一种平面几何误差传递实验装置及方法

摘要

本发明公开了一种平面几何误差传递实验装置及方法，能够简单有效和直观准确地验证几何误差传递模型。该装置包括基板、装配件A、装配件B和固定装置；基板是一中间设有圆形凹槽圆盘，所述凹槽边缘沿圆周方向设有凸台；装配件A和装配件B均是一中间设有圆形通孔的圆盘，圆盘两端面的中心处沿圆周方向设有一环形凸台，其中圆形凸台内环与所述基板的凹槽一致，圆形凸台内环直径大于圆盘的通孔半径，圆形凸台外环直径小于圆盘的半径，在圆盘圆周面沿轴向方向设有多个阵列分布的半圆槽，半圆槽位于圆盘的圆周与圆形凸台外环之间的环形面。

说明书

技术领域

本发明属于试验设备领域，具体涉及一种平面几何误差传递实验装置及方法。

背景技术

大量科研和生产实践表明，精密机械系统装配后的精度和性能都与零部件的制造特性密切相关，其中，零部件的制造特性主要包括尺寸误差、形状和位置误差、表面形貌特征和装配误差等。因而，常常出现如下现象：在各零部件的加工满足设计要求的情况下，装配后系统精度和性能达不到设计要求，造成成品率低。为解决这个问题，目前已经提出了针对零件加工误差和系统装配误差影响机理的理论，并建立面向装配的几何误差传递模型，然而模型的准确性和有效性对从系统制造的早期阶段预测最终产品的精度与性能至关重要，由于仿真手段并不能完全证明模型的准确性，所以模型的准确性和有效性必须要靠做相关实验来验证，然而，目前还没有一种简单直观的试验方法和装置来做验证。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种平面几何误差传递实验装置及方法，能够简单有效和直观准确地验证几何误差传递模型。

实施本发明的具体方案包括：

一种平面几何误差传递实验装置，该装置包括基板、装配件A、装配件B、螺钉、螺母、球面垫圈和锥面垫圈；基板是一中间设有圆形凹槽圆盘，所述凹槽边缘沿圆周方向设有凸台，用于定位装配件；装配件A和装配件B均是一中间设有圆形通孔的圆盘，圆盘两端面的中心处沿圆周方向设有一环形凸台，其中环形凸台的内环与所述基板的凹槽形状一致，圆形凸台内环直径大于圆盘的通孔半径，圆形凸台外环直径小于圆盘的半径，在圆盘圆周面沿轴向方向设有多个阵列分布的半圆槽，半圆槽位于圆盘的圆周与圆形凸台外环之间的环形面，用于装配件A和装配件B的定位；螺钉置在基板的凹槽内，并依次经过装配件A、装配件B、球面垫圈和锥面垫圈并与螺母固定连接；其中装配件A一端的环形凹槽与基板凸台的外周面紧密配合，球面垫圈(5)置于装配件B的环形凹槽内，球面垫圈和锥面垫圈紧密配合，用于平衡螺母的偏斜。

进一步地，装配件A和装配件B之间相邻的环形凸台面是一粗加工的面，装配件A和装配件B的其他环形凸台面是一精加工面。

一种平面几何误差传递实验方法，该方法具体步骤包括：

步骤一，对加工的装配件A和装配件B进行标记：

对基板的圆盘圆周面、装配件A和装配件B的一个半圆槽作标记，并将装配件A和装配件B半圆槽上的标记作为测量起点基准，将基板的圆盘圆周面上的标记作为装配基准；

步骤二，采用三坐标测量机分别对装配件A和装配件B的所有凸台端面进行接触式测量：

将装配件A或装配件B以其中心轴为水平方式装夹，装配件A或装配件B的接触式测量方式如下：建立装配件A或装配件B的直角坐标系，坐标系的一个轴指向步骤一的测量起点基准标记，以装配件A或装配件B的中心为圆心，以R+ΔR为半径形成的同心圆，在同心圆上均匀布置测量点作为测量轨迹，对两端面凸台按照测量轨迹在同一坐标下进行测量几何形貌并记录，其中，测量轨迹的最内圈和最外圈分别与凸台的边缘距离至少为2mm；

步骤三，装配中测量：

将基板平放固定在工作台上，建立直角坐标系，坐标系的一个轴指向步骤一的装配基准标记，将装配件A上的测量起点基准和基板上的装配基准标记对齐，螺钉置在基板的凹槽内，并依次经过装配件A、装配件B、球面垫圈和锥面垫圈并与螺母固定连接；其中装配件A和装配件B中凸台的粗加工表面紧密配合，装配后，按照步骤二的接触式测量方式对装配件B中精加工的凸台表面进行测量装配位姿并记录；

步骤四，基于零件加工误差和系统装配误差影响机理的理论，利用步骤二测量几何形貌的所有数据在数值计算软件中建立几何误差传递模型，利用几何误差传递模型预测装配件B的位姿，将步骤三的测量结果与配件B的位姿预测结果进行对比，验证平面几何误差传递方法的有效性。

有益效果：

1)本发明公开的一种平面几何误差传递试验方法及实验装置考虑了形状误差与配合误差，准确模拟了真实装配时的几何误差传递过程，用实验手段弥补了模型仿真方面准确性不高的缺点。

2)该实验装置凸台部分的设计可以减小接触面中心部位加工误差较大的缺陷，使接触面的形状误差的分布更加均匀，阵列排布的半圆槽使圆周方向的定位更加准确，还可以实现装配角度的优化。

