CN105740522A

CN105740522A - 一种面向公差技术的基准参考框架自动建立方法

Info

Publication number: CN105740522A
Application number: CN201610052531.4A
Authority: CN
Inventors: 吴玉光; 顾齐齐
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2016-01-26
Filing date: 2016-01-26
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2036-01-26
Also published as: CN105740522B

Abstract

本发明公开了面向公差技术的基准参考框架自动建立方法：1)从零件三维CAD模型中获取几何公差标注信息；2)对基准体系中的每一个基准要素，确定该基准要素的导出几何要素，构成当前基准要素的导出几何集合；3)对第一基准要素的全部导出基准几何直接确定为构造元素；4)对第二基准要素的全部导出几何要素利用构造元素的递归确定算法进行运算，确定有效的导出几何、确定基准体系的剩余构造元素，并将有效结果存入已知构造元素集合；5)验证基准的有效性，当存在有效性问题时，给出出错提示信息，并退出程序流程；6)对第三基准要素进行步骤4)、5)的操作；7)检查基准体系约束自由度的完备性，如果存在未确定的构造元素，则给出出错提示信息，决定是否继续程序流程。

Description

一种面向公差技术的基准参考框架自动建立方法

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设计模型中公差自动分析的基准参考框架自动建立方法。

背景技术

基准参考框架是公差技术中用于定义目标几何要素位置的正交坐标系。基准参考框架用以决定目标要素理想几何相对于基准要素实际几何的位置。基准参考框架根据几何公差的基准体系中全部基准要素的实际几何生成，基准参考框架的坐标轴和坐标平面由模拟基准要素的轮廓要素和中心要素通过一定的规则计算生成。基准参考框架的建立必须满足基准次序要素和基准体现原则，基准参考框架的坐标轴和坐标平面的决定与基准次序和几何类型相关。

公差设计对机械产品的制造和装配有着十分重要的作用。公差分析涉及产品加工、装配、测量和使用等方面的一个基础环节，计算机辅助公差(ComputerAidedTolerancing，CAT)是进行公差设计的主要方法。现有的公差分析方法主要是基于理想几何要素的公差分析方法，包括一维尺寸链分析法、二维和三维小位移旋量法、二维和三维直接线性化法等，这些公差分析方法已经成功应用在PROECATIA、VISVSA等商业软件或其模块中，(1)一维尺寸链分析法是一种传统的公差分析方法，它将机械装配的尺寸视为零件尺寸的线性叠加，并对装配体的几何质量进行分析、预测。这种公差分析方法没有考虑零件间的装配约束，可以用来分析低精度的机械产品，当零件间的定向误差较大时，这种公差分析方法的误差较大。(2)小位移旋量法可以描述二维和三维的公差带的形状、大小、位置和公差带内经过简单变动的几何要素，并对装配体的几何质量进行分析、预测。这种方法可以用于形状误差较小的机械产品，当零件间的形状误差较大时，这种公差分析方法的误差较大。(3)参数矢量化模型可以描述二维和三维的公差带的边界，并对装配体的几何功能进行分析、预测。这种方法忽略了几何要素的定向误差和形状误差，可以用于形状误差和定向误差较小的机械产品，当零件间的形状误差和定向误差较大时，这种公差分析方法的误差较大。

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，研究建立满足功能要求及实际测量和评定方法的三维公差数字化的数学模型，开发更具实用性的计算机辅助三维公差分析软件，必然涉及几何要素的坐标系的自动建立，其中，基准参考框架的生成原理和自动建立方法是一个十分关键的内容。

发明内容

本发明将基准参考框架分解成点、过点的直线、过线的平面三个构造元素，通过建立构造元素与基准参框架之间的映射规则，可使三个构造元素与基准参考框架完全对应，从而将建立基准参考框架的过程分解为三个构造元素的过程。由于构造元素与基准要素的导出几何要素(中心要素和轮廓要素)均由点、线、面三个基本几何要素组成，因此两者之间存在本质联系，根据导出几何便于建立构造元素，利用构造元素作为桥梁可使基准参考框架建立过程变得十分自然。构造元素的建立过程基于基准顺序和基准几何，根据基准顺序将建立构造元素的过程分为第一基准要素导出几何的映射和第二、第三基准要素导出几何与已知构造元素递归组合两部分。基于构造元素的确定过程，还可以建立了基准的有效性和基准体系的完备性的判定规则。

