吳玉光　劉玉生

1.杭州電子科技大學(xué)，杭州，3100182.浙江大學(xué)CAD&CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州，310058

面向公差技術(shù)的幾何要素自由度表示與操作及其應(yīng)用

吳玉光1劉玉生2

1.杭州電子科技大學(xué)，杭州，3100182.浙江大學(xué)CAD&CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州，310058

描述了幾何要素的本征方向和本征自由度概念、幾何要素自由度的表示方法和約束自由度的計(jì)算規(guī)則。根據(jù)基本幾何元素的幾何特征以及與基準(zhǔn)要素的位置關(guān)系確定了幾何要素的本征方向，根據(jù)幾何量測(cè)量原理，提出了基準(zhǔn)要素約束自由度的計(jì)算方法，建立了基準(zhǔn)體系約束自由度的計(jì)算規(guī)則。根據(jù)公差類(lèi)型與基準(zhǔn)要素和目標(biāo)要素的關(guān)系，建立了公差設(shè)計(jì)正確性、完整性驗(yàn)證的具體規(guī)則，提出了基于自由度分析的公差標(biāo)注正確性驗(yàn)證方法。

自由度；本征自由度；約束能力；公差驗(yàn)證

0　引言

點(diǎn)、線、面是構(gòu)成零件形體組成要素和導(dǎo)出要素的基本幾何元素，也是尺寸公差和幾何公差的標(biāo)注對(duì)象和各類(lèi)幾何檢驗(yàn)工具的檢測(cè)目標(biāo)。公差標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的定義、公差分析與綜合的數(shù)學(xué)模型、公差標(biāo)注正確性驗(yàn)證等技術(shù)中均涉及幾何要素的自由度概念，基本幾何元素的自由度的表示與操作算法是公差分析和綜合的基礎(chǔ)技術(shù)。

基于自由度的公差分析和設(shè)計(jì)技術(shù)的研究[1-4]已取得了大量有價(jià)值的成果[5]。有關(guān)基準(zhǔn)約束目標(biāo)自由度的關(guān)系早就引起了人們的注意，吳永寬等[6]提出了基準(zhǔn)約束目標(biāo)自由度的具體條件，美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)報(bào)告ASME Y14.5.1[7]也在基準(zhǔn)參考框架部分中討論了自由度概念，枚舉了點(diǎn)、線、面的全部相對(duì)位置關(guān)系，從幾何位置控制的角度得出只有6種類(lèi)型的基準(zhǔn)參考框架的結(jié)論，并列出了全部有意義的基準(zhǔn)組合。Kramer[8]使用符號(hào)推理的方法來(lái)決定零件在裝配體內(nèi)的自由度。Wu等[9]將自由度模型和屬性數(shù)據(jù)模型相結(jié)合來(lái)開(kāi)發(fā)裝配公差模型。最近，Shen等[10]提出了確定一個(gè)基準(zhǔn)體系自由度計(jì)算的代數(shù)公式，試圖將基準(zhǔn)約束自由度能力的計(jì)算用于公差驗(yàn)證技術(shù)中。

但現(xiàn)有的自由度分析方法對(duì)幾何要素自由度的認(rèn)識(shí)還存在不足，未揭示自由度計(jì)算方法的規(guī)律，應(yīng)用于公差分析和測(cè)量過(guò)程中還存在以下問(wèn)題：①約束自由度計(jì)算公式?jīng)]有通用性，還不能處理被測(cè)目標(biāo)與基準(zhǔn)處于一般位置的情況；②不能指明約束給定自由度的具體基準(zhǔn)，因此不能區(qū)分公差的各項(xiàng)組成指標(biāo)與具體基準(zhǔn)的關(guān)系，從而不能支持公差檢驗(yàn)和公差標(biāo)注正確性分析，造成當(dāng)前CAD軟件的公差模塊均缺少公差標(biāo)注合理性檢查功能;③現(xiàn)有自由度分析方法都假設(shè)基準(zhǔn)框架體系內(nèi)實(shí)際基準(zhǔn)位于公稱位置，而忽視基準(zhǔn)之間存在的相對(duì)位置誤差，造成公差帶的位置確定存在偏差，因而不利于保證公差設(shè)計(jì)、公差分析和公差分配方法的正確性。

本文研究基本幾何要素自由度的表示方法和基準(zhǔn)約束自由度的計(jì)算方法，根據(jù)公差類(lèi)型與自由度的關(guān)系建立公差標(biāo)注的正確性檢查規(guī)則。

