cetol6σ公差仿真分析軟件在家用空調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)中的研究應(yīng)用

張先令

ZHANG Xianling

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

Zhuhai Gree Electric Co., Ltd. Zhuhai 519070

1 引言

隨著市場(chǎng)需求、質(zhì)量控制、成本控制等方面需求的變化，新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)對(duì)于外觀間隙臺(tái)階、性能等要求越來(lái)越高。然而，新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)審查，各單位對(duì)于尺寸鏈計(jì)算的重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，缺乏專業(yè)的尺寸鏈計(jì)算，設(shè)計(jì)及審查人員更多的還是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)及試錯(cuò)的手段去驗(yàn)證，很多問(wèn)題只能在產(chǎn)品試制階段發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致產(chǎn)品投模后頻繁更改。

一般情況下采用excel表格手工計(jì)算尺寸鏈，結(jié)果為極值狀態(tài)，而實(shí)際制造不太可能出現(xiàn)所有影響因素都處于最壞情況，按極值計(jì)算要求進(jìn)行控制的話，雖然可以實(shí)現(xiàn)零件的完全互換性，保證產(chǎn)品質(zhì)量100%合格，但是也存在一定程度的質(zhì)量過(guò)剩造成的成本浪費(fèi)；并且，對(duì)于包含形狀公差、位置公差等在內(nèi)三維空間復(fù)雜尺寸鏈的計(jì)算，手工計(jì)算顯得非常困難且容易出錯(cuò)。因此，三維公差仿真分析軟件應(yīng)運(yùn)而生。

三維公差分析軟件，能夠模擬實(shí)際零件公差分布以及隨機(jī)取樣組裝情況進(jìn)行仿真分析，以實(shí)際產(chǎn)品裝配約束關(guān)系模擬仿真分析，支持建立封閉尺寸鏈，分析組成環(huán)公差對(duì)封閉環(huán)公差的影響，預(yù)測(cè)封閉環(huán)尺寸的統(tǒng)計(jì)分布圖和極限分布圖。及時(shí)發(fā)現(xiàn)未知問(wèn)題，并進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化，避免以往憑經(jīng)驗(yàn)“試錯(cuò)法”導(dǎo)致的資源浪費(fèi)、成本高、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)等問(wèn)題。并輸出敏感度、貢獻(xiàn)度排序表，以便分析人員快速找到問(wèn)題癥結(jié)，并針對(duì)性的制定改進(jìn)方案進(jìn)行模擬仿真驗(yàn)證；還可以提煉關(guān)鍵裝配工序、關(guān)鍵零件、關(guān)鍵公差等控制要素，以便對(duì)重點(diǎn)制造過(guò)程進(jìn)行控制。

2 公差分析方法

公差分析是根據(jù)產(chǎn)品裝配關(guān)系、綜合設(shè)計(jì)尺寸、裝配偏差、零件加工誤差等因素，計(jì)算產(chǎn)品分析目標(biāo)累計(jì)公差的過(guò)程。計(jì)算結(jié)果如達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，需優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案或調(diào)整零件公差等因素再重新計(jì)算。公差分析主要包括極值法和統(tǒng)計(jì)法兩類。

2.1 極值法分析

即最壞情況分析。實(shí)現(xiàn)最壞情況分析，要求所有的尺寸都處于最大偏差尺寸值。公式如下：

極值法舉例：50（±0.1）+50（±0.1）=100（±0.2）。

在目前的公差分析理論中，極值公差法雖然計(jì)算量小、理論簡(jiǎn)單。但由于所有零件的公差同時(shí)處于極值情況的可能性很小，因此該理論通常對(duì)零件尺寸公差、零件裝配精度等要求過(guò)高，常常導(dǎo)致產(chǎn)品成本偏高。

