自由形狀基準(zhǔn)特征部件幾何尺寸與公差基準(zhǔn)系創(chuàng)建規(guī)則初探

田立群

（安波福電子（蘇州）有限公司,江蘇 蘇州215126）

0 引 言

機(jī)械工程師在設(shè)計(jì)與研發(fā)工程中，經(jīng)常需要面對一些設(shè)計(jì)部件或者裝配的基準(zhǔn)為自由形狀狀態(tài)的情形；尤其在汽車飾件相關(guān)的研發(fā)公司或部門，設(shè)計(jì)部件安裝場景或者基準(zhǔn)條件經(jīng)常為不能或者難以更改的研發(fā)前端的輸入。這時候工程師如何評價(jià)這樣的輸入條件，如何為部件或者裝配設(shè)定基準(zhǔn)系，以及如何看待這些部件的基準(zhǔn)設(shè)定和相關(guān)的加工及檢測的工程關(guān)系，就會成為關(guān)鍵和急待解決的問題。

1 自由形狀基準(zhǔn)特征部件案例

1.1 案例一：第二基準(zhǔn)為多個特征的情形

圖1所示為一凸輪零件，從部件功能來看，圖示部件圓環(huán)端面為首要部件安裝面，約束了部件的3個自由度，然后是3個鍵槽約束了部件的其他3個自由度。另外，如圖2所示，根據(jù)部件的安裝條件，部件的水平方向和垂直方向已經(jīng)被推薦。在上面的條件下，應(yīng)該如何設(shè)計(jì)或者明確部件的基準(zhǔn)系呢？

圖1 第二基準(zhǔn)為多個特征的部件

1.2 案例二：基準(zhǔn)為自由空間方向及位置的多個特征的部件

圖2 部件推薦方向

圖3所示為一沖壓支架部件，三支撐腳平面為整車安裝位置，作為首要支架約束條件，3個孔為次要約束條件，然后需要確定圖3上部所示諸特征位置及方向等。對于諸多類似的研發(fā)情形，部件或者裝配的約束條件經(jīng)常是作為難以更改的條件被輸入的，此時，如何設(shè)計(jì)部件的基準(zhǔn)系和如何基于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)系展開部件的檢測就成為一個工程師需要面對的問題。

圖3 基準(zhǔn)為自由空間方向及位置的多個特征的部件

2 自由形狀基準(zhǔn)特征部件案例基準(zhǔn)系創(chuàng)建方案及其解析

2.1 第二基準(zhǔn)為多個特征的情形

圖4所示為案例一的基準(zhǔn)系設(shè)計(jì)推薦方案。對于該部件，選取圖4中圓環(huán)面作為A基準(zhǔn)（定義了基準(zhǔn)系Z方向），因?yàn)樗旧砭褪鞘滓膶?shí)現(xiàn)功能的約束特征。如圖2所示，如果一個裝配環(huán)境已經(jīng)為這個部件設(shè)定了所謂的正方向（這里指X方向及Y方向），那么直接沿用這方向經(jīng)常是合理且可行的，如圖4所示，在這個方向被沿用后，一個完整的基準(zhǔn)坐標(biāo)系即建立了（圖中省略了名義尺寸）；此時，鍵槽、孔位及被控制端面的位置和方向就和這個基準(zhǔn)系建立了坐標(biāo)系內(nèi)的名義尺寸（Basic Dimensions）關(guān)系，這些名義尺寸可以標(biāo)注在圖樣上，也可以要求后續(xù)工藝或檢測人員直接在3D上獲得。

圖4 第二基準(zhǔn)為多個特征的部件

其次，該部件的3個鍵槽完成了約束A基準(zhǔn)外的3個自由度的功能，這個功能的實(shí)現(xiàn)本身從3個鍵槽的角度來看，并沒有主次及先后的差別，正是基于這個原因，3個鍵槽組成了聯(lián)合基準(zhǔn)B。有些工程師會習(xí)慣性地考慮選取某個鍵槽建立一個X方向，或者選取某個鍵槽作為基準(zhǔn)B，根據(jù)如上觀念，該思路往往是不合理的。

上面基準(zhǔn)系的思路創(chuàng)建過程，本身就是部件功能狀態(tài)的表述。因?yàn)閳D樣使用了最大材料狀態(tài)及最大材料邊界（at MMC/at MMB）, 這個部件的檢測就可以使用固定尺寸功能檢具（fix-sized functional gage）檢測。在這個檢具上配合檢具輪廓度檢測對應(yīng)部件和塞規(guī)，同時檢測凸輪輪廓度。無論是設(shè)計(jì)、加工還是檢測，直接取用（或說表述）部件功能場景，通常是一個尊重和保障設(shè)計(jì)對象實(shí)現(xiàn)功能要求的首選方案。