1　本征自由度與公差坐標(biāo)系的定義

1.1基本幾何元素的本征方向和本征自由度的定義

幾何要素的本征方向?yàn)榕c幾何要素自身的幾何特性和它的基準(zhǔn)相關(guān)的唯一的方向。對(duì)于直線目標(biāo)，本征方向就是直線本身。對(duì)于平面目標(biāo)，本征方向?yàn)槟繕?biāo)平面的法線方向。而對(duì)于點(diǎn)目標(biāo)要素，本征方向則根據(jù)不同的基準(zhǔn)要素可分為以下幾種情況：基準(zhǔn)點(diǎn)指向目標(biāo)點(diǎn)的方向、經(jīng)過(guò)目標(biāo)點(diǎn)的基準(zhǔn)直線的垂線方向、經(jīng)過(guò)目標(biāo)點(diǎn)的基準(zhǔn)平面的法線方向。

相對(duì)于本征方向，各類(lèi)公差對(duì)目標(biāo)要素自由度的約束要求可以分為4 類(lèi)：①約束本征方向的一個(gè)平移自由度；②約束垂直于本征方向的全部平移自由度；③約束本征方向的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；④約束垂直于本征方向的全部轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。即幾何要素的自由度可以根據(jù)本征方向歸納為4類(lèi)：線平移自由度、線轉(zhuǎn)動(dòng)自由度、面平移自由度和面轉(zhuǎn)動(dòng)自由度[11]，幾何要素自由度這一歸納分類(lèi)已用于幾何要素控制點(diǎn)變動(dòng)模型中[12]，本文將這4類(lèi)自由度命名為本征自由度。點(diǎn)、線、面的傳統(tǒng)自由度和本征自由度定義如圖1所示。

(a)點(diǎn)的傳統(tǒng)自由度　　　(b)直線的傳統(tǒng)自由度(c)平面的傳統(tǒng)自由度

(d)點(diǎn)的本征自由度　　　(e)直線的本征自由度(f)平面的本征自由度圖1　自由度的定義

點(diǎn)、線、面等幾何要素的本征自由度可以概括為：①點(diǎn)具有1個(gè)線平移自由度和1個(gè)面平移自由度；②直線具有1個(gè)面平移自由度和1個(gè)面轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；③平面具有1個(gè)線平移自由度和1個(gè)面轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。本征自由度同樣也可以用單位矢量表示，如果將線平移自由度用單位矢量Tz表示，將面平移自由度用單位矢量Txy表示，則Txy可以分解為兩個(gè)垂直于本征方向的線平移自由度Tx、Ty，即Txy=Tx×Ty。同理，也可以將轉(zhuǎn)動(dòng)自由度分別用單位矢量Rz、Rxy、Rx和Ry表示，其中Rxy=Rx×Ry。Txy、Rxy平行于本征方向，但由它們分解出來(lái)的Tx、Ty、Rx和Ry的方向是不確定的，確定方向還需要一個(gè)角度參數(shù)?？梢?jiàn)這是本征自由度和傳統(tǒng)的自由度定義的差別，本征自由度的其他特性可參見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。

1.2成組要素的本征自由度定義

由于成組要素是由點(diǎn)、線、面組成的一個(gè)整體幾何圖框，因此它具有與基本幾何要素不同的本征自由度。成組要素有圓形陣列和矩形陣列兩種布置方式。成組要素作為一個(gè)整體與外部基準(zhǔn)建立公差關(guān)系，成組要素內(nèi)部成員之間的公差屬于幾何要素之間的公差關(guān)系。無(wú)論是矩形陣列還是圓形陣列，其幾何圖框均可以用一對(duì)正交的矩形平面表示，對(duì)于圓形陣列，這對(duì)正交平面就是圓柱體的兩個(gè)正交的直徑平面；對(duì)于矩形陣列，正交平面就是空間立方體的兩個(gè)對(duì)稱面。定義幾何圖框的本征方向?yàn)閮蓚€(gè)正交平面的交線方向，幾何圖框的自由度為兩個(gè)正交平面的本征自由度之和。因此，基準(zhǔn)約束成組要素自由度的計(jì)算方法與約束兩個(gè)正交平面組合的自由度的計(jì)算方法相同。成組要素的本征自由度如圖2所示，除了沒(méi)有本征方向的1個(gè)移動(dòng)自由度以外，成組要素具有5個(gè)自由度。

