基于新一代GPS的功能公差设计理论与方法研究

论文摘要

本文结合国家自然科学基金项目“基于新一代GPS标准体系的计算机辅助功能公差设计理论与方法（50775204）”、“基于GPS的三维公差建模方法与技术研究（50505046）”,就公差建模与表示、功能公差方案规范设计、功能公差分析与综合以及面向可装配性的公差分析等技术开展了研究,提出了“基于新一代GPS的功能公差设计理论与方法的研究”的博士论文。第1章:论述了新一代GPS的制定和跟踪研究情况,综述了计算机辅助公差设计的发展历史和研究现状,讨论了本课题的研究背景和意义;最后,给出了本论文的主要研究内容、总体框架及创新点。第2章:结合新一代GPS标准,给出了产品几何的一些基本定义,分析了几何尺寸与公差（GD&T）的信息构成、公差项目分类、公差原则等;应用与ISO/TC213-GPS一致的TTRS、MGRE、SDT等研究了三维公差域参数化建模理论,并针对几种常见的恒定类表面进行了实例研究。第3章:基于恒定类研究了装配体定位接点的分类及其优先次序的确定原则,对现有装配有向图进行了改进,增加了装配定位约束的表达;研究了几何功能需求的表达与分解方法,基于改进装配有向图研究了零件-零件之间分界面的公差规范设计技术;给出了公差域恒定度的定义和标识,研究了基于拓扑的基准参考框架的验证规则;提出了一种几何功能需求-几何规范的功能公差方案设计过程和方法;给出了一个简单装配体实例及其公差方案设计结果。第4章:在公差建模的基础上,以齐次坐标变换来描述装配体中的几何变动传播,建立了包含零件公差信息和装配间隙信息的装配公差分析矩阵模型,构建了公差回路的矩阵表达式,用实例说明了面向功能性和可装配性的公差分析过程。第5章:提出了一种基于变动量SDT表达的功能公差综合方案;在公差域-偏差域映射的基础上,研究了公差-成本模型到偏差-成本模型的映射,给出了几何功能需求约束、装配连接约束的SDT表达;并用一个简单实例说明公差综合优化过程。第6章:将CAD模型中零件模型及其特征用点集形式表示;采用齐次坐标变换来描述工艺系统各组成部分的空间关系,建立了工艺系统各组件的几何误差累积模型;将制造过程看作是刀具轨迹形成的点集更新被加工零件点集的过程,可生成表达加工后零件的点集矩阵;用实例进行了Monte-Carlo仿真分析,从而在公差设计阶段就考虑了制造几何变动,实现公差并行设计。第7章:在理论研究的基础上,进行了计算机辅助功能公差设计（CAFT）原型系统初步开发;给出了CAFT原型系统各个模块的功能,结合实例分析了该原型系统的工作流程。第8章:概括了全文的主要研究内容,并对计算机辅助公差设计研究进行了展望。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目次
• 插图和附表
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ISO/TC213新一代GPS标准体系
• 1.2.1 新一代GPS的提出
• 1.2.2 新一代GPS的国外研究现状
• 1.2.3 我国对新一代GPS标准的研究进展
• 1.3 计算机辅助公差设计的研究现状
• 1.3.1 公差建模与表示
• 1.3.2 公差规范
• 1.3.3 公差分析
• 1.3.4 公差综合
• 1.3.5 CAT软件开发
• 1.4 课题的提出、研究思路与创新、论文框架
• 1.4.1 课题的提出
• 1.4.2 研究思路与创新
• 1.4.3 论文框架
• 本章小结
• 第2章 公差建模与表示研究
• 2.1 引言
• 2.2 与新一代GPS一致的产品几何基本定义
• 2.2.1 表面模型
• 2.2.2 恒定类和恒定度
• 2.2.3 几何要素
• 2.2.4 特性
• 2.2.5 最小参考要素
• 2.2.6 技术与拓扑相关表面
• 2.3 几何尺寸与公差（GD&T）分析
• 2.3.1 GD&T信息组成分析
• 2.3.2 公差项目分类
• 2.3.3 尺寸公差与形位公差之间的公差原则
• 2.3.4 GD&T精炼关系
• 2.4 三维公差域参数化建模理论墓础
