CN107992685A - 一种平面闭环精密杆系的装配精度预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面闭环精密杆系的装配精度预测方法，包括建立基本装配单元误差模型；确定平面精密杆系基准杆或基准结构，建立任意拓扑结构平面精密闭链杆系结构装配序列；按照杆系结构连接装配序列，将每步杆系的装配类型与步骤1中的基本装配单元误差模型进行匹配，并且进行误差计算；确定位姿误差，完成装配精度预测。解决了目前平面闭环精密杆系装配过程中存在由于“盲装”、“盲调”所导致的装配周期过长的问题。

Description

一种平面闭环精密杆系的装配精度预测方法

技术领域

本发明属于平面精密杆系装配精度预测技术领域；具体涉及一种平面闭环精密杆系的装配精度预测方法。

背景技术

随着产品质量对于精度要求的提高，工程实践中精密机械产品的几何精度越来越受到重视。因此为了满足高精度要求以及实现精度准确预测，精密机械产品误差分析以及精度建模就显得极其重要。然而，平面闭环精密杆系机构结构复杂，具有多闭环、环约束耦合以及参数众多且高度非线性等特点，导致其精度建模相对复杂。

在航天领域有着广泛应用的板式卫星天线展开机构，其空间尺寸大，拓扑结构复杂，杆件之间利用铰链连接，属于典型的平面闭环精密杆系。在地面装配过程中，由于受到杆长误差、铰链间隙误差、锁定误差的影响，卫星天线指向精度难以满足设计要求。而为了保证卫星装配精度与服役性能，工程人员则需要再装配过程中进行杆长调整。因而为了实现精准定量调整，一种适用于展开机构装配精度预测的方法则显得尤为重要。

然而目前国内关于这方面的技术与文献少之又少，没有成熟或者现成方法可用于展开机构装配精度预测。为此提出一种适合于任意拓扑结构平面闭环杆系的装配精度预测方法，实现包括卫星天线展开机构在内的平面闭环精密杆系精准定量装调，从而解决由于“盲装”、“盲调”所引起的装调周期过长的工程问题。

发明内容

本发明提供了一种平面闭环精密杆系的装配精度预测方法，解决了目前平面闭环精密杆系装配过程中存在由于“盲装”、“盲调”所导致的装配周期过长的问题。

本发明的技术方案是：一种平面闭环精密杆系的装配精度预测方法，包括以下步骤：

步骤S1，建立基本装配单元误差模型；

步骤S2，确定平面精密杆系基准杆或基准结构，建立任意拓扑结构平面精密闭链杆系结构装配序列；

步骤S3，按照杆系结构连接装配序列，将每步杆系的装配类型与步骤1中的基本装配单元误差模型进行匹配，并且进行误差计算；

步骤S4，确定位姿误差，完成装配精度预测。

更进一步的，本发明的特点还在于：

其中步骤S1中基本装配单元误差模型包括单杆件连接误差模型、双杆件连接误差模型和多余杆件插入误差模型。

其中单杆件连接误差模型采用几何方法进行建模；得到单杆连接装配点装配位置误差为：其中δ_B和δ_A分别为装配点B和基准点A的位置误差，Γ_AB为单杆AB之间的间隙误差，为装配误差角，为装配点B的角度。

其中双杆件连接误差模型采用平面机构基本理论进行建模；得到的双杆连接装配点误差模型为：其中Δl＝[Δl_CD,Δl_EF]^T，δ_C和δ_E分别为基准点C和基准点E的位置误差，μ₁、μ₂、μ₃均为系数矩阵。

其中多余杆件插入误差模型采用刚度矩阵进行建模；得到的误差模型为其中为插入多余杆件杆长误差导致的节点位置误差，为基结构误差导致的节点位置误差。

其中多余杆件插入误差模型采用虚功原理进行误差建模；得到多余杆件作用点位置偏差模型为多余杆件接触铰链的位置偏差模型为其中s_j表示外力与各铰链连接处的关系矩阵。

其中s_j通过静力平衡分析和结构构型确定。

其中采用虚功原理进行误差建模还包括建立平面铰链间隙误差表征模型，得到其中k为铰链间隙，δl₁和δl₂分别为l₁与l₂的杆长偏差，l_e为等效杆长，α为间隙杆在局部坐标系的夹角。

其中步骤2中所述杆系装配序列包括确定环装配顺序和每个环中确定的杆件连接顺序。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该方法通过对平面闭环精密杆系的转配单元进行分类，并且建立不同转配单元的误差模型，然后按照平面精密闭链杆系结构的装配序列，对待安装的杆件与其对应的转配单元误差模型进行匹配，按照转配序列完成所有杆件完成与转配单元误差模型的匹配，并且最终确定位姿误差，完成装配精度预测。