(a)矩形陣列(b)圓形陣列圖2　成組要素的本征自由度

1.3基于本征自由度的公差坐標(biāo)系定義

公差坐標(biāo)系用于定義幾何要素的變動(dòng)和幾何要素公差帶的位置，公差坐標(biāo)系建立在目標(biāo)要素的公稱位置上，坐標(biāo)系的原點(diǎn)為目標(biāo)要素的中心，各坐標(biāo)軸方向與本征方向和基準(zhǔn)約束目標(biāo)的自由度方向相關(guān)。定義本征方向可以為公差坐標(biāo)系的一個(gè)坐標(biāo)軸方向，如果Txy或Rxy能夠分解為T(mén)x、Ty或Rx、Ry，則這兩個(gè)正交自由度方向就是公差坐標(biāo)系的另外兩個(gè)坐標(biāo)軸的方向。而能否分解以及是否有必要進(jìn)行分解，則取決于公差的功能要求和基準(zhǔn)的設(shè)置。因此，建立目標(biāo)要素的公差坐標(biāo)系的主要工作就是確定垂直于本征方向的線平移自由度或線轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。例如，圖2所示成組要素的公差坐標(biāo)系的z軸方向?yàn)楸菊鞣较颍瑇軸方向由被基準(zhǔn)約束的線平移自由度Tx或線轉(zhuǎn)動(dòng)自由度Rx的方向確定。

根據(jù)以上分析，公差坐標(biāo)系坐標(biāo)軸方向與基準(zhǔn)約束目標(biāo)自由度方向相同，可以同時(shí)確定，這種定義方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)根據(jù)公差類(lèi)型和基準(zhǔn)設(shè)置確定公差坐標(biāo)系的類(lèi)型，公差坐標(biāo)系的類(lèi)型包括圓柱坐標(biāo)系、球面坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系等多種，不同的公差類(lèi)型需要建立不同類(lèi)型的公差坐標(biāo)系；

(2)基準(zhǔn)要素控制目標(biāo)要素變動(dòng)方向與公差坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸、坐標(biāo)平面相同，便于公差的驗(yàn)證和測(cè)量；

(3)目標(biāo)要素的位置變動(dòng)在公差坐標(biāo)系上定義，便于公差分析過(guò)程中模擬幾何要素變動(dòng)。

2　基準(zhǔn)對(duì)目標(biāo)自由度約束能力的計(jì)算

2.1基本幾何元素約束自由度的原理

基準(zhǔn)能夠約束目標(biāo)要素的自由度就是可以確定目標(biāo)要素相對(duì)于基準(zhǔn)的距離和角度，因此通過(guò)分析目標(biāo)要素相對(duì)于基準(zhǔn)要素的距離和角度參數(shù)定義的完備程度，就可以獲得基準(zhǔn)約束目標(biāo)自由度的程度。為此，提出距離測(cè)量方向線和角度測(cè)量平面兩個(gè)概念。

距離測(cè)量方向線(DMDL)定義：點(diǎn)、線、面基準(zhǔn)要素和目標(biāo)要素之間的距離測(cè)量方向線必須是兩者之間的最短距離直線或兩者之間的公垂線。

角度測(cè)量平面(AMP)定義：直線、平面基準(zhǔn)要素和目標(biāo)要素之間的角度測(cè)量平面是以三個(gè)矢量之一為法線的平面，三個(gè)矢量為兩條直線矢量的矢量積、直線矢量與平面法線的矢量積、兩個(gè)平面法線的矢量積。

根據(jù)以上概念，基準(zhǔn)約束目標(biāo)自由度的機(jī)理可以利用距離和角度測(cè)量原理來(lái)解釋，目標(biāo)要素某一方向的平移和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度被基準(zhǔn)約束，本質(zhì)上是指目標(biāo)要素相對(duì)于基準(zhǔn)在該方向的距離和角

度能夠測(cè)量并且唯一。因此，基準(zhǔn)能夠約束目標(biāo)的平移自由度表明基準(zhǔn)和目標(biāo)兩者之間存在DMDL，基準(zhǔn)能夠約束目標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度表明基準(zhǔn)和目標(biāo)兩者之間存在AMP。判斷基準(zhǔn)能否約束目標(biāo)自由度就是找出基準(zhǔn)和目標(biāo)兩者之間的獨(dú)立的DMDL和獨(dú)立的AMP，而基準(zhǔn)約束自由度的程度則可以通過(guò)基準(zhǔn)和目標(biāo)兩者之間具有的獨(dú)立的DMDL和獨(dú)立的AMP的數(shù)量來(lái)衡量。

