CN105718628A

CN105718628A - 面向公差技术的装配体几何要素误差传递关系图表示和构建方法

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Publication number: CN105718628A
Application number: CN201511030961.8A
Authority: CN
Inventors: 吴玉光; 顾齐齐
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2015-12-31
Filing date: 2015-12-31
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2035-12-31
Also published as: CN105718628B

Abstract

本发明公开了面向公差技术的装配体几何要素误差传递关系图表示和构建方法：1)获取装配体CAD模型中的装配组件结构树和装配配合关系集合；2)根据目标零件到机架零件的顺序，自动构建装配体零件之间几何要素误差传递关系图G_Asm＝(V，E)；3)获取装配体中零件三维CAD模型和公差标注信息；4)将获取到的公差标注信息转化为基准--目标关联形式的数据；5)从装配体零件之间几何要素误差传递关系图中获取零件内部几何误差传递关系图建立所需的装配定位要素信息；6)利用装配定位要素信息和零件内部基准--目标关联数据，自动构建属于装配体零件之间几何误差传递关系图对应顶点的零件内部几何要素误差传递图G_Part＝(V’，E’)。

Description

面向公差技术的装配体几何要素误差传递关系图表示和构建方法

技术领域

本发明属于计算机辅助公差设计(CAT)技术领域，尤其涉及一种机械产品公差自动分析和设计软件中的误差传递路径图的生成方法。

背景技术

装配公差分析的目的是确定机器中目标要素的位置变动范围以及机器中各零件上的关联要素的几何误差对目标要素位置变动影响的敏感程度和贡献程度。确定这一变动范围需要涉及机器装配模型上全部关联零件和关联要素，因此需要找出机器上全部关联零件和关联要素，确定零件上各关联要素的几何误差对目标要素的位置影响的作用路径，分析关联要素之间的误差作用方式，获得关联要素之间的相对位置变动规律，最终获得目标要素的位置变动范围和变动规律。全部关联要素的误差作用路径的综合就是机器中几何要素误差传递关系图。因此，几何要素误差传递关系图的自动构建，是实现装配公差自动分析的核心工作。

目前，国内外相关研究机构和研究人员在三维装配尺寸链的建立方面已有较多研究，多数方法基于数据结构中的图结构、树结构或者线性表对尺寸链进行表示，但都还存在一些问题。这些问题包括：1)只能描述链式尺寸，或者将空间尺寸关系分解到三个坐标方向上单独进行计算。2)装配关系简化为线性串连装配关系，而非多个零件空间装配定位。3)装配关系表示模型不适用于表示误差传递关系，导致尺寸传递关系生成算法复杂，不利于直接用于装配公差分析。4)各类三维设计分析软件对于装配模型几乎都采用了装配结构树的形式，而装配关系树仅能表示零部件的所属关系，尤其是描述装配零件由多个定位零件共同定位时，树结构就无法描述，等等。因此，现有方法还不能正确表示机器中零件之间、零件内部几何要素之间的几何误差传递和影响的真实情况，实际装配关系以及参与装配的几何要素及其在零件内部的误差传递关系较为复杂。因此，基于图结构的表示是基本的方法，通过建立装配体中零件之间、零件内部几何要素之间的几何要素误差传递关系图，可以得到空间尺寸传递路径。通过利用现有的CAD系统及其三维公差标注系统所提供的几何及其公差信息，再建立适用于后续公差分析的计算算法，并且将计算分析过程集成于CAD软件中，从而方便设计人员在产品模型设计阶段进行有效的公差分析。这是实现装配公差分析的自动化的主要目的。

由于计算机辅助公差技术的复杂性，使对公差设计技术特别是三维公差设计技术的研究远远落后于对CAD、CAPP和CAM的研究，使其难以与目前的CAD/CAPP/CAM集成。随着三维CAD软件逐渐成为产品设计的方向和主流，如何在三维CAD模型上进行公差分析与综合已成为一个必须解决的问题。开发更具实用性的计算机辅助三维公差分析软件，必须建立准确描述装配关系及几何要素定位关系的计算机表示模型，而几何要素在机器中和零件内部的误差传递关系的自动建立是其中的核心内容。

发明内容

基于上述现有技术的现状，本发明采用数据结构中的双向图来描述几何误差的传递关系，根据装配CAD模型中的装配组件结构树和装配配合关系集合，从目标零件到机架零件的顺序自动构建装配体零件之间几何误差传递关系图G_Asm＝(V，E)，根据装配配合关系涉及的装配定位要素对，细化装配体零件之间几何误差传递关系图中边的数据域信息。然后利用装配体零件之间几何误差传递关系图中边的装配定位要素数据，同时根据零件内部由三维公差标注信息转化为基准要素定位目标要素形式的数据，自动构建属于装配体零件之间几何误差传递关系图对应顶点的零件内部几何要素误差传递图G_Part＝(V^’，E^’)。从而建立了全部关联几何要素在机器中的误差传递关系图，为机器内几何要素之间实际相对位置的计算和影响其相对位置变化的关联要素的搜索建立基础。

本发明所涉的基本概念：

定位零件和装配零件：机器由零件逐个装配而成，当前正在装配的零件称为装配零件，而已装到机器上、对装配零件进行定位的零件称为定位零件。

定位基准和装配基准：装配零件与定位零件的装配接触副中，位于定位零件上的基准表面为定位基准，位于装配零件上的基准表面为装配基准。机器上的一个中间零件既有定位基准又有装配基准，定位基准用于定位其它零件，装配基准是本中间零件被定位的基准。机器上的机架零件的装配基准是机器的基础基准，机器中目标零件的定位基准是机器公差分析的目标要素。从机架零件开始到目标零件结束，机器由一系列装配基准-定位基准组成的基准对所构成。