本发明的技术方案如下：

构造元素的定义：如果将正交坐标系看成是由坐标原点、一个经过原点的坐标轴和一个经过该坐标轴的坐标平面，则通过这三个元素可以确定正交坐标系的三个坐标平面或者三个坐标轴，说明这三个元素与正交坐标系完全对等。因此，定义空间中的点P_o、经过点P_o的有向直线L_a、包含直线L_a的带法线平面F_p为组成DRF的三个构造元素，P_o、L_a、F_p的几何意义如附图1所示。

构造元素具有如下特性：1)P_o、L_a、F_p与DRF的坐标原点、一个坐标轴和一个坐标平面一一对应；2)P_o、L_a、F_p互相独立，即不能用其中的任意两个元素来定义第三个构造元素；3)P_o、L_a、F_p的确定没有顺序关系。根据这些特性可以建立构造元素P_o、L_a、F_p与DRF的两个映射规则：1)P_o为DRF的坐标原点、L_a为DRF的x轴、F_p为DRF的xoy坐标平面；2)x轴正向与L_a方向相同、过P_o点垂直于F_p的直线为z轴、F_p的法线方向为z轴正向。根据这两个规则，一组P_o、L_a、F_p可以唯一定义一个DRF，反之，一个DRF也可以唯一析出一组P_o、L_a、F_p。

分析常见基准要素的导出基准几何的几何类型和位置关系可以发现，一个基准要素所导出的多个点、线、面基准之间的相对位置关系与构造元素之间的相对位置关系相同，如一个圆锥导出一个基准点和一条基准直线，基准点必定位于基准直线上；一个成组要素可以导出一条直线和一个平面基准，基准直线也必定位于基准平面上。由此可知，一个基准要素所导出的基准点、基准直线和基准平面可以直接对应相应的构造元素P_o、L_a、F_p。根据一个基准要素导出基准几何之间的位置关系以及基准组成原理、再结合基准优先原则，可以建立确定构造元素的两个规则：

规则1：第一基准要素导出的基准点、基准直线、基准平面直接对应P_o、L_a、F_p。

规则2：第二和第三基准要素所导出的每一个基准几何，根据几何类型首先确定与当前几何类型相同的未确定的构造元素，然后再与已确定的构造元素进行基准组合，建立剩余未确定的构造元素。

本发明面向公差技术的基准参考框架自动建立方法，其具体步骤如下：

(1)从零件三维CAD模型中获取公差标注信息，获得被测目标几何要素的全部基准要素的基准顺序、三维几何实体、几何类型、公称位置等信息。

(2)对基准体系中的每一个基准要素，导出该基准要素的中心几何和轮廓几何等导出几何要素，构成基准要素导出几何集合；

(3)对第一基准要素的全部导出基准几何直接确定为构造元素，其几何类型、位置等信息就是构造元素的几何信息，并将其存入已知构造元素集合；

(4)根据规则2，对第二基准要素的全部导出几何，利用构造元素的递归确定算法确定有效的导出几何、计算出构造元素的几何参数，确定剩余未确定的构造元素，并将结果存入已知构造元素集合。

构造元素的递归确定算法如表1所示。

表1中算法的执行过程为：对于给定的当前基准几何，首先找出确定当前构造元素算法集合，从上到下执行相应的算法，直到当前构造元素确定之后或者全部算法执行完毕；以相同的方式重复这一过程，确定下一个构造元素，直到全部三个构造元素确定完毕或者全部算法执行完毕。表1算法执行过程包含三条规则：

规则1：算法具有顺序关系，对于一个给定的几何形状，选择算法进行的顺序从左到右，从上到下。必须严格按照表中排列的算法顺序确定构造元素。表中算法顺序设计保证了执行结果的正确性，这是因为确定同一构造元素时由于可能存在2个已知构造元素，满足条件的算法也可能有两个，此时必须按表中的算法排列顺序执行，否则会产生错误的结果。例如，用p定义P_o时，如果此时同时存在已知构造元素L_a与F_p，则存在两个算法，此时必须选择第一条算法来确定P_o，如果按第二条算法计算，则所得到的P_o可能会不通过L_a。

