淺析產品設計中公差與配合及尺寸鏈分析的應用

劉學成

摘要：產品品質是企業最為關注的核心版塊，穩定和可靠的產品品質是需要合理科學的產品設計來確保，產品設計核心之一是如何正確分析產品主要組件的尺寸鏈關系從而設定合理的公差與配合，最終實現穩定的產品品質。筆者使用尺寸鏈分析驗證學說、演算了最初公差設計預案，并給出了通過演算后的可操作性調節意見，確保具體生產中對產品品質的控制。

關鍵詞：產品設計；公差；配合；尺寸鏈；探討

產品通常由一部分部件、組件與零件按照一定機械原理裝配而成的。零件是產品的最小單元，零件之間結構連接和運動實現產品功能，通過對產品功能的分析設計機構簡圖并找出相關的尺寸鏈關系，進一步設定零件影響產品功能的尺寸公差與配合的方案。在此過程中不僅要權衡零件的制造技術，還要權衡到該部件是不是可以滿足產品設計功能的技術需求。就是說其是不是與尺寸精度、位置精度、制造精度、接觸精度等層面的技術。在大規模生產中，保證這部分精度的最基本的辦法是運用功能尺寸鏈學說實施整體解析、換算、驗證，科學設計零件公差。[1]

一、 公差尺寸鏈原理

產品設計中的尺寸鏈往往比較復雜，需要將其中大多數轉化為平面尺寸鏈，平面尺寸鏈換算條件是：

（一）找到封閉環，就是說找出產品非動態的合理節點。

（二）各尺寸公差相對獨立。

公差尺寸鏈解析的目標是通過公差可控點推導不可控點的公差范疇。見下圖。

目標尺寸方位NM與其他尺寸NiM關聯能夠表示成：NM=f（N1M、N2M…Nn-1M）。目標公差δ與剩余公差δ1關聯能夠表述為：

δM=

各公差透過幾何關系的運算，確定目標方位的極值總和，從而定義目標方位的公差范疇。

二、 產品設計中公差與尺寸鏈解析

（一） 疑問的出現

例如，某廠商的機器商品A型機械手。取物階段的構造圖見圖2。

從上圖中能夠看到，機械手依著A 方位活動，透過B向加力，將03-5（撥動手柄）運作，夾持方位通過對面距Xd尺寸約束。夾持強度通常透過直面距Xj來調節。這兩類尺寸是既定的。假如設計不科學，會致使裝配后運動產生相互干涉及超差難題，廢棄率達到25%。筆者透過尺寸鏈的解讀、換算、驗證A型機械手/03-01裝配03-3底座、03-05（撥柄）后，可以確保裝配尺寸xd=24.35-24.75、Xj取值為2.9-3.2。

（二） 驗證換算

通常所說的大規模工業化學說，同樣產品的產能極高，大部分作業區域通常依照特定的步驟來重復完成某個零件的某個工序的加工。大規模生產類型所使用的裝配模式是完全互換法，裝配階段各配合零件無需選擇、修正與互換，就能夠讓裝配進度達標的裝配模式。為了保證機器裝配后的精度，其裝配尺寸鏈使用極值法來換算。

（三）車身尺寸鏈的運用

1. 車身尺寸鏈運用的目標

尺寸鏈解析通常是通過構建尺寸鏈環，細分機構運動軌跡估計來設定尺寸之間配合和極值范圍。透過尺寸鏈的構建，體系化地完成整個車身元件的定位系統與公差創設、測試點創設，并優化產品品構造與工藝。

2.車身尺寸鏈的運用階段

尺寸鏈分析牽涉到產品設計、工藝制造、模具與焊裝設計、元件的制作與組裝全流程的解析科技。另外，在方案時段，應明確尺寸配合公差，并依照工藝、制作效能來明確目標公差；創設時段，構建整車、元部件定位系統、形位公差概念與公差三維虛擬化解析，建設科學的定位系統，完善有合理尺寸公差設計圖紙，并依照圖完成模具創設、夾具創設、檢具創設與項目方案等。投入生產后，應考評元件尺寸、工裝、過程管控，并根據試生產與量產結果最終優化車輛綜合尺寸的公差與配合。

2.1產品創設時段的運用

在產品創設時段，特別是在解讀產品整體尺寸公差以前，通常要完成的工作是產品模型建立、0#-3#商品創造時段，使用尺寸鏈來解析產品的整體構造，透過對制造系統功能的考評與公差換算，對車身間隙、面差與內部裝飾進行解析，并設定公差目標，確立車身外表尺寸公差準則，最后明確車身質量目標與技術要求。該時段，全部尺寸鏈的解析流程與成果需要嚴格依照標準進行。專業功能模塊工藝創設需要形成一定的準則，這也是為后期生產制作做鋪墊。[2]

2.2工藝創設時段的運用

在工藝創設階段，使用同步項目解析、沖壓CAE解讀與車身公差解析來進行操作，這部分作業的中心目標是在產創設階段技術要求下，確定工藝制作的可靠性。設計模具工藝制作方案，撰寫焊裝工裝定位加緊式樣書，內部裝飾預案等，讓車身定位體系能夠常規運轉，并且明確模具、夾具、檢具的定位準則，使模具、夾具、檢具能夠達到創設要求。尺寸公差解析的另一的模式是包含全部元件與車身總成詳細的測試規劃書，測試并規劃出各元件與總成的測試方位，測試準則方面沒有強制性要求。透過尺寸公差解析、提升產品品構造合理性、工藝創設的品質，并透過仿真解析、使用對應的舉措，規避后續生產尺寸偏差過大問題。

（四）車型試操作時段的運用

在新車型試操作時段，使用車型S-LOT、PT1、PT2，應對產品創設的流程與工藝創設階段的尺寸公差來完成證實，必須運用各類工具測試、解析并排查出各元件、車身總成的尺寸公差問題，讓實物元件的尺寸公差滿足設計需求。其中借用的用具包含單件檢具、分總成檢具、總成檢具、檢具、功能模型、匹配夾具等。并且透過先進的統籌模式，換算CAM、CPK等統籌參數，排查出實物元件的缺陷，改善元件與車身尺寸鏈關系，滿足規模生產需求。

通過以上內容的闡述，筆者認為應著重預判并解析沖壓工藝是不是與沖壓尺寸公差要求相符；預判焊裝夾具的定位基準、確保符合設計要求；預判裝飾元件的配合公差是否科學；預判在產品創設階段，尺寸公差創設的科學性等。

結束語：

在尺寸公差與尺寸鏈分析驗證階段，其測試值應該符合正態分布原理，如此可確保公差設定更科學。樣本數量應盡量的多，否則，換算出的CAP數據、CPK數據等參數會有誤差。

參考文獻：

[1]劉飛.唐鋼利用信息化手段通過SAP系統改造實現冷軋產品公差控制[J].數字技術與應用，2014，（12）：16-17.

[2]龔鑫，黃美發，孫永厚等.基于極值法與統計公差法的不同尺寸公差分配方法的研究[J].組合機床與自動化加工技術，2015，（3）：5-8，12.