶類型推理方法，其步驟如下(1)構(gòu)建三維產(chǎn)品裝配模型。根據(jù)產(chǎn)品的功能需求，基于理想尺寸設(shè)計(jì)產(chǎn)品的三維 裝配模型。(2)拆分裝配模型。根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，將裝配模型連續(xù)分解成部件和零件，直至分 解到最小的組成單元零件。(3)建立零件間的裝配關(guān)系矩陣。復(fù)雜零件包含大量的零件，為了清晰地描述零件 之間的裝配關(guān)系，在自動提取裝配約束關(guān)系的前提下，首先從產(chǎn)品的三維模型中提取出裝配約束關(guān)系，建立零件間的裝配約束關(guān)系圖。然后，基于裝配約束關(guān)系，建立裝配關(guān)系矩陣。(4)提取裝配特征面，建立約束關(guān)系矩陣。根據(jù)步驟3獲得的某一零件的裝配約束 關(guān)系，可將該零件和同它具有裝配約束關(guān)系的其他零件繼續(xù)進(jìn)行分解以獲得各自的裝配特 征面。在此基礎(chǔ)上，建立裝配特征面的約束關(guān)系矩陣。(5)推理裝配約束類型。根據(jù)兩裝配特征面的幾何特征，推理出它們之間的裝配約 束類型。(6)推理裝配公差類型。根據(jù)兩裝配特征面之間的裝配約束類型以及裝配公差類 型的推理關(guān)系矩陣，推理得到裝配特征面對應(yīng)的裝配公差函數(shù)。根據(jù)產(chǎn)品的功能需求和兩 裝配特征面在三維空間中的幾何位置關(guān)系，進(jìn)行裝配公差類型的選擇和優(yōu)化，以確定屬于 兩裝配特征面的一組裝配公差。(7)推理裝配特征面的基準(zhǔn)參考框架。分析裝配特征面的幾何特征，確定它同基本 裝配特征面的對應(yīng)關(guān)系，推理得到所對應(yīng)的基準(zhǔn)參考框架。(8)推理公差帶幾何函數(shù)，確定公差帶類型。根據(jù)步驟6獲得的裝配特征面的裝配 公差類型，利用幾何公差公差帶推理關(guān)系矩陣，推理獲得對應(yīng)于每一類裝配公差類型的公 差帶集合函數(shù)，然后基于裝配特征面的位置變化特征或者它的最小幾何基準(zhǔn)要素MGDEs，確 定對應(yīng)于裝配特征面的幾何公差的公差帶類型。本發(fā)明采用多色集合的推理關(guān)系矩陣描述整個推理過程，易于編程并能在計(jì)算機(jī) 中快速實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明建立在具體的裝配特征面之間的聯(lián)系和約束的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)裝配公 差的實(shí)用化設(shè)計(jì)。它滿足Top-down設(shè)計(jì)技術(shù)的需求，符合設(shè)計(jì)者的邏輯思維習(xí)慣，有著非 常強(qiáng)的適用性。


圖1為本發(fā)明的三維裝配公差規(guī)范和公差帶的拓展層次式表示模型圖
圖2為本發(fā)明零件間的裝配關(guān)系矩陣圖3為本發(fā)明的裝配特征面的約束關(guān)系矩陣圖4為本發(fā)明的裝配約束類型推理關(guān)系矩陣；
圖5為本發(fā)明的裝配約束類型
圖6為本發(fā)明的裝配公差類型推理關(guān)系矩陣
圖7為本發(fā)明的裝配特征面的基準(zhǔn)參考框架
圖8為本發(fā)明的幾何公差公差帶類型推理關(guān)系矩陣。
圖9為齒輪減速器局部視圖
圖10為裝配體拆分圖
圖11為減速器裝配約束關(guān)系圖
圖12為齒輪減速器裝配關(guān)系矩陣
圖13為零件的裝配特征面
圖14為同零件Pltl相關(guān)的裝配特征面
圖15為零件Pltl的裝配特征面的裝配約束關(guān)系矩陣
圖16為推理裝配特征面的基準(zhǔn)參考框架
圖17為裝配特征面的基準(zhǔn)參考框架
圖18為推理公差帶集合函數(shù)圖19為裝配特征面的裝配公差類型和公差帶類型