本发明采取如下技术方案：

一种面向公差技术的装配体几何要素误差传递关系图表示和构建方法，其按如下步骤进行：

(1)获取装配CAD模型中的装配组件结构树和装配配合关系集合。

装配模型主要有两方面的数据组成，一方面是装配体中所有用到的零件模型，另一方面是装配配合信息，包括装配体中各个零件作为组件参与装配的唯一组件名称、各个组件之间的装配配合关系。通过CAD系统提供的二次开发API函数，可以方便获取当前装配模型中的所有组件集合Components_Set和装配配合关系集合Mates_Set，将装配体组件集合和装配配合信息集合分别作为两个单独的临时集合，采用普通的链式存储数据结构存放即可，需要注意的是，保证节点的先后顺序与装配模型中的一致。Components_Set装配体组件集合的节点数据包括组件及其映射的零件模型，Mates_Set装配配合关系集合的节点数据包括装配关系类型、装配组件指针、定位组件指针、装配零件上的定位要素、定位零件上的装配要素。

(2)从目标零件向机架零件自动构建装配体零件之间几何误差传递关系图G_Asm＝(V，E)，图中V代表零件的集合，E代表装配定位关系的集合。根据装配接触副的配合关系，细化装配体零件之间几何误差传递关系图中边的数据域信息。

机器由零部件相继装配而成，零件在机器中的位置由定位基准和装配基准通过装配接触进行定位。装配接触关系中的全部装配基准必然属于同一个装配零件上，装配接触关系中的全部定位基准要素既可能位于同一定位零件上、也可能分别位于不同定位零件上，即一个装配零件存在一个或多个定位零件。

装配体零件之间几何误差传递关系图是描述机器中起定位作用的全部零件和目标零件的关联关系的数据结构，装配体零件之间几何误差传递关系图是一张双向图，不仅能够表达装配定位中零件的组成信息，而且能够表达零件之间的装配定位约束关系、装配顺序和接触关系几何类型。因此，装配关系图中每个顶点存储的数据为：1)零件文件对象指针；2)对应的零件内部几何要素关系图G_Part；3)装配零件的全局坐标系相对于第一定位零件的全局坐标系的齐次坐标变换矩阵。

为了便于装配体零件之间几何误差传递关系图的建立和检索，本发明的装配体零件之间几何误差传递关系图是一个双向图。采用了两个单链表描述图中边的信息，规定从定位零件指向装配零件的边为正向边，从装配零件指向定位零件的边为逆向边，即每个节点均保存一个正向邻接表和一个逆向邻接表。正向邻接表用以记录当前零件所定位的全部零件集合，逆向邻接表用以记录对当前零件进行定位的全部零件以及定位顺序。如图2所示，零件C3安装在机架零件C1上，然后对零件C2、C4进行定位，则其正邻接表元素为C2、C4；逆邻接表元素为C1。零件C2没有装配零件，其正向邻接表为空，而逆向邻接表按顺序存放了零件C1和C3。双向图对机器中全部关联零件的各种排序十分方便，例如对于从机架零件到目标零件的正向排序，可以得到机器中零件的全部安装顺序序列(C1、C3、C2、C4和C1、C3、C4、C2)，这一序列可用于计算零件在机架中位置；而从目标零件开始的逆向遍历，就得到了机器中确定任意零件位置的所有关联零件(例如目标零件为C2，则所有关联零件为C1、C3)。换句话说，根据正向边找出当前零件作为定位基准的全部装配零件，根据逆向边找出当前零件作为装配零件的全部定位零件及其定位基准的优先次序。

本发明所讨论的装配关系，其装配零件的所有装配基准对应的定位基准可能位于同一个零件上，也可能位于不同零件上；当来自不同零件上时，就意味着该装配零件的逆向邻接表中有多个元素，此时这些元素在逆向邻接表中的排序就是定位顺序，如图2所示，零件C2被零件C1和零件C3共同定位，从其逆向邻接表中看出，定位顺序为C1、C3。

装配关系图中的边E<Ci，Cj>仅仅是说明这两个零件有装配关系存在，比如图2中的边<c1,c3>只描述零件C1、C3之间有装配关系，具体装配关系信息存储在对应边的数据域中。

装配体零件之间几何误差传递关系图的正向边和逆向边存储的数据为：1)指向关联顶点的指针；2)指针对应的装配关系类型；3)指针所包含的全部装配基准面及其定位基准面及其装配顺序。

图3为三个零件的装配体零件之间几何误差传递关系图，其中，C3由C1定位，C2由C1和C3共同定位；实线箭头为正向边，虚线箭头为逆向边。零件C1和零件C3具有三对平面装配基准，分别为C1中的Face1、Face2、Face3和C3中的Face5、Face6、Face7，因此，顶点C3的逆向邻接表第一个节点指向C1(即逆向边<c3,c1>)，该边中存储的装配基准面表为Face5、Face6、Face7，存储的定位基准面表为Face1、Face2、Face3。同理，零件C2由C1和C3共同定位，也是三对平面装配，根据顶点C2的逆向邻接表元素顺序，先与C1通过两对平面进行配合定位，再与C3通过一对平面进行配合定位，因此，逆向邻接表第一个节点指向C1(即逆向边<c2,c1>)，该边中存储的装配基准面表为Face9、Face10，存储的定位基准面表为Face1、Face4；逆向邻接表第二个节点指向C3(即逆向边<c2,c3>)，该边中存储的装配基准面表为Face11，存储的定位基准面表为Face8。零件C1分别对零件C2和C3进行定位，顶点C1的正向邻接表的两个节点分别指向C2和C3，正向边<c1,c2>存储的装配基准面表为Face9、Face10，存储的定位基准面表为Face1、Face4；正向边<c1,c3>存储的装配基准面表为Face5、Face6、Face7，存储的定位基准面表为Face1、Face2、Face3。