规则2：确定一个构造元素只需执行一条算法，只有当前算法不能获得正确结果才需要选择下一条算法。

规则3：一个基准几何可能可以确定两个构造元素，确定当前构造元素的算法执行之后，转到后一列选择相应栏的算法，确定下一个未确定构造元素。例如，用直线基准l确定L_a时，如果此时P_o和F_p均已知，则表中的第1、第2两条算法均满足条件，但如果l与F_p垂直，则选用第一条算法不会产生有效结果，因为不存在l在F_p上的投影线，即第一条算法不能得到有效结果，必须选用第二条算法。如果l在F_p上的垂足与P_o重合，则第二条算法也不能确定L_a，此时第三、第四条算法也不能得到有效结果，说明这种情况下不能根据l确定L_a。

表1针对已知构造元素的各种存在情况以及与p、l、f的各种位置关系设计确定未知构造元素的算法，由于组合形式有限，表1穷举了全部的构造元素确定算法，因此表1的算法是完备的。例如，在确定P_o的算法中，已知构造元素必然是分别存在L_a、F_p、L_a+F_p三者之一，即当前基准要素导出的p、l、f必定与L_a、F_p、L_a+F_p三者之一相结合来确定P_o，算法考虑了p、l、f与L_a、F_p、L_a+F_p三者之间的各种相对位置关系。同样，表1中确定L_a和F_p的算法设计也采用了相同的思路。

(5)验证基准的有效性，如果当前基准要素不能确定构造元素，则根据构造元素的确定情况给出出错信息，并终止程序。

基准有效性检查规则说明如下：基准的有效性是指基准确实承担了约束公差规定的目标要素的自由度的任务。由于将建立DRF的过程分解为建立一组构造元素P_o、L_a、F_p的过程，通过判断基准在建立构造元素的作用进行基准的正确性检查，能够得到更为明确和具体的纠错信息。例如，可以根据构造元素的建立情况将基准要素的有效情况分为：当前基准要素中能够确定构造元素的导出基准、当前基准要素中可以与已知构造元素组合确定未知构造元素的导出基准、当前基准要素不能用于确定构造元素的导出基准、当前基准要素完全不能用于建立构造元素等多种情况，这些提示信息会使公差分析软件更有效。以下给出基于构造元素概念的基准有效性判定规则。

基准的有效性判断规则：如果一个基准要素的全部导出基准在建立构造元素时均不起作用，则当构造元素没有全部确定时，该基准要素是无效的；当构造元素已经全部确定时，该基准要素是冗余的。

(6)对第三基准要素重复第4、5步的操作。

(7)检查基准体系约束自由度的完备性，如果存在未确定的构造元素，则给出出错提示信息，由用户决定是否继续程序流程。

基准体系完备性检查规则说明如下：基准体系的完备性是指公差标注的框格中给出的全部基准要素能够完整定义DRF，即全部导出基准能够完整定义一组构造元素，以下给出基于构造元素概念的基准体系的完备性判定规则。

基准体系的完备性判断规则：如果一个基准体系不能完整确定一组构造元素，则该基准体系是不完备的。

本发明提出了构造元素概念和基于构造元素的基准参考框架组成原理。利用构造元素将DRF的组成过程转化为确定三个构造元素的过程，从而使问题求解步骤结构化，为实现DRF的自动建立提供基础。本发明提出的构造元素的递归确定算法，通过列表建立构造元素的确定算法集合，递归算法符合公差标准、符合基准组成原理，利用构造元素建立DRF比现有方法具有更强的可操作性。本发明提出的构造元素建立方法，测试了ANSIY14.5.1M给出的52种基准组合情况，结果与ANSI完全一致。本发明提出的基于基准参考框架的建立过程和基准设置的有效性、基准体系的完备性检查同步进行，从而能对存在的问题给出具体和明确的纠错信息。

