一种基于公差的几何要素尺寸和位置的模拟装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于公差的几何要素尺寸和位置的模拟装置及方法，本发明涉及的一种基于公差的几何要素尺寸和位置的模拟装置，包括：安装平台、球面几何要素模拟装置、圆柱几何要素的模拟装置、宽度要素的模拟装置；所述数个球面几何要素模拟装置设置于所述安装平台上，用于模拟球面几何要素的尺寸和/或位置；所述数个圆柱几何要素的模拟装置设置于所述安装平台上，用于模拟圆柱几何要素的尺寸和/或位置；所述数个宽度要素的模拟装置均设置于所述安装平台上，用于模拟宽度要素的尺寸和/或位置。本发明的球面、圆柱面、宽度要素模拟装置可以模拟公差相关要求所涉及的目标要素和基准要素的尺寸和位置，为转移公差的检测提供实物模型。

权利要求

1.一种基于公差的几何要素尺寸和位置的模拟装置，其特征在于，包括：安装平台、球面几何要素模拟装置、圆柱几何要素的模拟装置、宽度要素的模拟装置；

数个所述球面几何要素模拟装置设置于所述安装平台上，用于模拟球面几何要素的尺寸和/或位置；

数个所述圆柱几何要素的模拟装置设置于所述安装平台上，用于模拟圆柱几何要素的尺寸和/或位置；

数个所述宽度要素的模拟装置均设置于所述安装平台上，用于模拟宽度要素的尺寸和/或位置；

所述圆柱几何要素的模拟装置包括水平圆柱几何要素的模拟装置和竖直圆柱几何要素的模拟装置；

所述球面几何要素模拟装置及水平圆柱几何要素的模拟装置均包括第一V形块、第二V形块、第一机架、第二机架、第一螺杆、支撑板、第一旋钮；所述第一V形块设有第一凸块，所述第一凸块设有供第一螺杆穿过的螺纹孔，所述第一凸块上的螺纹孔与第一螺杆螺纹连接；所述第一机架、第二机架之间设有供第一V形块的第一凸块滑动的滑道，所述第一V形块的凸块设置于第一机架、第二机架之间的滑道内；所述第二V形块设有第二凸块，所述第二V形块的第二凸块分别与第一机架、第二机架的一端通过螺钉连接；所述第一V形块与第二V形块相对设置；所述支撑板分别与第一机架、第二机架的另一端通过螺钉连接；所述支撑板设有使第一螺杆的一端和第一旋钮连接的安装孔，所述第一旋钮通过螺纹与所述第一螺杆的一端连接；通过旋转第一旋钮以使与第一旋钮连接的第一螺杆旋转，所述第一螺杆旋转以带动第一V形块在滑道内运动，来调节第一V形块与第二V形块之间的距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于公差的几何要素尺寸和位置的模拟装置，其特征在于，所述球面几何要素模拟装置的第一V形块、第二V形块的棱边在空间互相垂直设置；所述水平圆柱几何要素的模拟装置的第一V形块、第二V形块的棱边在空间互相平行设置。

3.根据权利要求2所述的一种基于公差的几何要素尺寸和位置的模拟装置，其特征在于，所述竖直圆柱几何要素的模拟装置包括圆柱、第三机架、第二螺杆、第一挡板、第二挡板、运动体、第二旋钮；所述圆柱设置于所述运动体上；所述运动体设有供第二螺杆穿过的螺纹孔，所述运动体上的螺纹孔与第二螺杆螺纹连接；所述运动体还设有第三凸块，所述第三机架设有供运动体的第三凸块滑动的第一凹槽，所述运动体的第三凸块设置于第一凹槽内；所述第一挡板、第二挡板分别通过螺钉与第三机架的两端连接；所述第一挡板设有使第二螺杆的一端和第二旋钮连接的安装孔，所述第二旋钮通过螺纹与所述第二螺杆的一端连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于公差的几何要素尺寸和位置的模拟装置，其特征在于，所述宽度要素的模拟装置包括第一平板、第二平板、第四机架、第三螺杆、第三挡板、第四挡板、第三旋钮；所述第一平板、第二平板分别设有供第三螺杆穿过的螺纹孔，所述第一平板、第二平板上的螺纹孔与第三螺杆螺纹连接；所述第一平板设有第四凸块，所述第二平板设有第五凸块，所述第四机架设有第一平板的第四凸块、第二平板的第五凸块滑动的第二凹槽，所述第一平板的第四凸块、第二平板的第五凸块设置于第二凹槽内；所述第三挡板、第四挡板分别通过螺钉与第四机架的两端连接；所述第三挡板设有使第三螺杆的一端和第三旋钮连接的安装孔，所述第三旋钮通过螺纹与所述第三螺杆的一端连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于公差的几何要素尺寸和位置的模拟装置，其特征在于，所述第三螺杆为双向螺杆，所述双向螺杆两端螺纹的旋转方向相反。

