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1公差分析的方法

一般而言，產品的公差常常使用尺寸公差、形位公差的表達方式。當前，二維圖樣的公差分析一般是使用計算尺寸鏈的方法，它的缺點是不能綜合考慮產品的尺寸和形位公差。隨著市場需求的不斷提高和計算機技術的不斷發(fā)展，如今的產品設計已經從二維圖樣轉向三維實體的設計，那么就需要研究一種能夠對三維幾何模型進行公差綜合分析的方法。該方法可以模擬裝配體的公差分布情況，并以圖像方式顯示產品狀態(tài)及公差，從而優(yōu)化產品，降低成本。虛擬技術中目前應用最廣泛的就是蒙特卡洛模擬法，它的理論基礎是概率論中的兩個基本定理：大數定理和中心極限定理。大數定理反映了大量隨機數之和的性質，它保證了在抽取足夠多的隨機樣本后，蒙特卡洛模擬法是概率收斂的。因此，該方法的適用范圍，從原則上講幾乎沒有任何限制，不管公差設計函數是否為線性、零件尺寸符合何種分布，只要模擬的次數足夠多，就可得到一個比較精確的裝配尺寸分布。根據設計函數的性質，可將問題分解為不同的公差分析模型。數十年來，國內外多種成熟使用蒙特卡洛原理的商用公差分析軟件在工業(yè)領域已得到廣泛的應用，如：DCS公司開發(fā)的3DCS，UGS公司發(fā)的VisVSA，PTC公司開發(fā)的CE/TOL（集成在Pro/Engineer中）軟件，下面以VisVSA作為工具進行實例介紹。VisVSA把與裝配工藝設計相關的數據如公差值、位置關系和裝配順序等，保存到工藝文件中，而一個完備的工藝文件包括裝配仿真和分析各種裝配工藝所需要的所有信息。

2應用案例

目前，汽車上廣泛使用的是推拉索軟軸式換擋操縱系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由換擋器和連接換擋器的柔性推拉索構成。柔性的推拉索式換擋器的出現給發(fā)動機艙的布局設計帶來巨大的變化，而且這種新型的換擋操縱系統(tǒng)的韌性和減振性能都比較好，大大降低和減少了由于車輛振動給換擋手柄帶來的抖動和噪聲，大大提高了車輛舒適性能。拉索位置行程控制即人手控制球頭的運動，通過換擋機構帶動拉索，從而控制變速箱的運動。拉索的行程保證自動變速箱各種狀態(tài)切換的輸入條件，而拉索行程的輸入就是自動換擋器行程的輸出，它經過駕駛員手操作來完成，所以換擋器多采用全機械結構來保證其穩(wěn)定性能。換擋器結構復雜，由多個零件組成，其中最后拉索銷運動的行程就作為換擋器的行程，從而控制變速箱各擋位的切換，所以其行程的公差必須嚴格控制。為了保證性能，要求該行程公差范圍在±0.75mm內，同時在批量生產中要滿足PPK，也就是過程性能指數大于1.33，所以在設計中所涉及相關零件的尺寸公差，必須要經過嚴格的計算驗證。以P-D的拉索行程舉例，P擋運動到D擋的標準換擋行程為37.36±0.75mm,表示換擋器帶動拉索運動的行程必須在該范圍內。分析產品設計結構和零部件圖紙得出，該運動的行程位移公差與基座、換擋桿、固定軸、換擋彈簧片這幾個零件有關，相關的尺寸為換擋桿的位置度、基座孔的內徑、基座的位置度、擋位銷的外徑、手感彈片的位置度、拉索銷的外徑等11個尺寸，因為尺寸繁多，構成復雜，所以通過手工的線性方式計算是不合適的，而使用計算機虛擬裝配技術，是非常準確和快速的。首先將這些零件CAD導入到VSA軟件，然后根據圖紙將每個零件的基準以及位置度輸入，并且根據關系將各個零件在軟件中模擬裝配后計算，最后計算其位移公差分布。由圖2的計算結果表明，在±3sigma也就是3倍標準差的情況下，該位移在正態(tài)分布的情況下，公差范圍滿足在±0.5mm以內。貢獻率表示對該行程位移影響最大的尺寸是基座的輪廓度，這表明在圖紙上需要將這個尺寸列為關鍵特性，如果在大批量生產后發(fā)現裝配后的行程尺寸有偏移，那么就要修正行程位移，這個輪廓度將是優(yōu)先選擇的尺寸，這樣就對以后的大批量生產有指導意義。

3結束語

筆者通過對產品裝配關系研究得出，在產品設計階段對公差定義的方法，不同于傳統(tǒng)的設計理念，該公差分析方法借助商業(yè)軟件，在產品設計的初期階段就可以進行對未來產品的質量預測，驗證公差定義的合理性。得出的偏差貢獻度，提高了工作效率，并為以后模具尺寸調整提供了指導意義，縮短了產品開發(fā)周期。公差分析和尺寸設計方法，對其它類似結構的問題同樣適用。

作者：潘鳴坤 單位：上海格蘭海芬汽車零部件有限公司