更进一步的，本发明中基本装配单元误差模型包括单杆件连接误差模型、双杆件连接误差模型和多余杆件插入误差模型；并且提供了三种基本误差模型的建模。

更进一步的，多余杆件插入误差模型包括在考虑铰链间隙和不考虑铰链间隙的情况下建立误差模型的方法；并且在考虑铰链间隙的情况下建立平面铰链间隙误差表征模型。

附图说明

图1为本发明中单杆件的连接模型图；

图2为本发明中双杆件的连接模型图；

图3为本发明中多余杆件连接模型图；

图4为本发明中考虑铰链间隙的误差建模方法流程图；

图5为本发明中不考虑铰链间隙的误差建模方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。

本发明提供了一种平面闭环精密杆系的装配精度预测方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1：建立基本装配单元误差模型；具体的建立三种基本装配单元误差模型用于描述平面闭环精密杆系的装配过程；三种基本装配单元误差模型包括单杆件连接误差模型、双杆件连接误差模型和多余杆件插入误差模型。

如图1所示，单杆件固定装配单元是指在基结构上固定单一杆件，影响其位姿误差的包括杆长误差、铰链间隙、基结构误差与装配误差；如图2所示，双杆件固定装配单元是指两个无约束杆件装配在两个基准点上，通过末端连接产生新端点，影响其位姿误差的因素有杆长误差、铰链间隙和两个基准点误差；如图3所示，多余杆件装配单元存在于过约杆系结构的装配过程中，是指过约束杆件装配进入静定结构，其杆长误差可能引起变形问题。

其中单杆件固定装配单元基于几何方法建立单杆件固定误差模型；双杆件固定装配单元基于平面机构基本理论建立双杆件连接误差模型；多余杆件固定装配单元基于多约束杆变形，其他杆不变形的变形假设与虚功原理建立考虑铰链间隙的多余杆件插入误差模型，或者基于刚度矩阵建立不考虑铰链间隙的多余杆件插入误差模型。

步骤S2，确定平面精密杆系基准或基准结构，建立任意拓扑构型平面精密链杆系结构装配序列；该装配序列包括确定环装配顺序和每个环中确定的杆件连接顺序；其具体过程是，首先将任意拓扑构型平面精密链杆系结构进行环分解，确定环装配序列，然后在每个环中确定每个杆件的连接顺序。

步骤S3，按照步骤S2中确定的装配序列，并且将每个杆件的杆系装配类型与步骤S1中的基本装配单元误差模型进行匹配，从而利用相应的装配单元误差模型进行该装配单元的装配误差计算。

步骤S4，确定位姿误差，完成装配精度预测；其中再计算出转配杆两端点位置误差后，则可以进行杆件装配位姿误差计算，其精度指标为杆件位置误差的函数，基于相应精度定义与函数，实现装配误差计算，从而完成装配精度预测。

具体的步骤S1中建立单杆件连接误差模型，图1为单杆件固定单元模型，即在基结构的基准点A₁上固定单杆件AB，其中实线所示AB为单杆件AB的实际安装位置，虚线AB为单杆件AB的装配位置；此时端点B转配位置误差来自于四部分：基准点A₁转配位置误差、杆件AB加工误差、装配约束误差和间隙误差。由于不考虑铰链间隙，因此A和基准点A₁重合，即A点的装配位置误差只来自于基准点A₁装配位置误差，因此B点装配位置误差为：

其中δ_B，δ_A分别为B和A的位置误差，Γ_AB为AB之间的间隙误差，为装配误差角且为微小量，其中

具体的步骤S1中建立双杆件连接误差模型，图2为双杆件固定单元模型，双杆件连接单元是两个无约束杆件CD、EF装配在两个基准点C₁和E₁上，通过D端和F端连接产生新端点G，在不考虑间隙的情况下D和F重合；双杆件连接单元误差模型主要是计算新端点G的装配位置误差，而D点装配位置误差主要由两种因素造成：基准点C₁和E₁的装配位置偏差，杆件CD和EF的杆长制造误差。因此G点的装配误差表示为：

其中Δl＝[Δl_CD,Δl_EF]^T，μ₁，μ₂，μ₃为系数矩阵且其定义为：

具体的步骤S1中建立多余杆件连接误差模型，图3为多余杆件固定单元模型，在过约束结构中，当不考虑铰链间隙的情况下，采用刚度矩阵方法；首先考虑杆件尺寸无误差，基结构有误差，则得到

其中K_b为理想基结构刚度矩阵，Δu₁为基结构节点位置误差，Δf₁为使基结构从偏差构型到理想构型所施加的作用力，K_r为包括多余杆件在内的整体结构理想刚度矩阵，为插入多余杆件时由于基结构误差导致的节点位置误差。

然后考虑杆件尺寸有误差，基结构无误差，则得到

其中，K_l为杆系刚度矩阵，Δl_r为基结构节点位置误差，Δf₂为使基结构从偏差构型到理想构型所施加的作用力，为插入多余杆件时由于多余杆杆长误差导致的节点位置误差。