2.2 統(tǒng)計(jì)法

統(tǒng)計(jì)分析方法，目前行業(yè)應(yīng)用較廣的包括VSA、3DCS、cetol6σ等軟件，本文基于cetol6σ公差仿真軟件進(jìn)行闡述。統(tǒng)計(jì)分析方法是根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際裝配關(guān)系建立約束條件，模擬實(shí)際零件公差分布、隨機(jī)取樣組裝情況，表達(dá)具體尺寸公差、裝配關(guān)系等因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

統(tǒng)計(jì)法利用樣本的算術(shù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差確定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布曲線。標(biāo)準(zhǔn)偏差可以由一系列的分布要素計(jì)算：

次樣本矩：

式中：Xi為樣本空間中的元素；n是樣本的維數(shù)；可以預(yù)先給定μ2、μ3和μ4，然后再計(jì)算出一系列的其他要素：

圖2敏感度示意圖

圖3空調(diào)出風(fēng)機(jī)構(gòu)示意圖

樣本標(biāo)準(zhǔn)方差的計(jì)算公式為：

由均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、斜度和峰值定義的分布一般稱為L(zhǎng)ambda分布，是一般情況下的統(tǒng)計(jì)分布。統(tǒng)計(jì)法舉例見(jiàn)圖1。

2.3 結(jié)果數(shù)據(jù)分析

2.3.1 貢獻(xiàn)度計(jì)算方法

圖4統(tǒng)計(jì)分布公差仿真分析結(jié)果

圖5調(diào)整分布中心后的統(tǒng)計(jì)分布示意圖

圖6貢獻(xiàn)度排序表

貢獻(xiàn)度是描述裝配尺寸鏈中各個(gè)組成環(huán)尺寸公差對(duì)封閉環(huán)尺寸積累公差的貢獻(xiàn)大小。采用百分比的計(jì)算方法，分為最壞情況下的百分比貢獻(xiàn)度和統(tǒng)計(jì)情況下的百分比貢獻(xiàn)度。

最壞情況計(jì)算公式為：

其中：UTLxi是xi的公差上限，LTLxi是xi的公差下限；UTLU是U的公差上限，LTLU是U的公差下限。

統(tǒng)計(jì)情況計(jì)算公式為：

其中：xi為模型中第i個(gè)零件尺寸，U為設(shè)計(jì)尺寸，σxi為xi的標(biāo)準(zhǔn)偏差，σU為U的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

通過(guò)貢獻(xiàn)度計(jì)算并排序，可以直觀看出尺寸鏈各組成環(huán)對(duì)分析目標(biāo)的影響程度，針對(duì)影響程度高的組成環(huán)，我們可以定義為關(guān)鍵因素，再生成制造過(guò)程進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控控制，甚至可以通過(guò)提高關(guān)鍵因素的加工精度等方式，達(dá)到提高產(chǎn)品性能指標(biāo)的需求。

2.3.2 敏感度計(jì)算方法

當(dāng)在cetol定義好了各個(gè)部件的配合關(guān)系，就會(huì)自動(dòng)建立閉環(huán)尺寸對(duì)組成環(huán)尺寸的函數(shù)關(guān)系式，如圖2的F為封閉環(huán)尺寸，其余尺寸如圓柱直徑d、楔塊高度h和楔塊角度α與F建立的函數(shù)關(guān)系式為：

通過(guò)求封閉環(huán)尺寸對(duì)組成環(huán)尺寸的一階偏導(dǎo)數(shù)：

從而得到h相對(duì)于F的敏感度數(shù)值為-1，d相對(duì)于F的敏感度數(shù)值為1.207，而α相對(duì)于F的敏感度數(shù)值為-10.607。因此三維空間的敏感度計(jì)算比較復(fù)雜，通常根據(jù)裝配尺寸鏈形成的傳遞函數(shù)，求封閉環(huán)尺寸對(duì)組成環(huán)尺寸的一階偏導(dǎo)數(shù)或二階偏導(dǎo)數(shù)。

