CN109615644A - 一种球碗偶件精密装配的面型匹配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种球碗偶件精密装配的面型匹配方法，通过测量得到的数据筛选出不合格的零件进行返修，并通过可视化对返修过程提供指导，进而提高返修的效率；对球碗的匹配程度进行定量的分析，模拟球碗偶件的装配过程，可以快速直观地确定最优组合，从而提高装配的成功率，降低废品率，节省实际装配的时间，从而提高生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及精密装配技术领域，更具体的说是涉及一种球碗偶件精密装配的面型匹配方法。
背景技术
精密偶件一般用于对配合精度要求极高的机构，如：柱塞泵、出油阀、喷油阀，陀螺仪等精密机构。其中，精密气浮球碗偶件为陀螺动压马达的关键零件，在该装配体中球与碗通过球面相结合，球与碗之间的配合方式为间隙配合，且该装配体球与碗之间的间隙大小要求十分苛刻。对于精密偶件，两零件之间的配合间隙大小对其工作状态具有显著影响。
目前，在对精密偶件进行装配时为了满足配合间隙的大小，需要对零件逐个进行试装，分析配合间隙是否符合要求，但是该检测方法效率较低，且需要依赖于操作者的经验和技能，在实际操作中难免会出现失误，对精密偶件的使用造成影响。
因此，研究出一种装配效率高，且检测准确率高的球碗偶件精密装配的匹配方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，对于精密球碗偶件，其装配偏差主要有三大来源：第一，球碗偶件的尺寸误差，精密球碗偶件理论尺寸相等，实际半径指加工后零件表面各点到拟合球心的平均距离，尺寸误差直接影响间隙的大小；第二，球碗偶件的形状误差，即球度，由于偶件间隙很小，如果零件球度过大，会造成难以装配或装配后阻碍相对运动；第三，球碗偶件装配的位置误差，在实际装配中，很难做到理想化的装配，球碗的球心及轴线也不能保证完全重合，这会造成偶件工作时跳动过大，工作状态不稳定，降低寿命。精密球碗偶件为间隙配合，配合精度要求高，零件尺寸小；在这种情况下，精密偶件的实际加工表面的真实几何结构就不能视为理想球面，因此要对加工表面进行离散化的处理，具体分析各点的匹配情况。而本发明则提供了一种操作简便，装配效率高，且装配准确率高的球碗偶件精密装配的面型匹配方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种球碗偶件精密装配的面型匹配方法，球碗偶件的匹配方法如下：
1：采用三坐标仪对球、碗零件进行测量，并得到球、碗零件的点云数据；
2：确定球、碗零件的球心坐标和球度误差：其中，球心坐标和球度误差均通过最小二乘法计算得到，计算得到的数据与球、碗零件标准的球度误差进行比较，若球、碗零件的球度误差达到合格要求，则将其存入数据库并进行后续的操作，从而得到可以匹配的偶件；若球、碗零件球度误差未达到合格要求，则将该球、碗零件进行返修；
3：测量球碗偶件沿半径方向的径向间隙：
3.1：选取所述步骤2中达到合格要求的球、碗零件，并测量球、碗各对应测量点到球心距离的差值，通过各对应测量点差值得到球碗偶件配合间隙的分布图；
3.2：将测量所得到的点云移动到标准位姿，并将标准位姿设置在球心为(0，0，0)点的位置，且点云的轴线与向量(0，0，1)重合，第一测量点位于X轴上；
设球的第一测量点与X轴的夹角为θ，球心坐标为(xc，yc，zc)，平移矩阵为T1，绕Z轴的旋转矩阵为T2，关于XOY平面对称变换矩阵为T3；先将球、碗点云数据做齐次坐标变换，然后对变换后的点云数据进行坐标变换；其中，球、碗点云数据变换分别如式(1-1)、式(1-2)所示；
