一种基于动态公差的装配精度评估方法、系统及设备

技术领域

本发明涉及机械装配精度设计技术领域，特别是涉及一种基于动态公差的装配精度评估方法、系统及设备。

背景技术

尺寸公差简称公差，是指允许的，最大极限尺寸减最小极限尺寸之差的绝对值的大小，或允许的上偏差减下偏差之差大小。对于我们日常生活中的一些一般光机产品，如洗衣机、冰箱、玩具、无人机、相机等等，在这些产品的装配过程中通过控制依靠零件位置参数的名义值和公差，而保证最终产品的装配性能，这类公差我们定义为静态公差。

但是在高精密光机系统的生产过程中，如空间相机、光刻机、高精密机床等产品，这些产品往往具有小批量、多品种、高精度、高性能等特点。在实际装配过程中，虽然也对零件提出了相应的公差指标，但是装调过程中仍然存在着，即使按照设计公差进行装配，其最终的装调性能和装配合格率也难以满足要求的情况。

原因在于，装配是个动态的过程，装配误差在装配过程中被随机引入，与原始加工误差共同以一种耦合非线性的形式影响着装配精度。这致使后续装配环节的装配参数已非设计值，公差也发生了变动，即后续装配环节的公差应该是系统已经存在的误差的函数，这种公差就是动态公差。动态公差对装配过程的控制是非常有意义的，它比静态公差更能保证系统性能，而且它有助于技师预测装配难度和合格率，从而主动对装配工艺过程进行调整。动态公差的计算包括名义值的计算和公差带上下限的计算。

因此，提供一种面向精密光机系统的可精确计算动态公差，并根据动态公差对零件进行装配精度评估的方法及系统是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于动态公差的装配精度评估方法，该方法简单，安全、有效、可精确计算动态公差，并可以根据动态公差对零件合格率检测，调控零件生产。而且，基于同一发明构思的系统、设备同样能达到上述效果。

基于以上目的，本发明提供的技术方案如下：

一种基于动态公差的装配精度评估方法，包括如下步骤：

建立待装配系统的装调模型，并获取待装配系统所有零件的加工状态参数；

获取已装零件的当前装配状态参数和待装零件位置参数；

根据已选取的评价指标、所述所有零件的加工状态参数、所述已装零件的当前装配状态参数以及所述待装零件位置参数，确定所述待装零件位置参数变动最大范围；

预设分组参数，根据所述分组参数对所述待装零件位置参数变动最大范围分组进行装调参数模拟；

根据所述装调参数模拟结果，获取每组待装零件合格率，结合需求合格率确定待装零件的动态公差；

根据所述待装零件的动态公差，评估所述待装配系统中待装零件是否满足实际装配精度要求。

优选地，由多个零件组成的所述待装配系统包括至少一个且少于所有零件个数的所述已装零件，其余为所述待装零件。

优选地，所述建立所述待装配系统的装调模型，并获取待装配系统所有零件的加工状态参数中，

所述所有零件的加工状态参数具体为：尺寸误差和面形误差。

优选地，所述获取已装零件的当前装配状态参数和待装零件位置参数中，

所述已装零件当前装配状态参数包括：倾斜误差、偏心误差和间隔误差；

所述待装零件位置参数具体为：所述倾斜误差、所述偏心误差和所述间隔误差中的一种或多种。

优选地，根据已选取的评价指标、所述所有零件的加工状态参数、所述已装零件的当前装配状态参数以及所述待装零件位置参数，确定所述待装零件位置参数变动最大范围具体为：

所述待装配系统的装调模型中将所述所有零件的尺寸误差和面形误差、所述已装零件的倾斜误差、偏心误差和间隔误差、所述待装零件位置参数以及已选取的评价指标，输入至所述待装配系统的装调模型中，得到更新后的装调模型；

在所述更新后的装调模型中，预设评价指标退化容差比例；

变动待装零件位置参数中的单个参数，使所述评价指标退化趋近于所述评价指标退化容差比例；

根据所述评价指标退化趋近于所述评价指标退化容差比例的状态，获取待装零件位置参数变动趋势；

根据所述待装零件位置参数变动趋势，确定待装零件位置参数变动最大范围。

优选地，所述预设分组参数，根据所述分组参数对所述待装零件位置参数变动最大范围分组进行装调参数模拟具体为：

在所述更新后的装调模型中，预设分组参数X，根据所述待装零件位置参数变动最大范围将所述待装零件位置参数分为X组，每组待装零件位置参数变动范围分别为所述待装零件位置参数变动最大范围的1/X、2/X……X/X;