装配体零件之间几何误差传递关系图的自动建立算法分为如下步骤：

●从目标组件C_i发出，通过Components_Set装配体组件集合节点中的映射关系获取目标零件，建立第一个顶点V_i_Asm；

●在Mates_Set装配配合关系集合中查找出所有包含装配组件为C_i的节点，将查找到的所有节点中的定位组件C_j～C_j+n，入栈Stack或队列Queue暂存(入栈则是深度优先建立图，入队列则是广度优先建立图)；

●将查找到的所有节点中的定位组件C_j～C_j+n，通过映射关系获取对应的零件后，查询图中是否存在这些零件的顶点，如果不存在，则插入顶点V_j_Asm～V_j+n_Asm；

●创建顶点V_i_Asm的逆向邻接表，添加元素分别为顶点V_j_Asm～V_j+n_Asm的指针；

●创建顶点V_j_Asm～V_j+n_Asm的正向邻接表，添加元素就是顶点V_i_Asm的指针，如果图中已存在顶点V_j_Asm，则直接在其正向邻接表中后续添加顶点V_i_Asm的指针；

●将步骤2)中查找到的所有节点中的装配关系类型、装配零件上的定位要素指针、定位零件上的装配要素指针，添加到对应的边上；即在V_i_Asm的逆向邻接表中元素V_j_Asm～V_j+n_Asm节点属性域中添加装配关系类型，V_i_Asm零件与V_j_Asm～V_j+n_Asm零件装配配合时，V_i_Asm零件上参与这个配合的装配基准要素，V_j_Asm～V_j+n_Asm零件上参与这个配合的定位基准要素；

在V_j_Asm～V_j+n_Asm的正向邻接表中元素V_i_Asm节点属性域中添加装配关系类型，V_j_Asm～V_j+n_Asm零件与V_i_Asm零件装配配合时，V_j_Asm～V_j+n_Asm零件上参与这个配合的定位基准要素，V_i_Asm零件上参与这个配合的装配基准要素；

●将步骤2)中的栈Stack或队列Queue压出一个元素，重复步骤2)～步骤7)，直至栈或队列中元素为空，结束。

这是一个递归算法，并且完整地还原了装配模型，将装配模型中的装配树和装配配合关系转化为装配体零件之间几何误差传递关系图，同时通过边中的装配基准要素和定位基准要素，留下了自动建立零件内部几何要素几何误差传递关系图的接口。如果有多个目标要素来源于多个目标组件，只需将步骤1)中对这个目标组件映射的零件是否已经建立顶点作出判别，如果存在，则无需建立这个顶点，然后运行余下步骤即可。

装配体零件之间几何误差传递关系图除了存储装配配合关系和零件、几何要素对象指针以外，还存储了几何要素的位置定义点参数和坐标系变换矩阵等数据，这些数据保证了公差分析算法所需的参数。如通过建立几何要素坐标体系确定每个几何要素在其零件中的位置，然后根据这些模拟零件，通过机器内装配坐标体系确定每个零件在机架中的位置，最后来确定单个或多个目标要素在整个机器中的位置，求出它们之间的相互位置关系，进行装配公差分析建立基础。这些数据的确定在后续的零件内部几何误差传递关系图的建立过程中完成。

(3)获取装配体中零件三维CAD模型和公差标注信息。

通过CAD软件所提供的API函数获取三维公差标注信息及其对应实体对象指针，公差标注信息及其对应的实体对象以数据对(Annotation，Entity)形式暂存。

(4)将获取到的公差标注信息转化为基准要素定位目标要素形式的数据。

对于关联两个几何要素的定位尺寸公差，可以将关联的几何要素可以分解为目标要素和基准要素，而对于只有一个几何要素的定形尺寸公差，如圆柱直径尺寸公差等，直接将尺寸与公差数据存放到节点数据域中；几何公差则需要通过公差特征框中的基准代号与基准标注代号字符比对来建立联系。则将数据对(Annotation，Entity)整理分解为两个集合：1)几何要素和标注在这个要素上的公差，Set1＝{(Entity，GDT)}；2)基准代号和它所标注的几何要素，Set2＝{(Datum，Entity)}。

(5)从当前装配体零件之间几何误差传递关系图中获取建立零件内部几何要素误差传递关系图所需的装配定位要素信息。

在建立零件内部几何误差传递关系图之前，首先要了解到并不是所有零件、所有几何要素都对目标要素的位置误差产生作用。最明显的一个例子是，如果当前零件的一个定位要素所定位的装配零件与目标零件无关，则装配关系图中就不存在这个装配零件的节点，当前零件的这个定位要素就无需在零件图中建立。由此可知，根据装配关系图中某节点的正逆邻接表，即所有正向边中存下的定位要素、所有逆向边中存下的装配要素，就可以针对性地建立每个几何要素都将影响目标要素误差的零件图。

