公差分析和优化设计

圈隧露i夏满 F O C U S 技术聚焦 — — — E 墨翟|r_ ‘ ’ 谓 —●l 摘要 ： 公 差分析和优 化 设 计是 产品 尺 寸管理 过 程 的核 心 部分 ， 在降低 成本 ， 缩 短 开发 周期和提 高产品 质量等方 面起 着非常 重要 的作用 。 文章详细 介绍 了完整产品 的公 差分析过 程 ， 阐述 了计算机 辅助 三 维公 差 分析的原 理 和 步骤 。 表明根 据 分析 结 果可制定 相应的测 量 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ， 并根 据 实际情况 修正 数 学模 型 ， 完善数据 库 。 指 出公 差 分析和优 化 设 计， 从 根 本上 保 证 了质量 目 标 的达成 ， 并且 极 大地 减 少了后 期修 改 ， 正 在越 来越 多地 被 应 用到实际 开发过 程 中。 关键词 ：基准 ；形 状和位置公 差 (G D & T )；公 差分析 T olerance A nalysis and O ptim ization D esign A bstract： T olerance analysis andoptim ization is the core partofdim ension m anagem entprocess andis very im portant for reducing cost， shorten ing developm enttim e and im prov ing qu ality． T he tolerance an alysis process ofcom plete productis introduced． A ndthe principle and steps ofcom puter aided three — dim ensionaltolerance analysis is described． Itshow s thatbasedon analysis results the corresponding m easurem entplan can be established． B ased on actualsituation m athem aticalm odelshouldbe updatedanddata base is im proved． Itis indicatedthattolerance analysis andoptim ization design can validate the quality targetand greatly reduce the late m odification ． N ow itis being used m ore and m ore in actu aldevelopm entprocess． K eyw ords： G eom etry；D im ension and T olerance (G D & T )；T olerance A nalysis 在产品 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和生产的所有环 节 中， 尺寸管理 过程是 非常重要的 一 个部分。 而 公差分析作为尺寸管理 的核心 部分， 在整个产品开发过程 中， 起着越来越重要 的作用 。 在公差设计和控制上 的 一 些传统做 法 已经 无法满足 要 求 ， 随着计算机辅助 公差 分析 (C A T )方法 的出现 ， 控制 手段被进 一 步完善 ， 可 以从根本上解决开发设计 过程 中 的尺寸 问题 ， 可 以最 大程度 的减 少后期 的被动修改 ， 降 低成本 ， 同时加快了产品投向市场的速度 。 文章介绍 了公 差分析的整 个过程 ， 重 点阐述计算机辅助公差 分析的原 理和步骤 。 1 公 差分析的步骤 完整 产品的公差 分析过 程包 括 6 个步骤 ： 1)定 义 公 差分析的 目标 ； 2)定义基 准系统 (D A T U M ) ； 3)定 义初始的 G D & T ； 4 )计算机辅助公差分析和公差设计优 化； 5)定义尺寸关键点和制定测量计划 ； 6)实际过 程能 力的研 究、 反馈和持续改进 。 