P1＝P*T1*T2 (1-1)
P2＝P*T1*T2*T3 (1-2)
其中，
3.3：当球、碗配合时，将球点云的位姿进行调整，以XOY平面为对称面进行对称变换；按照顺序对球、碗上的点进行编号，在达到精度要求的条件下对球碗上相同编号的点到球心的距离进行比较；并通过可视化的表达，得到球、碗配合径向间隙的分布图；
4：测量球碗偶件沿Z轴方向的径向间隙：
4.1：将球、碗坐标利用三次B样条插值方法进行插值，将插值后球、碗上对应点的Z坐标进行比较，绘制Z向间隙示意图；
4.2：分析径向间隙，并预先设置球碗匹配的Z向偏心量以调整球碗的配合间隙大小，并将球绕Z轴旋转任意角度后与碗进行匹配；
5：将球碗偶件虚拟配合实现Z向间隙的分布预测：所述步骤3、4中间隙的预测均建立在球心严格对正的基础上，但在实际装配中，很难保证球碗偶件的球心坐标严格重合，在X、Y、Z方向上均会存在安装偏心量，而偏心量的大小能够直接对球碗偶件配合间隙大小产生影响；将球、碗绕Z轴相对旋转，当球碗偶件在旋转一周的情况下间隙大小始终符合设计要求时，则检验合格；否则不合格，然后调用数据库中的其他零件分别进行装配间隙分析。
采用上述技术方案的有益效果是，本发明中无需实际试装，仅需对球碗的匹配程度提供定量的分析，模拟球碗偶件的装配过程，确定最优的组合，并将不合格的零件进行返修，可以节省实际装配的时间，提高生产效率，提高装配的成功率。
优选的，所述步骤2中，球度未达到合格要求的球、碗零件，采用通过可视化的图样对球、碗零件的返修进行指导；其中可视化表达通过MATLAB编程实现。
采用上述技术方案的有益效果是，本发明中通过可视化表达对需要返修的不合格零件进行返修指导，可以提高返修的效率。
优选的，所述步骤3.3中，对球、碗上的点按照测量顺序进行编号，并且保证球、碗上相同编号点的大致位置相同，与实际装配中的情况吻合。
采用上述技术方案的有益效果是，本发明中上述技术方案，使检测结构更加的准确，并且只对相同编号的点到球心的距离进行比较，会使计算过程更加简单，方便。
优选的，所述步骤5中，当球碗偶件在工作状态下时，当球碗装配完毕后均需要将球、碗绕Z轴相对旋转，测试其相对运动过程中间隙大小的变化情况。
采用上述技术方案的有益效果是，对球碗偶件在工作状态和装配完成时的间隙大小进行分析，使得测量更加全面，提高球碗偶件装配的成功率。
本发明的有益效果：
(1)模拟球碗偶件的装配过程，不用将实际零件进行试装，可以快速直观地选择出最优方案，节省实际装配的时间，从而提高生产效率；
(2)对球碗的匹配程度进行定量的分析，确定最优组合，从而提高装配的成功率，降低废品率；
(3)通过测量得到的数据筛选出不合格的零件进行返修，并通过可视化对返修过程提供指导，进而提高返修的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的球碗偶件尺寸误差的结构示意图；
图2附图为本发明提供的球碗偶件形状误差的结构示意图；
图3附图为本发明提供的球碗偶件位置误差的结构示意图；
图4附图为本发明提供的球碗偶件装配关系的结构示意图；
图5附图为本发明提供的通过MATLAB编程实现可视化表达的示意图；
图6附图为本发明提供的间隙分布图中点云调整前的示意图；
图7附图为本发明提供的间隙分布图中点云调整成标准位姿的示意图；
图8附图为本发明提供的Z向间隙示意图；
图9附图为本发明提供的球碗偶件精密装配的面型匹配方法的流程图。
其中，图中，
1-球；2-碗。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种球碗偶件精密装配的面型匹配方法，球碗偶件的匹配方法如下：
