CN115081231B - 一种机匣装配偏差建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于航空部件装配偏差分析领域，提供了一种机匣装配偏差建模方法，包括以下步骤：步骤(1)：准备好建立机匣尺寸链模型所需的各个关键几何要素的公差要求；步骤(2)：基于小位移旋量理论建立机匣各个关键几何要素偏差的旋量模型；步骤(3)：将螺栓连接中偏差的传递和法兰面偏差传递相耦合，得到等效旋量模型；步骤(4)：将平行度公差对法兰面角度偏差的限制作用引入到机匣三维尺寸链模型中；将平行度公差旋量模型中的角度分量替换机匣法兰面轮廓度旋量模型中的角度分量。本发明所述的机匣装配偏差建模方法，可以表征复杂三维公差在多级机匣装配过程中的传递和累积。

Description

一种机匣装配偏差建模方法
技术领域
本发明属于航空部件装配偏差分析领域，尤其涉及一种机匣装配偏差建模方法。
背景技术
航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，被誉为工业领域“皇冠上的明珠”。航空发动机的运行效率依赖于结构设计、材料性能及制造质量等多方面因素。其中，制造质量与零部件几何误差呈现极大相关性，对发动机的整体动平衡性能、运行安全均有较大影响。随着燃气涡轮发动机的发展，对其部件效率、寿命和安全性要求也越来越高，装配质量对发动机的性能和结构安全性的影响很大。
作为航空发动机中的关键部件，机匣加工制造过程繁多，涉及到铣削、拉销、抛光、热处理等制造工艺。结构零部件在制造与装配过程中，产生不同种类的制造偏差。这些偏差主要体现在装配过程中匹配界面的形状和位置相对于名义值的波动。各个界面的形位波动值在尺寸链中传递和累积，造成装配后机匣空间位置产生偏差，进而影响到机匣、叶片乃至整个发动机的服役性能。
目前针对航空发动机机匣的公差设计多以经验为主，需要反复试凑以达到要求；而公差分析以传统的一/二维尺寸链为主，无法完全反映出三维空间各个装配体非连续界面的形位公差以及装配特征之间的耦合关系，从而导致分析结果不准确，无法为装配质量标定和公差优化分配提供准确的依据。此外，由于机匣之间的螺栓连接，导致出现局部并联尺寸链，导致机匣偏差传递变得复杂。
因此，有必要研究含螺栓连接多级机匣装配的复杂尺寸链传递。根据机匣的制造装配精度和连接匹配关系，建立包含串并联尺寸链的机匣装配偏差预测模型。为机匣的制造优化、公差分配以及性能调控提供指导依据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机匣装配偏差建模方法，表征机匣螺栓连接装配结构中局部多并联尺寸链中的不确定性，通过公差分析和随机性模拟装配，预测装配后机匣空间姿态偏差以及统计学分布。
本发明是这样实现的，一种机匣装配偏差建模方法，包括以下步骤：
步骤(1)：准备好建立机匣尺寸链模型所需的各个关键几何要素的公差要求；如机匣周向尺寸公差、各个法兰匹配面的轮廓度公差值以及螺栓孔位置度公差值等；
步骤(2)：基于小位移旋量理论建立机匣各个关键几何要素偏差的旋量模型；
步骤(3)：考虑机匣的螺栓连接结构属于典型的局部多并联尺寸链；将螺栓连接中偏差的传递和法兰面偏差传递相耦合，得到等效旋量模型；
步骤(4)：考虑法兰面同时受到轮廓度和平行度公差要求，将平行度公差对法兰面角度偏差的限制作用引入到机匣三维尺寸链模型中；将平行度公差旋量模型中的角度分量替换机匣法兰面轮廓度旋量模型中的角度分量；
步骤(5)：考虑机匣各个公差带边界条件限制，在旋量模型中的角度偏差和平动偏差之间建立约束关系；
步骤(6)：将旋量模型中角度偏差和平动偏差之间的约束关系代入到机匣三维尺寸链模型中，得到经过修改后的机匣三维偏差传递模型；该模型考虑了螺栓连接导致的局部并联尺寸链、法兰面平面度引起的角度偏差约束以及公差带边界约束关系等；通过该模型可以进行机匣装配质量的评估。
进一步的技术方案，所述步骤(3)具体又分为以下步骤：