2.2幾何要素之間的DMDL和AMP的確定方法

分析點(diǎn)、線、面之間所有可能的相對(duì)位置情況可知，基準(zhǔn)要素與目標(biāo)要素兩者之間存在的DMDL是以下6種直線之一：①直線與直線的公垂線；②直線與平面的公垂線；③平面與平面之間的公垂線；④經(jīng)過(guò)點(diǎn)的直線的垂線；⑤經(jīng)過(guò)點(diǎn)的平面的垂線；⑥兩點(diǎn)的連線?；鶞?zhǔn)要素與目標(biāo)要素兩者之間的AMP是以下4種平面之一：①兩共面直線所在平面；②以兩直線的公垂線為法線的平面；③同時(shí)平行于直線和平面法線的平面；④同時(shí)平行于兩個(gè)平面法線的平面。因此，對(duì)于約束平移自由度的判斷，可以查找以上6個(gè)DMDL的存在情況，對(duì)于約束轉(zhuǎn)動(dòng)自由度判斷，可以查找4個(gè)AMP的存在情況。由于目標(biāo)要素的理想位置是確定的，因此只要確定DMDL和AMP法線的方向，就確定了被基準(zhǔn)所約束的自由度的方向。為了敘述方便，將6個(gè)DMDL單位方向矢量分別用符號(hào)D1、D2、…、D6表示，將4個(gè)AMP的單位法線用A1、A2、A3、A4表示。

當(dāng)基準(zhǔn)與目標(biāo)要素處于一些特殊位置時(shí)，如點(diǎn)-點(diǎn)、點(diǎn)-線、線-線重合以及線-面垂直、面-面平行等，這些情況下均具有兩個(gè)DMDL和AMP，它們的具體方向不確定但均垂直于目標(biāo)要素的本征方向，仿照本征自由度的定義，將這種特定的DMDL和AMP法線用平行于本征方向的單位矢量表示，并分別命名為Dxy、Axy。顯然Dxy=Dx×Dy，Axy=Ax×Ay，其中，Dx、Dy就是兩個(gè)方位確定而方向未定的DMDL的方向矢量，Ax、Ay就是兩個(gè)AMP單位法線矢量。幾何元素之間的DMDL和AMP如表1所示，其中成組要素的DMDL和AMP用兩個(gè)正交的平面進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)本征自由度概念，Dxy和Axy與目標(biāo)要素的面垂直自由度矢量方向相同，如果基準(zhǔn)要素與目標(biāo)要素之間存在的Dxy或Axy全部不能分解為Dx、Dy或Ax、Ay，則目標(biāo)要素的面垂直自由度不能分解為線垂直自由度。

表1　幾何元素之間的DMDL和AMP

2.3基于DMDL和AMP的公差坐標(biāo)系的建立規(guī)則

根據(jù)基準(zhǔn)約束目標(biāo)本征自由度的原理，公差坐標(biāo)系定義如下：①公差坐標(biāo)系的原點(diǎn)與目標(biāo)幾何要素的中心重合，即點(diǎn)、線、面幾何要素的坐標(biāo)原點(diǎn)分別為點(diǎn)本身、直線的中點(diǎn)、平面的包圍盒的中心；②公差坐標(biāo)系的z軸為幾何要素的本征方向；③公差坐標(biāo)系的x軸方向?yàn)榛鶞?zhǔn)約束目標(biāo)自由度的方向，y軸方向根據(jù)右手法則確定。設(shè)目標(biāo)要素的本征方向?yàn)镈p，根據(jù)基準(zhǔn)順序和基準(zhǔn)與目標(biāo)之間的距離測(cè)量方向線Di(i=1,2,…,6)和角度測(cè)量平面法線確定Aj(j=1,2,3,4)，則通過(guò)判斷基準(zhǔn)體系中的全部基準(zhǔn)的Di和Aj與Dp位置關(guān)系，就可以確定公差坐標(biāo)系的x軸方向：

(1)如果存在Di并且Di⊥Dp，或者如果存在Aj并且Aj⊥Dp，則Di(或Aj)就是公差坐標(biāo)系的x軸方向；

(2)如果存在Dxy或Axy，則垂直于本征方向的任意方向都可以作為x軸方向，這種情況適用于對(duì)基準(zhǔn)約束目標(biāo)的垂直自由度的方向沒(méi)有要求的公差。