6.根据权利要求5所述的一种基于公差的几何要素尺寸和位置的模拟装置，其特征在于，所述第一机架、第三机架、第四机架表面均设置有刻度。

7.根据权利要求1所述的一种基于公差的几何要素尺寸和位置的模拟装置，其特征在于，所述安装平台上设有螺纹孔，用于固定球面几何要素模拟装置、圆柱几何要素的模拟装置、宽度要素的模拟装置。

8.一种如权利要求1‑7任一项所述的一种基于公差的几何要素尺寸和位置的模拟装置的模拟方法，其特征在于，包括步骤：S1.接收所述球面几何要素模拟装置、圆柱几何要素的模拟装置、宽度要素的模拟装置在安装平台上的固定方向；

S2.获取所要模拟的基准组合类型，在安装平台上安装与所述模拟的基准组合类型相对应的各个模拟装置；

S3.调整与所述模拟的基准组合类型相对应的模拟装置得到的各个基准要素的不同尺寸和位置状态；

S4.获取所要模拟的目标要素，在安装平台上安装与所述模拟的目标要素的几何类型相对应的模拟装置；

S5.调整与所述模拟的目标要素相对应的模拟装置得到的目标要素的不同尺寸和位置状态。

说明书

一种基于公差的几何要素尺寸和位置的模拟装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及公差与测量技术领域，尤其涉及一种基于公差的几何要素尺寸和位置的模拟装置及方法。

背景技术

[0002] 公差原则是确定尺寸公差和几何公差之间关系应遵循的原则，公差原则包括独立原则和相关要求。公差相关要求是包容要求、最大实体要求、最小实体要求以及可逆要求等
的统称。应用公差相关要求可以获得奖励公差和转移公差两种公差补偿效益。奖励公差为
被测要素的尺寸误差或几何误差未到达公差值的误差富余而进行相互补偿的数值；转移公
差为基准要素的尺寸和几何误差未达到公差值的误差富余而补偿给目标要素几何公差的
数值。奖励公差和转移公差能够扩大被测要素的检验公差值，从而提高零件的合格率、降低
制造成本。

[0003] 虽然转移公差能够提高制造效益，但是在实际生产过程中相关要求的应用却是存在很多问题。当前公差表示方法仅仅表示被测目标要素和基准要素的尺寸与几何误差之间
的关系，而没有完整给出转移公差的计算方法。现有的技术对转移公差的计算仅仅局限于
单一基准遵循相关要求的情况，多个基准遵循公差相关要求的转移公差计算没有通用的计
算公式。不同基准组合情况下转移公差的测量还没有通用的方法，因此理论上和生产实际
中均缺少基准应用公差相关要求的零件检验方法。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于公差的几何要素尺寸和位置的模拟装置，从而为转移公差的检测提供实物模型。

[0005] 为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

[0006] 一种基于公差的几何要素尺寸和位置的模拟装置，包括：安装平台、球面几何要素模拟装置、圆柱几何要素的模拟装置、宽度要素的模拟装置；

[0007] 所述数个球面几何要素模拟装置设置于所述安装平台上，用于模拟球面几何要素的尺寸和/或位置；

[0008] 所述数个圆柱几何要素的模拟装置设置于所述安装平台上，用于模拟圆柱几何要素的尺寸和/或位置；

[0009] 所述数个宽度要素的模拟装置均设置于所述安装平台上，用于模拟宽度要素的尺寸和/或位置。

[0010] 进一步的，所述圆柱几何要素的模拟装置包括水平圆柱几何要素的模拟装置和竖直圆柱几何要素的模拟装置。

[0011] 进一步的，所述球面几何要素模拟装置及水平圆柱几何要素的模拟装置均包括第一V形块、第二V形块、第一机架、第二机架、第一螺杆、支撑板、第一旋钮；所述第一V形块设
有第一凸块，所述第一凸块设有供第一螺杆穿过的螺纹孔，所述第一凸块上的螺纹孔与第
一螺杆螺纹连接；所述第一机架、第二机架之间设有供第一V形块的第一凸块滑动的滑道，
所述第一V形块的凸块设置于第一机架、第二机架之间的滑道内；所述第二V形块设有第二
凸块，所述第二V形块的第二凸块分别与第一机架、第二机架的一端通过螺钉连接；所述第
一V形块与第二V形块相对设置；所述支撑板分别与第一机架、第二机架的另一端通过螺钉
连接；所述支撑板设有使第一螺杆的一端和第一旋钮连接的安装孔，所述第一旋钮通过螺
纹与所述第一螺杆的一端连接；通过旋转第一旋钮以使与第一旋钮连接的第一螺杆旋转，
所述第一螺杆旋转以带动第一V形块在滑道内运动，来调节第一V形块与第二V形块之间的
距离。