为了确定当前零件的全部装配基准要素和全部定位基准要素，需要建立两个集合，即定位基准要素集合和装配基准要素集合。建立当前零件节点V_i_Asm与定位该零件的全部定位零件节点V_j_Asm～V_j+n_Asm之间边的集合E_Set＝{<V_j_Asm～V_j+n_Asm，V_i_Asm>，j～j+n节点均指向i节点}，通过获取E_Set集合中每条边的装配基准要素，可以组成定位当前零件的全部装配基准要素集合A_MateEntities_Set；建立当前零件节点V_i_Asm所定位的全部装配零件节点V_j2_Asm～V_j2+n2_Asm之间边的集合E2_Set＝{<V_i_Asm，V_j2_Asm～V_j2+n2_Asm>，i节点指向全部j2～j2+n2节点}，通过获取E2_Set集合每条边中的定位基准要素，可以组成当前零件的定位基准要素集合L_MateEntities_Set。换句话说，通过当前零件节点的正向邻接表可以获取当前零件的所有定位基准要素，通过当前零件节点的逆向邻接表可以获取当前零件的所有装配基准要素；对于目标零件，它不参与定位其它装配零件，则其没有定位基准要素信息，但是有目标要素，即装配公差分析目标；对于机架零件，不被其它零件所定位，因此它的装配基准要素集合为空。

(6)建立零件内部几何要素误差传递关系图G_Part＝(V’，E’)：利用装配定位要素信息和零件内基准定位目标形式的数据，自动构建属于装配体几何误差传递关系图对应顶点的零件内部几何要素误差传递图G_Part＝(V’，E’)，完成装配体几何误差传递关系图中的顶点数据的建立。装配体几何误差传递关系图为机器内零件之间和零件内部几何要素之间实际相对位置的计算和影响其相对位置变化的关联要素的搜索建立基础。

几何公差技术中通过设定定位基准要素的方式确定目标要素在零件中的位置，一个基准要素可以定位多个目标要素，基准要素自身可以由1～3个几何要素定位，因此，零件内部几何要素的误差传递关系也必须采用数据结构中的图结构进行表述。从公差标注角度看，需要将目标要素指向基准要素；从误差传递角度看，又需要基准要素指向目标要素，因此，零件内部几何要素误差传递关系图也是一个双向图。

零件内部几何要素误差传递关系图G_Part＝(V’，E’)中，V’代表几何要素相关信息，E’代表定位关系。G_Part建立了装配误差传递关系图中零件节点内的全部装配基准要素和全部定位基准要素之间的联系，因此，G_Part就是装配误差传递关系图中的零件节点。几何要素的位置定义点参数和坐标系变换矩阵等数据在G_Part图中建立。因此，建立G_Part就是完善装配误差传递关系图。

G_Part中每个顶点存储4大类数据：1)目标几何要素：目标几何要素即为零件实体模型中的几何实体，如平面、圆柱面等。2)几何公差与尺寸公差：几何公差是指控制目标要素几何变动的一个或多个公差类型，当一个要素存在多个几何公差时，这些几何公差必然存在基本公差和附加公差之分，附加公差只能对要素的控制点变动增加一个约束，并且附加公差的基准一定是基本公差基准的子集，基本公差的基准包含附加公差的基准，全部基准子集的和一定小于等于基本基准的基准。因此，几何公差数据包括基本几何公差类型和附加几何公差类型(公差类型、公差数值、公差数值前缀、公差数值后缀，公称理论尺寸、公称理论尺寸关联要素，基准数量、基准代号、基准代号后缀)。尺寸公差数据包括公称尺寸值和尺寸公差的上下偏差值。对于没有标注几何公差的尺寸要素，隐含规定其定位尺寸标注所关联的几何要素为基准。3)几何要素控制点参数、变动规律和实际位置数据。4)该要素的坐标体系及其变换矩阵：坐标体系及其变换矩阵初值为空，用于存储后续几何误差计算的中间和最终结果。

G_Part中的边E’同样采用两个单链表进行描述，并分别称之为正邻接表和逆邻接表。设置两个表的目的在于便于零件图的自动建立和定位几何要素的坐标体系的建立。规定从基准要素出发，指向目标要素的边为正向边，用正邻接表记录，相应的搜索称为正向搜索；从目标要素出发，指向基准要素的边为逆向边，用逆邻接表记录，相应的搜索称为逆向搜索。

图5为图3中的零件C3的几何要素误差传递关系图，C3中目标要素的定位层次为：目标Entity6由基准Entity5定位，目标Entity5由基准Entity4定位，目标Entity4由基准Entity2定位，目标Entity2由基准Entity1定位，目标Entity3由基准Entity1和Entity2共同定位。Entity2作为基准又对目标Entity4和目标Entity3进行定位，因此，几何要素Entity2的正邻接表元素为Entity3、Entity4；逆邻接表元素为Entity1。边的这种描述方式很方便的从零件基础要素正向拓扑排序，得到零件内部各个几何要素的定位序列(Entity1、Entity2、Entity3或者Entity1、Entity2、Entity4、Entity5、Entity6等)，用于后续计算几何要素实际位置相对于零件全局坐标系的变换矩阵；从目标要素逆向遍历，就得到了零件内部确定该目标要素位置的所有基准(例如目标要素为Entity3，则其所有基准要素为Entity1、Entity2)。换句话说，根据正向边找出当前要素作为基准时的全部目标要素，根据逆向边找出当前要素作为目标要素时的全部基准及其基准优先次序。