人力資源管理人員要根據(jù)組織和員工特性，有規(guī)劃地引導(dǎo)開(kāi)發(fā)和調(diào)任，滿足崗位設(shè)置的基本要求，結(jié)合人才的特點(diǎn)，分析周圍的工作環(huán)境，合理規(guī)劃崗位，激發(fā)人才的內(nèi)部潛能，鼓勵(lì)他們就參與企業(yè)決策中來(lái)，提升信息的對(duì)稱性和人才的主人翁意識(shí)，滿足當(dāng)前企業(yè)發(fā)展的基本要求。

從三維產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的角度，根據(jù)敏感度計(jì)算公式，可以計(jì)算各種尺寸的敏感度，這樣可以清楚地知道在同一時(shí)間更改設(shè)計(jì)尺寸值時(shí)，比較各個(gè)數(shù)值的重要程度，有針對(duì)性地更改與品質(zhì)相關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)尺寸，這就意味著高敏感度的尺寸，會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生直接影響，通過(guò)控制高敏感度的尺寸來(lái)盡量減少質(zhì)量產(chǎn)生的波動(dòng)，從而有效地控制整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量。

3 案例仿真

以某家用分體壁掛空調(diào)內(nèi)機(jī)新產(chǎn)品導(dǎo)風(fēng)板兩端配合外觀面差問(wèn)題進(jìn)行仿真分析。

3.1 分析目標(biāo)

如圖3所示，分析分體內(nèi)機(jī)導(dǎo)風(fēng)板兩端與裝飾板長(zhǎng)度方向配合面差問(wèn)題，根據(jù)工業(yè)設(shè)計(jì)及市場(chǎng)調(diào)研評(píng)估，認(rèn)為面差控制在±1mm以內(nèi)比較美觀。因此，在cetol分析界面中，設(shè)置分析目標(biāo)尺寸為：0f 1mm。

從尺寸鏈關(guān)系分析，外導(dǎo)風(fēng)板與內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板通過(guò)膠粘貼成一個(gè)組件，然后一起裝配到面板體組件的左右驅(qū)動(dòng)盒上，而左右驅(qū)動(dòng)盒固定在面板體上；同時(shí)，裝飾板與基板也膠粘成一個(gè)組件，一起裝配到面板體上。總體尺寸鏈關(guān)系：外導(dǎo)風(fēng)板-內(nèi)導(dǎo)風(fēng)板-左驅(qū)動(dòng)盒組件-右驅(qū)動(dòng)盒組件-面板體-基板-裝飾板，最后回到外導(dǎo)風(fēng)板，總共涉及6個(gè)零部件。

3.2 產(chǎn)品裝配建模

在整個(gè)裝配體中，以面板體為基礎(chǔ)，首先將左右驅(qū)動(dòng)盒組件裝到面板體上，然后裝配裝飾板組件，最后裝導(dǎo)風(fēng)板組件。

裝配約束總體遵循產(chǎn)品實(shí)際裝配原則，通過(guò)限制零件的6個(gè)自由度，確定零件的裝配約束建模，約束特征包括面/線/點(diǎn)、軸/孔等，約束關(guān)系包括面接觸、線接觸、點(diǎn)接觸、同軸、與點(diǎn)同心等，具體根據(jù)實(shí)際裝配結(jié)構(gòu)情況而定。

3.3 定義零件公差

新產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)與方案審查階段仿真分析時(shí)，尺寸公差一般基于國(guó)標(biāo)或企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義；產(chǎn)品試產(chǎn)后的公差仿真一般基于受控工程圖紙及實(shí)際零件制造能力水平來(lái)定義尺寸公差。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 結(jié)果分析

建立裝配約束并定義零件公差后，即可使用cetol軟件運(yùn)行求解，并生成分析報(bào)告。分析結(jié)果如圖4。從統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來(lái)看，合格率僅為86.6%，合格率太低，無(wú)法滿足生產(chǎn)質(zhì)量要求。其中，圖4中紅色區(qū)域?yàn)槌觥?mm臺(tái)階要求的概率；并且，從統(tǒng)計(jì)分布圖可以看出，分布中心偏移遠(yuǎn)離合格范圍中心，需要進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 公差分析優(yōu)化