公差分析的这 6 个步骤为并行工 程 ， 贯穿于产品开 发的整个过程 ， 如图 1 所示 。 感念设计 产品设计 工 艺设计 生产 ┏ ━━ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━━ ━ ━━ ┳ ━━ ━ ━━┳ ━ ━━ ━ ━━ ━ ━━ ━ ━━ ┳ ━━━ ━ ━━ ━ ━━┓ ┃ 1 定女公差分析的目标 ┃ 圈圈 ┃ ┃┃┃ 2定义基准系统 ┃ ■瞳瞳 ┃ ： ┃┃ ┃ ┃┃ ： ┃┃┃ 3 定女初始的G D &T ┃ _ ┃ ■_ ； ┃┃┃ ┃ ┃ ： ┃ ┃┃ 4 计算机辅助公差分析和优化 ┃ ┃ 翻圈髓嘲墨 ┃ ┃┃ 5 定义尺寸关键点和制定测量计划 ┃ ┃ 盥圈麟衄 ┃┃ ┃ 6实际过程能量研究反馈和改进 ┃ ┃ i 强髓圈瞄强 _ 盈瞄黜 ┃ 嘲 跚 ∞躺 避般础蚴 ┃┗ ━ ━━━ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ━━ ━ ┻━ ━ ━━ ━ ┻━ ━ ━━━ ━ ━━ ━ ━━ ━ ┻━ ━ ━━━ ━ ━━ ━ ┛ 1 ． 1 定义公 差分析的目标 通常在产品设计初期甚至在真正 的产品设计开始之 前 ， 已经 开始定义与尺寸相关的 一 些主要分析 目标 。 公差 分析的目标通常包括 3 个方面 ： 1)产品的可装配性 目标； 2)产品的功能性 目标； 3)产品的外观性 目标 。 产 品的可 装配 性 目标用来评 估各 个部件之 间是否 菩毳秀蚕鱼垦匡蒌毽 !． ． 。。摊鲁汽车 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师 2009 年 5 月。 一 一 — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — ] 圜酉 总体来说 ， 这种 一 维的分析方法 ， 快速简单 ， 通常只 适用于 一 些简单的案例分析， 因为其无法考虑到装配 方 法和装配 顺序的影响 ， 也不能兼顾到正 态分布以外的其 他分布类型 的误 差 ， 更不能应对几何形状非常复杂的情 况 。 计 算机辅助 的三 维公 差 分析方法 ， 可 以从根本上 解决这 些 问题 。 目前市场上 已经 有很多成 熟的软件 ， 如 D C S ， V isV S A ， S igm und等 。 软件虽 然 各不相 同， 但 是 其分析 的思路和 基 本过 程 非常接 近 ， 都是在三 维数学 模 型 的基 础 上 ， 建立 数学 G D & T 模 型 ， 并定义数学装 配 关系 ， 然后 通 过 几千几 万 次的虚拟 装配 来分析 预 先 设定的目标 [3] 。下面重 点介绍三 维公差分析的具体步骤 ， 其中一 些 图例来 自 S igm und软件 。 1)定义特征 。 三 维公 差分析软件可 以把 C A D 里 的 三 维实体 以某种格式读入 ， 但是原有 的几何特征无法被 直接使用 ， 必 须在原三 维模型的基础上创建新的公差分 析特征 ， 包括平面 、 孔 、 轴 、 凸台及键槽等 。 2)定义 G D & T 。 按照 图纸上 的初始公差设计定义基 准和 G D & T ， 这样就可 以对每个变量 的分布类 型以及其 相关的参数进行定义 。 3)定义装配 。 按照实际的装配方案在软件环 境里 进 行虚拟装配 ， 建立 好各个部件以及子装配 之间的装配 关 系 ， 如 图 6 所 示 。 这 里 非常 重 要 的 一 点是 定 义 好 装 配 变差 ， 它是各配合特征之间由于 间隙的存在而造成 的， 图 7 所示为孔轴定位 时， 定位孔和定位销之 间的浮动 。 同时重力造 成 的偏心 以及 工 装夹 具等 因素对 装配 的影 响都可 以在数学模型里 反映出来 。 图 “ 足 义 装 目e关 系 图 7 孔 轴 浮 动 目E合 变 差 足 义 4 )定义测量 目标 。 根据定义好 的尺寸分析 目标 ， 建 立测量的数学模型 。 5)模拟分析。 