本发明面向公差技术的基准参考框架自动建立方法自动化程度高、通用性强，对三维公差自动分析软件的研制具有十分重要的作用。

附图说明

图1是基准参考框架的构造元素分解图。

图2是基于构造元素的DRF自动建立流程图。

图3是基准体系和它的组合基准实例零件图。

图4是带有无效基准的实例零件图。

图5是对图4改正后的实例零件图。

具体实施方式

下面对本发明优选实施例作详细说明。

以图3中的孔的位置度公差的DRF确定为例，说明构造元素的确定方法。根据规则1，底平面A就是F_p。第二基准(孔B)导出一条轴线l，此时已知的构造元素为F_p，根据表1第一列第一条算法可以计算l与F_p的交点确定P_o，此时剩余未确定的构造元素为L_a，因此，需要再进入表中确定L_a的算法列，由于当前的l不能确定L_a，算法结束。对于第三基准要素(孔C)导出的轴线l，直接进入确定L_a的算法列，此时满足组合条件的算法为第二列第二条算法：“P_o与l在F_p上的垂足点p_p的连线”，故首先求出l与F_p的交点为p_p，则P_o与p_p的连线就是L_a，由于构造元素已全部定义，故算法结束。如果设想将底平面变为第三基准，即公差框格中三个基准的顺序为B、C、A，则三个基准确定构造元素的情况就变为：基准B确定L_a、基准C与L_a的组合算法确定F_p、基准A与L_a的组合算法确定P_o。可见相同基准要素不同顺序的基准体系所建立的DRF也不相同。本实施例的三个基准要素均只能分别导出一个基准，因此需要三个基准并且使用表1中的两条算法才能建立一个完整的DRF，当基准要素可以同时导出多个基准时，则根据基准次序不同建立DRF的基准数量和算法数量就可能完全不同。

如图4所示，圆柱的位置度公差的3个基准要素分别为圆柱底面B和球面根据构造元素的确定规则，第一基准要素的导出基准轴线为L_a，第二基准要素的导出基准为平面，查表1中的算法，该平面与L_a组合确定P_o、而不能确定F_p，第三基准要素的导出基准为点，该点又恰好在L_a上，它不能与已知构造元素组合确定第三个构造元素F_p，因此，第三基准要素是无效基准，由于存在未确定的构造元素F_p，因此，圆柱的位置度公差的基准体系是不完备的。对于图5中球面的位置度公差的基准体系，前两个构造元素的确定方法与图4相同，而此时第三基准要素的导出基准为平行于圆柱的轴线，该轴线与L_a平行，轴线与L_a组成的平面就是第三个构造元素F_p，因此，这一情况下三个基准要素都是有效的，球面的位置度公差的基准体系也是完备的。

本领域的普通技术人员应当认识到，基准参考框架(DRF)的建立包括理论DRF和实际DRF，理论DRF由公称基准要素的导出几何定义，实际DRF由实际基准要素的模拟基准要素所导出的几何定义。理论DRF用于公差设计、判断基准的合理性，实际DRF用于公差检验和公差分析。模拟基准要素形状是对应公称基准要素的反向几何，模拟基准要素之间的相对位置与公称基准要素相同，因此，理论DRF和实际DRF的建立方法完全能相同，本发明包括根据公称基准要素和模拟基准要素建立基准参考框架的情况。

基准参考框架是公差技术中定义零件被测要素的正交坐标系，本发明将基准参考框架分解成点、过点的直线、过线的平面三个构造元素，从而将建立基准参考框架的过程分解为确定三个构造元素的过程。基准参考框架的构造元素与基准要素的中心要素和轮廓要素均由点、线、面三个基本几何要素组成，两者之间存在本质联系，通过建立基准要素与构造元素的对应关系，从而使得建立基准参考框架的过程变得十分自然。构造元素的建立过程基于基准顺序和基准几何，根据基准顺序将建立构造元素的过程分为第一基准要素导出几何的直接映射和第二、第三基准要素导出几何与已知构造元素递归组合两部分。通过建立基于构造元素的基准参考框架组成规则，实现基准参考框架的自动建立。在确定构造元素的过程中，还同时建立了基准的有效性和基准体系的完备性的判定规则。

本领域的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变形都将落在本发明的保护范围。

Claims

1.一种面向公差技术的基准参考框架自动建立方法，其特征是按如下步骤进行：

(1)从零件三维CAD模型中获取几何公差标注信息，获得全部基准要素的基准顺序、几何实体、几何类型、公称位置；

(2)对基准体系中的每一个基准要素，导出该基准要素的导出几何要素，构成当前基准要素的导出几何集合；

(3)对第一基准要素的全部导出基准几何直接确定为构造元素，其几何类型、位置就是构造元素的几何信息，并存入已知构造元素集合；

(4)对第二基准要素的全部导出基准利用构造元素的递归确定算法进行运算，确定有效的导出基准几何、计算出构造元素的几何参数，然后确定基准体系的剩余构造元素，并将有效结果存入已知构造元素集合；

