尺寸工程在產品設計中的應用

□ 潘鳴坤

上海格蘭海芬汽車零部件有限公司 上海 201814

在產品設計中，最常見的也是最難發現的問題就是在進入大批量生產組裝后出現的小概率問題，這些問題往往當零件進行裝配時或裝配后才能被發現，而且不良率通常在0.5%以下，有時候需要調整零件的制造模具才能解決，這樣就會造成極大的浪費，乃至影響到產品的總體經濟效益。而虛擬裝配技術的出現，使這些問題在設計階段早期就能被發現，這無疑大大提高了新產品的設計質量。

虛擬裝配技術的應用領域很廣，設計人員可以在虛擬環境中對產品進行裝配過程仿真、公差分析、裝配工藝規劃等［1］。隨著汽車工業的發展，虛擬技術在汽車設計領域有了越來越廣泛的應用，尺寸偏差控制分析也逐漸使用了虛擬裝配技術，既節約了成本，又提高了效率。專家們提出了在虛擬環境下對區域進行改進和分析的想法，結合三坐標檢測以及計算機虛擬環境的幫助，能快速、準確地檢測出零件匹配時存在的公差問題，并且能基本明確匹配缺陷的產生原因，為問題的最終解決提供依據［2］。

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［2］。隨著市場需求的不斷提高和計算機技術的不斷發展，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及公差，從而優化產品，降低成本［3］。

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［4］：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［5］。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［6］。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領域已得到廣泛的應用［7］，如：DCS公司開發的 3DCS，UGS公司發的 VisVSA，PTC公司開發的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，該系統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定性能。圖1所示的換擋器結構復雜，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±0.75 mm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。

▲圖1 換擋器結構圖

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±0.75 mm,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，得到結果和貢獻率如圖2和圖3所示。

由圖2的計算結果表明，在±3sigma也就是3倍標準差的情況下，該位移在正態分布的情況下，公差范圍滿足在±0.5 mm以內。圖3的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

▲圖2 尺寸正態分布圖

▲圖3 貢獻率圖

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，不同于傳統的設計理念，該公差分析方法借助商業軟件，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。

［1］ 黃美發.面向設計和制造的并行公差設計方法研究［D］.武漢：華中科技大學，2004.

［2］ 曹衍龍.面向制造環境的公差穩健設計方法與技術的研究［D］.杭州：浙江大學，2003.

［3］ 方紅芳，吳昭同.并行公差設計與工藝路線技術經濟評價方法［J］.機械工程學報，2000（4）：74-77.

［4］ Shan A，Roth R N，Wilson R J.Genetic Algorithms in Statistical Tolerancing ［J］.International Journal of Mathematical Computer Modeling，2003，38（11-13）.

［5］ 王德倫，程周，羅勁松.移動公差在車身公差分配中的應用［J］.重慶理工大學學報（自然科學版），2011（2）：1-7.

［6］ 俞吉長，金隼，來新民，等.車身零件PPAP中的尺寸質量評價方法 ［J］.機械制造，2006（4）：67-70.

［7］ 勾治踐，劉賽，王劍宇.移動公差在車身零件裝配工藝設計中的應用研究 ［J］.汽車工程，2009（11）:1100-1103.