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公差分析与综合的进展

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2011-11-24 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《公差分析与综合的进展pdf》,可适用于工程科技领域

文章编号:!""!#$’($""$)"$#"""’#"$公差分析与综合的进展!武一民周志革杨津陈涛(河北工业大学车辆工程系天津""!$)摘要:公差分析与综合是产品设计阶段的一项重要内容对产品装配质量及成本有直接的影响。详细介绍了公差分析过程中所采用的三种主要方法:极值公差法、统计公差法和()*,)仿真方法以及公差综合过程中目标函数的确定、优化方法的选择等问题。同时指出为实现公差分析与综合的自动化提高计算效率需要更为有效的公差综合与分析算法。关键词:公差综合公差分析装配公差中图分类号:"!文献标识码:!前言为生产出有竞争力的产品必须在产品的设计阶段考虑产品系统的要求。尺寸公差与产品的装配和制造过程是密切相连的。公差的大小不仅影响到制造和装配过程还影响到产品的功能。因此确定产品的公差成为产品设计阶段的一项重要内容。在产品设计阶段如果零件的公差过小就会提高产品的制造成本反之则可能导致零件之间的配合不好以及不合格产品的增多。因此适当选择加工零件的设计公差可以作为增加产品数量控制产品质量节约开支的一个主要因素。本文主要针对目前在公差分析与综合领域几个主要问题包括公差分析中装配公差的计算方法、公差综合中的目标函数以及优化算法等问题进行了介绍同时提出了今后的研究方向。$公差分析在机械装配过程中为保证各组成零件合适、恰当的功能对各组成零件所定义的允许的几何和位置上的误差叫公差。公差分析是一个已知零件的公差根据具体的装配条件计算装配件累积公差的过程。计算结果如达不到设计要求需调整各零件公差重新计算。按照计算累积公差所使用的方法公差分析方法可以分为如下三种:极值公差法、统计公差法和()*,)方法。$!极值公差法极值公差法又称为代数和法。这种方法在计算装配公差时假定各零件的尺寸同时处于极限值[!]。在实际生产中经常会涉及到具有二维或三维几何特征的装配(如超越离合器)或者装配件由刚度较小的零件组成在装配过程中受到外力的影响后易发生变形(如汽车车身)。这时装配公差一般为各组成零件公差的非线性组合即装配函数通常会表现为非线性。文献[$]指出:对于非线性装配函数通常采用的一阶泰勒级数展开式所得的结果并不理想。虽然可利用二阶或更高阶的泰勒展开得到较精确的结果但其计算量偏大。在目前的公差分析理论中极值公差法虽然计算量小、理论简单但由于所有零件的公差同时处于极值情况的可能性很小因此该理论通常对装配公差要求过高要求零件有较小的公差带以满足设计要求。按照这种方法确定的零件公差偏小常常导致产品成本升高[]。$$统计公差法统计公差法在计算装配公差时假定各零件公差服从正态分布装配公差与零件公差之间是线性关系。通过假设使得实际情况得到了简化从而可以利用标准的优化方法来解决统计公差综合问题。对于非线性装配函数由于非线性装配函数能够改变分布的均值从而使得函数值的分布是非正态的因此装配函数不能用各变量公差的线性组合形式进行表达。对于这种情况可以通过将装配响应函数展开成)级数对装配响应函数进行线性化。统计公差分析方法由于考虑了零件尺寸的统计分布对实际产品的生产过程的建模更接近于实际。与极值公差法相比它可以得到更接近于实际的对装配公差的估计并允许零件有较宽的公差带。由于线性情况在机械装配中较为普遍并且计算简单因此这种方法较常采用[’]。’设计理论与方法设计领域综述《机械设计》$""!年$月""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""$!收稿日期:$""!#"#!修订日期:$""!#"#!"作者简介:武一民(!#)男讲师硕士专业方向:机械零部件的设计及故障诊断。万方数据通过与!"#$’()"法的对比在公差相对标准值较小且装配函数不是高阶的情况下线性方法是比较准确的[*]。但是",’(’(指出[]:在统计公差法中假定制造变量服从正态分布未考虑实际情况的影响。实际生产中有许多原因(象刀具磨损、颤振以及冷却剂不当等)都会使零件的均值发生移动。因此虽然统计方法可以允许零件存在较大的公差但是其预测结果与实际结果并不相符。!"#$’()"仿真当装配函数为非线性表达式时这时通常采用!"#$’()"仿真方法[]。!"#$’()"仿真是利用随机数发生器根据系统中各变量的分布特征产生一个随机值计算出相应的响应函数值。得到一定数量的样本后根据统计公式计算出统计函数的各阶距从而获得有关装配函数的统计特性。