3　基準(zhǔn)體系的約束自由度能力計(jì)算

3.1單一基準(zhǔn)約束自由度的能力判斷方法

單一基準(zhǔn)約束自由度的能力取決于基準(zhǔn)與目標(biāo)之間的DMDL和AMP數(shù)量，根據(jù)DMDL方向和AMP法線與目標(biāo)要素的本征方向的關(guān)系，即可確定自由度約束情況。對(duì)于給定的基準(zhǔn)和目標(biāo)要素，首先確定目標(biāo)要素的本征方向Dp、本征自由度Tz、Txy和Rz、Rxy，然后計(jì)算兩者之間的Di、Dxy和Aj、Axy，最后對(duì)每一個(gè)本征自由度建立相應(yīng)的判斷規(guī)則。對(duì)于平移自由度，約束自由度判斷規(guī)則包括：①Tz能夠被約束的條件是存在Di并且Tz與Di不垂直；②Txy能夠被約束的條件是存在Dxy并且Dxy=Txy；③Txy能夠分解的條件是存在Di且Txy不平行于 Di，此時(shí)規(guī)定Tx被約束，未約束的自由度Ty可以根據(jù)公式Txy=Tx×Ty求得；④Tx能夠被約束的條件是存在Dxy并且Dxy垂直于Tx，或存在Di并且Tx不垂直于Di。表2所示為平移自由度的約束判斷規(guī)則，由于Txy方向不確定，約束分兩種情況：①全部約束但方向不確定；②分解成兩個(gè)線垂直自由度Tx、Ty并且只約束Tx。

表2　本征自由度的計(jì)算規(guī)則

約束轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的判斷規(guī)則與約束平移自由度完全相同，只要把表2中的T、D分別用R、A替換即可。

3.2基準(zhǔn)組合約束自由度能力計(jì)算方法

基準(zhǔn)組合與組合基準(zhǔn)不同，基準(zhǔn)組合是指基準(zhǔn)體系中的兩個(gè)或三個(gè)基準(zhǔn)可以組合而形成一個(gè)新的幾何類(lèi)型，如兩個(gè)點(diǎn)基準(zhǔn)組合等效于一個(gè)直線基準(zhǔn)、兩條平行直線組合等效于一個(gè)平面基準(zhǔn)。除了第一成員基準(zhǔn)的約束自由度能力以外，通過(guò)基準(zhǔn)組合而得到的新幾何類(lèi)型具有組合成員單獨(dú)存在時(shí)所不具有的約束自由度能力，如兩個(gè)平行的圓柱同時(shí)作為一個(gè)目標(biāo)要素的基準(zhǔn)時(shí)，雖然其中一個(gè)圓柱屬于基準(zhǔn)冗余，但兩個(gè)圓柱會(huì)組成一個(gè)平面基準(zhǔn)，從而使兩個(gè)圓柱基準(zhǔn)組合還具有平面基準(zhǔn)的約束自由度能力，因而增加了對(duì)目標(biāo)自由度的約束。由于公差的基準(zhǔn)數(shù)量最多只有三個(gè)，因此進(jìn)行組合的基準(zhǔn)數(shù)量只有兩個(gè)基準(zhǔn)的組合和三個(gè)基準(zhǔn)的組合兩種情況。

兩個(gè)基本幾何元素的組合又可以分為點(diǎn)-點(diǎn)、點(diǎn)-線、點(diǎn)-面、線-線、線-面、面-面6種，其中只有點(diǎn)-點(diǎn)、點(diǎn)-線、線-線三種組合可以形成新的幾何類(lèi)型，即分別等效于直線、平面、平面，如圖3a、圖3b、圖3c所示。三個(gè)不同類(lèi)型的幾何要素雖然可以產(chǎn)生非常多的組合，但能產(chǎn)生新的等效幾何類(lèi)型的組合有兩種情況：①第一、第二、第三基準(zhǔn)的幾何類(lèi)型均為點(diǎn)；②第一、第二基準(zhǔn)的幾何類(lèi)型均為點(diǎn)、第三基準(zhǔn)的幾何類(lèi)型為平行于前兩點(diǎn)連線的直線。即前兩個(gè)基準(zhǔn)均為點(diǎn)時(shí)可組合成線，再與第三個(gè)點(diǎn)基準(zhǔn)或平行直線基準(zhǔn)組合成面，如圖3d、圖3e所示。可行的基準(zhǔn)組合必須具備能夠產(chǎn)生新的幾何類(lèi)型和增加約束自由度能力兩個(gè)條件，只有圖3所示的幾何類(lèi)型和相對(duì)位置下才可能組合形成能增加約束能力的新的幾何類(lèi)型。

(a)點(diǎn)-點(diǎn)　(b)點(diǎn)-線　　(c)線-線　　　(d)點(diǎn)-點(diǎn)-點(diǎn)(e)點(diǎn)-點(diǎn)-線圖3　基準(zhǔn)組合