[0012] 进一步的，所述球面几何要素模拟装置的第一V形块、第二V形块的棱边在空间互相垂直设置；所述水平圆柱几何要素的模拟装置的第一V形块、第二V形块的棱边在空间互
相平行设置。

[0013] 进一步的，所述竖直圆柱几何要素的模拟装置包括圆柱、第三机架、第二螺杆、第一挡板、第二挡板、运动体、第二旋钮；所述圆柱设置于所述运动体上；所述运动体设有供第
二螺杆穿过的螺纹孔，所述运动体上的螺纹孔与第二螺杆螺纹连接；所述运动体还设有第
三凸块，所述第三机架设有供运动体的第三凸块滑动的第一凹槽，所述运动体的第三凸块
设置于第一凹槽内；所述第一挡板、第二挡板分别通过螺钉与第三机架的两端连接；所述第
一挡板设有使第二螺杆的一端和第二旋钮连接的安装孔，所述第二旋钮通过螺纹与所述第
二螺杆的一端连接。

[0014] 进一步的，所述宽度要素的模拟装置包括第一平板、第二平板、第四机架、第三螺杆、第三挡板、第四挡板、第三旋钮；所述第一平板、第二平板分别设有供第三螺杆穿过的螺
纹孔，所述第一平板、第二平板上的螺纹孔与第三螺杆螺纹连接；所述第一平板设有第四凸
块，所述第二平板设有第五凸块，所述第四机架设有第一平板的第四凸块、第二平板的第五
凸块滑动的第二凹槽，所述第一平板的第四凸块、第二平板的第五凸块设置于第二凹槽内；
所述第三挡板、第四挡板分别通过螺钉与第四机架的两端连接；所述第三挡板设有使第三
螺杆的一端和第三旋钮连接的安装孔，所述第三旋钮通过螺纹与所述第三螺杆的一端连
接。

[0015] 进一步的，所述第三螺杆为双向螺杆，所述双向螺杆两端螺纹的旋转方向相反。

[0016] 进一步的，所述第一机架、第三机架、第四机架表面均设置有刻度。

[0017] 进一步的，所述安装平台上设有螺纹孔，用于固定球面几何要素模拟装置、圆柱几何要素的模拟装置、宽度要素的模拟装置。

[0018] 相应的，还提供一种基于公差的几何要素尺寸和位置的模拟装置的模拟方法，其特征在于，包括步骤：

[0019] S1.接收所述球面几何要素模拟装置、圆柱几何要素的模拟装置、宽度要素的模拟装置在安装平台上的固定方向；

[0020] S2.获取所要模拟的基准组合类型，在安装平台上安装与所述模拟的基准组合类型相对应的各个模拟装置；

[0021] S3.调整与所述模拟的基准组合类型相对应的模拟装置得到的各个基准要素的不同尺寸和位置状态；

[0022] S4.获取所要模拟的目标要素，在安装平台上安装与所述模拟的目标要素的几何类型相对应的模拟装置；

[0023] S5.调整与所述模拟的目标要素相对应的模拟装置得到的目标要素的不同尺寸和位置状态。

[0024] 与现有技术相比，本发明设计的装置考虑了目标要素和基准要素的几何类型、组合方式、位置分布、几何与尺寸公差数值等相关参数的影响；设计了专用装置用于表示宽度
要素、圆柱面和球面三种几何类型的几何要素，通过设计专用的安装平台用于固定模拟装
置，实现目标要素和基准要素模拟装置在安装平台上的各种组合。