3.1根据实际装配状态，通过交并运算，筛选螺栓孔位置度旋量以及法兰面轮廓度旋量中的有效转动分量。具体地，每一个螺栓定位孔都有一个位置度公差要求Tpo，该公差域形状为圆柱形，可以用沿x和y方向的平动分量u2、v2和转动分量α2、β2来表征。机匣法兰面在轮廓度Ts的公差域内会有沿x和y方向的角度偏差α1、β1。由于β2的值通常大于β1的值，在二者都达到各自公差域所允许的最大值时，机匣螺栓孔装配会出现干涉。因此，机匣法兰面的偏差面会限制螺栓在位置度Tpo中的转动，螺栓所允许的转动角度受到角度偏差α1和β1的限制。
此外，由于法兰面轮廓度并不限制沿z轴方向的转动，而轴对称的两个螺栓定位孔位置偏差会使法兰面产生沿z轴的转动偏差，当两个螺栓定位孔的位置偏差呈现相反方向时，将使连接的法兰面产生等效角度偏差γ'。
对上述各个转动分量进行合并操作，选取α1、β1和γ'作为有效机匣法兰面等效旋量模型中的角度偏差进行尺寸链的计算。
3.2根据实际装配状态，通过交并运算，筛选螺栓孔位置度旋量以及法兰面轮廓度旋量中的有效平动分量。
具体地，螺栓定位孔旋量模型中的u2和v2属于平动偏差，会直接影响匹配件的空间位置。通过螺栓连接后匹配法兰面会跟随着u2和v2移动相同的位置。而法兰面的旋量模型中关于x和y方向的位移偏差等于0。因此经螺栓对法兰面进行连接时，法兰面和螺栓定位孔在u和v方向综合平动偏差可以用u2和v2来表示。对螺栓孔和法兰面旋量模型中的各个平动分量进行合并操作，选取u2和 v2作为有效平动偏差进行尺寸链的计算。
3.3将法兰面与螺栓孔中有效的平动分量和转动分量耦合在一起，形成机匣法兰面连接处的等效旋量模型，表达式如下：
TIFE1'＝[u2 v2 w1 α1 β1 γ']T。
进一步的技术方案，步骤(4)中考虑法兰面同时受到轮廓度和平行度公差要求，将平行度公差对法兰面角度偏差的限制作用引入到机匣三维尺寸链模型中。
具体地，机匣法兰面除了受到轮廓度要求外，还受到其他公差的约束。例如机匣顶部端面同时有轮廓度公差Ts和平行度公差Tpa，因此有必要考虑平行度公差所带来的影响。
具体地，平行度公差带Tpa在宽度为Ts的范围内可以自由活动，但不能超出轮廓度公差带所确定的边界。实际表面(红色虚线)则在平面度公差带Tpa 里可以上下平移和转动。也就是说，轮廓度公差和平行度公差共同组成了复合公差。考虑到平行度公差Tpa对法兰面转动角度的限制，旋量模型中的角度偏差用平行度公差中的角度偏差来代替，表达式如下：
Figure BDA0003725996970000031
进一步的技术方案，步骤(5)中考虑机匣各个公差带边界条件限制，在旋量模型中的角度偏差和平动偏差之间建立约束关系。
具体地，法兰面轮廓度Ts公差带中当w1和β'都取最大值时，实际法兰面将有一部分超出Ts的上边界。为了使法兰面处于公差域内，则在w1最大时需要将β'的值变为0才行。在考虑公差域的边界约束后，旋量TIFE1'中w1和α'、β'之间的关系如下：
Figure BDA0003725996970000041
Figure BDA0003725996970000042
与轮廓度公差中的约束类似，TIFE1'中u2、v2和γ'之间也存在约束关系。约束关系如下：
Figure BDA0003725996970000043
Figure BDA0003725996970000044
相较于现有技术，本发明的有益效果如下：
(1)本发明所述的机匣装配偏差建模方法，可以表征复杂三维公差在多级机匣装配过程中的传递和累积。基于本方法，可以得到尺寸链中任一尺寸环的公差或偏差大小对机匣目标偏差的影响规律及贡献度。
(2)本发明所述的机匣装配偏差建模方法，考虑了螺栓连接装配关系，将复杂的局部并联尺寸链进行了等效处理，解决了螺栓匹配面间偏差传递路径导致局部尺寸链难以表述的问题。
(3)本发明所述的机匣装配偏差建模方法，不仅可以用于装配后机匣初始状态下的目标位置偏差预测，也可以用于机匣任何位置的偏差分析。该方法属于显式数学模型，具有简洁、求解效率高的特点。
(4)本发明所述的机匣装配偏差建模方法，可以通过极值法得到目标表偏差的波动范围，也可以通过蒙特卡洛仿真计算目标几何要素的统计学分布。针对实际工程中可能存在的不同偏差分布类型，如正态分布、皮尔逊分布等，也可以通过该尺寸链模型进行求解。本发明所述的尺寸链建模方法具有较好的工程应用能力。