根据所述每组待装零件位置参数变动范围随机生成多个种子；

将每组的多个种子分别代入至所述更新后的装调模型中进行装调参数模拟；

统计每组待装零件位置参数变动范围的评价指标。

优选地，所述根据所述装调参数模拟结果，获取每组待装零件合格率，结合需求合格率确定待装零件的动态公差具体为：

根据所述装调参数模拟结果中的所述评价指标统计结果，获取每组中实际评价指标退化容差；

根据每组中实际评价指标退化容差获取所述每组待装零件合格率；

根据所述每组待装零件合格率和所述需求合格率，确定待装零件的动态公差范围。

优选地，所述根据所述待装零件的动态公差，评估所述待装配系统待装零件装配是否满足实际装配精度要求具体为：

根据所述待装零件的动态公差，检验所述待装零件是否满足实际装配精度要求；

若不满足，则对已装零件进行修正；

根据修正后的当前装配状态参数获取修正后的所述待装零件的动态公差，直至待装零件满足实际装配精度要求。

一种基于动态公差的装配精度评估系统，包括：

模型建立模块，用于建立待装配系统的装调模型；

状态获取模块，用于获取待装配系统中所有零件的加工状态参数、已装零件的当前装配状态参数以及待装零件位置参数；

指标选取模块，用于选取评价函数中的评价指标；

第一计算模块，用于根据所述装调模型、待装配系统中所有零件的加工状态参数、所述已装零件的当前装配状态参数以及已选取的评价指标确定待装零件位置参数变动最大范围；

分组模块，用于根据预设的分组参数对所述待装零件位置参数变动最大范围分组；

装调参数模拟模块，用于对每组待装零件位置参数变动范围进行装调参数模拟；

第二计算模块，用于根据装调参数模拟结果获取每组待装零件合格率，并结合需求合格率计算待装零件的动态公差；

检验修正模块，用于根据所述待装零件的动态公差检验所述待装配系统待装零件装配是否满足实际装配精度需求。

一种基于动态公差的装配精度评估设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时，实现如上述任一所述的装配精度评估方法；

显示器，用于显示处理过程中的可视化数据。

本发明提供的基于动态公差的装配精度评估方法，通过建立待装配系统的装调模型，并且获取所有零件的加工状态参数；所有零件的加工状态参数结合已装零件的当前装配状态参数和待装零件位置参数以及已选定的评价指标确定待装零件位置参数变动的最大范围。根据预设的分组参数，对待装零件位置参数变动的最大范围进行分组，各组进行装调参数模拟；根据多次装调参数模拟之后的结果，可以计算得出每组待装零件的合格率，结合实际需求合格率确定待装零件的动态公差；将动态公差输入至待装配系统中，评估待装零件是否满足实际装配精度要求。

本方法通过现有的零件完成装配后存在的误差结果，获取零件位置参数的最大变动范围，再将由上述范围确定的范围分组进行装调参数模拟（即数值模拟）得出各组待装零件的合格率，结合需求合格率确定动态公差，通过根据动态公差对待装零件进行分析，评估待装配系统中待装零件的性能与装配精度，以及根据其性能与装配精度判断其是否具有可装配性。

本方法简单、可靠、可快速准确的计算得出动态公差，并根据动态公差判断待装零件是否符合精度要求，能有效的提高待装零件的装调性能和装配合格率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明提供的一种基于动态公差的装配精度评估方法流程图；

图2为本发明实施例提供的步骤S3的方法流程图；

图3为本发明实施例提供的步骤S4的方法流程图；

图4为本发明实施例提供的步骤S5的方法流程图；

图5为本发明实施例提供的步骤S6的方法流程图；

图6为本发明实施例提供的一种基于动态公差的装配精度评估系统的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的某精密光机系统结构示意图；

图8为本发明实施例提供的镜片的安装误差示意图；

图9为本发明实施例提供的待装零件位置变动对像质的影响图；

图10为本发明实施例提供的分组后的各组蒙特卡洛仿真结果图；

图11为本发明实施例提供的不同像质容差和公差值对应的系统合格率示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例采用递进的方式撰写。