零件图中的边E<Entity_i，Entity_j>建立起了几何要素之间的相互定位关系，例如图5中的边<E2,E4>描述几何要素Entity2、Entity4的定位关系，正向边Entity2指向Entity4，Entity2作为基准定位目标要素Entity4，而公差类型数据存在目标要素的顶点数据域中；如果是多个基准共同定位的目标要素，除了公差类型还有基准优先顺序的描述。本发明采用了两个邻接表表示图的边，因此，计算至某个目标要素时，该顶点的逆向邻接表中元素存放顺序即是基准优先顺序的体现。

最后根据当前零件顶点的定位基准要素集合L_MateEntities_Set、装配基准要素集合A_MateEntities_Set、Set1＝{(Entity，GDT)}、Set2＝{(Datum，Entity)}建立递归算法，自动完成当前零件图的建立。具体算法如下：

●将当前零件顶点的定位基准要素集合L_MateEntities_Set中，所有元素Entity__i～Entity__i+n(几何要素)入栈Stack；

●从栈Stack中弹出一个元素Entity__i，建立零件图顶点V_i_Part；

●遍历Set1集合，找出所有该几何要素的“要素-标注”对(Entity__i，GDT__j～GDT__j+n)；

●遍历这些“要素-标注”对，获取每个GDT__j公差特征框中的基准代号Datum__k(k＝1,2,3，分别表示第一、二、三基准，可以不全部存在)；

●遍历Set2集合，找出对应Datum__k(k＝1,2,3)的几何要素Entity__k(k＝1,2,3)，查询零件图中是否已经存在Entity__k(k＝1,2,3)顶点，如果不存在，则建立零件图顶点V_k_Part(k＝1,2,3)，并入栈Stack；

●创建顶点V_i_Part的逆向邻接表，添加元素分别为顶点V_k_Part(k＝1,2,3)的指针；如果图中已存在顶点V_i_Part，则直接在其正向邻接表中后续添加顶点V_k_Part的指针；

●创建顶点V_k_Part(k＝1,2,3)的正向邻接表，添加元素就是顶点V_i_Part的指针；如果图中已存在顶点V_k_Part，则直接在其正向邻接表中后续添加顶点V_i_Part的指针；

●将Entity_i的“要素-标注”对(Entity_i，GDT_j～GDT_j+n)中的GDT公差信息分别存入顶点Vi_Part的数据域中；

●从栈Stack弹出下一个元素，并查询零件图中是否已经存在该顶点，如果不存在，则建立零件图顶点，然后重复步骤3)～步骤8)，直至栈中元素为空；

●将当前零件顶点的装配基准要素集合A_MateEntities_Set中，所有元素Entity__l～Entity__l+n(几何要素)入栈Stack，进行步骤8)，直至栈中元素为空，结束。

这一递归算法的具体过程如下。首先通过步骤1)从零件顶端，即所有定位基准要素或目标要素出发，朝零件基础要素方向(逆向)，搜索该几何要素作为目标要素时的基准要素，再将基准要素作为目标要素时，搜索它的基准要素，重复这一搜索循环，直至零件的装配基准要素或者基础要素。由于存在尺寸公差和复合公差，在步骤3)中，可能会出现一个几何要素上有多个标注的情况，是因为存在尺寸公差和复合公差，本发明前述将尺寸公差关联的要素分解为了目标要素和基准要素，而复合公差中次要公差的基准集合被含于主要公差的基准集合，即次要公差建立的关系已经在主要公差中完成。步骤9)是为了保证该零件能够在机架中完全被确定。

通过这一递归算法，本发明完成了零件内部几何要素误差传递关系图的建立，从零件基础要素逐步确定中间要素，最后确定该零件的定位基准要素或者目标要素。因此，该误差传递关系图中的每个顶点中的几何要素都关系目标要素最终在机架中的位置，这将便于后续装配误差自动分析中的敏感度和贡献率的计算。

目前主流的三维CAD系统都具备了三维标注功能，并单独设立公差标注模块，例如NX、SolidEdge的PMI模块，SolidWorks的DimXpert模块，CATIA的Functional Annotation&Tolerance模块，PTC的注释模块等。这些三维标注模块经过近十年的发展，现在基本都符合标准ANSI/ASME Y14.41-2003，ISO16792-2006，GB/T 24734-2009等标准，并且在使用时可以根据不同的标准进行设定模式。这些标注基本都是以注释的形式以文本属性数据存放在实体模型的属性域内，或者是通过指针的方式间接地将注释信息与实体模型关联。从而可以建立了几何要素和公差信息之间的双向搜索机制，便于通过几何要素获取公差信息，或者通过公差标注注释获取几何要素信息。本发明从装配体组件集合和装配配合信息入手，通过设计相应的算法自动建立装配体零件之间的几何误差传递关系图。通过获取三维公差标注信息，将装配零件之间的几何误差传递关系图的扩充成装配体全部几何要素的几何误差传递关系图。

附图说明

图1是本发明几何要素误差传递关系图自动构建流程图。

图2是装配关系双向示意图。

图3是三个零件装配的详细描述图。

图4是装配关系图中边内数据与零件图中装配定位基准要素的联系。

图5是零件内部几何要素关系双向图及其顶点数据域。

图6是一种优选实施例装配模型。

图7是一种优选实施例底座零件三维模型及其标注。

图8是一种优选实施例零件A三维模型及其标注。

图9是一种优选实施例零件B三维模型及其标注。

图10是一种优选实施例零件C三维模型及其标注。

图11是一种优选实施例零件D三维模型及其标注。

图12是一种优选实施例对应的几何要素误差传递关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明优选实施例作详细说明。

