尺寸工程在产品设计中的应用

□ 潘鸣坤

上海格兰海芬汽车零部件有限公司 上海 201814

在产品设计中，最常见的也是最难发现的问题就是在进入大批量生产组装后出现的小概率问题，这些问题往往当零件进行装配时或装配后才能被发现，而且不良率通常在0.5%以下，有时候需要调整零件的制造模具才能解决，这样就会造成极大的浪费，乃至影响到产品的总体经济效益。而虚拟装配技术的出现，使这些问题在设计阶段早期就能被发现，这无疑大大提高了新产品的设计质量。

虚拟装配技术的应用领域很广，设计人员可以在虚拟环境中对产品进行装配过程仿真、公差分析、装配工艺规划等［1］。随着汽车工业的发展，虚拟技术在汽车设计领域有了越来越广泛的应用，尺寸偏差控制分析也逐渐使用了虚拟装配技术，既节约了成本，又提高了效率。专家们提出了在虚拟环境下对区域进行改进和分析的想法，结合三坐标检测以及计算机虚拟环境的帮助，能快速、准确地检测出零件匹配时存在的公差问题，并且能基本明确匹配缺陷的产生原因，为问题的最终解决提供依据［2］。

1 公差分析的方法

一般而言，产品的公差常常使用尺寸公差、形位公差的表达方式。当前，二维图样的公差分析一般是使用计算尺寸链的方法，它的缺点是不能综合考虑产品的尺寸和形位公差［2］。随着市场需求的不断提高和计算机技术的不断发展，如今的产品设计已经从二维图样转向三维实体的设计，那么就需要研究一种能够对三维几何模型进行公差综合分析的方法。该方法可以模拟装配体的公差分布情况，并以图像方式显示产品状态及公差，从而优化产品，降低成本［3］。

虚拟技术中目前应用最广泛的就是蒙特卡洛模拟法，它的理论基础是概率论中的两个基本定理［4］：大数定理和中心极限定理。大数定理反映了大量随机数之和的性质，它保证了在抽取足够多的随机样本后，蒙特卡洛模拟法是概率收敛的［5］。因此，该方法的适用范围，从原则上讲几乎没有任何限制，不管公差设计函数是否为线性、零件尺寸符合何种分布，只要模拟的次数足够多，就可得到一个比较精确的装配尺寸分布［6］。根据设计函数的性质，可将问题分解为不同的公差分析模型。数十年来，国内外多种成熟使用蒙特卡洛原理的商用公差分析软件在工业领域已得到广泛的应用［7］，如：DCS公司开发的 3DCS，UGS公司发的 VisVSA，PTC公司开发的CE/TOL（集成在Pro/Engineer中）软件，下面以VisVSA作为工具进行实例介绍。VisVSA把与装配工艺设计相关的数据如公差值、位置关系和装配顺序等，保存到工艺文件中，而一个完备的工艺文件包括装配仿真和分析各种装配工艺所需要的所有信息。

2 应用案例

目前，汽车上广泛使用的是推拉索软轴式换挡操纵系统，该系统是由换挡器和连接换挡器的柔性推拉索构成。柔性的推拉索式换挡器的出现给发动机舱的布局设计带来巨大的变化，而且这种新型的换挡操纵系统的韧性和减振性能都比较好，大大降低和减少了由于车辆振动给换挡手柄带来的抖动和噪声，大大提高了车辆舒适性能。

拉索位置行程控制即人手控制球头的运动，通过换挡机构带动拉索，从而控制变速箱的运动。拉索的行程保证自动变速箱各种状态切换的输入条件，而拉索行程的输入就是自动换挡器行程的输出，它经过驾驶员手操作来完成，所以换挡器多采用全机械结构来保证其稳定性能。图1所示的换挡器结构复杂，由多个零件组成，其中最后拉索销运动的行程就作为换挡器的行程，从而控制变速箱各挡位的切换，所以其行程的公差必须严格控制。为了保证性能，要求该行程公差范围在±0.75 mm内，同时在批量生产中要满足PPK，也就是过程性能指数大于1.33，所以在设计中所涉及相关零件的尺寸公差，必须要经过严格的计算验证。

▲图1 换挡器结构图

以P-D的拉索行程举例，P挡运动到D挡的标准换挡行程为37.36±0.75 mm,表示换挡器带动拉索运动的行程必须在该范围内。分析产品设计结构和零部件图纸得出，该运动的行程位移公差与基座、换挡杆、固定轴、换挡弹簧片这几个零件有关，相关的尺寸为换挡杆的位置度、基座孔的内径、基座的位置度、挡位销的外径、手感弹片的位置度、拉索销的外径等11个尺寸，因为尺寸繁多，构成复杂，所以通过手工的线性方式计算是不合适的，而使用计算机虚拟装配技术，是非常准确和快速的。首先将这些零件CAD导入到VSA软件，然后根据图纸将每个零件的基准以及位置度输入，并且根据关系将各个零件在软件中模拟装配后计算，最后计算其位移公差分布，得到结果和贡献率如图2和图3所示。

由图2的计算结果表明，在±3sigma也就是3倍标准差的情况下，该位移在正态分布的情况下，公差范围满足在±0.5 mm以内。图3的贡献率表示对该行程位移影响最大的尺寸是基座的轮廓度，这表明在图纸上需要将这个尺寸列为关键特性，如果在大批量生产后发现装配后的行程尺寸有偏移，那么就要修正行程位移，这个轮廓度将是优先选择的尺寸，这样就对以后的大批量生产有指导意义。

3 结束语

▲图2 尺寸正态分布图

▲图3 贡献率图

笔者通过对产品装配关系研究得出，在产品设计阶段对公差定义的方法，不同于传统的设计理念，该公差分析方法借助商业软件，在产品设计的初期阶段就可以进行对未来产品的质量预测，验证公差定义的合理性。得出的偏差贡献度，提高了工作效率，并为以后模具尺寸调整提供了指导意义，缩短了产品开发周期。公差分析和尺寸设计方法，对其它类似结构的问题同样适用。

［1］ 黄美发.面向设计和制造的并行公差设计方法研究［D］.武汉：华中科技大学，2004.

［2］ 曹衍龙.面向制造环境的公差稳健设计方法与技术的研究［D］.杭州：浙江大学，2003.

［3］ 方红芳，吴昭同.并行公差设计与工艺路线技术经济评价方法［J］.机械工程学报，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］ 王德伦，程周，罗劲松.移动公差在车身公差分配中的应用［J］.重庆理工大学学报（自然科学版），2011（2）：1-7.

［6］ 俞吉长，金隼，来新民，等.车身零件PPAP中的尺寸质量评价方法 ［J］.机械制造，2006（4）：67-70.

［7］ 勾治践，刘赛，王剑宇.移动公差在车身零件裝配工艺设计中的应用研究 ［J］.汽车工程，2009（11）:1100-1103.