本发明实施例提供了一种基于动态公差的装配精度评估方法、系统及设备。主要解决现有技术中，按照设计公差进行装配，其最终的装调性能和装配合格率由于动态公差的影响也难以满足要求的情况的技术问题。

在实际运用过程中，根据不同的使用需求或所需的效果，各方法步骤有具体的使用细节，各步骤所采用的具体参数可以根据实际需要进行选择。

请参阅图7，具体的以包含5个镜子的某精密光机系统为例，且已知该光机系统的装配序列为镜二、镜三、镜四、镜五、镜一，所选取装调参数模拟的方法为蒙特卡洛仿真法，以此来阐述本发明的技术方案。

一种基于动态公差的装配精度评估方法，包括如下步骤：

S1.建立待装配系统的装调模型，并获取镜一至镜五的加工状态参数；

S2.获取已完成装配的镜二当前安装状态参数和镜三、镜四、镜五、镜一的位置参数并且选取评价指标；

S3.根据镜二的当前安装状态参数和镜三、镜四、镜五、镜一位置参数与已选取的评价指标，确定镜三、镜四、镜五、镜一的位置参数的最大变动范围；

S4.预设分组参数，并将分组参数按最大变动范围分组后进行装调参数模拟；

S5.根据数值模拟结果，获取每组镜三、镜四、镜五、镜一的合格率，结合需求合格率确定动态公差；

S6.根据动态公差，评估待装配系统中镜三、镜四、镜五、镜一装配是否满足装配位置精度要求。

步骤S1中，建立一个待装配的装调模型，并将该精密光机系统的镜一至镜五的加工状态参数按照装配序列的顺序输入至该模型中。

由镜一至五组成，其装配序列为镜二、镜三、镜四、镜五、镜一，在本实施例中，假定装配序列的第一顺位即镜二已完成装配。

步骤S2中，对于光机系统而言，其性能评价指标有MTF（调制传递函数）,波像差系数，PV值，RMS值和RMS Spot半径等等。本发明选用RMS Spot半径这个指标来进行运算。因此，确定采用中心视场以及四个边缘视场点的RMS Spot半径作为像质评价标准。

评价函数MF即为：

在实际工作过程中，镜二当前安装状态参数中有部分参数不适用于计算，抛弃该部分参数，即以镜二的当前状态参数为参照，选取适用于计算的参数作为镜三、镜四、镜五、镜一的位置参数。

步骤S3中，根据镜二的当前安装状态参数和镜三、镜四、镜五、镜一的位置参数与上述评价函数中的评价指标，通过计算得出镜三、镜四、镜五、镜一的位置参数的最大变动范围。

步骤S4中，装配过程中，所有镜片的定位参数是同时发生变动的，如果每个参数仍然按照自己最大范围变动，像质会严重恶化。所以将分组参数按照最大范围进行分组，分组后进行装调参数模拟。分组参数的获取是通过蒙特卡洛仿真法中的随机采样。

步骤S5中，该光机系统的镜片存在装配实际需求合格率，根据蒙特卡洛仿真结果中获取的每组镜三、镜四、镜五、镜一在评价函数中的合格率必须落入实际需求合格率中，在此基础上可以确定动态公差。

步骤S6中，根据已确定的动态公差对待装配系统中的镜三、镜四、镜五、镜一进行检验，验算其是否满足装配位置的精度要求。

优选地，由多个零件组成的待装配系统包括至少一个且少于所有零件个数的已装零件，其余为待装零件。

在本实施例中，所选取的已装零件为装配序列顺位第一位即镜二，后续装配序列的镜片为待装零件。

优选地，步骤S1中所有零件的加工状态参数具体为：尺寸误差和面形误差。

需要说明的是，实际加工值与设计值之差异称为加工误差。故尺寸误差是：由于加工设备的精度或加工人员造成的工件尺寸的实际值与真值之差。

由于光学加工工艺水平的限制，光学表面的面形误差（低频分量）是不可避免的光学加工误差之一，会导致系统的成像性能如波像差恶化，从而远远偏离了系统设计阶段的像质水平，尤其对于高精密高性能的反射或折反式光学系统尤为显著。另外，面形误差主要引起非对称像差如像散等，不能像曲率半径误差、 中心厚度误差以及楔形误差等其他光学加工误差，可以通过调整空气间隔或元件偏心等消除或减小其对光学系统的影响。因此，面形误差通常成为导致系统集成后性能下降的主要原因。