附图说明

[0025] 图1是实施例一提供的球面几何要素模拟装置结构图；

[0026] 图2为实施例一提供的计算球半径和球心位置的简化图示意图；

[0027] 图3为实施例一提供的竖直圆柱几何要素的模拟装置结构图；

[0028] 图4为实施例一提供的三个竖直圆柱几何要素的模拟装置结构图；

[0029] 图5为实施例一提供的计算竖直圆柱半径和位置的示意图；

[0030] 图6为实施例一提供的水平圆柱的模拟装置结构图；

[0031] 图7为实施例一提供的宽度要素的模拟装置结构图；

[0032] 图8为实施例一提供的安装平台结构图；

[0033] 图9为实施例一提供的基准体系中只有一个球面基准要素时，模拟装置在平台的固定位置和安装方向示意图；

[0034] 图10为实施例一提供的基准体系中存在两个球面基准要素时，模拟装置在平台的固定位置和安装方向示意图；

[0035] 图11为实施例一提供的三个基准要素均为球面基准要素时，模拟装置在平台的固定位置和安装方向示意图；

[0036] 图12为实施例一提供的水平圆柱基准要素的模拟装置在平台的固定位置和安装方向示意图；

[0037] 图13为实施例一提供的宽度要素模拟装置在平台的固定位置和安装方向示意图；

[0038] 图14为实施例二提供的实例零件示意图；

[0039] 图15为实施例二提供的零件的基准体系模拟装置在安装平台上的整体装配示意图；

[0040] 其中，101.第一V形块；102.第二V形块；1.第一机架；2.第二机架；3.第三机架；4.第四机架；5.第一螺杆；6.第二螺杆；7.第三螺杆；8.支撑板；9.第一旋钮；10.第二旋钮；11.
第三旋钮；12.第一挡板；13.第二挡板；14.第三挡板；15.第四挡板；16.运动体；17.圆柱；
18.第一平板；19.第二平板；20.直线；21.虚线圆。

具体实施方式

[0041] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实
施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离
本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施
例中的特征可以相互组合。

[0042] 本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于公差的几何要素尺寸和位置的模拟装置。

[0043] 本发明涉及的基本概念如下：

[0044] 几何要素的设计极限状态：采用最大实体要求时的设计极限状态为几何要素的最大实体状态或最大实体实效状态；采用最小实体要求时的设计极限状态为几何要素的最小
实体状态或最小实体实效状态。

[0045] 模拟基准要素(DFS)：模拟基准要素是具有基准要素的理想几何形状并包容基准要素实际表面的基准要素反向几何形体。例如，在检测孔的过程中使用的芯轴圆柱就是孔
的模拟基准要素。在位置要求方面，低序基准的模拟基准要素必须与高序基准的模拟基准
要素保持公称相对位置关系。

[0046] 设计模拟基准要素(D_DFS)和测量模拟基准要素(M_DFS)：D_DFS为零件图中设计给定的基准要素处于极限状态所对应的DFS，M_DFS为实际状态下的基准要素所对应的DFS。

[0047] 实施例一

[0048] 本实施例提供一种基于公差的几何要素尺寸和位置的模拟装置，包括：

[0049] 安装平台、球面几何要素模拟装置、圆柱几何要素的模拟装置、宽度要素的模拟装置；

[0050] 所述数个球面几何要素模拟装置设置于所述安装平台上，用于模拟球面几何要素的尺寸和/或位置；

[0051] 所述数个圆柱几何要素的模拟装置设置于所述安装平台上，用于模拟圆柱几何要素的尺寸和/或位置；

[0052] 所述数个宽度要素的模拟装置均设置于所述安装平台上，用于模拟宽度要素的尺寸和/或位置。

[0053] 在本实施例中，球面几何要素模拟装置如图1所示，包括：第一V形块101、第二V形块102、第一机架1、第二机架2、第一螺杆5、支撑板8、第一旋钮9；第一V形块101设有第一凸
块，第一凸块设有供第一螺杆5穿过的螺纹孔，第一凸块上的螺纹孔与第一螺杆5螺纹连接；
第一机架1、第二机架2之间设有供第一V形块101的第一凸块滑动的滑道，第一V形块101的
凸块设置于第一机架1、第二机架2之间的滑道内；第二V形块102设有第二凸块，第二V形块
102的第二凸块分别与第一机架1、第二机架2的一端通过螺钉连接；第一V形块101与第二V
形块102相对设置；支撑板8分别与第一机架1、第二机架2的另一端通过螺钉连接；支撑板8
设有使第一螺杆5的一端和第一旋钮9连接的安装孔，第一旋钮9通过螺纹与第一螺杆5的一
端连接；第一螺杆5的另一端与第二V形块102连接。其中，球面几何要素模拟装置的第一V形
块101、第二V形块102的棱边在空间互相垂直设置。

[0054] 该球面几何要素模拟装置的第一V形块101、第二V形块102的棱边在空间互相垂直，根据第一V形块101、第二V形块102的位置，就能在空间上确定球面的半径和球心位置。
随着第一V形块101、第二V形块102之间的距离发生变化，球的半径和球心位置也会发生改
变。

[0055] 球面基准要素的模拟装置的核心元件是空间中两个交叉成90度的第一V形块101和第二V形块102，通过改变第一V形块101和第二V形块102之间的相对位置可以模拟球面的
直径和中心位置。如图1所示，空间坐标系是为了确定球心的位置，图中坐标系的原点固定
在第一机架1的底部顶点，按照右手定则确定各个坐标轴的正方向。第二V形块102通过螺钉
与第一机架1、第二机架2的一端连接；第一V形块101通过第一螺杆5来调节第一V形块101在
第一机架1、第二机架2间的位置，也就是说通过旋转第一旋钮9以使与第一旋钮9连接的第
一螺杆8旋转，第一螺杆8旋转以带动第一V形块101在滑道内运动，用来调节第一V形块101
与第二V形块102之间的距离。第一螺杆5上螺纹的螺距为1mm；模拟装置第一机架1上设有0
～50mm刻度，表示装置所能调整的范围。与第一螺杆5固定的第一旋钮9的外圆柱面平均分
成40等份，这样第一旋钮9每旋转一个刻度就表示第一V形块101沿第一螺杆5方向移动(1/
40)＝0.025mm模拟装置。模拟装置第一V形块101、第二V形块102的两个V形表面在空间上形
成一个150度的夹角。在图1中，该装置所模拟的球面要与第一V形块101、第二V形块102的四
个面均相切，在空间上第一V形块101、第二V形块102的棱边相互垂直。