利用程序 内置 的随机发生器 ， 产生几 千个虚拟 的部件和相应 的装配 ， 然后对测量 目标进行测 量 ， 并对测量结果进行分析。 分析的类型包括蒙特 卡罗 分析、 敏感度分析和极限情况分析等 。 6)结果分析及优化 。 通常主要关注 2 个类型的报告。 首先是测量 目标值 的统计分析报告， 如图 8所 示 。 报告 包括被分析对象的均值、 离散程度及相对于设计 目标的 ． ． 4 2 ． ． 满足程度等信息 。 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 ： 下公差 一 1 ． 000， 理 论值一 0 ． 000， 上 公差 = 1 ． 000 控制界限 ： 下界限 一 1 ． 196， 均值 = 0 ． 000， 上 界限 = 1 ． 197 超差 百 分 比 = 1 ． 060， C p= O ． 836， C pk一 0 ． 836， 均值偏移 = 0 ． 000 理 论值 辍 器 高 度 差 ／m m 图 8 统计 分析结果报告 其次会关注 另外 一 个报告 一 一 影响测量 目标 的所 有变量 的敏感度分析报告， 如 图 9 所 示 。 如果统计分析 结果显 示 目前 的公差设计还 不能满足 目标要求 ， 那 么根 据敏感度报告的情况 对相应 的公 差进 行 调整 并重 新模 拟分析， 直 至 满足 要求； 同时对于 敏感度低 的变差可 以 进行适 当的放松 ， 从而 降低加工 成本 。 通 过这种优化活 动 ， 可 以看 出， 利用这种分析方法 ， 在设计早期就可 以对 最终的装配 质量 进行验证 ， 对设计进行优化 ， 减少了对 快速样件 的需求 ， 降低成本的同时也加快了产品推 向市 场的速度。 1 37 ． 78％ ：手柄定位面的轮廓度 = O ． 4 11 3 1 ． 69％ ：手柄旋转轴 和定位轴 的浮动 50 ．0 4 5 ． 0 4 0．0 35 ． O 求 30． 0 血 25 ． O 20．O 15 ． 0 10． 0 5 ． 0 0 ．0 37 ． 78 3 1 ． 69 1 1 ． 52 l1 ． 52 ’ 7． 4 6 百分 比 图 9 敏 感度 分析报告 1 ． 5 定义尺寸关键点和制定测量计划 根据敏感度分析报告， 可 以定义 出影响最终质量 目 标 的关键特征点 ， 并据此制定出相应 的测量 计划 。 这 样 ， 质量 检查和 最终的质量 目标就建立 了直接和有效地 联 系。 同时， 可 以把检查的重 点放在最需要的地方， 从而 降 低了检查成本 ， 也提高了检查质量 。 (下转第 4 6 页) 4 )各种控制算法 的结合， 由于现代汽车传感器技术 的不断发展 ， 基于滑移率的控制算法 开始为人们所重视 ， 但是往往采用的都是单 一 的算法 ， 而单 一 的算法往往存 在很多问题 ， 如： P ID 控制算法虽简单实用 ， 精度好， 但 是鲁棒性较差 ， 实施的成本比较商 模糊控制鲁棒性强 ， 但 是控制精度较差 ， 所 以不妨可 以将两者结合起 来 ， 以 便达 到高精度 ， 强鲁棒性的特点。 还 有将滑模控制与最 优控制结合起 来等等方法 ， 这将是 A B S 控制技术 的 一 个重要发展方 向。 4 总 结 A B S 的主要作用就是 能提高汽车在各种附着系数 路面条件下 的制动稳定性和达 到最佳的制动距 离 。 目前 实际使用 的 A B S 所采用的控制技术主要是基 于逻辑 门 限值 的控制技术 ， 但 是随着车速传感器 技术的发展 ， 基 于车轮滑移率的各种控制算法将被广泛 重视和采用 。 另 外， 随着网络技术的不断发展 ， 使未来汽车 电子控制技 术与装置将 以网络的方式实现资源共享和综合控制 ， 实 现多装置共用同一 个控制器 ，这样就大大缩小硬件结构 ， 使系统得 以小型化 ， 并朝着多 目标综合控制 ， 以提高系 统性价 比的方 向发展 ， 相信将来防抱制动系统会给驾驶 者带来全新的感觉 。 参考 文献 [1】余志生 ． 汽车理 论 【M 】． 3 版 ． 北京 ： 机械工 业 出版社 ． 2000． 【2】张 新 ． 汽 车液压 防抱制 动 系 统 (A B S ) 的理 论与实践 [M ] ． 