(5)本方法具有普适性，可用于任何含螺栓连接的机匣的尺寸链分析。此外，本发明所提到的含螺栓连接的机匣不仅可以是航空发动机机匣，也可以是轮船汽轮机机匣等。
附图说明
图1为典型航空发动机机匣结构示意图；
图2为中介机匣典型公差要求图；
图3为高压机匣典型公差要求图；
图4为机匣装配关系链图；
图5(a)为为平面轮廓度公差的旋量表征；图5(b)为同轴度公差的旋量表征；
图6(a)、图6(b)、图6(c)为螺栓定位孔连接有效偏差示意图
图7为法兰面平行度示意图
图8(a)、图8(b)为轮廓度边界示意图；
图9(a)、图9(b)为螺栓孔位置度边界示意图；
图10(a)为FR中u的统计学分布图；图10(b)为FR中v的统计学分布图；图10(c)为FR中w的统计学分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
如图1所示，本发明实施例中所描述的对象是典型航空发动机机匣装配体。其中，机匣主体为圆柱形结构，机匣之间通过螺栓连接。
基于以上所述的机匣，建立考虑螺栓连接的机匣尺寸链模型。具体步骤如下：
步骤(1)：根据机匣之间装配时的匹配关系以及实际制造过程中的公差要求，定义各个关键几何要素的公差类型以及公差值。如机匣轴向尺寸公差、法兰面轮廓度公差、法兰面平行度公差、螺栓定位孔位置度公差，如图2、图3所示。机匣底面和内侧面分别定义为基准A和B。顶部螺栓定位孔相对于基准B有位置度φTpo要求，而基准与底部定位孔则认为处于名义状态。此外，机匣顶部法兰面相对于基准A有轮廓度Ts要求，同时伴随着平行度公差Tpa。Da和Db分别是两个机匣法兰面的外径。D′a和D′b分别表示两个机匣顶部法兰面上两个轴对称孔之间的距离。La和Lb分别是两个机匣的轴向长度。上标Tu和下标Td是轴向尺寸的上限偏差和下限偏差。以上的几何参数具体值如下：La＝962mm， Lb＝820mm,Da＝823mm，D′a＝780mm，Db＝900mm，D′b＝840mm，Tu＝0.03mm，Td＝0.03mm， Wa＝8.6mm，Tpo＝0.05mm，Tpa＝0.03mm，Ts＝0.05mm，Wb＝12mm。
步骤(2)：根据机匣之间匹配关系和相关几何要素的特点，机匣的偏差传递路径可以划分为串联尺寸链和局部并联尺寸链。
具体地，LCS‘0’是中介机匣底面的中心点并作为评价机匣装配质量的一个基准点。LCS‘1’、‘4’和‘7’分别是相应机匣的法兰面中心。LCS‘2’、‘3’、‘5’和‘6’分别表示螺栓定位孔几何中心。在机匣装配中通过法兰面的连接来限制机匣沿z轴的平动和沿x/y轴方向的转动，这里的几何要素以机匣轴线为中心，相应的偏差传递属于串联尺寸链。而法兰面上的螺栓孔主要约束机匣沿x/y 方向上的平动和沿z方向上的转动。相对于机匣中心轴线，由螺栓孔引起的偏差传递从机匣径向方向上的两侧开始传递，属于局部并联尺寸链。为了方便分析，这里定义法兰面上均布的螺栓孔中以轴对称分布的其中两个孔为定位孔，而其他螺栓孔仅作为连接孔。
机匣的装配连接关系如图4所示。共有5个功能单元FE，分别是两个内部功能单元IFE、两个并联功能单元PFE和一个接触功能单元CFE，用于表征一个串联尺寸链和两个局部并联尺寸链。对于串联尺寸链而言，尺寸环是： IFE1-CFE1-IFE2-FR。其中IFE1是坐标系‘1’所对应功能要素相对于坐标系‘0’的轮廓度偏差。CFE1定义为坐标系‘1’与坐标系‘4’之间的尺寸偏差。IFE2 是坐标系‘7’相对于坐标系‘4’的轮廓度偏差。功能尺寸要求FR，是评价机匣装配质量的目标偏差。这里定义FR为机匣两侧中心点之间的相对空间位置关系，也即是坐标系‘0’与坐标系‘7’之间的相对位置偏差。
基于小位移旋量理论表征各个关键几何要素的公差。常见典型公差类型下的旋量表征如图5(a)、图5(b)所示，其中Sv是实际偏差面，Sn是名义平面，α、β、γ分别是关于x、y、z轴的转动角度偏差，u、v、w分别是关于x、y、 z轴的平动偏差。根据步骤(1)中的公差要求，建立相应旋量模型。
具体地，在机匣各个功能单元公差的旋量表征如下：
Figure BDA0003725996970000071
TCFE1＝[0 0 w 0 0 0]T,-Td≤w≤Tu  (2)