計(jì)算基準(zhǔn)組合的約束自由度能力時(shí)，首先計(jì)算當(dāng)前基準(zhǔn)單獨(dú)作用時(shí)的約束自由度能力，然后計(jì)算當(dāng)前基準(zhǔn)與高序基準(zhǔn)組合產(chǎn)生的新幾何類(lèi)型的約束自由度能力，由基準(zhǔn)組合而增加的約束自由度由參與組合的基準(zhǔn)共同承擔(dān)，該自由度所對(duì)應(yīng)的公差分量以參與組合的基準(zhǔn)的等效幾何類(lèi)型作為測(cè)量基準(zhǔn)，該自由度的方向也由等效幾何確定。

3.3基準(zhǔn)體系約束自由度能力的計(jì)算

以往的研究中首先確定基準(zhǔn)體系整體的約束自由度能力，再根據(jù)目標(biāo)要素相對(duì)于基準(zhǔn)體系的位置計(jì)算目標(biāo)的自由度約束情況。這種方法不能判斷每一個(gè)基準(zhǔn)具體的約束自由度情況，也沒(méi)有考慮基準(zhǔn)組合的作用，無(wú)法確定每一個(gè)基準(zhǔn)的設(shè)置合理性，因此不適合公差標(biāo)注的驗(yàn)證方法。本文方法認(rèn)為基準(zhǔn)體系約束自由度的能力為基準(zhǔn)單獨(dú)約束自由度的能力和基準(zhǔn)組合約束自由度的能力之和，基準(zhǔn)體系約束自由度的計(jì)算就是建立被約束的本征自由度的集合，該集合包括約束的本征自由度和承擔(dān)該約束任務(wù)的基準(zhǔn)與基準(zhǔn)組合。根據(jù)幾何要素本征自由度的定義和表2的約束自由度計(jì)算方法，并且遵循基準(zhǔn)優(yōu)先原則，容易建立這一關(guān)聯(lián)關(guān)系。利用關(guān)聯(lián)關(guān)系可以為基準(zhǔn)設(shè)置正確性判斷、公差檢測(cè)規(guī)劃制定等應(yīng)用提供依據(jù)。

4　基于本征自由度的公差標(biāo)注正確性驗(yàn)證

4.1公差標(biāo)注正確性驗(yàn)證規(guī)則

公差標(biāo)注的正確性主要體現(xiàn)在公差類(lèi)型選擇的有效性、各種公差之間關(guān)系的一致性、公差數(shù)值設(shè)置的合理性、自由度約束的完整性以及公差原則設(shè)置的合理性等多個(gè)方面[13-14]，這些方面的檢查方法都涉及幾何要素的自由度約束問(wèn)題，如根據(jù)基準(zhǔn)體系的約束自由度能力計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)欠公差、過(guò)公差問(wèn)題以及不適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)設(shè)置，根據(jù)目標(biāo)的自由度約束情況可以判斷公差數(shù)值設(shè)置的合理性、公差關(guān)系的一致性等。因此，約束自由度計(jì)算方法是公差標(biāo)注的正確性驗(yàn)證的主要工具，根據(jù)約束自由度計(jì)算可以找出不正確的尺寸與公差標(biāo)注，從而使公差設(shè)計(jì)和標(biāo)注軟件具有自校正功能。

公差標(biāo)注正確性檢查必須基于實(shí)體模型和三維公差標(biāo)注，首先需要建立公差與基準(zhǔn)關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)了基本幾何元素和成組要素的每一個(gè)幾何公差和尺寸公差的公差類(lèi)型、公差數(shù)值及修飾符、根據(jù)優(yōu)先關(guān)系排列的各基準(zhǔn)以及應(yīng)用的公差原則。然后確定目標(biāo)幾何要素的本征方向，確定目標(biāo)要素的本征自由度Tz、Rz、Txy、Rxy。最后對(duì)每一個(gè)公差標(biāo)注逐個(gè)判斷基準(zhǔn)設(shè)置的合理性、基準(zhǔn)設(shè)置的充分性、公差設(shè)置的冗余性，這樣可以保證每一步檢測(cè)到錯(cuò)誤就可以針對(duì)性地給出出錯(cuò)信息。利用基準(zhǔn)約束自由度能力計(jì)算方法可以建立公差標(biāo)注的有效性檢查規(guī)則，具體規(guī)則如下。

(1)基準(zhǔn)體系約束能力檢查規(guī)則：每一個(gè)公差的基準(zhǔn)體系至少必須能夠約束表3中該公差項(xiàng)目的一個(gè)自由度，否則基準(zhǔn)體系的約束能力不足。當(dāng)公差值帶有修飾符Φ時(shí)，基準(zhǔn)體系必須約束表3中該公差項(xiàng)目的垂直自由度(Txy和Rxy)，否則基準(zhǔn)體系的約束能力不足。