3)该实验方法利用测量数据和平面几何误差传递模型对零件的装配状态进行预测，通过实际装配状态与平面几何误差传递模型的预测装配状态进行对比，直观有效的对模型的准确性进行验证，传递装置结构和操作简单、性能稳定、可进行多次实验，本发明为预测装配精度、指导装配工艺优化提供试验基础。

4)本发明公开的一种平面几何误差传递试验方法，该方法操作简单有效，测量结果直观，可以为预测装配精度、指导装配工艺优化提供基础，为后续耦合误差传递模型的验证作指导。

附图说明

图1为平面几何误差传递试验装置的剖面图；

图2为测量点分布图；

图3为实验结果验证图。

其中，1-基板；2-装配件A；3-装配件B；4-螺钉；5-球面垫圈；6-锥面垫圈；7-螺母。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明在考虑形状误差与配合误差的基础上，对精密机械系统多零件误差传递建模方法进行实验验证，通过装配件的凸台部位配合，实现几何误差的传递，该装配模式可以去除大接触面的加工误差，可减少引入的外部误差，通过装配件阵列排布的半圆槽实现圆周方向的定位，为后续的装配参数的优化和装配灵敏度分析奠定基础。

如图1所示，该装置包括基板1、装配件A2、装配件B3、螺钉4、螺母7、球面垫圈5和锥面垫圈6；基板1是一中间设有圆形凹槽圆盘，所述凹槽边缘沿圆周方向设有凸台，用于定位装配件；装配件A2和装配件B3均是一中间设有圆形通孔的圆盘，圆盘两端面的中心处沿圆周方向设有一环形凸台，其中环形凸台的内环与所述基板1的凹槽形状一致，圆形凸台内环直径大于圆盘的通孔半径，圆形凸台外环直径小于圆盘的半径，在圆盘圆周面沿轴向方向设有多个阵列分布的半圆槽，半圆槽位于圆盘的圆周与圆形凸台外环之间的环形面，用于装配件A2和装配件B3的定位；螺钉4置在基板1的凹槽内，并依次经过装配件A2、装配件B3、球面垫圈5和锥面垫圈6并与螺母7固定连接；其中装配件A2一端的环形凹槽与基板1凸台的外周面紧密配合，球面垫圈5置于装配件B3的环形凹槽内，球面垫圈5和锥面垫圈6紧密配合，用于平衡螺母的偏斜，所有零件的轴线一致；

装配件A2和装配件B3之间相邻的环形凸台面是一粗加工的面，装配件A2和装配件B3的其他环形凸台面是一精加工面。

零件2、零件3为回转体零件，在零件中心加工通孔，使固定装置的螺钉能与其间隙配合，在零件的外圆加工阵列分布的半圆槽，便于零件定位，在零件的上下表面加工凸台部位，正面精加工，背面粗加工，粗加工表面为配合面，用于实验测量；

本发明提供了一种平面几何误差传递实验装置，平面几何误差传递试验方法步骤如下：

步骤一，对加工的零件进行标记：

在装配基板(零件1)的圆柱侧面、零件2和零件3的半圆槽进行标记，并将其作为测量的起点和装配基准。

步骤二，如图2所示，采用高精度三坐标测量机对零件2和零件3的正反两面进行测量：

将零件2、零件3竖立装夹，为避免高精度三坐标测量机的测座干扰测量过程，将其测头旋转45°，建立XYZ直角坐标系，使Z轴指向精加工表面，Y轴指向测量起点，为避开零件边缘，防止毛刺和倒角对测量结果产生影响，最内圈和最外圈距离零件边缘至少2mm。在零件2和零件3的凸台位置共测量11圈，每圈间隔2mm，隔5°测一个点，每圈测量72点。在同一坐标系下测量零件的两个面，在测量过程中，零件的位置保持不变，零件正反两面的测量点一一对应；

步骤三，装配零件并进行测量：

将基板平放固定，建立XYZ直角坐标系，使Z轴方向向上，测量上表面，共测量11圈，每圈间隔2mm，隔5°测一个点，每圈测量72点。将零件2的精加工表面与基板配合，利用半圆槽及标记线，将零件2和基板测量起点对齐，装好锥面垫圈和球面垫圈，拧好螺钉，防止测量过程中零件2的移动。在同一坐标系下，测量零件2的粗加工表面，共测量11圈，每圈间隔2mm，隔5°测一个点，每圈测量72点，测量点的位置与步骤二单个零件各测量点的顺序和位置一致。将螺钉小心拧下，使零件3的粗加工表面与零件2的粗加工表面配合，对齐零件2和零件3的测量起点，装好垫圈和螺钉，在整个装配过程中保持基板和零件2的位置不变，在同一坐标系下测量零件3的精加工表面，重复上述测量过程；

步骤四，利用步骤二和步骤三的测量数据得到测量面的平面度和平行度，进行几何形状误差建模；

步骤五，对零件进行虚拟装配，将测量结果与误差传递模型的预测结果进行对比，即利用零件2两端面的测量数据、零件3的粗加工表面的测量数据和几何误差传递模型，得到零件3精加工表面预测点云，将零件3精加工表面实际测量点云与预测点云对比，进行几何误差传递模型的验证，如图3所示，图中的颜色变化代表实测点云与预测点云的接近程度，颜色越浅代表预测点云越接近实测点云，通过对点云相对距离的计算，得到总的相对误差在5％以内，验证了平面几何误差传递方法的有效性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。