首先，需要解決分布中心偏移問(wèn)題，從分析結(jié)果看，分布中心在-0.43mm位置，此類問(wèn)題一般考慮從以下三個(gè)方面改善：（1）考慮優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，盡量讓設(shè)計(jì)值與合格范圍中心趨于一致，提高合格率，本案進(jìn)一步分析屬于導(dǎo)風(fēng)板長(zhǎng)度定位偏移導(dǎo)致分布中心偏移，調(diào)整結(jié)構(gòu)后分布如圖5所示；（2）基于原始設(shè)計(jì)臺(tái)階考慮，采用偏移公差，使得統(tǒng)計(jì)分布中心與合格范圍中心趨于一致，提高合格率；（3）以上兩種措施都無(wú)法有效解決時(shí)，可重新審視合格范圍制定是否合理，評(píng)估是否可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)分布情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以提高合格率。

圖8公差分析優(yōu)化結(jié)果

（1）提高零件加工精度，縮小公差帶范圍。可以通過(guò)貢獻(xiàn)度排序表（圖6）、敏感度排序表（圖7）提煉關(guān)鍵零件、關(guān)鍵尺寸公差（圖8），并評(píng)估考慮提高其控制精度，達(dá)到提高產(chǎn)品合格率的效果；

（2）提高零件之間配合精度，減小裝配誤差。同樣可以通過(guò)貢獻(xiàn)度排序表（圖6）、敏感度排序表（圖7）提煉關(guān)鍵裝配控制要點(diǎn)，并評(píng)估考慮提高其配合精度，達(dá)到提高產(chǎn)品合格率的效果；

（3）針對(duì)尺寸鏈比較長(zhǎng)的產(chǎn)品，優(yōu)先考慮通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，縮短尺寸鏈，減少影響因素；

（4）針對(duì)尺寸鏈特別長(zhǎng)的產(chǎn)品，可以考慮通過(guò)工裝夾具等措施，繞過(guò)尺寸鏈，大大減少影響因素。

5 分析總結(jié)

通過(guò)仿真機(jī)理及案例仿真分析，我們認(rèn)為cetol公差仿真分析軟件可以有效用于家用空調(diào)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)

審等階段的公差仿真分析，其主要意義包括：（1）產(chǎn)品方案審查

評(píng)估設(shè)計(jì)產(chǎn)品能否符合關(guān)鍵質(zhì)量要求，預(yù)估合格率，避免產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中關(guān)鍵外觀間隙臺(tái)階、關(guān)鍵功能等因尺寸鏈設(shè)計(jì)異常導(dǎo)致產(chǎn)品不合格。

（2）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)分析結(jié)果中的敏感度排序表，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)或改進(jìn)設(shè)計(jì)，提供改進(jìn)方向和改進(jìn)參考依據(jù)。

（3）工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)分析結(jié)果中的敏感度、貢獻(xiàn)度排序表，預(yù)測(cè)影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵零件、關(guān)鍵尺寸和公差，提出合理的控制和優(yōu)化方向，為關(guān)鍵零件一致性控制、關(guān)鍵工序控制等提供理論依據(jù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

（4）公差分配優(yōu)化

根據(jù)仿真分析后的貢獻(xiàn)度數(shù)值，調(diào)整關(guān)鍵尺寸的公差，使得產(chǎn)品的質(zhì)量大幅度提高；相反，對(duì)于貢獻(xiàn)度數(shù)值小的尺寸公差，可以放大其公差，從而降低各部件的加工成本。

（5）異常問(wèn)題分析整改

對(duì)于涉及尺寸鏈設(shè)計(jì)或控制不合理的生產(chǎn)異常問(wèn)題，使用軟件分析，找出異常問(wèn)題關(guān)鍵原因，并通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或工藝設(shè)計(jì)改善產(chǎn)品質(zhì)量，并在軟件環(huán)境下進(jìn)行理論分析驗(yàn)證。