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖1 8和發(fā)明人依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方法給出的實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的 詳細(xì)描述。下面，以某一齒輪減速器為例來說明整個推理過程。為了降低問題的復(fù)雜程度，只 將齒輪減速器兩個傳動軸間的傳動結(jié)構(gòu)作為研究對象，同時不考慮減速器端蓋、軸鍵、毛氈 密封圈的裝配以及它們的裝配公差的推理。滾動軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，因此不需要考慮軸承本身 內(nèi)部裝配公差的推理。但是，滾動軸承對構(gòu)建零件間的各種推理關(guān)系矩陣是不可缺少的，因 此，須將軸承作為一個整體來進(jìn)行研究。步驟1 構(gòu)建產(chǎn)品裝配模型。根據(jù)產(chǎn)品的功能需求，基于理想尺寸設(shè)計(jì)產(chǎn)品的裝配 模型。齒輪減速器的局部視圖如圖9所示步驟2 拆分裝配模型。根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，將裝配模型連續(xù)分解成部件和零件，直 至分解到最小的組成單元零件。分解減速器的傳動結(jié)構(gòu)如圖10所示。其中，Ptll表示軸承 端蓋；Ptl2，墊片；Pc ，滾動軸承；Ptl4，擋油密封環(huán)；Ptl5，中間傳動軸齒輪；Ptl6，擋油密封環(huán)；POT， 滾動軸承；Pc ，軸承蓋Λ9，箱體；Pltl,中間傳動軸；P11,低速軸；P12，軸承蓋；P13，墊片；P14,滾 動軸承；P15，擋油密封環(huán)；P16，低速軸齒輪；P17，擋油密封環(huán)；P18，滾動軸承；P19，軸承蓋；P19， 軸套。步驟3 建立零件間的裝配關(guān)系矩陣。復(fù)雜零件包含大量的零件，為了清晰地描述 零件之間的裝配關(guān)系，在自動提取裝配約束關(guān)系的前提下，首先從產(chǎn)品的三維模型中提取 出裝配約束關(guān)系，建立零件間的裝配約束關(guān)系圖。然后，基于裝配約束關(guān)系，建立裝配關(guān)系 矩陣。齒輪減速器的裝配約束關(guān)系圖如圖11所示，裝配關(guān)系矩陣如圖12所示。所有零件 的裝配約束關(guān)系都可以在矩陣中獲得。例如，可以推理獲得零件P9、P10的約束關(guān)系如下所 示
P0hP 07, 7^08, Pn, Pl3, Px^P\9 [( 1 )
Eacr(Pw) = {PP04, P05, P06, P0、P Q(2)步驟4 提取裝配特征面，建立約束關(guān)系矩陣。根據(jù)步驟3獲得的某一零件的裝配 約束關(guān)系，可將該零件和同它具有裝配約束關(guān)系的其他零件繼續(xù)進(jìn)行分解以獲得各自的裝 配特征面。在此基礎(chǔ)上，建立裝配特征面的約束關(guān)系矩陣。下面，以零件Pltl為例來說明如 何構(gòu)建裝配特征面的約束關(guān)系矩陣。如公式2所示，零件Pltl分別同零件Ptl3，Ptl4，Ptl5，Ptl6，Ptl7 和P16有裝配約束關(guān)系。提取它們的裝配特征面如圖13所示。其中，F(xiàn)i(Pj)表示零件Pi的第 j個裝配特征面。上述零件的裝配特征面可用下列公式表示P03 = Ji7liP03), F2iPm), F3iPm), F4iPm) j,
權(quán)利要求
一種復(fù)雜裝配體裝配公差規(guī)范及其公差帶類型推理方法，其特征在于步驟如下(1)構(gòu)建產(chǎn)品的三維裝配模型；(2)拆分裝配模型；(3)建立零件間的裝配關(guān)系矩陣；(4)提取裝配特征面，建立裝配特征面之間的約束關(guān)系矩陣；(5)推理裝配約束類型；(6)推理裝配公差類型；(7)推理裝配特征面的基準(zhǔn)參考框架；(8)推理公差帶集合函數(shù)，確定公差帶類型。
2.如權(quán)力要求1所述的推理方法，其特征在于基于產(chǎn)品的裝配信息，利用多色集合的 布爾矩陣構(gòu)建產(chǎn)品零件之間的裝配關(guān)系矩陣。
3.如權(quán)力1所述的推理方法，其特征在于分解零件，從中提取出同其他零件具有裝配 約束關(guān)系的特征面，即裝配特征面。利用多色集合的布爾矩陣建立裝配特征面之間的約束 關(guān)系矩陣。
4.如權(quán)力1所述的推理方法，其特征在于依據(jù)TTRS理論，利用多色集合的布爾矩陣 建立裝配約束類型的推理關(guān)系矩陣。
