一种零件关键工艺表面的创成式精细化表征方法

摘要

一种零件关键工艺表面的创成式精细化表征方法，先对表面进行网格划分形成离散点集合，并基于轮廓公差要求生成带随机偏差的新离散点集合；再将该离散点集合插值成为样条曲面，形成理想表面的一个带轮廓误差的实例；在轮廓误差表面上继续进行高密度网格划分形成离散点集合，并基于粗糙度要求生成带随机偏差的新离散点集合；继续将该离散点集合插值成为样条曲面，形成零件表面的一个带制造误差的精细化表征实例；用新的精细化表面替换零件名义模型上的原表面，可以生成一个原零件模型带制造误差的新实例，重复上述进程能够多次重建带制造误差的零件实例集，这些实例从整体上反映出该零件关键工艺表面的实际工程状态，具有高效、准确、低成本的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及精密零件的数字化设计制造技术领域，具体涉及一种 零件关键工艺表面的创成式精细化表征方法。

背景技术

应用数字化设计开发系统，以产品及其零部件的三维模型为对象 进行产品结构与性能的分析、工程仿真验证等工作已经成为当代产品 开发中的普遍手段。传统上在零部件机械设计及建模时一般采用理想 值定义零件的点、线、面等几何特征及其形状、位置尺寸，并辅以关 键特征的公差标注以表示其制造技术要求。由于实际零部件制造过程 各类因素的影响，会产生制造工艺误差，从而使得实际零部件表面的 形貌等与理想条件出现偏差。而这些形貌的偏差对于一些精密零部件 （例如精密光学器件等）的实际性能会存在较大的影响，也使得基于 零部件名义尺寸模型进行的有关结构、性能方面的计算机辅助工程分 析变得不够准确、偏离实际情况。因此，对于一些具有较高技术精度 要求的精密机械零部件而言，精确地建模表征制造误差影响下的关键 工艺表面的形貌变化，对于开展零部件结构及性能的精细化仿真分析 工作有着极其重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种零件关键 工艺表面的创成式精细化表征方法，通过零件关键工艺表面的制造公 差要求重建其表面特征，具有高效、准确、低成本的优点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种零件关键工艺表面的创成式精细化表征方法，由一个计算机 程序化、可自动执行的表面精细化操作的创成式模板实现，根据用户 输入的工程参数，针对零件三维模型中的理想表面生成相应的带制造 误差特征的精细化表达实例，具体包括以下步骤：

步骤一：提取关键工艺表面

1.1在CAD平台上载入零件的三维数字化模型；

1.2选取零件上待进行精细化表征的关键工艺表面；

1.3对此表面进行网格划分，网格尺度在5～15mm范围；

1.4读取网格点的三维坐标，定义为表征表面的离散点P_i集合 Ω={P_i|[x_i,y_i,z_i]}；

步骤二：基于表面轮廓公差的特征重建

2.1如零件存在轮廓度公差要求，设公差带为P_Zone，则针对点集 合内各个点P_i以特征表面在当前点处的法线方向取一个服从正态分 布Normal（0，P_Zone/6）的变动量ΔP_i，这个变动量是个矢量，其方 向为特征表面在当前点处的法线方向，在三维空间上可以表征为[Δx_i, Δy_i,Δz_i]；

2.2对Ω集合中的各个点P_i进行偏差累加：P_i+ΔP_i，形成新的 点集合Ω'；

2.3将Ω'集合中的点插值生成一个样条曲面Ω_surface，就构成了零 件名义表面的一个带轮廓误差特征的实例；

步骤三：基于表面粗糙度要求的特征重建

3.1对此Ω_surface表面进行高密度的网格划分，网格尺度在0.5～ 1.0mm范围；

3.2读取网格点的三维坐标，定义为表征表面的离散点P_Ri集合 c_R={P_Ri|[x_i,y_i,z_i]}；

3.3设零件的表面粗糙度指标R_a，则针对点集合内各个点P_Ri以 特征表面在当前点处的法线方向取一个服从正态分布Normal（0， μ·R_a）的变动量ΔP_Ri，其中μ为一个基于零件实际工艺水平的调整系 数，这个变动量是个矢量，其方向为特征表面在当前点处的法线方向， 在三维空间上可以表征为[Δx_i,Δy_i,Δz_i]；