从而得到最终误差为：

当考虑铰链间隙时，则只有多余杆件变形，其他杆件不变形，则最终误差为：

其中s_j是一个2×2的矩阵，表示外力与各铰链连接处的关系，具体有精力平衡分析分析与结构构型确定，r_cj为第j个铰链间隙的大小，cf_j为第j个铰链处接触力，δΓ为作用点位置偏差，Δcp_aj与Δcp_bj分别表示两个接触铰链的位置偏差。

其中考虑铰链间隙误差时，还需要建立平面铰链间隙误差表征模型，得到其中k为铰链间隙，δl₁和δl₂分别为l₁与l₂的杆长偏差，l_e为等效杆长，α为间隙杆在局部坐标系的夹角。

本发明的具体实施例为

实施例1

对于某平面闭环精密杆系，在确定其装配序列之后，按照装配序列首先对第一个装配单元进行判断，如图4所示，当判断该装配单元不是单杆件连接单元，为双杆件连接单元时，则匹配双杆件连接误差模型，得到该装配单元的装配误差为当判断该装配单元为单杆件连接单元，继续判断其是否为多余单杆件，当判断为单杆件连接单元时，匹配单杆件连接误差模型，得到该装配单元的装配误差为当判断为多余杆件连接时，在不考虑链接间隙的情况下得到该装配单元的装配误差为

该装配单元装配完成时，判断该精密杆系是否装配完成，可通过判断该装配单元是否为最后一个装配单元。若转配未完成，则进行下一个转配单元的转配；若转配完成，则确定所有转配单元杆件的位置误差。

实施例2

对于某平面闭环精密杆系，在确定其装配序列之后，按照装配序列首先对第一个装配单元进行判断，如图5所示，当判断该装配单元不是单杆件连接单元，为双杆件连接单元时，则匹配双杆件连接误差模型，得到该装配单元的装配误差为当判断该装配单元为单杆件连接单元，继续判断其是否为多余单杆件，当判断为单杆件连接单元时，匹配单杆件连接误差模型，得到该装配单元的装配误差为当判断为多余杆件连接时，在考虑链接间隙的情况下，进行静力平衡分析得到Si，并且进一步得到该装配单元的装配误差为

该装配单元装配完成时，判断该精密杆系是否装配完成，可通过判断该装配单元是否为最后一个装配单元。若转配未完成，则进行下一个转配单元的转配；若转配完成，则确定所有转配单元杆件的位置误差。

Claims (9)

1.一种平面闭环精密杆系的装配精度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，建立基本装配单元误差模型；

步骤S2，确定平面精密杆系基准杆或基准结构，建立任意拓扑结构平面精密闭链杆系结构装配序列；

步骤S3，按照杆系结构连接装配序列，将每一个杆系的装配类型与步骤S1中的基本装配单元误差模型进行匹配，并且进行误差计算；

步骤S4，确定位姿误差，完成装配精度预测。

2.根据权利要求1所述的平面闭环精密杆系的装配精度预测方法，其特征在于，所述步骤S1中基本装配单元误差模型包括单杆件连接误差模型、双杆件连接误差模型和多余杆件插入误差模型。

3.根据权利要求2所述的平面闭环精密杆系的装配精度预测方法，其特征在于，所述单杆件连接误差模型采用几何方法进行建模；得到单杆连接装配点装配位置误差为：其中δ_B和δ_A分别为装配点B和基准点A的位置误差，Γ_AB为单杆AB之间的间隙误差，θ为装配误差角，为装配点B的角度。

4.根据权利要求2所述的平面闭环精密杆系的装配精度预测方法，其特征在于，所述双杆件连接误差模型采用平面机构基本理论进行建模；得到的双杆连接装配点误差模型为：其中Δl＝[Δl_CD,Δl_EF]^T，δ_C和δ_E分别为基准点C和基准点E的位置误差，μ₁、μ₂、μ₃均为系数矩阵。

5.根据权利要求2所述的平面闭环精密杆系的装配精度预测方法，其特征在于，所述多余杆件插入误差模型采用刚度矩阵进行建模；得到的误差模型为其中为插入多余杆件杆长误差导致的节点位置误差，为基结构误差导致的节点位置误差。

6.根据权利要求2所述的平面闭环精密杆系的装配精度预测方法，其特征在于，所述多余杆件插入误差模型采用虚功原理进行误差建模；得到多余杆件作用点位置偏差模型为多余杆件接触铰链的位置偏差模型为其中s_j表示外力与各铰链连接处的关系矩阵。

7.根据权利要求6所述的平面闭环精密杆系的装配精度预测方法，其特征在于，所述s_j通过静力平衡分析和结构构型确定。

8.根据权利要求6所述的平面闭环精密杆系的装配精度预测方法，其特征在于，所述采用虚功原理进行误差建模还包括建立平面铰链间隙误差表征模型，得到其中k为铰链间隙，δl₁和δl₂分别为l₁与l₂的杆长偏差，l_e为等效杆长，α为间隙杆在局部坐标系的夹角。

9.根据权利要求1所述的平面闭环精密杆系的装配精度预测方法，其特征在于，所述步骤S2中所述杆系装配序列包括确定环装配顺序和每个环中确定的杆件连接顺序。