由于认识到公差分析与综合技术对产品质量和制造企业竞争力所起的重要作用!"#$’()"仿真方法已被广泛用于商业软件包中其中得到广泛应用的是(’(’$"#$:#’))系列软件包[]。!"#$’()"方法虽然能够处理非线性的装配函数(由装配关系或零件的弹性变形所引起的)但该方法仍存在以下缺陷:(<)由于基本蒙特卡罗方法的精度正比于样本量的平方根因此为保证计算的正确性需要大量的统计样本进行多次重复运算[<=]。在概率意义下蒙特卡罗方法的平均收敛速度为!(</!")而在任何情况下亦不低于!()#()#("))/!")。()如果装配函数中各分量的均值或方差发生改变之后需要重新进行运算。公差综合公差综合是一个已知产品装配公差值按一定的准则分配到各零件公差的过程。在公差综合领域中当前的主要研究工作主要集中在建立实用的优化准则(成本模型)和选用高效的优化算法两个方面。><公差综合的目标函数对于公差综合的目标函数大部分模型以成本最低为目标函数建立成本公差模型对公差进行分配。早在=年代就有学者提出以获得最低生产成本为目标进行公差综合此后这种方法得到了广泛应用[<<]。以成本最低为目标函数进行优化建立一个具有实用性的成本模型是最重要的。因为成本模型对公差综合的实际应用起关键作用。对于成本公差模型一般是根据经验数据采用曲线拟合的方法建立模型[<]。用这种方法建立的成本模型没有与具体实现公差的工艺过程联系起来因而就无法确切反映成本与公差间的关系。另一方面收集这些公差成本数据也不现实。因此在成本模型确定方面由于建立制造成本模型的难度很大到目前为止还未出现一个可以应用于实际的成本模型[<]。除以生产成本为目标函数外A"提出以获得精确的装配缝隙量或零件间不发生干涉为目标函数来确定零件尺寸的方法[<B]。文献[<C]中提出了质量损失成本的概念即用给社会带来的损失大小来衡量产品质量的好坏。>公差综合的优化方法对于公差综合的目标函数可以采用不同的解法进行公差的分配。对于可以得到梯度及导数的公差模型可以利用其梯度信息进行优化[<*]。这时通常要求装配函数具有明确的表达式甚至还要求其偏导数。对这一类问题通常采用线性规划[<]、非线性规划[<]、D’#A(’A乘子法进行公差分配[<]。对于由复杂装配关系所引起的非线性装配函数很可能得不到函数的导数或梯度信息。这时通常采用直接搜索算法进行公差的优化算法主要包括有遗传算法[=]、模拟退火算法[<]以及!"#$’()"仿真方法[]。公差分析与综合中所使用的优化算法中解析法的计算时间较少但是它要求优化目标函数为单峰并能够获得函数的导数否则有可能获得非最优解。而直接法(模拟退火算法遗传算法等)虽然可以获得最优解或近似最优解但其计算量过大。此外随着计算机计术的发展人工智能[]、专家系统[B]、神经网络[C]等技术在公差综合领域中的应用逐渐引起人们的重视。虽然利用神经网络进行公差优化方法有以下优点:(<)不需要对零件的统计分布预先作出假设()可以计入均值的移动甚至是动态的()由于神经网络的并行处理能力使得它可以快速地进行运算。但是它也有不足:(<)它需要一定量的样本用于训练样本的获得还需要依赖于传统的方法。()装配的零件数量较少时与传统的方法相比其计算时间相差不多。只有零件数量增加时其优势才会显露出来。B今后的研究方向综上所述在公差综合和分析领域中今后的研究方向应针对以下问题来进行:(<)虽然在公差分析过程中!"#$’()"仿真方法可较好地处理非线性装配函数但其计算量过大因此应考虑更高效的算法。而数论方法(E!)在随机模(下转第*页)C《机械设计》==年月F设计领域综述""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""设计理论与方法万方数据较简单时可以将网格尺寸设大一些提高成型效率当形状复杂或零件内部有废料时可以采用变网格尺寸的方法进行设定即在零件外部采用大网格划分零件内部采用小网格划分。(!)为了防止工件吸湿膨胀应及时对刚剥离的工件进行表面处理。比较常见的方法有在表面涂一层增强剂或者喷刷多种涂料然后进行修补、打磨和抛光等处理后原型表面质量和强度也会随之提高。"结语在对#$件成形的质量和精度控制研究中除了要进一步完善成形机理外对其进行工艺控制、参数配合、后处理等也是重要的研究方向对#$设备的用户来讲控制工艺是一种简单可行的方法。本文通过对影响#$成型件质量几种因素的分析在实际面向工程应用与满足工程服务需要中总结出了若干#$原型质量与精度的控制方案可为#$原型的制作用户提供参考。参考文献[]王广春赵国群贾玉玺’基于()*的快速模具制造技术[]’山东工业大学学报,(,):![,]赵国群王广春贾玉玺’快速成形与制造技术的发展与应用[]’山东工业大学学报,():!