(5)验证基准的有效性，如果当前基准要素不能确定构造元素，则根据构造元素的确定情况给出出错信息，并终止程序；

(6)对第三基准要素进行第(4)、(5)步骤的操作；

(7)检查基准体系约束自由度的完备性，如果存在未确定的构造元素，则给出出错提示信息，决定是否继续程序流程。

2.如权利要求1所述面向公差技术的基准参考框架自动建立方法，其特征在于：步骤(3)，构造元素的定义，DRF存在三种构造元素：点P_o、一个经过P_o的有向直线L_a和一个经过L_a的带法线方向的平面F_p。三个元素与正交坐标系完全对等，依据一定的规则，通过这三个元素可以确定正交坐标系的三个坐标平面或者三个坐标轴，反之也然。

3.如权利要求2所述面向公差技术的基准参考框架自动建立方法，其特征在于：构造元素具有以下三条特性：1)点P_o、有向直线L_a、平面F_p与DRF的坐标原点、一个坐标轴和一个坐标平面一一对应；2)点P_o、有向直线L_a、平面F_p互相独立，即不能用其中的任意两个元素来定义第三个构造元素；3)点P_o、有向直线L_a、平面F_p的确定没有顺序关系。

4.如权利要求3所述面向公差技术的基准参考框架自动建立方法，其特征在于：根据构造元素具有的特性能建立构造元素点P_o、有向直线L_a、平面F_p与DRF的两个映射规则：1)点P_o为DRF的坐标原点、有向直线L_a为DRF的x轴、平面F_p为DRF的xoy坐标平面；2)x轴正向与有向直线L_a方向相同、过点P_o垂直于平面F_p的直线为z轴、平面F_p的法线方向为z轴正向；根据这两个规则，一组点P_o、有向直线L_a、平面F_p能唯一定义一个DRF，反之，一个DRF也能唯一析出一组点P_o、有向直线L_a、平面F_p。

5.如权利要求2～4任一项所述面向公差技术的基准参考框架自动建立方法，其特征在于：根据一个基准要素导出几何之间的位置关系以及基准组成原理、再结合基准优先原则，能建立确定构造元素的两个规则：

规则1：第一基准要素导出的基准点、基准直线、基准平面直接对应点P_o、有向直线L_a、平面F_p；

规则2：第二基准要素和第三基准要素所导出的每一个基准几何，根据几何类型首先确定与当前几何类型相同的未确定的构造元素，然后再与已确定的构造元素进行基准组合，建立剩余未确定的构造元素。

6.如权利要求1所述面向公差技术的基准参考框架自动建立方法，其特征在于：步骤(4)，构造元素的递归组合确定算法采用列表表示，如表1；

7.如权利要求6所述面向公差技术的基准参考框架自动建立方法，其特征在于：构造元素的递归确定算法的执行过程：对于给定的当前基准导出几何，首先找出确定当前构造元素算法集合，从上到下执行相应的算法，直到当前构造元素确定之后或全部算法执行完毕；以相同的方式重复这一过程，确定下一个构造元素，直到全部三个构造元素确定完毕或全部算法执行完毕。

8.如权利要求6或7所述面向公差技术的基准参考框架自动建立方法，其特征在于：表1算法执行过程包含三条规则：

规则1：算法具有顺序关系，对于一个给定的几何形状，选择算法进行的顺序从左到右，从上到下；必须严格按照表1中排列的算法顺序确定构造元素；表1中算法顺序设计保证了执行结果的正确性，这是因为确定同一构造元素时由于可能存在2个已知构造元素，满足条件的算法也可能有两个，此时必须按表1中的算法排列顺序执行，否则会产生错误的结果；

规则2：确定一个构造元素只需执行一条算法，只有当前算法不能获得正确结果才需要选择下一条算法；

规则3：一个基准几何能确定两个构造元素，确定当前构造元素的算法执行之后，转到后一列选择相应栏的算法，确定下一个未确定构造元素。

9.如权利要求1所述面向公差技术的基准参考框架自动建立方法，其特征在于：步骤(5)，基准有效性检查规则：如果一个基准要素的全部导出基准在建立构造元素时均不起作用，当构造元素没有全部确定时，则该基准要素是无效的；当构造元素已经全部确定时，该基准要素是冗余的。

10.如权利要求1所述面向公差技术的基准参考框架自动建立方法，其特征在于：步骤(7)，基准体系完备性检查规则：如果一个基准体系不能完整确定一组构造元素，则该基准体系是不完备的。