5.如權(quán)力1所述的推理方法，其特征在于根據(jù)產(chǎn)品裝配領(lǐng)域里的專業(yè)知識以及ASME Y14、5M-2009技術(shù)規(guī)范，建立裝配公差類型的推理關(guān)系矩陣。
6.如權(quán)力1所述的推理方法，其特征在于根據(jù)幾何公差帶的定義以及其與幾何公差 類型的對應(yīng)關(guān)系，利用多色集合的布爾矩陣建立幾何公差公差帶類型的推理關(guān)系矩陣。
7.一種復(fù)雜裝配體裝配公差規(guī)范及其公差帶類型的推理方法，其步驟如下(1)構(gòu)建三維產(chǎn)品裝配模型根據(jù)產(chǎn)品的功能需求，基于理想尺寸設(shè)計(jì)產(chǎn)品的三維裝 配模型；(2)拆分裝配模型根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，將裝配模型連續(xù)分解成部件和零件，直至分解到 最小的組成單元；所述最小的組成單元零件。(3)建立零件間的裝配關(guān)系矩陣復(fù)雜零件包含大量的零件，為了清晰地描述零件之 間的裝配關(guān)系，在自動提取裝配約束關(guān)系的前提下，首先從產(chǎn)品的三維模型中提取出裝配 約束關(guān)系，建立零件間的裝配約束關(guān)系圖；然后，基于裝配約束關(guān)系，建立裝配關(guān)系矩陣；(4)提取裝配特征面，建立約束關(guān)系矩陣根據(jù)步驟(3)獲得的某一零件的裝配約束關(guān) 系，可將該零件和同它具有裝配約束關(guān)系的其他零件繼續(xù)進(jìn)行分解以獲得各自的裝配特征 面；在此基礎(chǔ)上，建立裝配特征面的約束關(guān)系矩陣；(5)推理裝配約束類型根據(jù)兩裝配特征面的幾何特征，推理出它們之間的裝配約束 類型；(6)推理裝配公差類型根據(jù)兩裝配特征面之間的裝配約束類型以及裝配公差類型的 推理關(guān)系矩陣，推理得到裝配特征面對應(yīng)的裝配公差函數(shù)；根據(jù)產(chǎn)品的功能需求和兩裝配 特征面在三維空間中的幾何位置關(guān)系，進(jìn)行裝配公差類型的選擇和優(yōu)化，以確定屬于兩裝 配特征面的一組裝配公差；(7)推理裝配特征面的基準(zhǔn)參考框架分析裝配特征面的幾何特征，確定它同基本裝 配特征面的對應(yīng)關(guān)系，推理得到所對應(yīng)的基準(zhǔn)參考框架；(8)推理公差帶幾何函數(shù)，確定公差帶類型根據(jù)步驟(6)獲得的裝配特征面的裝配公 差類型，利用幾何公差公差帶推理關(guān)系矩陣，推理獲得對應(yīng)于每一類裝配公差類型的公差 帶集合函數(shù)，然后基于裝配特征面的位置變化特征或者它的最小幾何基準(zhǔn)要素MGDEs，確定 對應(yīng)于裝配特征面的幾何公差的公差帶類型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復(fù)雜裝配體裝配公差規(guī)范及其公差帶類型推理方法。該方法的步驟如下(1)構(gòu)建產(chǎn)品的三維裝配模型；(2)拆分裝配模型；(3)建立零件間的裝配關(guān)系矩陣；(4)提取裝配特征面，建立裝配特征面之間的約束關(guān)系矩陣；(5)推理裝配約束類型；(6)推理裝配公差類型；(7)推理裝配特征面的基準(zhǔn)參考框架；(8)推理公差帶集合函數(shù)，確定公差帶類型。本發(fā)明采用多色集合的推理關(guān)系矩陣描述整個推理過程，易于編程并能在計(jì)算機(jī)中快速實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明建立在具體的裝配特征面之間的聯(lián)系和約束的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)裝配公差的實(shí)用化設(shè)計(jì)。它滿足Top-down設(shè)計(jì)技術(shù)的需求，符合設(shè)計(jì)者的邏輯思維習(xí)慣，有著非常強(qiáng)的適用性。
文檔編號G06F17/50GK101982821SQ20101052018
公開日2011年3月2日 申請日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者張毅, 李宗斌 申請人:西安交通大學(xué)