[0056] 在本实施例中，由于第一V形块101、第二V形块102在空间上两个V形块的棱边相互垂直的位置关系不便于分析内切球半径与第一V形块101、第二V形块102距离之间的关系，
但又由于第二V形块102与球体的一个面接触，因此旋转第二V形块102不会改变第二V形块
102与球心之间的距离。因此，本实施例假设将第二V形块102旋转90度使得两条棱边保持平
行且经过两条棱边的平面与机架所在平面平行，则计算球的半径与两个V形块之间距离关
系就十分简便了。用垂直于二面角棱的平面去截第一V形块101和旋转后的第二V形块102，
得到的截面形状如图2所示。

[0057] 虽然旋转后，同样保持与四个平面相切得到一个圆柱面而不是球面，但是圆柱和球的半径相同，球心也在圆柱的中心线上。如图2a，当两第一V形块101和第二V形块102相接
触时，第一V形块101和第二V形块102截面同组成了一个边长为20mm，相邻两边成150度的菱
形，此时内切球的半径为：20sin15°cos15°＝5mm，球心在所建立空间直角坐标系下的坐标
为(5，‑20，40.5)。当第一V形块101和第二V形块102发生分离时，以图2a中第一V形块101和
第二V形块102相接触时的平面作为参考平面，第一V形块101与参考平面的距离为L时，第一
V形块101和第二V形块102和球的截面图具体如图2b所示，球面的球心在模拟装置坐标系内
的坐标为(5+L/2，‑20，40.5)，球的半径r＝(20+L/2sin15°)/4。L的最小值为0mm，此时模拟
的球的半径最小r＝5mm，L的最大值为50mm，此时模拟球的半径最大为

[0058] 在本实施例中，圆柱几何要素的模拟装置包括水平圆柱几何要素的模拟装置和竖直圆柱几何要素的模拟装置。

[0059] 在本实施例中，竖直圆柱几何要素的模拟装置如图3所示，包括：圆柱17、第三机架3、第二螺杆6、第一挡板12、第二挡板13、运动体16、第二旋钮10；圆柱17设置于运动体16上；
运动体16设有供第二螺杆6穿过的螺纹孔，运动体16上的螺纹孔与第二螺杆6螺纹连接；运
动体16还设有第三凸块，第三机架3设有供运动体16的第三凸块滑动的第一凹槽，运动体16
的第三凸块设置于第一凹槽内；第一挡板12、第二挡板13分别通过螺钉与第三机架3的两端
连接；第一挡板12设有使第二螺杆的一端和第二旋钮10连接的安装孔，第二旋钮10通过螺
纹与第二螺杆6的一端连接；第二螺杆6的另一端与第二挡板13连接。

[0060] 这样的三个竖直圆柱几何要素的模拟装置的组合就可以得到三个圆柱，这三个圆柱轴线就能在空间上确定一个竖直圆柱的直径和位置。通过改变三根轴线的位置就能实现
竖直圆柱的尺寸和位置的改变。

[0061] 如图4所示，竖直圆柱的模拟装置由三个竖直圆柱几何要素的模拟装置组合而成，这一组合得到三个相互平行、相对位置可以调整、相互不在一个平面上的三个圆柱17。三个
圆柱17轴线可以模拟圆柱基准要素的三条母线，三条圆柱17轴线的位置就能确定一个圆柱
要素的半径和位置。图3所示的竖直圆柱的模拟装置表示一条母线的位置调整装置，三个相
同的竖直圆柱的模拟装置安装在一起就可以模拟一个圆柱基准要素的位置和尺寸。在竖直
圆柱的模拟装置图4中，其中两个竖直圆柱的模拟装置的第二螺杆6中心线共线，另一个竖
直圆柱的模拟装置处于在两个竖直圆柱的模拟装置的中间位置，且三个竖直圆柱的模拟装
置的第二螺杆6中心线处于同一个平面。竖直圆柱的模拟装置的圆柱位置调整范围是0～
40mm，竖直圆柱的模拟装置微调分辨力也是0.025mm。