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!""!,(上接第"页)拟中具有高效性[,]因此在研究公差分析问题中可以采用数论方法代替:仿真方法以提高效率。(,)随着计算机技术的发展<=/<在生产实践中的应用日益普遍。为使人能够从繁琐的公差分析与综合工作中解脱出来需要更为有效的优化算法和更具有普遍性的理论模型。()对于工业产品中因非线性问题而引起的装配误差以及误差的非正态分布等问题目前相关的理论研究尚不充分今后应提出新的误差叠加建模方法。参考文献[]>(AB’C:DE$:FF:GHFHI:GFE:FGHB:IGFGDJB:FEEFHJGF[]’DJB:HFKEBH:"(,):,L!’[,]MNO:PEQMRH’M:HGH:GHFHPFRF:J:SDH[]’B:ITUF:FUI:KEBH::,,,"’[]>((#FBVM’(WFPIEFDHFFUE:GXFU::J:HFEJ:GHHFU[]’DJB:<FEE=HFU,(L):!!’[!]QMRHOY)US!"#$’KGBEFUUD:FGIB:W:FFHF:GHFHIDGRFGHHDSFH[]’KKTV:HGFH,():L"L’["]ZYP:HF>VB::’THFDFUU:EFHI:HFHFGX:GHHRHFH[]’DJB:<FEE=HFU,(,):!’[]OQMRHY)US’DJ:FHIHHDS:GHFHSEF:GF:FFEDEFIFE:HFDBFDREH[]’,H<B=HFU<BDFI:G<D:FGYGFIGRFGTUF:H=HFUTUF:FU=FWFHF()BSXFGF)=T",():"’[L])QJ:E:Y<E’V:GGFBHFUB:P:H[]’K:FB:I<EWGEBIGB:FUVGRU"(!):,,L[]==EG:<YJG:’<HHDS:GHFHPFRHFDBXFEJFDFFGRFBH[]’Y<TV:HGFHL():,L’[]<OYF’<JJFUW:FFHFDBFHFH,=J:SDH[]’Y<TVGRFG)J:Y:FH’)BS’^Y<TM::E)<>Y<,J’[]ZYP:HF>VB::’>HFU:W:FG:EBGXFFHFHFG:GHRHFH[]’DJB:<FEE=HFUL,():’[]):’V:GFURGDJHIHHDSI:DFFDBDGH[]’<YTB:ITUF:FUI:KEBH:L,:LL,’[,]=UMNB=AB’‘PJ:EBGFGH:GDEHI::GHRHFH[]’B:ITUF:FUI:KEBH:!():,’[]张根保’计算机辅助公差设计综述’中国机械工程L("):!L"’[!]^Q<‘UFV$U’$JFDBDHHDSBHFUGDJEFXDHFFUDRE[]’VRK:FB:I<EWGEBIGB:FUVGRU():L,L’["]方红芳吴昭同’一种新的公差设计数学模型的研究’机械工业自动化L(!):,,’[]M#VM’V:GH:RF:HFHEHRHFH[]’B:ITUF:FUI:KEBH:,:,’[L])NIID’<HFHI:GHEJ:GHHFGGB:GFHFEFHXG:J:DBIGB:FU[]’DJB:<FEE=HFU,!(,):’[]M#MUV!"#$’V:GHRHFHI:FX:HRHFHSHEF:J:U:DDFU[]’KTTV:HGXFH,"():"[]YR’$JFDFFU:GGFI:DGRFGGDJXHG::ESHGFWHHDS[]’K:FB:I<EXWGEBIGB:FUVGRU,("):!""’[,]<$‘HHIN<TFD:UR’<GFIUD:FG:G:PG:F:FEDREU[]’<HIRK()L!():’[,]<<HRFUS:N#FB^$‘aF’V:GG:EJ:JUXFI:RJ:EBGHHDSDE:[]’K:FB:I):EBGF(H:GR():L"’[,,]OERNT:UR’VR:GJFDFFJ:SDBHFUHHDIbJ:FDEHFU[]’K<EWGHF=HFU<BDF!:,","’[,]向文黄彤军康有树面向特征的公差分析与综合[]华中理工大学学报!,,(增刊):L[,!]=F:D#Z):HE>(Q(’V:GFUIJ:HBHFUbJ:HHD[]’K:FB:I<EWGEBIGXB:FUVGRU"(!):"LL[,"])QJ:E:Y<E’V:GGFBHFUB:PX:H[]’K:FB:I<EWGEBIGB:FUVGRXU"(!):,,L[,]周志革黄文振数论方法在统计公差分析中的应用[]机械工程学报,():L,’设计与工艺应用技术与实例分析《机械设计》,,年,月""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""c,万方数据

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