Figure BDA0003725996970000072
考虑到高压机匣轴向尺寸公差会对FR在z方向分量产生显著影响，这里将 TIFE2中的旋量w改为如下表达：
Figure BDA0003725996970000073
步骤(3)：图4中所示的虚线连接是螺栓导致的局部并联尺寸链PFE1和PFE2。 PFE1和PFE2分别是坐标系‘2’和‘3’所对应定位孔相对于坐标系‘5’和‘6’的位置度偏差。将螺栓连接中偏差的传递和法兰面偏差传递相耦合，得到等效旋量模型。具体又分为以下几小步：
(1)根据实际装配状态，通过交并运算，筛选螺栓孔位置度旋量以及法兰面轮廓度旋量中的有效转动分量。
具体地，每一个螺栓定位孔都有一个位置度公差要求Tpo，该公差域形状为圆柱形，可以用沿x和y方向的平动分量u、v和转动分量α、β来表征，旋量表达式如下：
TPFE＝[u2 v2 0 α2 β2 0]T  (5)
显然，由于角度偏差的杠杆效应，螺栓定位孔的位置度会影响到机匣两侧的同轴度，进而导致目标偏差FR的变化。例如，在位置度公差域中沿y轴的转动分量β会导致机匣顶端面产生沿z方向的位置偏差w。
需要注意的是，螺栓定位孔位置度偏差与机匣定端面轮廓度偏差之间会产生干涉现象。如图6(a)、图6(b)、图6(c)所示，机匣法兰面在轮廓度Ts的公差域内会有沿y向的角度偏差β1。β2是螺栓定位孔在位置度Tpo公差域中沿y方向的角度偏差。由于β2的值通常大于β1的值，在二者都达到各自公差域所允许的最大值时，机匣螺栓孔装配会出现干涉，但现实中不允许这种干涉装配状态存在。机匣法兰面的偏差面会限制螺栓在位置度Tpo中的转动，螺栓所允许的转动角度受到角度偏差β1的限制。
为了避免连接中的这种干涉，并联尺寸链中螺栓孔的角度偏差α2和β2需要小于或等于法兰面轮廓角度偏差α1和β1。
此外，由于法兰面轮廓度并不限制沿z轴方向的转动，而轴对称的两个螺栓定位孔位置偏差会使法兰面产生沿z轴的转动偏差，如图6(a)、图6(b)、图 6(c)所示。当两个螺栓定位孔的位置偏差呈现相反方向时，将使连接的法兰面产生等效角度偏差γ'。
因此，对TPFE和TIFE1中的各个转动分量进行合并操作，选取α1、β1和γ'作为有效角度偏差进行尺寸链的计算。
(2)根据实际装配状态，通过交并运算，筛选螺栓孔位置度旋量以及法兰面轮廓度旋量中的有效平动分量。
具体地，螺栓定位孔旋量模型TPFE中的u2和v2属于平动偏差，会直接影响匹配件的空间位置。通过螺栓连接后匹配法兰面会跟随着u2和v2移动相同的位置。而法兰面的旋量模型中关于x和y方向的位移偏差等于0。因此经螺栓对法兰面进行连接时，法兰面和螺栓定位孔在u和v方向综合平动偏差可以用u2 和v2来表示。对TPFE和TIFE1中的各个平动分量进行合并操作，选取u2和v2 作为有效平动偏差进行尺寸链的计算。
(3)将法兰面与螺栓孔中有效的平动分量和转动分量耦合在一起，形成机匣法兰面连接处的等效旋量模型，表达式如下：
TIFE1'＝[u2 v2 w1 α1 β1 γ']T  (6)
(4)将(3)中的等效旋量模型耦合到机匣串联尺寸链中，基于雅克比-旋量理论得到机匣的三维尺寸链模型。雅克比-旋量模型一般表达式如下：
Figure BDA0003725996970000081
具体地，
Figure BDA0003725996970000082
是一个3×3方向矩阵，是第i个FE相对于全局坐标系“0”之间的方向矩阵。它表征着第i个元素所在坐标系的方向转换。具体地，
Figure BDA0003725996970000091
如下定义：
Figure BDA0003725996970000092
具体地，元素C1l、C2l和C3l是单位向量，表示的是第i元素坐在局部坐标系三坐标相对于全局坐标系“0”三坐标方向的投影向量，它们分别对应x、y 和z轴方向。
Figure BDA0003725996970000093
具体地，
Figure BDA0003725996970000094
是反对称的矩阵，用于表示第i个元素与第n个元素(也即是目标元素)之间的三维距离向量。
Figure BDA0003725996970000095