2.2 基準(zhǔn)為自由空間方向及位置的多個特征的部件基準(zhǔn)系創(chuàng)建方案

圖5所示為案例二的基準(zhǔn)系創(chuàng)建方案圖。部件3個平面組成了聯(lián)合基準(zhǔn)A，3個孔為聯(lián)合基準(zhǔn)B。然后基于基準(zhǔn)A和B創(chuàng)建了基準(zhǔn)D、E和F；進(jìn)而基準(zhǔn)D、E、F控制了中間直徑為18.7的孔的位置度。基于部件功能順序（Function Sequences）思路及相關(guān)特征約束要求設(shè)計(jì)和創(chuàng)建基準(zhǔn)系，通常是一個合理、便捷而且低風(fēng)險(xiǎn)的方法。有些工程師習(xí)慣性地根據(jù)特征形狀套用諸如“一面兩銷”等做法，經(jīng)常會使本來可以簡潔的思路變得含糊而費(fèi)解；還有些工程師嘗試使用聯(lián)合基準(zhǔn)的局部特征來控制其他類似特征（比如本案例中，使用A1來控制A2和A3；或者使用B基準(zhǔn)的某個孔控制另外的兩個孔），這樣實(shí)際上是忽視了部件的功能狀態(tài)，誤解了聯(lián)合基準(zhǔn)的意義，肢解了聯(lián)合基準(zhǔn)特征間的作用關(guān)系。

圖5 基準(zhǔn)為自由空間方向及位置的多個特征的部件基準(zhǔn)系創(chuàng)建方案

那么這個部件將如何被檢測呢？如圖6所示，這個檢具（檢具圖忽略了壓緊部件）檢測了部件的B基準(zhǔn)3個孔的位置度（這個位置度包含了它們和A基準(zhǔn)的方向度及3個孔相互的位置度關(guān)系），以及尺寸為φ3.8 mm的圓孔和腰型孔基于A/B基準(zhǔn)的位置度。對于孔徑為φ18.7 mm的孔的位置度，需要另外的檢具來檢測。

設(shè)計(jì)圖樣使用了最大材料狀態(tài)及最大材料邊界（at MMC/at MMB）,這樣不但使用固定尺寸功能檢具（fix-sized functional gage）進(jìn)行全檢成為可能，而且使設(shè)計(jì)及檢測最大程度上縮小了檢測方法和部件功能狀態(tài)間的偏差（Deviation）。在該過程中，檢具不但模擬了部件的功能狀態(tài)，而且為自由形狀基準(zhǔn)特征實(shí)際產(chǎn)品（as-produced parts）和設(shè)計(jì)（及檢測）坐標(biāo)系（汽車行業(yè)體現(xiàn)為整車坐標(biāo)系）建立了檢測操作可行性的橋梁，即:檢測人員可以從檢具上輕易地獲得產(chǎn)品和設(shè)計(jì)坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置和相關(guān)方向，進(jìn)而完成檢測任務(wù)。

圖6 基準(zhǔn)為自由空間方向及位置的多個特征的部件檢具方案

3 思路解析

離開了坐標(biāo)系包含法向方向的定義，并沒有一個部件具有所謂形狀規(guī)則或者特征方向?yàn)檎呐袛鄬傩浴Ｈ缫陨习咐菜平鉀Q方案和幾何尺寸與公差的自由度的概念是沖突的：就像除了笛卡爾坐標(biāo)系還有圓柱坐標(biāo)系及球坐標(biāo)系等坐標(biāo)系一樣，一般意義的6個自由度的概念只是基于笛卡爾坐標(biāo)系下約束部件的一種方法；部件基準(zhǔn)系的設(shè)計(jì)方案是否可行，本質(zhì)上取決于部件功能實(shí)踐意義及制造檢測過程可行性。 理論和工藝方法需要滿足設(shè)計(jì)產(chǎn)品功能實(shí)踐的意義，而不是功能場景屈從于標(biāo)準(zhǔn)的局限性。檢測設(shè)備（包含三坐標(biāo)測量設(shè)備等）未來更加智能、便捷，更好地模擬功能場景是工具進(jìn)化滿足產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)的必然發(fā)展方向。

4 結(jié) 語

如上思路和理論，可以作為具有自由形狀基準(zhǔn)特征部件通用的構(gòu)建基準(zhǔn)系的解決方案。很多工程師在面臨此類問題的時候，習(xí)慣性地在部件自由度上去追尋這個部件和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)系之間的正交關(guān)系，這個過程通常是艱苦且沒有必要的；忽略了產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能實(shí)踐意義，把標(biāo)準(zhǔn)作為目的而非工具，通常這樣的思路將已有的知識演變成了障礙。在相當(dāng)長的歷史階段，在諸標(biāo)準(zhǔn)文件中，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定專家，忽略了部件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)基于復(fù)雜而自由環(huán)境的場景，回避了相關(guān)基準(zhǔn)系創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)制定責(zé)任，將諸如此類的問題留給了企業(yè)自行解決；基于已經(jīng)普遍應(yīng)用的3D設(shè)計(jì)環(huán)境，回到尊重部件功能實(shí)踐意義的思路上來，強(qiáng)調(diào)檢具的作用，是解決具有自由形狀基準(zhǔn)特征部件如何創(chuàng)建基準(zhǔn)系問題的優(yōu)選路徑。