以图6中的装配体模型为例，说明自动构建装配体零件之间几何误差误差传递关系图和零件内部几何要素误差传递关系图。

根据构建流程，先通过计算机语言程序来建立该装配体模型中的装配组件集合Components_Set和装配配合关系集合Mates_Set，该装配体由5个零件组成，则Components_Set＝{底座零件、零件A、零件B、零件C、零件D}，装配配合关系集合Mates_Set＝{

底座零件的F1面与零件A的F1面贴合、底座零件的F2面与零件A的F2贴合、

底座零件的F3面与零件A的F3面贴合、底座零件的F1面与零件B的F1面贴合、

底座零件的F4面与零件B的F2面贴合、零件A的F4面与零件C的F1面贴合、

零件A的F5面与零件C的F2面贴合、零件B的F3面与零件C的F3面贴合、

零件C的F5面与零件D的F1面同轴}。

假设零件D的F2面和零件C的F4面的垂直度为需要分析的目标，则本实施例中目标零件分别为零件D和零件C。根据装配关系图的建立算法，从目标零件D出发，建立第一个顶点V_D_Asm；再在Mates_Set集合中查找到“零件C的F5面-零件D的F1面”装配关系，建立顶点V_C_Asm并将零件C入栈Stack；然后创建顶点V_D_Asm的逆向邻接表，添加元素V_C_Asm，并且在该元素数据域中添加装配要素F1和装配类型同心，与此同时，创建顶点V_C_Asm的正向邻接表，添加元素V_D_Asm，并且在该元素数据域中添加定位要素F5和装配类型同心。

然后从Stack弹出一个元素，即零件C，在Mates_Set集合中查找到所有相关装配关系为“零件A的F4面-零件C的F1面”、“零件A的F5面-零件C的F2面”、“零件B的F3面-零件C的F3面”，先查找装配关系图中是否已经存在零件A、零件B顶点，不存在，则建立顶点V_B_Asm、V_A_Asm并将零件A、零件B入栈Stack；创建顶点V_C_Asm的逆向邻接表，添加元素V_B_Asm、V_A_Asm，并且在这两元素对应数据域中分别添加装配要素F3和F1、F2，装配类型重合，与此同时，创建顶点V_B_Asm、V_A_Asm的正向邻接表，都添加元素V_C_Asm，并且在该元素数据域中分别添加定位要素F3和F4、F5，装配类型重合。

再从Stack中弹出一个元素，即零件B，进行顶点和边的建立，过程与上述类似，直至Stack为空，即底座零件弹出后，整个装配关系图建立完毕。

接下来就是对装配体零件之间几何误差传递关系图在零件层面进行扩充，如图7-11所示，为5个零件的三维公差标注图。在建立零件内部几何误差传递关系图前，需要做数据准备，通过API函数获取三维公差标注信息及其标注实体对象，以数据对(Annotation，Entity)暂存，然后将其整理分解为两个集合：1)几何要素和标注在这个要素上的公差，Set1＝{(Entity，GDT)}；2)基准代号和它所标注的几何要素，Set2＝{(Datum，Entity)}。由于每个零件的操作过程类似，则以零件C为例，讲述数据转化为两个集合的过程。如图10所示，为零件C的全部三维公差标注，则数据对(Annotation，Entity)包括：基准A-F1、基准B-F2、基准C-F3、基准D-F4，垂直度0.40A-F2、垂直度0.50AB-F3、位置度φ0.50ABC-F4、位置度然后整理这些数据对，得到Set1＝{(F5，位置度(F4，位置度)、(F3，垂直度0.50AB)、(F2，垂直度0.40A)}，Set2＝{(基准A，F1)、(基准B，F2)、(基准C，F3)、(基准D，F4)}。除了Set1和Set2之外，建立零件C的零件图还需要它的定位基准要素集合L_MateEntities_Set和装配基准要素集合A_MateEntities_Set，而这两个集合数据根据算法中描述的，需要从装配体零件之间几何误差传递关系图该顶点V_C_Asm的出入边的数据域中获取。通过查找顶点V_C_Asm的正向邻接表中所有元素的定位基准要素，根据邻接表顺序和每个元素数据域中定位基准要素存放顺序，依次暂存入定位基准要素集合，则L_MateEntities_Set＝{F5}；由于该零件中F4为其中一个目标要素，则根据算法得L_MateEntities_Set＝{F5、F4}。查找顶点V_C_Asm的逆向邻接表中所有元素的装配基准要素，同样顺序暂存入装配基准要素集合，则A_MateEntities_Set＝{F1、F2、F3}。

根据零件建立算法，依据这四个集合数据建立零件内部几何误差传递关系图：将F5、F4入栈Stack；弹出F4，建立第一个顶点V_F4_Part，并在集合Set1中查找出所有“要素-标注”对为：(F4，位置度)，获取这个位置度公差基准代号A、B、C，然后分别在Set2集合中查找到基准A、基准B、基准C对应的实体F1、F2、F3，将F1、F2、F3入栈Stack，然后查询零件图中是否存在F1、F2、F3顶点，不存在，则建立顶点V_F1_Part、V_F2_Part、V_F3_Part；创建顶点V_F4_Part的逆向邻接表，添加元素V_F1_Part、V_F2_Part、V_F3_Part顶点的指针；分别创建顶点V_F1_Part、V_F2_Part、V_F3_Part的正向邻接表，都添加元素V_F4_Part顶点的指针；在顶点V_F4_Part数据域中添加公差类型为位置度，公差值为