和
Figure BDA0003725996970000096
可以通过下式进行计算：
Figure BDA0003725996970000097
具体地，dxi、dyi和dzi是第i个元素所在坐标系相对于全局坐标系在x、 y、z方向的距离。通过方向矩阵和距离矩阵之间的乘积，即
Figure BDA0003725996970000098
用来表征偏差在传递过程中的杠杆效应,而RPti是投影矩阵，表示偏差分析方向和公差带之间的投影矩阵。
将式(2)、(3)、(6)带入式(7)中，得到含螺栓连接的机匣装配体雅克比 -旋量偏差模型，具体表达式如下：
Figure BDA0003725996970000099
Figure BDA00037259969700000910
步骤(4)：考虑法兰面同时受到轮廓度和平行度公差要求，将平行度公差对法兰面角度偏差的限制作用引入到机匣三维尺寸链模型中。
具体地，如图4中连接链的IFE1和IFE2，它们所对应的公差域仅仅是通过轮廓度进行表征的。但机匣法兰面除了受到轮廓度要求外，还受到其他公差的约束。如图2、图3所示，机匣顶部端面同时有轮廓度公差Ts和平行度公差Tpa，因此有必要考虑平行度公差所带来的影响。图7所示轮廓度公差带和平行度公差带。可以看到，平行度公差带Tpa(红色线)在宽度为Ts的范围内可以自由活动，但不能超出轮廓度公差带所确定的边界。实际表面(红色虚线)则在平面度公差带Tpa里可以上下平移和转动。也就是说，轮廓度公差和平行度公差共同组成了复合公差。考虑到平行度公差Tpa对法兰面转动角度的限制，这里需要对法兰面的旋量模型进行修改以满足实际偏差约束条件。相应旋量的表达式如下：
Figure BDA0003725996970000101
Figure BDA0003725996970000102
将上式(13)和(14)带入式(11)中，得到含平行度的螺栓连接机匣偏差模型。
步骤(5)：考虑机匣各个公差带边界条件限制，在旋量模型中的角度偏差和平动偏差之间建立约束关系。
具体地，如图8(a)、图8(b)所示法兰面轮廓度Ts的公差带。当w1和β' 都取最大值时，红色虚线表示的实际法兰面将有一部分超出Ts的上边界。为了使法兰面处于公差域内，则在w1最大时需要将β'的值变为0才行。这说明平动分量和转动分量之间存在约束关系以满足公差域Ts的边界。
在考虑公差域的边界约束后，旋量TIFE1'中w1和α'、β'之间的关系如下：
Figure BDA0003725996970000103
与轮廓度公差中的约束类似，TIFE1'中u2、v2和γ'之间也存在约束关系。如图9(a)、图9(b)所示，当u2和v2达到最大值时，中心点位置会超出圆形公差域。只有在v2处于最大值时γ'的值为0才能避免超出边界。相应地，u2、v2 和γ'之间的约束关系如下：
Figure BDA0003725996970000111
步骤(6)：将步骤(5)中角度偏差和平动偏差之间的约束关系代入到机匣三维尺寸链模型中，得到经过修改后的机匣三维偏差传递模型，具体表达式如式 (17)。该模型考虑了螺栓连接导致的局部并联尺寸链、法兰面平面度引起的角度偏差约束以及公差带边界约束关系等。
Figure BDA0003725996970000112
考虑到实际工程中各个偏差大都呈现正态分布，本实施例根据正态分布函数随机生成5000个样本点，从中选取符合公差边界约束条件的偏差，通过所建立的机匣装配体偏差模型计算机匣装配体目标偏差FR的统计学分布。
机匣装配体两侧中心点之间距离偏差FR沿x、y和z方向分量的统计学分布如图10(a)、图10(b)、图10(c)所示。具体地，偏差u、v和w的统计学分布标准差分别是：0.0119mm、0.0115mm和0.0177mm。
通过本实施例所述机匣尺寸链建模方法和所建立的尺寸链模型，将螺栓连接的局部并联尺寸链与机匣串联尺寸链进行了耦合，在此基础上考虑了平行度导致的法兰面复合公差影响以及公差带边界约束条件等。通过该模型，可以计算机匣装配体位置偏差以及目标偏差的统计学分布。
