基于三维公差模型的自动武器典型机构装配精度分析与设计

摘要

随着现代制造业的发展，我国自动武器企业的生产条件得到了很大的改善，但由于起步较晚以及行业内存在“二维三维转换费时费力、零部件装配过程中‘人工修锉’现象依然突出”等问题。对于传统设计环境下的尺寸公差分析已经不能适应现代产品设计、制造、仿真分析的要求。尤其是在CAD/CAM已高度普遍化的今天，它已成为制约三维数字化集成应用技术发展的瓶颈。
　　为促进自动武器行业由现在的二维尺寸链计算向基于三维数字样机的研制模式的转变。实现基于全三维模型的设计和制造信息的集成，形成可以推广应用的工程方案，为产品设计和装配精度的控制提供参考和借鉴。本文的研究内容包括以下几点:
　　(1)结合自动武器结构特点，利用小位移旋量理论进行几何特征的公差域参数化建模，推导并总结了几种典型的尺寸公差和形位公差的公差域模型，采用齐次坐标变换矩阵构建装配误差累积模型。最后以某型自动武器闭锁机构为例，分析其配合特点和误差传递方式，构建了闭锁机构三维公差模型和误差累积模型。
　　(2)针对自动武器等复杂产品，公差分析涉及的计算量大，精度要求高等特点，本文研究了基于低偏差序列的蒙特卡洛分析法，通过优化随机数变量，高效的生成分布均匀的高质量样本集合。对闭锁机构误差累积模型进行求解，得出闭锁间隙沿三坐标轴的误差变动规律，并进行了几种数值计算方法的对比分析。
　　(3)通过对基于三维数字样机的成熟度研究，以闭锁机构和供弹机构为例借助三维公差分析手段，建立三维装配偏差模型，并以Vis VSA为工具对装配体进行公差分析。最后得到了分析目标的分布规律和各零件特征的贡献度和影响因子。
　　(4)对于不满足装配精度要求的分析目标进行优化。通过贡献度分析计算，构建了以产品加工成本、质量损失为优化目标，以工序能力指数和公差累积为约束条件的目标优化模型。
　　(5)结合上述工作，采用研究过程中形成的分析思路与分析结果，进行了自动武器典型机构装配精度控制技术研究。提出了针对自动武器典型机构的可调尺寸装配法和关键装配尺寸公差控制法，并设计了专用量具对装配精度进行控制。最后通过验证将闭锁间隙公差控制在规定的范围内，并保证了供弹机构的配合可靠性，成功达到预期目标并证实了该方法的可行性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题的背景及意义

1．2 计算机辅助公差设计的发展

1．3 国内外研究发展现状

1．3．1 公差建模技术

1．3．2 公差分析技术

1．3．3 计算机辅助三维公差分析

1．4 本论文的主要研究工作

2 基于三维模型几何特征公差域参数化建模

2．1 引言

2．2 某型自动武器结构特点

2．3 特征要素信息约束与表达

2．3．1 几何约束

2．3．2 自由度和恒定度

2．3．3 公差信息的构建

2．3．4 基准信息的构建

2．3．5 特征要素信息表达

2．4 几何特征公差域参数化建模理论基础

2．4．1 基于小位移旋量的建模理论

2．4．2 几何特征公差域的参数化建模

2．4．3 尺寸公差参数化建模

2．4．4 形位公差参数化建模

2．5 基于齐次变换的空间变动与误差累积模型

2．5．1 空间物体的位姿描述

2．5．2 坐标变换

2．5．3 齐次坐标变换

2．5．4 装配误差累积模型

2．6 应用实例分析

2．6．1 闭锁机构结构分析

2．6．2 模型建立与误差传递分析

2．7 本章小结

3 基于低偏差序列Monte-Carlo装配精度分析

3．1 引言

3．2 公差数值分析

3．2．1 极值法

3．2．2 概率统计法

3．3 低偏差序列的Monte-Carlo装配精度分析

3．3．1 低偏差序列的构造

3．3．2 基于LDS的公差分析流程

3．4 模型求解与应用验证

3．4．1 装配误差累积模型求解

3．4．2 基于LDS方法有效性验证

3．5 几种数值计算方法对比分析

3．6 本章小结

4 基于Vis VSA软件的三维装配偏差建模与分析

4．1 引言

4．2 分析方法与流程

4．3 实例1：基于三维模型闭锁机构装配精度分析

4．3．1 三维偏差模型建立

4．3．2 定义特征、基准和公差信息

4．3．3 创建装配关系与模型树

4．3．4 定义测量点

4．3．5 设置蒙特卡洛模拟参数与模型验证

4．3．6 仿真模拟与结果分析

4．3．7 对比分析

4．4 实例2：基于三维模型供弹机构装配精度分析

4．4．1 结构分析

4．4．2 三维偏差模型建立与信息定义

4．4．3 仿真模拟与结果分析

4．5 本章小结

5 基于三维偏差模型的贡献度分析与公差优化

5．1 引言

5．2 基于HLM贡献度分析方法

5．3 工序能力指数

5．4 基于加工成本和质量损失的公差优化模型

5．4．1 加工成本模型

5．4．2 质量损失模型

5．4．3 优化目标函数

5．4．4 约束条件

5．5 公差优化模型求解与验证

5．6 本章小结

6 自动武器装配精度控制方法应用与验证

6．1 引言

6．2 基本方法与应用

6．3 闭锁机构装配精度控制

6．3．1 可调尺寸转装配法

6．3．2 应用验证

6．4 供弹机构装配精度控制

6．4．1 关键装配尺寸公差控制法

6．4．2 应用验证

6．5 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况