[0062] 决定圆柱要素位置和大小的坐标系由三个竖直圆柱的模拟装置的第二螺杆6中心线定义，如图4所示。由于三个竖直圆柱的模拟装置的圆柱轴线始终平行于z轴，故可以用三
个圆柱17的轴线在XOY坐标平面上的位置来计算所模拟的圆柱基准要素的位置和尺寸。

[0063] 如图5所示，三个圆柱17轴线在XOY平面上的投影为三个点，三个点分别在图中的直线20上移动，移动范围分别为[‑48，‑8]、[8，48]和[18，58]。设图中的虚线圆21表示一个
大小和位置都是已知的圆柱体，则规定只有当虚线圆21与X轴的正半轴和负半轴以及Y轴各
自的直线20范围内均有交点，才能保证竖直圆柱的模拟装置能模拟该圆柱体。设所模拟的
圆柱基准要素的轴线在XOY平面上的投影的坐标为(m，n)，圆柱基准要素的半径大小为r，则
在图5的坐标系下，圆的方程为：

[0064] (x‑m)2+(y‑n)2＝r2   (1.1)

[0065] 设虚线圆21与X轴的交点为(x1，0)和(x2，0)，则根据(1.1)式求出x1和x2的值如下：

[0066] x1＝m+(r2‑n2)1/2   x2＝m‑(r2‑n2)1/2   (1.2)

[0067] 注意x1和x2还需满足8≤x1≤48和‑48≤x2≤‑8。

[0068] 假设虚线圆21与Y轴的交点为(0，y1)和(0，y2)，则根据(1.1)式求出y1和y2的值如下：

[0069] y1＝n+(r2‑m2)1/2   y2＝n‑(r2‑m2)1/2   (1.3)

[0070] 根据图5所示，Y轴上只需要取y1的值，注意y1的取值范围为18≤y1≤58。

[0071] 在本实施例中，水平圆柱的模拟装置如图6所示，包括第一V形块101、第二V形块102、第一机架1、第二机架2、第一螺杆5、支撑板8、第一旋钮9；第一V形块101设有第一凸块，
第一凸块设有供第一螺杆5穿过的螺纹孔，第一凸块上的螺纹孔与第一螺杆5螺纹连接；第
一机架1、第二机架2之间设有供第一V形块101的第一凸块滑动的滑道，第一V形块101的凸
块设置于第一机架1、第二机架2之间的滑道内；第二V形块102设有第二凸块，第二V形块102
的第二凸块分别与第一机架1、第二机架2的一端通过螺钉连接；第一V形块101与第二V形块
102相对设置；支撑板8分别与第一机架1、第二机架2的另一端通过螺钉连接；支撑板8设有
使第一螺杆5的一端和第一旋钮9连接的安装孔，第一旋钮9通过螺纹与第一螺杆5的一端连
接；第一螺杆5的另一端与第二V形块102连接。其中，水平圆柱几何要素的模拟装置的第一V
形块101、第二V形块102的棱边在空间互相平行设置。

[0072] 该水平圆柱的模拟装置的结构与球的模拟装置类似，不同点在于该模拟装置的第一V形块101、第二V形块102的棱边互相平行第一V形块101、第二V形块102就能在空间上确
定一个水平圆柱的大小和位置。随着第一V形块101、第二V形块102之间的距离发生变化，水
平圆柱的大小和中心轴线的位置也会发生变化。

[0073] 水平圆柱的模拟装置如图6所示，其与球面几何要素模拟装置在结构上基本相同，不同点就是第一V形块101、第二V形块102的棱边在空间互相平行设置。水平圆柱的模拟装
置所能模拟的圆柱大小为(20+L/2sin15°)/4，中心线在模拟装置坐标系上的坐标为x＝5+
L/2，z＝40.5。具体实现方式如球面几何要素模拟装置的描述，在此不多做赘述。

[0074] 在本实施例中，宽度要素的模拟装置如图7所示，包括第一平板18、第二平板19、第四机架4、第三螺杆7、第三挡板14、第四挡板15、第三旋钮11；第一平板18、第二平板19分别
设有供第三螺杆7穿过的螺纹孔，第一平板18、第二平板19上的螺纹孔与第三螺杆7螺纹连
接；第一平板18设有第四凸块，第二平板19设有第五凸块，第四机架4设有第一平板18的第
四凸块、第二平板19的第五凸块滑动的第二凹槽，第一平板18的第四凸块、第二平板19的第
五凸块设置于第二凹槽内；第三挡板14、第四挡板15分别通过螺钉与第四机架4的两端连
接；第三挡板14设有使第三螺杆7的一端和第三旋钮11连接的安装孔，第三旋钮11通过螺纹
与第三螺杆7的一端连接；第三螺杆7的另一端与第四挡板15连接。