优选地，已装零件当前装配状态参数包括：倾斜误差、偏心误差和间隔误差；

待装零件位置参数具体为：倾斜误差、偏心误差和间隔误差中的一种或多种。

实际运用过程中，请参阅图8，其中XDE/YDE/ZDE分别表示镜片沿X/Y/Z轴的偏心误差，ADE/BDE/CDE分别表示镜片绕顶点沿X/Y/Z轴的倾斜误差，Z轴为光轴，且镜子一般是旋转对称的，所以绕Z轴的旋转误差忽略不计。特别的ZDE表示该镜片与下一个镜片的间隔误差。

已知该光机系统的静态公差如下表所示

实际运用过程中，考虑到由于镜片光轴倾斜在加工时要求严格控制，装配时具有通过定心仪等仪器精确调整镜片倾斜的手段，所以镜二的倾斜名义值全部定为0，因此只对剩余的镜三、镜四、镜五、镜一的偏心误差和空间间隔误差进行动态误差计算。

请参阅图2，优选地，步骤S3具体为：

A1.待装配系统的装调模型中将所有零件的尺寸误差和面形误差、已装零件的倾斜误差、偏心误差和间隔误差、待装零件位置参数以及已选取的评价指标，输入至待装配系统的装调模型中，得到更新后的装调模型；

A2.在更新后的装调模型中，预设评价指标退化容差比例；

A3.变动待装零件位置参数中的单个参数，使评价指标退化趋近于评价指标退化容差比例；

A4.根据评价指标退化趋近于评价指标退化容差比例的状态，获取待装零件位置参数变动趋势；

A5.根据待装零件位置参数变动趋势，确定待装零件位置参数变动最大范围。

实际运用过程中，设定像质退化容差比例为M%，即RMS Spot半径增大不超过M%（根据实际情况设定），然后分别独立变动待装配镜片的位置参数并评价像质，使得像质退化接近M%，这样便得到每个位置参数独立变动时的最大允许范围。

请参阅图9，如图所示，像质退化容差比例设定为10%，通过计算实验（基于光学设计软件和数值分析软件的联合仿真实验）可以得到待装配镜片位置参数独立变动时，评价函数MF（即RMS Spot半径）的变动情况。

图中虚线为像质退化10%限制线。镜一和镜三的空气间隔非常敏感，其最大变动范围分别为±0.015mm和±0.005mm，比设计公差（±0.02）紧了很多。位置参数敏感度相对较低，变动量很大像质退化也达不到10%，但这并不意味着这些参数公差范围会非常大。首先，镜片的偏心倾斜太大会引起系统孔径的变动，使系统视场指标不达标；其次，这些参数都是独立变动的，当它们同时变动时会造成像质急剧恶化，也就是说某些镜片的偏心倾斜过大时，会致使镜片的公差很紧。所以我们使用最大设计公差宽度±0.02对这些参数进行限制。

请参阅图3，优选地，步骤S4具体为：

B1.在更新后的装调模型中，预设分组参数X，根据待装零件位置参数变动最大范围将待装零件位置参数分为X组，每组待装零件位置参数变动范围分别为待装零件位置参数变动最大范围的1/X、2/X……X/X;

B2.根据每组待装零件位置参数变动范围随机生成M个种子；

B3.将每组的M个种子分别代入至更新后的装调模型中进行装调参数模拟；

B4.统计每组待装零件位置参数变动范围的评价指标。

实际运用过程中，请参阅图10，将定位参数按照最大范围分为5组，即为最大范围的20%、40%、60%、80%和100%，因此，对于实例来说，确定的参数范围如下表所示：