再从Stack中弹出一个元素，即F3，在集合Set1中查找出(F3，垂直度0.50AB)，获取这个垂直度公差基准代号A、B，然后分别在Set2集合中查找到基准A、基准B对应的实体F1、F2，查询零件图中已经存在对应顶点，则不需要入栈Stack；在顶点V_F3_Part逆向邻接表中后继添加元素V_F1_Part、V_F2_Part顶点的指针；分别在顶点V_F1_Part、V_F2_Part、的正向邻接表，都后继添加元素V_F3_Part顶点的指针；在顶点V_F3_Part数据域中添加公差类型为垂直度，公差值为0.50。

以此类推，直至栈Stack中元素为空。然后将装配基准要素集合A_MateEntities_Set中所有元素F1、F2、F3入栈Stack，继续进行算法步骤，但查询后发现零件图中F1、F2、F3都已存在对应顶点，则直接结束，完成装配关系图在顶点V_C_Asm处的扩充，即Vc的零件图建立。

其它零件内部几何误差传递关系图的建立与上述过程类似，在此不再赘述。通过装配体零件之间几何误差传递关系图的建立及其每个顶点处零件内部几何要素几何误差传递关系图的建立，最后得到一张完整准确描述该装配体模型及其各个零件内部公差标注的几何要素误差传递关系图，如图12所示。

本发明实现了机器中零件之间、零件内部几何要素之间的几何误差传递关系的自动建模，适用于各种误差类型、各种几何要素和装配关系的机械零件，是实现公差分析和公差设计自动化的必要基础。

以上对本发明的优选实施例进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种面向公差技术的装配体几何要素误差传递关系图表示和构建方法，其特征是按如下步骤进行：

(1)获取装配体CAD模型中的装配组件结构树和装配配合关系集合；

(2)根据目标零件到机架零件的顺序，自动构建装配体零件之间几何要素误差传递关系图G_Asm＝(V，E)，并根据装配接触副的装配配合关系，细化装配体零件之间几何要素误差传递关系图中边的数据域信息；

(3)获取装配体中零件三维CAD模型和公差标注信息；

(4)将获取到的公差标注信息转化为基准--目标关联形式的数据；

(5)从装配体零件之间几何要素误差传递关系图中获取零件内部几何误差传递关系图建立所需的装配定位要素信息；

(6)利用装配定位要素信息和零件内部基准--目标关联数据，自动构建属于装配体零件之间几何误差传递关系图对应顶点的零件内部几何要素误差传递图G_Part＝(V’，E’)，完成装配体几何误差传递关系图的建立。

2.如权利要求1所述面向公差技术的装配体几何要素误差传递关系图表示和构建方法，其特征在于：步骤(2)，装配体零件之间几何误差传递关系图是一张双向图，其顶点存储的数据为：1)零件文件对象指针；2)对应的零件内部几何要素误差传递关系图G_Part；3)零件全局坐标系相对于第一定位零件的全局坐标系的变换矩阵；该装配体零件之间几何误差传递关系图的边采用两个单链表的方式表示，分别称之为正邻接表和逆邻接表；规定从定位零件出发，指向装配零件的边为正向边，用当前顶点的正邻接表记录，同时该搜索方向称为正向搜索；从装配零件出发，指向定位零件的边为逆向边，用当前顶点的逆邻接表记录，同时该搜索方向称为逆向搜索。

3.如权利要求2所述面向公差技术的装配体几何要素误差传递关系图表示和构建方法，其特征在于：装配体零件之间几何误差关系图的边的数据为：1)当前顶点所指向的顶点；2)当前顶点和所指向顶点之间的装配关系类型；3)当前顶点与所指向顶点之间的所有装配接触关系中的装配基准面及其定位基准面、以及这些装配定位基准面对的顺序。

4.如权利要求1-3任一项所述面向公差技术的装配体几何要素误差传递关系图表示和构建方法，其特征在于：步骤(2)，根据获取到的当前装配模型中的所有组件集合Components_Set和装配配合关系集合Mates_Set，以及装配关系图顶点、边的定义，自动建立算法按如下步骤：

1)从目标组件C_i发出，通过Components_Set装配体组件集合节点中的映射关系获取目标零件，建立装配体几何要素误差传递关系图的第一个顶点V_i_Asm；

2)在Mates_Set装配配合关系集合中查找出所有包含装配组件为C_i的节点，将查找到的所有节点中的定位组件C_j～C_j+n，入栈Stack或队列Queue暂存；

3)将查找到的所有节点中的定位组件C_j～C_j+n，通过映射关系获取对应的零件后，查询图中是否存在这些零件的顶点，如果不存在，则插入顶点V_j_Asm～V_j+n_Asm；

4)创建顶点V_i_Asm的逆向邻接表，添加元素分别为顶点V_j_Asm～V_j+n_Asm的指针；

5)创建顶点V_j_Asm～V_j+n_Asm的正向邻接表，添加元素就是顶点V_i_Asm的指针，如果图中已存在顶点V_j_Asm，则直接在其正向邻接表中后续添加顶点V_i_Asm的指针；