[0075] 该宽度要素的模拟装置中竖直放置第一平板18、第二平板19，第一平板18、第二平板19均开有螺纹孔并通过螺旋与第三螺杆7连接在一起。通过旋转第三螺杆7带动第一平板
18、第二平板19沿着第三螺杆7方向运动，这样就能根据第一平板18、第二平板19的位置确
定宽度要素的大小和宽度要素中心平面的位置。

[0076] 宽度要素是指具有两个法线方向相反的平行平面所组成的几何要素，即直槽要素和筋板要素。宽度要素的模拟装置如图7所示，第四机架4中间开有凹槽，两个相互平行的第
一平板18和第二平板19通过螺纹配合与第三螺杆7相连，其中第三螺杆7双向螺杆。第一平
板18的第四凸块、第二平板19的第五凸块放入凹槽中用于限制第一平板18和第二平板19的
转动。双向螺杆上，带刻度的第三旋钮11通过螺钉固定在第三螺杆7的一端，靠近第三旋钮
11一端的为控制右旋螺杆，即控制第二平板19；另一端为控制左旋螺杆，即控制第一平板
18；两端螺杆螺纹除了旋向不同其他的螺纹参数均相同。当转动第三螺杆7时，第一平板18
和第二平板19通过螺纹配合实现了在第三螺杆7轴向的开合且能移动相同的距离，这时中
心平面的位置不会改变。

[0077] 需要说明的是，本实施例的第一旋钮9、第二旋钮10、第三旋钮11均为相同的旋钮，旋钮上设有螺纹。

[0078] 在本实施例中，安装平台是为各类模拟装置提供安装的平台，各种模拟装置用于模拟不同组合类型的几何要素体系时，需要将各个几何要素对应的模拟装置进行组合装
配，因此需要这些模拟装置安装在安装平台上。其中，各类模拟装置包括球面几何要素模拟
装置、圆柱几何要素的模拟装置、宽度要素的模拟装置等。

[0079] 整个装置的作用是为了模拟各种几何要素的组合情况，应用于公差相关要求下目标要素和各类基准要素组合情况下的零件目标要素转移公差的计算，零件采用的基准体系
中会涉及多个基准要素，设计的安装平台就是为了固定模拟装置。通过分析零件的基准组
合类型得到各类基准要素的数目，之后将安装平台分为不同的区域，在平台上开螺纹孔用
于固定模拟装置。

[0080] 如图8所示，安装平台分为5个区域，各个模拟装置通过螺钉固定在安装平台的不同区域上。安装平台各个区域所能安装的模拟装置如下：1号区域安装球体模拟装置，2号区
域安装圆柱孔和球体的模拟装置，3号区域安装圆柱孔的模拟装置，4号区域安装圆柱孔和
直槽的模拟装置，5号区域安装圆柱孔和直槽的模拟装置；如图9‑13所示。

[0081] 具体的安装调整流程如下：

[0082] 明确模拟装置在安装平台上的固定方向；明确所要模拟的目标要素和基准要素，在安装平台对应区域安装固定模拟装置；调整模拟装置得到几何要素的不同尺寸和位置状
态。

[0083] 本实施例设计的装置考虑了几何要素的几何类型、组合方式、位置分布、几何与尺寸公差数值等相关参数的影响；设计了专用装置用于表示直槽、筋板、圆柱面和球面三种几
何类型的基准要素，通过设计专用的安装平台用于固定模拟装置，实现模拟装置在安装平
台上的各种组合。

[0084] 相应的，本实施例还公开一种基于公差的几何要素尺寸和位置的模拟方法，包括步骤：

[0085] S11.接收所述球面几何要素模拟装置、圆柱几何要素的模拟装置、宽度要素的模拟装置在安装平台上的固定方向；

[0086] S12.获取所要模拟的基准组合类型，在安装平台上安装与所述模拟的基准组合类型相对应的各个模拟装置；

[0087] S13.调整与所述模拟的基准组合类型相对应的模拟装置得到的各个基准要素的不同尺寸和位置状态；

[0088] S14.获取所要模拟的目标要素，在安装平台上安装与所述模拟的目标要素的几何类型相对应的模拟装置；

[0089] S15.调整与所述模拟的目标要素相对应的模拟装置得到的目标要素的不同尺寸和位置状态。

[0090] 实施例二

[0091] 本实施例提供一种基于公差的几何要素尺寸和位置的模拟装置与实施例一的不同之处在于：

[0092] 本实施例通过一个实例零件为模拟对象进一步说明装置的具体使用。

[0093] 如图14所示的工程图中，通孔Ф42±0.25mm为图中的一个被测要素，其位置度公差Ф0.2mm的三个基准要素分别为两个孔D、E和一个球F。孔D为第一基准要素，该孔公称尺
寸为Ф48mm，上极限偏差为+0.25mm，下极限偏差为‑0.25mm，基准孔D以零件三个相互垂直
面为基准要素确定的孔位置度公差为0.25mm。基准孔D采用最大实体要求，那么合格的基准
D所对应的模拟基准要素直径的变化范围为47.5mm‑48.25mm。第二基准要素为孔E，孔E所采
用公差原则和公差数值都与基准D相同，所以合格的基准E所对应的模拟基准要素直径变化
范围也是47.5mm‑48.25mm。第三基准要素为球面F，球面F的公称尺寸为SФ36mm，上极限偏
差为+0.25mm，下极限偏差为‑0.25mm，球面F的位置度公差为0.3mm，球F采用最大实体要求，
尺寸合格的球F对应的模拟基准要素直径变化范围为35.45mm‑36.25mm。