表3　各類(lèi)公差需要約束的自由度

(2)冗余基準(zhǔn)檢查規(guī)則：根據(jù)表3公差類(lèi)型與幾何要素約束自由度的關(guān)系，確定幾何要素必須約束的自由度。根據(jù)基準(zhǔn)優(yōu)先原則，逐個(gè)對(duì)基準(zhǔn)進(jìn)行判斷，如果當(dāng)前基準(zhǔn)及其與高序基準(zhǔn)的組合不能約束目標(biāo)要素剩余未約束自由度，則當(dāng)前基準(zhǔn)為冗余基準(zhǔn)。

(3)冗余公差檢查規(guī)則：如果幾何要素的當(dāng)前公差所必須約束的自由度已全部被其他公差所約束，則當(dāng)前公差為冗余公差?？梢詾槊恳粋€(gè)幾何要素設(shè)置一個(gè)本征自由度表，根據(jù)表2的計(jì)算方法為每一個(gè)自由度指定承擔(dān)約束任務(wù)的基準(zhǔn)，建立約束自由度信息關(guān)聯(lián)關(guān)系表，則公差是否冗余就可以通過(guò)檢索自由度約束關(guān)聯(lián)關(guān)系表進(jìn)行判斷。

(4)方向公差可應(yīng)用性檢查規(guī)則：方向公差控制目標(biāo)要素的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，如果被測(cè)要素不存在需要約束的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(Rz、Rxy、Rx、Ry)，則方向公差不可應(yīng)用。

(5)位置公差可應(yīng)用性檢查規(guī)則：位置公差控制目標(biāo)要素的平移自由度，如果被測(cè)要素不存在需要約束的平移自由度(Tz、Txy、Tx、Ty)，則位置公差不可應(yīng)用。

(6)尺寸公差標(biāo)注的正確性檢查規(guī)則：如果目標(biāo)的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度被約束，則該轉(zhuǎn)動(dòng)自由度方向的夾角只能標(biāo)注理想角度尺寸。如果目標(biāo)的一個(gè)平移自由度被約束，則該平移自由度方向的距離只能標(biāo)注理想距離尺寸。

(7)修飾符使用合理性檢查規(guī)則：只有點(diǎn)和直線目標(biāo)要素的公差值可以帶有修飾符Φ。當(dāng)基準(zhǔn)體系只能約束直線目標(biāo)的垂直平移自由度Txy和約束垂直轉(zhuǎn)動(dòng)自由度Rxy時(shí)，位置公差和方向公差的公差值必須帶有修飾符Φ；當(dāng)目標(biāo)和基準(zhǔn)要素均為點(diǎn)并且兩者重合時(shí)，位置公差的公差值必須帶有修飾符sΦ。

(8)公差標(biāo)注的完整性規(guī)則：通過(guò)基準(zhǔn)體系的約束能力計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)要素沒(méi)有約束的自由度，從而發(fā)現(xiàn)遺漏標(biāo)注的距離尺寸和角度尺寸，同時(shí)也提醒設(shè)計(jì)者是否存在遺漏的公差標(biāo)注。

(9)復(fù)合公差標(biāo)注時(shí)公差體系的細(xì)化原則：當(dāng)存在位置公差和方向公差復(fù)合情況時(shí)，位置公差的基準(zhǔn)約束本征自由度必須包含方向公差的約束自由度，并且方向公差值必須小于位置公差值，否則不符合公差細(xì)化原則。當(dāng)存在兩種方向公差復(fù)合時(shí)，高層公差框格的基準(zhǔn)所約束的有效自由度必須超過(guò)低層公差框格的基準(zhǔn)所約束的有效自由度，即高層公差必須存在不同于低層的另一方向的有效約束，同時(shí)低層的公差值必須小于高層公差值，否則，低層方向公差屬于冗余公差。

4.2公差標(biāo)注的正確性驗(yàn)證實(shí)例

圖4為一法蘭盤(pán)的公差標(biāo)注情況，其中的目標(biāo)要素C和D的幾何公差基準(zhǔn)存在順序設(shè)置錯(cuò)誤，運(yùn)用本文的公差標(biāo)注的正確性驗(yàn)證規(guī)則分析如下。

