机械装配系统可视化误差分析

机械装配系统可视化误差分析　杨东亚龚　俊张瑾　１　７３００５０　兰州理工大学　兰州摘要：提出了一种机械装配系统误差分析的集成方法，解决了常规误差分析的等价误差建模过程繁琐麻　烦的问题，提升了误差分析的自动化水平，增强了误差分析的实用性。机械系统误差分析集成方法借鉴误差分　析研究课题的成果，并在常规ＣＡＤ／ＣＡＥ软件中集成新的功能模块，以简化系统误差的建模及分析过程。算例表　明，该系统可实现误差分析过程的简洁、直观与实用。　关键词：机械装配；误差分析；集成；可视化　中图分类号：ＴＨ１１２．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—０７８５（２０１１）０３—００４７—０４　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａｎ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｅｒｒｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｓｙｓｔｅｍ，ｏｖｅｒｃｏｍｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｆｅｃｔｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅ　ｅｒｒｏｒ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｎｏｒｍａｌ　ｅｒｒｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｒｏｕｂｌｅｓｏｍｅ，ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｒｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｓ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｒｒｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｅｒｒｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃｌａ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｔｉｌｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｒｒｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｔｕｄｙ　ｓｕｂｊｅｃｔｓ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｓ　ｎｅｗ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｍｏｄｕｌｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ＣＡＤ／ＣＡＥ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｏ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｅｒｒｏｒ　ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ，ｖｉｓｕａｌｉｚｅｄ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｂｌｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｓｓｅｍｂｌｙ；ｅｒｒｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ；ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　Ｉ前言　影响产品精度和可靠性的一个重要因素是产　品公差，目前产品公差的确定基本延用传统方法，　即借助人工经验来确定。尽管近年来计算机辅助　公差设计与分析（ＣＡＴ）技术己经取得了一定成　即ＣＡＴ的自动化水平不高¨　ｊ。　１）误差分析的繁琐性。常规的误差分析手段　为运用统计学方法，按照各种可能的分布情况，　判断公差的累积作用结果，最终判断产品的精度。　其过程需进行大量的数据处理，计算量很大。尽　管可借助计算机完成，但运算结果仍是１组组数　果，但其距离真正实用还有一段距离，究其原因　据，其可读性及直观性很差。　２）ＣＡＴ自动化程度不高。