基於離散化幾何形狀誤差模型的產品規範建模理論研究

《基於離散化幾何形狀誤差模型的產品規範建模理論研究》是依託北京工業大學，由張敏擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於離散化幾何形狀誤差模型的產品規範建模理論研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張敏
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

產品幾何技術規範（Geometrical Product Specification，GPS）是所有機電產品功能設計與計量規範的基礎，被認為是實現製造業信息化的關鍵技術。然而，由於其數位化描述及計算機集成方面還不完善，阻礙了其在現代製造業中的套用。本項目以能反映加工誤差的非理想幾何形狀模型為對象，以離散幾何和統計形狀分析等現代數學工具為基礎，開展產品幾何技術規範與認證體系的數位化設計方法研究。在分析GPS原理框架的基礎上，建立能夠反映產品規範設計信息的規範表面模型，提出將傳統基於文本的公差設計要求體現為規範表面模型的幾何要素變動量的轉化關係；推導統計形狀分析在多目標模型中的數值解法；探討GPS中各類操作運算元算法，設計和開發出完整的能夠與CAx無縫集成的產品幾何規範與認證系統。本研究將在產品設計階段體現並實現對最終產品幾何行為的預測，保證產品數位化設計過程的連續性，有重要的理論和實用意義。

結題摘要

本項目針對現代製造業的現狀，即產品設計與製造、檢測環節缺乏有效的數據傳遞機制，使得公差信息只能以文本或符號的形式獨立於產品設計模型，阻礙了製造信息化的實現。針對此問題，本項目以新一點產品幾何技術規範標準為切入點，開展了產品幾何技術規範與認證體系的數位化設計方法研究。主要研究內容包括：產品規範模型的數學模型及計算機表達，公差設計要求與規範表面模型之間的幾何要素變動量的轉換關係；齒輪件的建模特徵及表征方法；齒輪齒面公差建模及對傳動性能影響分析；基於規範模型的齒廓誤差對於齒面受力影響分析；軟體系統搭建等。獲得的重要結果及關鍵數據包括：研究出了一種基於小波分析方法的能夠表征產品三維表面及其二維表面輪廓的巨觀及微觀多尺度形貌誤差成分的幾何非理想的規範表面模型的離散數據建模方法。成功的將離散序列小波變換方法引入工程表面分析領域，搭建起小波分析理論與多尺度形貌誤差的關係，建立起套用於工程表面分析的小波模型。通過對不同尺度細節信號的功率譜密度分析提出了三維多尺度形貌誤差成分分離及提取方法，實現了產品表面形貌的非理想表面模型在通用商業CAD軟體中的顯示及運算。提出的針對表面輪廓形狀誤差、波紋度及粗糙度的建模方法，對比於商業測量軟體獲得的結果二者平均相對誤差小於4%，經實驗分析，造成此誤差的主要原因，一方面是由於濾波原理不同所致，另一方面是實驗工件表面存在的固有缺陷對濾波效果產生了一定的干擾。利用齒面接觸分析技術對提出方法建立的修形圓柱齒輪的方位特徵偏差進行動態仿真分析，並利用有限元分析方法對齒輪規範模型的齒面進行接觸應力仿真分析，實現齒輪的建模分析全過程。本研究的科學意義在於通過對規範表面模型的研究，將公差信息與傳統的CAD模型進行有效集成，從而實現設計階段對最終產品的幾何形狀變化的預測及控制，進而使得產品變化信息在整個產品生命周期進行數位化傳遞和管理。