汽车零部件检具智能设计关键技术研究与系统开发

摘要

汽车零部件检具作为评判汽车零部件乃至整车质量的专用检验设备，在准确、快速检测汽车零部件成形质量、尺寸精度，确保整车质量中发挥着重要作用。随着汽车工业的飞速发展，新车型开发周期缩短，对汽车检具的需求将越来越大。检具的特点是专用性强，检具的结构因被检测零件的不同而各异。当前检具设计面临许多实际问题：如何快速地确定检具整体空间方案，如何合理、精确和稳定地定位具有复杂曲面的被检测零件，如何使检具零部件设计完全匹配被检制品的结构形状等等。为了解决这些关键技术问题，需要涉及多个理论学科知识，主要包括：计算几何学、计算机图形学、动力学、最优化理论等。因此，研究检具智能设计系统及其关键技术问题是一个兼具理论意义及使用价值的研究课题。
　　根据检具组成和功能特点，本文以定位、检测、夹持三个关键功能为核心，建立起检具智能设计系统的结构体系和总体设计流程，围绕其中的关键技术问题，展开深入研究，提出了相应的理论和算法，并最终以CAD软件插件的形式实现了该系统。本文所研究的具体内容如下：
　　研究了检具设计中被检测工件模型最小体积包围盒求解算法。最小体积包围盒除作为检具整体空间方案设计参考，还被用于毛坯体积计算、求交算法、零件位姿确定等问题中，有着广泛的应用意义。本文提出一种最小体积包围盒求解算法——PCA‐迭代算法。该算法采用主成分分析(PCA)方法获取物体模型表面法向量统计主成分，并以此快速构造包围盒初始解，之后迭代求解模型的高精度最小包围盒。相对于传统算法，该算法避免了求解的盲目性，提高了算法的计算效率与实用性。
　　研究了适合检具的被检测工件定位方案设计自动化方法。作为一种检验工具，除了要满足被测零部件定位位置准确、唯一性要求外，还要满足对定位元件加工偏差的稳健性、抵抗检测扰动的稳定性以及便于被测零部件反复取放的易于分离性三个要求。但传统单一的定位精度评估方法一般只考虑定位接触的位置和方向，忽视了与定位稳定性有关的整体布局因素。本文建立了一个定位布局多目标优化模型，以定位准确性指标和定位稳定性指标为两个目标，采用第二代非支配排序遗传算法(NSGA‐II)对定位点布局进行优化，以获得准确、稳定的定位方案。同时，算法结合多属性决策理论，采用逼近理想解的排序法(TOPSIS)及信息熵权重法对Pareto解集进行择优，避免了定位布局的盲目性。另外，该算法基于参数曲面技术和3‐2‐1定位约束，采用在被检测工件模型表面移动定位点的方式连续搜索定位布局方案，保证了被检测零件与检具之间的易于分离性，同时也避免了传统算法因离散化几何模型所引起的精度损失。
　　研究了检具检测元件配合面生成的三维曲线偏置方法。为了完全匹配被检制品的表面结构形状，检具检测元件的设计往往根据被检测零件边缘曲面的趋势，采用零件边界曲线与其在形面外延方向的三维偏置曲线线性插值而成的直纹面来设计配合面。直纹面在工程设计（如注塑模具中分型面设计）中被广泛应用。然而，由于三维曲线偏置的复杂性，目前商用CAD软件大多未提供有效的操作工具。本文提出一种三维曲线近似偏置方法，采用“细分‐偏置‐插值”的方式完成曲线偏置，解决了工程设计中高质量的直纹面自动生成问题。首先提出一种新的曲线细分方法，通过在算法中引入偏置距离，大幅度减少了传统细分算法由于不同偏置距离和曲率导致的偏置误差。随后通过本文提出的偏置曲线重叠检测算法，消除曲线重叠这一三维曲线偏置不同于二维曲线偏置特有的情况。最后将偏置后的原生曲线进行插值，生成最终的偏置曲线。为了提高偏置曲线的质量，本文分别对曲线一阶不连续处的凸延伸情况和凹延伸偏置情况分治处理：1）本文提出了一种新的正权值球面有理Bézier曲线生成算法，解决了目前球面有理Bézier曲线求解常常含有负权值而不能通过CAD软件绘制的问题，从而可以利用球面有理Bézier曲线连接凸延伸中分裂的偏置曲线；2）通过对相交/重叠偏置区域的修剪光顺，解决了在凹延伸中偏置曲线断裂或连续性差的问题。该算法基于CAD软件的曲线标准——NURBS曲线实现，能够广泛的应用于各类CAD软件之中，具有很强的通用性与工程实用意义。
　　研究了检具标准件库系统智能、柔性化方法。目前的标准件库系统局限于零件几何模型存取功能，难以满足智能设计发展的需要。本文重新定义了零件信息模型，增强了零件模型的扩展性、多样性与智能性。并提出了带约束表达式的参数控件方法，结合一种支持数学函数和标准件参数变量的算术表达式求解算法，实现了相应的参数选择界面自动化方法，可根据各型零件参数的类型与数量实现选型界面的自动布局，解决了个性化界面的动态扩充问题，使系统界面更友好、操作更便捷。同时通过脚本技术，融合知识，使得零件具有了自动装配定位等智能行为。在此基础之上，采用客户端/服务器结构，结合本地缓存技术、面向接口设计及COM技术、CAD插件技术等，建立了能够在异构CAD软件和数据库系统上移值的柔性智能零件库系统，集零件查询、基于知识的装配等功能于一体，提高了零件库使用的智能化与网络化程度。
　　本文在上述理论研究成果的基础上，以复杂检具数字化设计与制造成果转化项目为背景，实现了一个汽车零部件检具智能设计系统，并以实例验证了该系统的可行性与有效性。

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目录

第1章 绪论

1.1研究背景

1.2检具智能设计系统研究现状

1.3相关关键技术研究现状

1.4论文的研究内容和组织结构

1.5本章小结

第2章 汽车零部件检具智能设计技术与系统架构

2.1汽车零部件检具简介

2.2检具设计过程分析

2.3系统总体结构设计

2.4关键技术

2.5本章小结

第3章 最小体积包围盒主成分分析-迭代求解算法

3.1最小包围盒的概念及分类

3.2 PCA-迭代求解算法及其实现

3.3应用实例

3.4本章小结

第4章 定位方案多目标连续优化与决策算法

4.1定位点布局模型分析

4.2定位点布局搜索方法

4.3定位点布局优化和决策算法

4.4算法实现

4.5应用实例

4.6本章小结

第5章 直纹面设计中三维曲线偏置方法

5.1直纹面与三维曲线偏置概述

5.2三维曲线偏置算法

5.3应用实例

5.4本章小结

第6章 柔性智能标准件库系统

6.1可扩展智能标准件模型

6.2柔性智能标准件库系统设计

6.3应用实例

6.4本章小结

第7章 汽车零部件检具智能设计系统实现及实例应用

7.1系统实现

7.2应用实例

7.3本章小结

第8章 总结与展望

8.1全文总结

8.2研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文