近年来所谓的ＣＡＴ　［２］同济大学．单斗液压挖掘机［Ｍ］．北京：中国建筑工　业出版社，１９８６．　是误差分析方法与计算机技术的结合尚不完美，　由表１可知，挖装机工作装置各构件的最大　复合应力均小于材料的许用应力，强度满足起重　机设计规范（ＧＢ　３８１１—２００８）要求。　［３］丁杰，荣智林．基于Ｐｒｏ／Ｅ和ＡＮＳＹＳ的变流器柜体结　构分析［Ｊ］．变流技术与电力牵引，２００８（２）．　［４］ＧＢ　３８１ｌ＿２００８．起重机设计规范［Ｓ］．北京：中国标　准出版社，２００８．　５　结论　１）经过有限元分析，该挖装机的工作装置各　［５］高秀华，王云超，李国忠，等．金属结构［Ｍ］．北京：　化学工业出版社，２００６．　构件结构应力值均低于许用值，部分构件应力富　余量较大，可以进一步优化；　２）基于Ｐｒｏ／Ｅ软件和Ａｎｓｙｓ软件的接口技术　作　者：栗园园　进行复杂体的有限元分析，可以有效简化结构分　析过程，缩短结构分析周期。　参考文献　地　邮　址：成都西南交通大学机械学院机械工程研究所　编：６１００３１　收稿日期：２０１０—０８—３０　［１］唐经世．两种挖装机简介［Ｊ］．建筑机械，２００１（５）．　《起重运输机械》　２０１１（３）　技术系统集成性很低，误差分析的自动化程度更　低，计算机只是充当了计算器的角色。提高ＣＡＴ　系统的集成化水平，简化误差分析的步骤，增加　误差分析结果的可视化，是当务之急。　针对上述缺陷，本文提出机械装配系统误差　分析的构建方法，致力于简化误差分析过程，提　高误差分析的自动化水平。　１尺寸链自动生成　现有误差分析方法的实现需要以正确的尺寸　链为基础，即首先需要得到尺寸链模型和方程，　然后基于尺寸链进行公差的分析与综合。尺寸链　的生成需要较多的人机交互操作，过程较复杂，　适应性不广。文献［６］所研发的三维装配尺寸链　自动生成方法很好地解决了上述难题。该方法从　定义装配性能特征人手，首先对装配模型进行深　层次的解析及预处理，以获取隐含在模型内部的　公差分析所需信息。然后利用图论理论，通过构　建特征一尺寸邻接矩阵、特征一装配约束关系邻　接矩阵、装配关系传递图等，将装配体中参与装　配的零件和特征以及之间的装配约束关系、尺寸　及形状等信息的传递过程以图形表达。最后将三　维尺寸链分为显式和隐式２类，对于显式尺寸链，　由装配关系传递图搜索连通通路，可直接获取尺　寸链图和方程。对于隐式尺寸链，提出了尺寸方　向差异度的概念、封闭环方向优先的搜索策略以　及构建过渡尺寸链的方法，最终可获取尺寸链图　和方程。该方法已在自主开发的三维装配尺寸链　自动生成系统中得到验证。　装配模型的解析采用逐层解析法，从装配体　顶层出发，逐层解析装配体以获得装配约束关系。　根据装配约束关系进行零件级解析，获取特征及　其草绘截面和尺寸，并进行尺寸匹配处理，可得　到特征与尺寸的对应关系，解析流程如图１所示。　基于上述三维装配尺寸链自动生成方法，可　获取图２所示空间曲柄滑块机构的尺寸链。三维　装配尺寸链的自动生成对计算机辅助公差设计与　分析的实用化具有重要意义，为计算机辅助公差设计　和分析的进一步开展和实际应用提供了基础工具　Ｊ。　２可视化误差分析　尺寸链的自动生成大大简化了误差分析前期　～４８一　图１装配模型解析方法　１．曲柄２．连杆３．滑块４．机架　图２曲柄连杆机构尺寸链　的预处理过程，尺寸链的准确生成亦为误差分析　的准确性奠定了基础。基于上述所生成的尺寸链，　运用误差因素等价替换理论，考虑各种误差因素，　对机械装配系统予以等价建模，以获取其等价模　型（ＥＶＭ），从而实现ＣＡＴ。　２．１　ＥＶＭ构建　研究　表明，线性规划法架起了运动分析到　误差分析的桥梁——运用运动分析灵敏度实现误　差分析（ＴＡＫＳ）。在机构的运动解析法分析过程　中，通过构建运动节点间的尺寸链环路，将输入　运动（已知条件）转化为对应向量的位置参数，　从而求取其余向量的位置及姿态，实现运动分析。　由此得到启发：在机构误差分析过程中，将所列　的尺寸链回路中具有误差的各向量也作为自变量　处理，进行运动分析，这充分考虑了误差因素，　实现了机构误差分析。　构建ＥＶＭ的关键是对各种误差因素予以等价　替换，即等价替换装配中的尺寸／角度误差。用滑　动副替代长度误差，用转动副替代角度误差¨…，　如图３所示。替代误差的运动副的加入并不能取　代模型中原有的运动副／连接。运用上述误差等价　《起重运输机械》　２０１１（３）　图３误差因素的等价替换　替换方法，可构建图２所示机械装配系统的ＥＶＭ，　如图４所示。　１．曲柄２．连杆３．滑块４．机架　图４曲柄连杆机构的ＥＶＭ　２．２可视化输出　将上述构建的ＥＶＭ输入常用的运动学分析软　件（如ＡＤＡＭＳ）中即可进行误差分析。机械装配　系统误差分析的目的在于获取各个误差因素对系　统性能的影响力，找出关键因素以对其进行优化，　从而实现机械产品精度设计的精准化。各个误差　因素对系统性能的影响力可通过其灵敏度予以衡　量，即影响力越强则其灵敏度越大。