以上实施例只是本发明一部分。实施例所述的公差值和机匣结构几何尺寸仅是一个示例，对于不同的公差值和尺寸，目标偏差的结果也有相应的变化。可以根据实际工程结构和要求，通过该实施例所述的尺寸链建模方法进行偏差的分析。以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，可轻易想到的变化或同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。并不用于限制本发明。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种机匣装配偏差建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：准备好建立机匣尺寸链模型所需的各个关键几何要素的公差要求包括：机匣周向尺寸公差、各个法兰匹配面的轮廓度公差值以及螺栓孔位置度公差值；
步骤(2)：基于小位移旋量理论建立机匣各个关键几何要素偏差的旋量模型；
步骤(3)：将螺栓连接中偏差的传递和法兰面偏差传递相耦合，得到等效旋量模型；
步骤(4)：将平行度公差对法兰面角度偏差的限制作用引入到机匣的三维尺寸链模型中；将平行度公差旋量模型中的角度分量替换机匣法兰面轮廓度旋量模型中的角度分量；
步骤(5)：在旋量模型中的角度偏差和平动偏差之间建立约束关系；
步骤(6)：将旋量模型中角度偏差和平动偏差之间的约束关系代入到机匣三维尺寸链模型中，得到经过修改后的机匣三维偏差传递模型；
所述步骤(3)具体又分为以下步骤：
3.1根据实际装配状态，通过交并运算，筛选螺栓孔位置度旋量以及法兰面轮廓度旋量中的有效转动分量；
3.2根据实际装配状态，通过交并运算，筛选螺栓孔位置度旋量以及法兰面轮廓度旋量中的有效平动分量；
3.3将法兰面与螺栓孔中有效的平动分量和转动分量耦合在一起，形成机匣法兰面连接处的等效旋量模型；
3.4将步骤3.3中的等效旋量模型耦合到机匣串联尺寸链中，基于雅克比-旋量理论得到机匣的三维尺寸链模型；
步骤(3)中将法兰面与螺栓孔中有效的平动分量和转动分量耦合在一起，形成机匣法兰面连接处的等效旋量模型，表达式如下：
TIFE1'＝[u2 v2 w1 α1 β1 γ']T，
步骤(4)中TIFE1'旋量模型中的角度偏差用平行度公差中的角度偏差来代替，表达式如下：
Figure FDA0003964426620000011
步骤(5)中旋量TIFE1'中w1和α'、β'之间的关系如下：
Figure FDA0003964426620000021
Figure FDA0003964426620000022
其中，α、β、γ分别是关于x、y、z轴的转动角度偏差，u、v、w分别是关于x、y、z轴的平动偏差，TIFE1'为旋量；Ts为轮廓度公差，Tpa为平行度公差，Tpo为位置度公差，D′a和D′a分别表示两个机匣顶部法兰面上两个轴对称孔之间的距离。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6963824B1 (en) * 1999-02-19 2005-11-08 Davidson Joseph K Method and apparatus for geometric variations to integrate parametric computer aided design with tolerance analyses and optimization
US8126736B2 (en) * 2009-01-23 2012-02-28 Warsaw Orthopedic, Inc. Methods and systems for diagnosing, treating, or tracking spinal disorders
CN101710355B (zh) * 2009-12-17 2012-01-25 同济大学 基于雅克比旋量的实际工况公差建模方法
CN113175904B (zh) * 2021-04-13 2022-10-25 西安交通大学 一种基于旋量模型的键槽特征公差建模方法及系统
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