1：采用三坐标仪对球1、碗2零件进行测量，并得到球1、碗2零件的点云数据；其中，点云数据为球1、碗2零件各个位置的坐标值。
2：确定球1、碗2零件的球心坐标和球度误差：其中，球心坐标和球度误差均通过最小二乘法计算得到，计算得到的数据与球1、碗2零件标准的球度误差进行比较，若球1、碗2零件的球度误差达到合格要求，则将其存入数据库并进行后续的操作，从而得到可以匹配的偶件；若球1、碗2零件球度误差未达到合格要求，则将该球1、碗2零件进行返修；通过调取数据库中的数据便可很方便的对球碗偶件进行装配分析，提高装配效率，并且可以为零件返修提供依据，提高返修效率。由附图5中可以明显的看出，拟合球外部的点导致球、碗零件的球度误差不符合要求，影响了球度误差，因此，在返修时结合附图5对不符合要求的球外点进行打磨，进而提高返修的效率。
3：测量球碗偶件沿半径方向的径向间隙：
3.1：选取步骤2中达到合格要求的球、碗零件，并测量球1、碗3各对应测量点到球心距离的差值，通过各对应测量点差值得到球碗偶件配合间隙的分布图；
3.2：将测量所得到的点云移动到标准位姿，并将标准位姿设置在球心为(0,0,0)点的位置，且点云的轴线与向量(0,0,1)重合，第一测量点位于X轴上；
设球的第一测量点与X轴的夹角为θ，球心坐标为(xc，yc，zc)，平移矩阵为T1，绕Z轴的旋转矩阵为T2，关于XOY平面对称变换矩阵为T3；先将球1、碗2点云数据做齐次坐标变换，然后对变换后的点云数据进行坐标变换；其中，球1、碗2点云数据变换分别如式(1-1)、式(1-2)所示；
P1＝P*T1*T2 (1-1)
P2＝P*T1*T2*T3 (1-2)
其中，
3.3：当球1、碗2配合时，将球点云的位姿进行调整，以XOY平面为对称面进行对称变换；按照顺序对球1、碗2上的点进行编号，在达到精度要求的条件下对球碗上相同编号的点到球心的距离进行比较；并通过可视化的表达，得到球1、碗2配合径向间隙的分布图；如附图8所示，不同颜色对应不同点的径向间隙的误差值，通过附图8可以直观的观察到球1、碗2配合径向间隙的分布情况。
4：测量球碗偶件沿Z轴方向的径向间隙：
4.1：将球1、碗2坐标利用三次B样条插值方法进行插值，将插值后球1、碗2上对应点的Z坐标进行比较，绘制Z向间隙示意图；
4.2：分析径向间隙，并预先设置球碗匹配的Z向偏心量以调整球碗的配合间隙大小，并将球绕Z轴旋转任意角度后与碗进行匹配；
5：将球碗偶件虚拟配合实现Z向间隙的分布预测：步骤3、4中间隙的预测均建立在球心严格对正的基础上，但在实际装配中，很难保证球碗偶件的球心坐标严格重合，在X、Y、Z方向上均会存在安装偏心量，而偏心量的大小能够直接对球碗偶件配合间隙大小产生影响；将球1、碗2绕Z轴相对旋转，当球碗偶件在旋转一周的情况下间隙大小始终符合设计要求时，则检验合格；否则不合格，然后调用数据库中的其他零件分别进行装配间隙分析。步骤3-5中对球1、碗2零件的测量及误差进行评估，对匹配情况进行定量的描述，准确地反映出装配的误差，进而提高装配的成功率。
进一步地，球度未达到合格要求的球1、碗2零件，采用如图5所示的可视化的图样对球1、碗2零件的返修进行指导；其中可视化表达通过MATLAB编程实现。
进一步地，步骤3.3中，对球1、碗2上的点按照测量顺序进行编号，并且保证球1、碗2上相同编号的点的大致位置相同，与实际装配中的情况吻合。
进一步地，步骤5中，当球碗偶件在工作状态下时，当球碗装配完毕后均需要将球、碗绕Z轴相对旋转，测试其相对运动过程中间隙大小的变化情况。