圖4　幾何公差標(biāo)注的正確性驗(yàn)證

目標(biāo)C的自由度約束情況：第一基準(zhǔn)B具有約束目標(biāo)要素的自由度Tz和Rxy中Rx的能力，第二基準(zhǔn)A不能約束目標(biāo)要素的另一個(gè)線垂直自由度(該自由度繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng))，基準(zhǔn)A和基準(zhǔn)B沒(méi)有組合的可能，因此判斷結(jié)果基準(zhǔn)A為冗余基準(zhǔn)。雖然位置度公差為綜合公差，方向公差的缺省值等于位置公差，故從約束自由度的角度看，Rxy沒(méi)有必要約束，但設(shè)計(jì)意圖可能要求目標(biāo)C關(guān)于基準(zhǔn)A和基準(zhǔn)B的垂直度同等重要，因此如果系統(tǒng)提示基準(zhǔn)A冗余，此時(shí)會(huì)提醒設(shè)計(jì)者注意查找出錯(cuò)原因。此外，由于目標(biāo)要素的幾何類(lèi)型為平面，因此目標(biāo)C的公差值帶有修飾符Φ也是冗余的。

目標(biāo)D的自由度約束情況：目標(biāo)D為成組要素，其自由度為Rz、Tx、Ty、Rx、Ry。第一基準(zhǔn)B約束了一個(gè)目標(biāo)的4個(gè)線平移自由度Tx、Ty、Rx和Ry，第二基準(zhǔn)A沒(méi)有約束剩余的自由度，第二基準(zhǔn)A與第一基準(zhǔn)B沒(méi)有組合形成新的幾何類(lèi)型的可能，此時(shí)得出1個(gè)出錯(cuò)信息，即基準(zhǔn)A為冗余基準(zhǔn)。第三基準(zhǔn)C約束目標(biāo)D的線平行轉(zhuǎn)動(dòng)自由度Rz。其他規(guī)則檢驗(yàn)也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)違背情況，該公差標(biāo)注具有一個(gè)出錯(cuò)信息。如果設(shè)計(jì)意圖需要保證成組要素的4個(gè)孔與底面垂直，則必須把基準(zhǔn)目標(biāo)A作為第一基準(zhǔn)，從而約束了目標(biāo)D的兩個(gè)線垂直面轉(zhuǎn)動(dòng)自由度Rx和Ry，然后保證目標(biāo)D的中心與基準(zhǔn)B的同軸度，約束目標(biāo)D的兩個(gè)線垂直面平移自由度Tx和Ty，最后約束目標(biāo)D繞自身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，因此目標(biāo)D的位置度公差的合理基準(zhǔn)順序?yàn)榛鶞?zhǔn)A、基準(zhǔn)B和基準(zhǔn)C。

5　結(jié)論

(1)描述了幾何要素的本征方向概念和本征自由度的定義，保證約束自由度的計(jì)算方法具有一般性，且便于進(jìn)行裝配公差分析和公差技術(shù)與CAD實(shí)體模型集成。

(2)基于本征自由度，分析了幾何要素約束自由度的原理，給出了幾何要素約束目標(biāo)自由度能力的計(jì)算方法，可方便快捷地計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)被基準(zhǔn)約束的具體自由度。

(3)提出了基于距離測(cè)量方向線和角度測(cè)量平面概念的幾何元素約束自由度計(jì)算原理，建立了單一基準(zhǔn)和基準(zhǔn)組合約束自由度能力的計(jì)算方法。

(4)提出了基于本征自由度的公差標(biāo)注正確性和完整性驗(yàn)證的啟發(fā)性規(guī)則。

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(編輯袁興玲)

DOF Representation and Operation of Geometric Feature and Its Applications for Tolerance Technology

Wu Yuguang1Liu Yusheng2

1.Hangzhou Dianzi University,Hangzhou,310018 2.The State Key Lab of CAD&CG,Zhejiang University,Hangzhou,310058

The intrinsic direction of geometric feature, the representation method and calculation rules of DOF of geometric feature were proposed. The intrinsic direction of geometric feature was determined based on the geometric characteristics and position relations among toleranced geometry feature and datum geometry feature. According to the geometric measurement principles, the computation method of constraint capability of datum feature to the DOF of target feature was proposed,and the calculation rules of constrained DOF of toleranced features were proposed by datum reference frames. The tolerance specification validation method were proposed according to the relationship among tolerance type and geometry of the datum and target entity , and the correctness and completeness validation rules were discussed against the dimensioning and tolerancing standards and against good practice rules in industries.

degree of freedom (DOF); intrinsic DOF; constraint capability; tolerance verification

2014-07-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175132,61173126)

TP39.72DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.11.014

吳玉光，男，1961年生。杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士。研究方向?yàn)閵A具自動(dòng)設(shè)計(jì)、公差技術(shù)等。發(fā)表論文60余篇。劉玉生，男，1971年生。浙江大學(xué)CAD&CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博士。