3.4对Ω_R集合中的各个点P_Ri进行偏差累加：P_Ri+ΔP_Ri，形成新 的点集合c'_R；

3.5将c'_R集合中的点插值生成一个样条曲面Ω_R-surface，就构成 了零件名义表面的一个带制造误差特征的实例，制造误差包括轮廓误 差和粗糙度误差；

步骤四：基于新建精细化表面的实体重建

4.1在三维CAD系统中，执行针对零件的几何操作：用新生成 的精细化表面替换原有名义表面，重建几何实体；

4.2新重建的实体构成了原零件的一个用以实现关键工艺表面 精细化表征的实例；

4.3前述零件的多次重建后形成多个带制造误差的零件实例，这 些实例从整体上能反映出该零件关键工艺表面的实际工程状态。

本发明能够克服目前广泛应用的精密机械零部件的计算辅助工 程分析工作中由于采用理想尺寸模型而忽视制造误差作用带来的准 确性问题，利用零部件关键工艺表面的公差要求实现对其表面特征的 精细化重建。为机械工程师准确地开展产品的结构与性能的分析、工 程仿真验证等提供一种高效、准确、低成本的技术。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图。

图2是零件理想尺寸模型及其关键表面的网格示意图。

图3是表面误差的模拟表征示意图。

图4是基于零件名义尺寸模型的一个带表面误差的实例示意。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

参照图1，一种零件关键工艺表面的创成式精细化表征方法，体 现为一个基于VBScript脚本语言开发、嵌入三维CAD软件CATIA  V5R21的功能插件，其主要的功能描述如下：将用于精密零件表面精 细化建模、重建的方法进行计算机程序化，创建一个可自动执行的表 面精细化操作的创成式模板。根据用户输入的工程参数，针对精密零 件的名义模型，生成相应的带制造误差特征的表面精细化表达实例。 具体包括以下步骤：

在CAD平台中打开装配体的零件实体模型，并启动VB脚本插 件。此后，执行如下步骤：

步骤一：提取关键工艺表面

1.1在CAD平台上载入零件的三维数字化模型；

1.2选取零件上待进行精细化表征的关键工艺表面F_surface；

1.3对F_surface表面进行网格划分，网格尺度在5～15mm范围，如 图2所示；

1.4读取网格点的三维坐标，定义为表征表面的离散点P_i集合 Ω={P_i|[x_i,y_i,z_i]}；

步骤二：参照图3，基于表面轮廓公差的特征重建

2.1如零件存在轮廓度公差要求，设公差带为P_Zone，则针对点集 合内各个点P_i以特征表面F_surface在当前点处的法线方向取一个服从 正态分布Normal（0，P_Zone/6）的变动量ΔP_i，这个变动量是个矢量， 其方向为特征表面在当前点处的法线方向，在三维空间上可以表征为 [Δx_i,Δy_i,Δz_i]；

2.2对Ω集合中的各个点P_i进行偏差累加：P_i+ΔP_i，形成新的 点集合Ω'；

2.3将Ω'集合中的点插值成为一个非均匀有理B样条（NURBS） 曲面，记为Ω_surface，这就构成了零件的名义表面的一个带轮廓误差特 征的实例；

步骤三：基于表面粗糙度要求的特征重建

3.1对此Ω_surface表面进行高密度的网格划分，网格尺度在0.5～ 1.0mm范围；

3.2读取网格点的三维坐标，定义为表征表面的离散点P_Ri集合 Ω_R={P_Ri|[x_i,y_i,z_i]}；

3.3设零件的表面粗糙度指标为R_a，则针对点集合内各个点P_Ri以特征表面在当前点处的法线方向取一个服从正态分布Normal（0， μ·R_a）的变动量ΔP_Ri，其中μ为一个基于零件实际工艺水平的调整系 数。这个变动量是个矢量，其方向为特征表面在当前点处的法线方向， 在三维空间上可以表征为[Δx_i,Δy_i,Δz_i]；

3.4对Ω_R集合中的各个点P_Ri进行偏差累加：P_Ri+ΔP_Ri，形成新 的点集合Ω'_R；

3.5将Ω'_R集合中的点插值生成一个样条曲面Ω_R-surface，就构成 了零件名义表面的一个带制造误差（轮廓误差、粗糙度误差）特征的 实例；

步骤四：基于新建精细化表面的实体重建

4.1在三维CAD系统CATIA V5R21中，执行针对零件的几何操 作：用新生成的精细化表面替换原有名义表面，重建几何实体；

4.2新重建的实体构成了原零件的一个用以实现关键工艺表面 精细化表征的实例，如图4所示；

4.3重复执行脚本程序，对前述零件多次重建后可以形成多个带 制造误差的零件实例，这些实例从整体上能反映出该零件关键工艺表 面的实际工程状态。