根据这五组参数变动范围，对每个组内所有参数同时变动进行蒙特卡洛仿真500次，并计算每个样本的像质，蒙特卡洛仿真按照正态分布

请参阅图4，优选地，步骤S5具体为：

C1.根据装调参数模拟结果中的评价指标统计结果，获取每组中实际评价指标退化容差；

C2.根据每组中实际评价指标退化容差获取每组待装零件合格率；

C3.根据每组待装零件合格率和需求合格率，确定待装零件的动态公差范围。

实际运用过程中，对上述五组蒙特卡洛仿真结果进行分析，计算各组在不同RMSSpot半径条件下的合格率，请参阅图11。

如果以像质下降10%为性能容差，显然由图可知没有公差范围是满足要求的，及当前情况下，无论怎么装配也无法满足设计指标，此外如果以像质下降20%为性能容差，则系统的动态公差为上表中的“最大范围20%”这一列，但是，此时装配公差很紧，尤其是镜三的空气间隔，公差为±0.001mm，实际装调根本达不到。

请参阅图5，优选地，步骤S6具体为：

D1.根据待装零件的动态公差，检验待装零件是否满足实际装配精度要求；

D2.若不满足，则对已装零件进行修正；

D3.根据修正后的当前装配状态参数获取修正后的待装零件的动态公差，直至待装零件满足实际装配精度要求。

实际运用过程中，根据已获取的动态公差，对待装零件进行检验，当存在其中一个或多个镜片不满足装配位置精度要求，则对镜二进行修正；并根据修正后的镜二获取新的动态公差，根据新的动态公差再次判断待装零件是否满足要求，若不满足，则重新设计待装零件的装配参数，直至满足系统装配需求。

需要说明的是，一般装配误差的引入会导致后续工序公差收紧，如果仍按照设计公差装配，合格率会有所降低。当然上述案例是极限情况，因为我们设定镜二的装配误差比较大，而且两个方向的倾斜误差都是设计公差的最大值0.01°。当装配误差较小时，后续工序的动态公差一般会处于可接受的范围。

请参阅图6，一种基于动态公差的装配精度评估系统，包括：

模型建立模块，用于建立待装配系统的装调模型；

状态获取模块，用于获取待装配系统中所有零件的加工状态参数、已装零件的当前装配状态参数以及待装零件位置参数；

指标选取模块，用于选取评价函数中的评价指标；

第一计算模块，用于根据装调模型、待装配系统中所有零件的加工状态参数、已装零件的当前装配状态参数以及已选取的评价指标确定待装零件位置参数变动最大范围；

分组模块，用于根据预设的分组参数对待装零件位置参数变动最大范围分组；

装调参数模拟模块，用于对每组待装零件位置参数变动范围进行装调参数模拟；

第二计算模块，用于根据装调参数模拟结果获取每组待装零件合格率，并结合需求合格率计算待装零件的动态公差；

检验修正模块，用于根据待装零件的动态公差检验待装配系统待装零件装配是否满足实际装配精度需求。

实际运用过程中，模型建立模块建立待装配系统的装调模型；在待装配系统的装调模型中，状态获取模块获取已装零件当前安装参数、待装零件的位置参数，以及所有零件的加工状态参数后，将上述参数发送给第一计算模块；指标选取模块，选取用于计算的评价函数中的评价指标并将其发送至第一计算模块；第一计算模块根据上述参数与评价指标计算得出待装零件的位置参数变动最大范围；分组模块根据预设分组参数对待装零件的位置参数变动最大范围进行分组并将每组待装零件位置参数变动范围发送至给装调参数模拟模块；装调参数模拟模块对每组待装零件位置参数变动范围进行装调模拟后发送给第二计算模块；第二计算模块根据装调参数模拟结果计算每组待装零件合格率结合实际需求合格率对该结果分析确定动态公差；检验修正模块根据动态公差检验待装零件装配是否满足实际精度需求。

一种基于动态公差的装配精度评估设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时，实现如上述任一所述的装配精度评估方法；

显示器，用于显示处理过程中的可视化数据。

本实施例提供的基于动态公差的装配精度评估设备，由于能够执行并实现前述的装配精度评估方法，因此能够达到与前述方法实施例相同的技术效果。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法和装置，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个模块或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

另外，在本发明各实施例中的各功能模块可以全部集成在一个处理器中，也可以是各模块分别单独作为一个器件，也可以两个或两个以上模块集成在一个器件中；本发明各实施例中的各功能模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令及相关的硬件来完成，前述的程序指令可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序指令在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上对本发明所提供的进行了详细介绍。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。