而常规误差　分析方法中各误差因素的灵敏度皆以矩阵的形式　输出，并且系统越复杂其输出矩阵越庞大，为设　计者带来不便。且数据本身不具直观性，相对于　图像其弊端更大。对于精度设计者，只需明确关　键误差因素，而其灵敏度的数值并不是关注的焦　点。由此得到启发：用图像替代数据，用颜色的　深浅冷暖显示各误差因素的灵敏度的大小　。实　现方法简单，只需在误差分析软件中嵌入１个小　程序，将误差分析结果（灵敏度矩阵）转化成图　像输出即可　。规定：灵敏度愈大，其颜色越　深并显眼；灵敏度越小，其颜色越浅。以图４所　示的曲柄连杆机构为例，对　而言，误差因素。、　ｂ、Ｃ、ｄ和ｅ的灵敏度输出如图５所示。　《起重运输机械》　２０１ｌ（３）　ｄ　Ｃ　日　ｅ　图５可视化输出　３　结论　１）三维装配尺寸链的自动生成对计算机辅助　公差设计与分析的实用化具有重要意义。可在　Ｐｒｏ／Ｅ上二次开发三维装配尺寸链自动生成系统，　为计算机辅助公差设计和分析的进一步开展和实　际应用提供基础工具。　２）基于等价替换理论，在自动生成的尺寸链　中对各误差因素予以建模，从而构建机械装配系　统等价误差模型，再借助常规运动分析软件实现　误差分析。对分析结果以图像输出替代繁杂的数　据，以提高误差分析的可视化，增强设计人员对　关键因素的感性认知。　３）实例分析结果证明该误差分析系统具有很　好的可操作性。下一步的研究将致力于系统的高　度集成化及自动化水平（重点考虑各种误差因素　的复杂机械装配系统ＥＶＭ的自动生成），以期进　一步简化误差分析过程，提高该误差分析系统的　实用性。　参考文献　［１］师忠秀，杨倩，程强．连杆机构误差分析与综合的研　究现状与发展［Ｊ］．青岛大学学报：工程技术版，　２００４，１９（３）：５３—５８．　［２］徐武彬，马志，尹辉俊．传动件误差的计算机仿真与　分析［Ｊ］．现代制造工程，２００４（６）：７５—７８．　［３］余晓流，赵明扬，王洪光，等．并联机床平面约束机　构误差分析与建模［Ｊ］．东北大学学报：自然科学版，　２００１，２２（１）：３２—３５．　［４］刘丽冰，王广彦，刘又午．复杂机械系统运动误差自　动建模技术研究［Ｊ］．中国机械＿［程，２０００，１１（６）：　６４２—６４７．　［５］粟时平，李圣怡．基于多体系统运动学理论的坐标测　量机误差自动建模［Ｊ］．机械设计与制造，２００２（４）：　６３—６５　［６］王恒，宁汝新，唐承统．二＝：维装配尺寸链的自动生成　［Ｊ］．机做丁程学报，２００５（６）：１８１—１８７．　［７］张宁，杨慕升，李晓沛．面向质量日标的尺寸链和统　计公差设计方法［Ｊ］．机械Ｔ程学报，２００７（４）：１—６．　－－－——４９－－－——　基于ＲｅｃｕｒＤｙｎ的４自由度液压机器人的　动力学建模研究　侯敬巍　吉林大学长春１３００２５　摘要：为了全面分析４自由度液压机器人的综合性能，提出了基于数字化虚拟样机ＲｅｃｕｒＤｙｎ的仿真方法。　以１台试验性４自由度液压机器人为对象，系统研究机器人的运动学特征。在ＲｅｃｕｒＤｙｎ中导人由ＣＡＴＩＡ建立的　几何模型进行动力学的仿真分析，并通过Ｍａｔｌａｂ对运动学和动力学进行数学建模计算来验证ＲｅｃｕｒＤｙｎ的正确　性。该研究方法从系统的角度对４自由度液压机器人的性能进行了综合评估，提高了产品的开发速度和精度，　降低了开发成本。　关键词：机器人；ＲｅｃｕｒＤｙｎ；动力学建模；Ｍａｔｌａｂ　中图分类号：Ｔｉｔ２４２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—０７８５（２ＯｌＩ）０３～００５０一ｏ４　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　４　ＤＯＦ（ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｆｒｅｅｄｏｍ）ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｒｏｂｏｔｓ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｄｉ６ｔｌａ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ＲｅｃｕｒＤｙｎ，ａｎｄ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｒｏ—　ｂｏｔ　ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｂｙ　ｔａｋｉｎｇ　ｏｎｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌａ　４　ＤＯＦ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｒｏｂｏｔ　ａｓ　ｎａ　ｏｂｊｅｃｔ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｃｏｎｄｕｃｔｓ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｓｉｍｕ—　ｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｖｉａ　ｉｍｐｏｒｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｇｅｏｍｅｔｉｒｃ　ｍｏｄｅｌ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｂｙ　ＣＡＴＩＡ　ｉｎｔｏ　ＲｅｅｕｒＤｙｎ，ａｎｄ　ｖｅｒｉｉｆｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　ｏｆ　Ｒｅ－　ｅｕｒＤｙｎ　ｈｔｒｏｕ＠ｔｈｅ　ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｐｐｌｉｅｓ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎ—　ｓｉｖｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　４　ＤＯＦ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｒｏｂｏｔｓ，ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｗｈｉｌｅ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｃｏｓｔｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｂｏｔ；ＲｅｃｕｒＤｙｎ；ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ；Ｍａｔｌａｂ　段　０ｊ。４自由度液压机器人是功能最典型、结构　０前言　最复杂、用途最广泛的工程机械之一，作为工程　传统的物理样机开发模式存在开发周期长、　机械的代表产品，它在工业与民用建筑、交通运　成本高、修改困难等问题。应用数学建模研究方　输、水利电力工程、矿山采掘以及军事工程等施　法能有效地克服传统物理样机开发模式的缺陷，　工中起着极为重要的作用。实践表明，定点工作　加快产品开发速度，节约开发成本，为全系统、　是４自由度液压机器人最常见和最频繁的工作方　全性能地设计、评价产品提供了一种有效的手　式之一，主要由其工作装置完成。工作装置的结　［８］杨东亚，龚俊，强建国，等．实现机构尺寸误差分析　Ｓｈａｎｇｈａｉ，Ｃｈｉｎａ．　的线性规划法研究［Ｊ］．现代制造工程，２００９（６）：　［１２］Ｙａｎｇ　Ｄｏｎｇｙａ，Ｇｏｎｇ　Ｊｕｎ．Ａ　Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　Ｔｏｌｅｒａｎｃｉｎｇ　６５—６７．　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　３Ｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ［Ｊ］．Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍａ—　［９］谢小正，杨东亚，强建国，等．基于运动连接的机构　ｔｅｒｉｌａｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２０１０，１３９—１４１：１２８９—１２９３．　尺寸误差分析［Ｊ］．兰州理工大学学报，２００７，３３　［１３］杨东亚，王生泽．应用ＭＡＴＬＡＢ分析模块化机构运　（３）：４６—４９．　动［Ｊ］．现代制造工程，２００６（２）：８４，８５．　［１Ｏ］杨东亚，龚俊．三维机械装配误差的建模方法［Ｊ］．　起重运输机械，２０１０（３）：４８—５０．　作　者：杨东亚　［１　１］Ｙａｎｇ　Ｄｏｎｇｙａ，Ｇｏｎｇ　Ｊｕｎ．Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｄｅ—　地　址：兰州理工大学机电学院　ｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ［ｃ］．Ｐｒｏｃ　ｏｆ　ｔｈｅ　２０ｔｈ　Ｉｎ—　邮　编：７３００５０　ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ．２００９，　收稿日期：２０１０—１０—２７　一５Ｏ—　《起重运输机械》　２０１ｌ【３）