6)将步骤2)中查找到的所有节点中的装配关系类型、装配零件上的定位要素指针、定位零件上的装配要素指针，添加到对应的边上；即在V_i_Asm的逆向邻接表中元素V_j_Asm～V_j+n_Asm节点属性域中添加装配关系类型，V_i_Asm零件与V_j_Asm～V_j+n_Asm零件装配配合时，V_i_Asm零件上参与这个配合的装配基准要素，V_j_Asm～V_j+n_Asm零件上参与这个配合的定位基准要素；在V_j_Asm～V_j+n_Asm的正向邻接表中元素V_i_Asm节点属性域中添加装配关系类型，V_j_Asm～V_j+n_Asm零件与V_i_Asm零件装配配合时，V_j_Asm～V_j+n_Asm零件上参与这个配合的定位基准要素，V_i_Asm零件上参与这个配合的装配基准要素；

7)将步骤2)中的栈Stack或队列Queue弹出一个元素，重复步骤2)～步骤7)，直至栈或队列中元素为空，结束。

5.如权利要求1所述的面向公差技术的装配体几何要素误差传递关系图自动构建方法，其特征在于：步骤(4)，零件内部定位尺寸要素的尺寸公差所涉及的两个几何要素能分解为目标要素和基准要素，尺寸要素的定形尺寸公差则直接将公称尺寸及公差数据存放到顶点数据域中；几何公差则需要通过公差特征框中的基准代号与基准标注代号字符比对来建立联系；则将数据对(Annotation，Entity)整理分解为两个集合：1)几何要素和标注在这个要素上的公差，Set1＝{(Entity，GDT)}；2)基准代号和它所标注的几何要素，Set2＝{(Datum，Entity)}。

6.如权利要求1所述面向公差技术的装配体几何要素误差传递关系图表示和构建方法，其特征在于：步骤(5)，通过建立当前零件顶点V_i_Asm与定位它的全部定位零件顶点V_j_Asm～V_j+n_Asm之间边的集合E_Set＝{<V_j_Asm～V_j+n_Asm，V_i_Asm>，j～n顶点指向i顶点}，获取E_Set集合每条边中的装配基准要素，就能获得当前零件的全部装配基准要素集合A_MateEntities_Set；通过建立当前零件顶点V_i_Asm作为定位零件的所有装配零件顶点V_j2_Asm～V_j2+n2_Asm之间边的集合E2_Set＝{<V_i_Asm，V_j2_Asm～V_j2+n2_Asm>，i顶点指向j2～j2+n2顶点}，获取E2_Set集合每条边中的定位基准要素，就能获得当前零件的全部定位基准要素集合L_MateEntities_Set。

7.如权利要求1所述面向公差技术的装配体几何要素误差传递关系图表示和构建方法，其特征在于：步骤(6)，零件内部几何误差传递关系图是一个双向图，其顶点存储的数据为：1)几何要素对象；2)几何公差、尺寸公差；3)几何要素控制点参数、变动规律和实际位置数据；4)该要素的坐标体系及其变换矩阵；零件内部目标要素的定位需要1～3个基准要素，采用两个单链表表示零件内部几何误差传递关系图中边，并且规定从基准要素出发，指向目标要素的边为正向边，用当前顶点的正邻接表记录，同时该搜索方向称为正向搜索；从目标要素出发，指向基准要素的边为逆向边，用当前顶点的逆邻接表记录，同时该搜索方向称为逆向搜索。

8.如权利要求1或7所述面向公差技术的装配体几何要素误差传递关系图表示和构建方法，其特征在于：步骤(6)，根据当前零件顶点的定位基准要素集合L_MateEntities_Set、装配基准要素集合A_MateEntities_Set、Set1＝{(Entity，GDT)}、Set2＝{(Datum，Entity)}建立递归算法，自动完成当前零件内部几何误差传递关系图的建立；具体算法步骤如下：

1)将当前零件顶点的定位基准要素集合L_MateEntities_Set中，所有元素Entity__i～Entity__i+n入栈Stack；

2)从栈Stack中弹出一个元素Entity__i，建立零件图顶点V_i_Part；

3)遍历Set1集合，找出所有该几何要素的“要素-标注”对(Entity__i，GDT__j～GDT__j+n)；

4)遍历这些“要素-标注”对，获取每个GDT__j公差特征框中的基准代号Datum__k，其中，k＝1,2,3，分别表示第一、二、三基准；

5)遍历Set2集合，找出对应Datum__k(k＝1,2,3)的几何要素Entity__k(k＝1,2,3)，查询零件图中是否已经存在Entity__k(k＝1,2,3)顶点，如果不存在，则建立零件图顶点V_k_Part(k＝1,2,3)，并入栈Stack；

6)创建顶点V_i_Part的逆向邻接表，添加元素分别为顶点V_k_Part(k＝1,2,3)的指针；如果图中已存在顶点V_i_Part，则直接在其正向邻接表中后续添加顶点V_k_Part的指针；

7)创建顶点V_k_Part(k＝1,2,3)的正向邻接表，添加元素就是顶点V_i_Part的指针；如果图中已存在顶点V_k_Part，则直接在其正向邻接表中后续添加顶点V_i_Part的指针；

8)将Entity_i的“要素-标注”对(Entity_i，GDT_j～GDT_j+n)中的GDT公差信息分别存入顶点Vi_Part的数据域中；

9)从栈Stack弹出下一个元素，并查询零件图中是否已经存在该顶点，如果不存在，则建立零件图顶点，然后重复步骤3)～步骤9)，直至栈中元素为空；

10)将当前零件顶点的装配基准要素集合A_MateEntities_Set中的所有元素Entity__l～Entity__l+n入栈Stack，转入步骤8)，直至栈中元素为空。