长 沙 ： 中南大学出版社 ， 2005 ． [3】Y eh E dge C ． C onjugate B oundary M ethodfor C ontrolL aw D esign ofA nti? S kidB rake S ystem [J ] ． Int． J ． V ehicle D esign ． 1990 (11)： 1011． 1012 ． [4】程军 ． 实际防抱控制算法 的相平面分析及验 证 【J 1． 汽车运输研 究 ， 1996 (2)： 53 — 54 ． [5】程军 ． 一 种基 于 P C 4 86 微 机的实时硬件 闭环模拟系统 及 应 用 [J ] ． 汽车工 程 ， 1996， 18(2) ： 65 — 66． [6] M ． S ． A H ardy． A n Inv estigation ofA nti— lock B raking S ystem s fo r H eavy G oods V ehicle[J ] ． J ourn alofA utom obile E ngin eering． 1995 (3) ： 1033 — 104 2 ． 【7] 宋传学 ． 防抱制动系统 控制算法 的仿真研 究 [J ] _ 汽车工 程 ， 1998， 16 (1) ： 66 — 67． [8】程 军 ． 汽车 防抱 死 制动系统的理 论与实践 [M ] ． 北 京 ： 北 京理 工 大 学出版社 ， 1999． [9]9 庄继德 ． 汽车电子控制系统 工 程 【M 】． 北京 ： 北京理 工 大学出版社 ， 1998． [10] 舒迪前 ． 预测控制系统 及其应用 [M ] ． 北京 ：机械工 业 出版社 ， 1996． 【11】T im onty W ． A than ， P an o s T ． P apalam bros ． M u lti— criteria O ptim ization ofA nti— lock B raking S ystem C ontrolA lgorithm s[J ] ． E ngineeringO ptim ization ， 1996， V 0 1． 27， 1090 — 1092 ． f收稿 日期 ： 2009 — 02— 17) (上 接 第 4 2 页 ) 1 ． 6 实际过程能力的研 究反馈和持续改进 通 过 对尺寸测量 结果 的分析 以及 和 设计 时假设条 件 的对 比 ， 可 以找 出假设条件 偏差 的地 方， 从而 反 过 来 可 以修正 数学模型 ； 可 以据此 建立 或者更 新尺寸能力数 据库 ， 为以后的设计提供更准确的依据 ； 同时还 可 以找 出分析时被忽略的其他影响最终质量 的因素 ， 添加到数 学模型里 ， 从而提高了分析的准确程度。 另外 ， 还可 以和生产部门共 同确定急需改进 的地方 ， 对相应工 艺进行持续的改进和提高 。 2 结论 通过公差 分析过程 ， 可 以对零件的公差 系统进行验 证 ， 以确保其 满足 最 终 的装配 质量 目标 的同时， 达 到 以 下 4 项 目标 ： 1)降低对快速样件 的需求； 。 4 6 — 2)减少后期的模具修改 ， 降低报废率； 3)放松不敏感尺寸的要求来降低管理 成本； 4 )识别关键 的尺寸特性 ， 并进行跟 踪及优化 。 目前 ， 包括 计算机辅助公 差 分析方法在 内的公差管 理 过程 已经在很多公司和企业 里使用 ， 并且在降低成本 、 加快 开发速 度和提高产品质量 方面都取得了明显 的效 果 。 参考文献 【1] 刘巽尔 ． 形状和位置公差 一 原理 与应用 【M 】． 北京：机械工 业 出版社 ， 1999 ． [2】天津大学数学系概率统 计教研 室 ． 应 用概率统计 【M ] ． 天津 ： 天津 大学出版社 ， 1990． [3】E rik S alisbury P h． D ． U sing A ssem bly B uild A nalysis to im prove andoptim ize design ． S O L ID S olution s M ay／J une 1999 ． (收稿 日期 ： 2009 — 02— 25)