[0094] 三个基准要素模拟装置在安装平台上的安装如图15所示，具体步骤如下：

[0095] (1)在1号位置安装球面的模拟装置，35.45mm‑36.25mm是球合格条件下的模拟基准要素的直径范围，选择直径为36mm，将半径r＝18mm代入公式r＝(20+L/2o)/4，计算出L＝
26.92mm，结合装置上的刻度将其调整到目标位置。根据最大实体要求的定义，当球的直径
为36mm时，反映到安装平台上就是球心应该限制在距离安装平台的上端面为168mm，左端面
为135mm，直径为0.55mm球的区域内。结合模拟装置在安装平台上初始的安装位置和安装平
台坐标系，根据坐标变换矩阵得到球心在安装平台坐标系下的坐标为(0，‑23.5，40.5)，在L
＝26.92mm时，球心在安装平台坐标系下的坐标为(0，‑10.04，40.5)。该基准要素与安装平
台左端面的距离为满足图纸要求，但是球心到上端面的距离为180‑10.04＝169.96mm不满
足要求。平台1号位置球的模拟装置机架上凹槽的槽宽为4.5mm，长度为12mm，螺钉直径为
4mm，所以模拟装置可以在安装平台坐标系Y轴的方向上平移8mm。为了使球心的位置满足要
求，还需要将处于初始位置的模拟装置沿着Y轴的负方向推动1.685‑2.235mm。通过同样的
操作可以得到基准球处于合格条件下的不同状态。

[0096] (2)在2号位置安装竖直圆柱要素模拟装置。基准要素孔D在合格条件下的模拟基准要素的直径范围为47.5mm‑48.25mm。先默认孔的中心线与模拟装置坐标系的Z轴重合，此
时孔中心线距离安装平台左端面73.5mm，距离上端面180mm，符合零件图中的位置要求。孔
的半径r＝24mm，圆心坐标m，n都等于0，将数据带入计算得到x1＝24，x2＝‑24，y1＝24。根据
最大实体要求的定义，r＝24mm孔的中心线应该限制在距离安装平台左端面73.5mm，距离上
端面180mm，直径为0.5mm圆柱体的区域内。调整好模拟装置的初始状态之后，再通过模拟装
置的旋钮和三个坐标的计算公式得到基准孔处于合格条件下的不同状态。

[0097] (3)在4号位置安装另一个竖直圆柱要素模拟装置。安装方法与2号位置安装的模拟装置的方法相同，调整流程也是相同。默认孔的中心轴线与模拟装置坐标系的Z轴重合，
这时中心轴线距离安装平台的上端面为180mm，左端面为196.5mm，满足零件图上的要求。同
样取孔的半径r＝24mm，确定孔中心线的限制范围，通过旋钮调整好三个方向母线的具体位
置得到孔的不同状态。

[0098] (4)在安装平台的5号位置安装第三个竖直圆柱要素模拟装置，用于模拟目标要素孔，三个基准要素在安装平台上的位置确定之后，就能通过这三个基准要素定义目标要素
孔的位置。在零件二维图中要求目标要素孔到两基准孔中心点连线的距离为106.5mm，且目
标要素中心点和基准球中心点的连线垂直于两基准孔中心点的连线。先根据三个基准要素
在安装平台上的位置，对5号位置的模拟装置进行调整。还是先默认孔的中心线与模拟装置
坐标系的Z轴重合，取孔的半径r＝21mm，圆心坐标m，n都等于0，同样的计算方式得到x1＝
21，x2＝‑21，y1＝21，三个方向上计算得到的数据均在可调节范围内。根据5号位置开设的
螺纹孔与其他位置螺纹孔的位置关系，目标要素孔的位置满足零件图中的位置要求。

[0099] 在安装平台上将三个基准要素和目标要素安装固定在对应的位置上之后，通过各个模拟装置的调节旋钮，调节每个基准要素的尺寸，模拟真实零件的基准要素定位元件尺
寸，从而实现真实零件的模拟。也可以对整套模拟装置使用坐标测量机进行测量，从而实现
实际零件的大批量模拟。

[0100] 注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、
重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行
了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还
可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。