附图1中ΔR表示球碗偶件的尺寸误差；附图2中Δt表示球碗偶件的形状误差，即球度；附图3中Δu表示球碗偶件装配的位置误差；附图4中T表示球碗偶件的配合间隙，SR1表示球1到球心的距离，SR2表示碗2到球心的距离；附图7中的A表示第一测量点。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种球碗偶件精密装配的面型匹配方法，其特征在于，球碗偶件的匹配方法如下：
1：采用三坐标仪对球、碗零件进行测量，并得到球、碗零件的点云数据；
2：确定球、碗零件的球心坐标和球度误差：其中，球心坐标和球度误差均通过最小二乘法计算得到，计算得到的数据与球、碗零件标准的球度误差进行比较，若球、碗零件的球度误差达到合格要求，则将其存入数据库并进行后续的操作，从而得到可以匹配的偶件；若球、碗零件球度误差未达到合格要求，则将该球、碗零件进行返修；
3：测量球碗偶件沿半径方向的径向间隙：
3.1：选取所述步骤2中达到合格要求的球、碗零件，并测量球、碗各对应测量点到球心距离的差值，通过各对应测量点差值得到球碗偶件配合间隙的分布图；
3.2：将测量所得到的点云移动到标准位姿，并将标准位姿设置在球心为(0,0,0)点的位置，且点云的轴线与向量(0,0,1)重合，第一测量点位于X轴上；
设球的第一测量点与X轴的夹角为θ，球心坐标为(xc，yc，zc)，平移矩阵为T1，绕Z轴的旋转矩阵为T2，关于XOY平面对称变换矩阵为T3；先将球、碗点云数据做齐次坐标变换，然后对变换后的点云数据进行坐标变换；其中，球、碗点云数据变换分别如式(1-1)、式(1-2)所示；
P1＝p*Ti*T2 (1-1)
P2＝P*T1*T2*T3 (1-2)
其中，
3.3：当球、碗配合时，将球点云的位姿进行调整，以XOY平面为对称面进行对称变换；按照顺序对球、碗上的点进行编号，在达到精度要求的条件下对球碗上相同编号的点到球心的距离进行比较；并通过可视化的表达，得到球、碗配合径向间隙的分布图；
4：测量球碗偶件沿Z轴方向的径向间隙：
4.1：将球、碗坐标利用三次B样条插值方法进行插值，将插值后球、碗上对应点的Z坐标进行比较，绘制Z向间隙示意图；
4.2：分析径向间隙，并预先设置球碗匹配的Z向偏心量以调整球碗的配合间隙大小，并将球绕Z轴旋转任意角度后与碗进行匹配；
5：将球碗偶件虚拟配合实现Z向间隙的分布预测：所述步骤3、4中间隙的预测均建立在球心严格对正的基础上，但在实际装配中，很难保证球碗偶件的球心坐标严格重合，在X、Y、Z方向上均会存在安装偏心量，而偏心量的大小能够直接对球碗偶件配合间隙大小产生影响；将球、碗绕Z轴相对旋转，当球碗偶件在旋转一周的情况下间隙大小始终符合设计要求时，则检验合格；否则不合格，然后调用数据库中的其他零件分别进行装配间隙分析。
2.根据权利要求1所述的一种球碗偶件精密装配的面型匹配方法，其特征在于，所述步骤2中，球度未达到合格要求的球、碗零件，采用通过可视化的图样对球、碗零件的返修进行指导；其中可视化表达通过MATLAB编程实现。
3.根据权利要求1所述的一种球碗偶件精密装配的面型匹配方法，其特征在于，所述步骤3.3中，对球、碗上的点按照测量顺序进行编号，并且保证球、碗上相同编号点的大致位置相同，与实际装配中的情况吻合。
4.根据权利要求1所述的一种球碗偶件精密装配的面型匹配方法，其特征在于，所述步骤5中，当球碗偶件在工作状态下时，当球碗装配完毕后均需要将球、碗绕Z轴相对旋转，测试其相对运动过程中间隙大小的变化情况。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20210504 Termination date: 20211225 |
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