• 2.4.1 本质偏差和方位偏差
• 2.4.2 坐标系的构建
• 2.4.3 基于运动自由度分析的公差建模-SDT方法
• 2.4.4 采用SDT进行公差建模的步骤
• 2.5 平面的公差建模实例
• 2.5.1 矩形状（2a×2b）的平面
• 2.5.2 圆形状（半径为r）的平面特征
• 2.6 圆柱面的公差建模实例
• 2.6.1 圆柱面规范几何公差并使用MMR
• 2.6.2 圆柱面规范几何公差并使用独立原则
• 2.7 复杂表面的公差建模实例
• 2.7.1 曲面公差建模方法
• 2.7.2 名义齿面模型
• 2.7.3 齿面本质特征偏差建模
• 2.7.4 齿面方位特征偏差建模
• 2.7.5 齿面公差参数化模型
• 本章小结
• 第3章 功能公差方案规范设计研究
• 3.1 引言
• 3.2 基本定义
• 3.3 装配定位约束表达
• 3.3.1 装配定位接点类型
• 3.3.2 装配定位接点的优先次序
• 3.3.3 基于装配有向图的装配定位约束关系表达
• 3.4 几何功能需求表达与分解
• 3.5 零件-零件之间分界面公差规范
• 3.5.1 确定分界面两边零件的基准参考框架DRF
• 3.5.2 定位面的公差规范形式及公差原则选择
• 3.5.3 公差项目符号选择及其它
• 3.6 基于拓扑规则的基准参考框架验证
• 3.6.1 公差域的恒定度
• 3.6.2 公差域的矢量标识
• 3.6.3 验证基准参考框架的规则
• 3.7 几何功能需求-公差规范设计过程
• 3.8 实例研究
• 本章小结
• 第4章 功能公差分析研究
• 4.1 引言
• 4.2 装配体几何构成分析
• 4.3 装配公差分析模型
• 4.3.1 基于齐次坐标变换的名义几何关系模型
• 4.3.2 几何变动累积模型
• 4.4 公差回路的构建
• 4.5 公差累积计算方法
• 4.6 可装配性条件及分析
• 4.6.1 两个装配零件之间只有一个装配特征
• 4.6.2 当两个装配零件之间存在两个以上装配特征
• 4.6.3 实例计算分析
• 4.7 功能性检查及分析
• 4.7.1 实例的说明与分析
• 4.7.2 数据列出与计算
• 4.7.3 分析对比
• 本章小结
• 第5章 功能公差综合研究
• 5.1 引言
• 5.2 功能公差综合方法与步骤
• 5.3 目标函数─公差-成本函数
• 5.3.1 公差与成本
• 5.3.2 经典的公差-成本函数
• 5.3.3 基于SDT变量参数表达的成本-公差模型研究
• 5.3.4 成本-偏差函数研究实例
• 5.4 约束条件分析
• 5.4.1 几何功能需求约束
• 5.4.2 可装配性约束
• 5.4.3 边界约束
• 5.5 优化求解
• 5.6 实例研究
• 5.6.1 实例及主要数据统计
• 5.6.2 优化过程
• 本章小结
• 第6章 面向可制造性的公差分析研究
• 6.1 引言
• 6.2 基于三维CAD的零件特征点集表示
• 6.3 工艺系统几何误差累积模型
• 6.3.1 齐次坐标变换
• 6.3.2 工艺系统几何变动累积
• 6.3.3 基于Monte-Carlo法的HTM计算
• 6.4 制造过程建模及新表面的生成
• 6.5 制造几何变动MONTE-CARLO仿真
• 6.6 实例研究
• 本章小结
• 第7章 功能公差设计原型系统研究
• 7.1 引言
• 7.2 开发工具简介
• 7.2.1 Visual C++6.0
• 7.2.2 Matlab6.0
• 7.2.3 Visual C++和MATLAB混合编程
• 7.3 CAFT原型系统框架及主界面
• 7.4 各模块功能分析
• 7.4.1 CAD模型输入
• 7.4.2 几何重新定义
• 7.4.3 方案规范设计
• 7.4.4 公差规范链的生成
• 7.4.5 公差综合仿真模块
• 7.4.6 公差规范设计结果
• 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果
• 作者简历
• 在学期间公开发表（录用）的学术论文
• 在学期间撰写的科技报告
• 在学期间参加的科研项目