基于模型的三维尺寸链及公差设计应用需求分析

北京国科军友工程咨询有限公司 檀国柱 郑昭春

当前，高质量发展是全面建设社会主义现代化国家的首要任务，装备研制单位和客户方均意识到装备质量管理不是管控、检测出来的，而是设计出来的。公差设计及尺寸链计算是装备研制过程中的重要环节，它可以提前暴露设计中存在的缺陷，提高产品的可制造性和稳健性，大幅缩短装备型号研制到批量生产的周期，可有效地提升装备产品质量。基于模型的三维尺寸链计算及公差设计，对装备产品质量的提升具有重要意义。

一、基于模型的三维尺寸链及公差设计

装备产品研发流程中数据流的核心和基础就是三维模型，结构设计、系统结构柔性分析、复杂结构件刚强度仿真、液压系统仿真、系统匹配等工作都是基于三维模型展开的。基于模型的三维尺寸链计算及公差设计就是通过计算机辅助系统开展基于三维设计模型的尺寸链计算和公差设计分析，它包含着静态、动态、热工况等不同状态的计算分析。计算分析过程如下。

首先，要确定影响装配技术要求和使用性能要求的重要几何特征量目标值，这个重要几何特征量目标值需要通过验证和评价，确保目标值设定的合理性。其次，根据重要几何特征量目标，结合产品结构和工艺方案将尺寸链环中的每一项影响因素分解为对应的零部件公差要求。然后，要对影响重要几何特征量的尺寸链环要素进行梳理，并明确每一个链环的公差设计值和公差分布形式，列计算项目清单进行计算，根据要求将设计好的公差，进行基于模型的三维公差分析、校核和优化。最后，通过校核和优化的尺寸链环中每一个公差控制要求，形成计算书并组织审批，作为装备及零部件制造过程质量管控目标。

基于模型的三维尺寸链计算及公差设计可以大幅提升尺寸链计算及公差设计的智能化水平，降低设计师的设计难度，有效地提高装备尺寸链计算的完整性和准确性。

二、装备设计的发展需求

近年来，装备相关研制单位设计的数字化、智能化和标准化水平有了很大改善，其中三维建模技术的大量应用，为设计和创新提供了一种非常好的工作平台，设计师可以从三维概念和构思入手，通过模型仿真和评价设计方案的可行性和可靠性，但相关设计中一个重要的环节——公差设计，很多设计单位仍然大量沿用传统的查手册、手工计算等方法，效率低且精度不够，尤其是涉及形位公差，由于相关标准少、手工计算难度大，往往依据经验进行估算，结果是到后期制造时往往需要通过试装配、修挫等手段来调整，面临着研发周期长、成本高、可替换性差、不合格率高等严峻挑战。

我国在工业零件机械制造过程中，为保证产品实现功能、达到性能要求，保证零件互换性，需要由设计者提出对零件实际尺寸变动范围的具体要求，并在产品的设计、加工制造过程中对尺寸链及公差进行计算、分配和必要的调整。装备相关设计标准中明确提出对于机械系统，不仅需要对零件公差、尺寸链进行计算、校核，还应该对部件、产品进行系统级公差分析，对关键控制尺寸的公差进行合理的设计。例如，某型号装备正向设计过程中，如果不结合组件的尺寸链及公差对零组件进行组合设计，就会导致在零组件设计完成后进行尺寸链校核时，因为引入了复杂的空间尺寸链而增加计算难度或是因存在冲突的形位公差而重新设计，大大延长了验证周期。因此，尺寸链的设计亟待进行规范，装备设计单位应积极开展对基于模型的三维尺寸链及公差设计进行深入研究。

三、数字化的研发需求

随着数字化技术手段在装备产品研发过程中的推广应用，推动了设计、制造、维保等流程的逐步融合。我国的航天、航空、船舶、兵器等行业新产品基本上实现了从基于图纸的二维设计到基于模型的三维设计变革。随着网络平台和产品数据管理系统等软硬件条件的不断完善与实施应用，打通了科研院所与生产制造的数据链路，实现了设计仿真与工艺制造的协同推进，基于单一模型数据源可使产品全生命周期的研发各环节契合为有机的整体。

某型发动机早已实现了从基于图纸的二维设计到基于模型的三维设计，依托数字样机技术可以清晰了解到：涡轮转子径向间隙要通过尺寸链计算转子叶片与封严装置理论尺寸的间隙量，保证压力性能的同时避免发生碰撞和摩擦；某轴承内外环端面偏移量要通过尺寸链计算来确定其厚度及分度；燃烧室点火装置安装座中心的位置度要通过尺寸链计算来校验其位置度，保证燃烧室点火装置能顺利插入燃烧室火焰筒等。

以一个零部件的孔轴配合为例，在设计中，零部件的孔轴配合装配精度校核要考虑因素很多，对尺寸链计算要求也很高。如图1所示，零件1、零件2 和零件3 通过孔轴配合进行装配，需要计算零件1 轴大端与零件2 孔大端的同轴度误差。这3 个零件有4 个配合面，其中有2 个配合精度较高的配合面为主定位面，通过2 个主定位面来确定3 个零件之间的装配关系，以此来开展计算。

图1 某机匣产品结构示意图

传统二维尺寸链计算难以考虑空间、形位公差等的影响，在实际设计过程中常因缺少计算工具和方法，而产生验证周期长、依赖实际装配情况、试凑等经验方法，这就会导致各转子间的同轴度不合理，进而造成整机的振动超差。因此，在装备产品的研制过程中，尺寸链设计、计算的原则、要求应满足三维设计的基本要求。

四、零部件尺寸精度的管控需求

随着装备战技指标的不断提升，作为机动平台核心部件的动力系统、传动装置的结构集成度明显提高。以某型号产品的传动装置为例，其内部包含行星变速、变矩器、减速器、液压操纵系统、操纵电控、润滑系统等功能单元，可以说传动装置是一种集成应用机械、液力液压、电气、控制等技术实现复杂功能的高技术产品。在实际应用过程中，各系统、各功能单元之间既互相影响、相互制约，也能共同作用、发挥效能、实现功能。

以某变速器为例，首先，传动主轴支撑间隙需要开展尺寸链计算，合理、适当的支撑间隙是保证传动主轴在工作期间正常发挥作用的必要条件，通过对传动主轴支撑间隙的计算可确定形成间隙的各结构要素并评估其影响程度。其次，主被动锥齿轮轴线偏置距需要开展尺寸链计算，螺旋锥齿轮传动是车辆传动典型结构，主被动锥齿轮轴线偏置距是表征齿轮及其相关安装结构设计合理性的重要指标。空间齿轮啮合间隙和旋转动密封间隙也都需要开展尺寸链计算，毕竟合理、适当的啮合间隙是保证齿轮对在服役期正常发挥作用的必要条件。通过对齿轮啮合间隙的计算，确定形成间隙的各结构要素并评估其影响程度。而旋转动密封间隙是保证液压系统正常、稳定工作的必要条件。通过对旋转动密封间隙的计算，确定形成间隙的各结构要素并评估其影响程度，从而可以有效地指导设计。如图2所示，垫圈与轴肩之间的间隙是装配后间接形成的尺寸，需要计算装配后垫圈和轴肩之间的间隙能否保证在一定的范围内。

图2 某变速器结构示意图

为了最大限度减少系统之间的不利影响，保证实现整机可靠性目标，需要对变速器的系统压力、振动噪声等进行监测与控制。对于压力和振动的控制不仅要对压力源、动力源进行合理匹配，还要保证动密封配合间隙、轴承游隙、齿轮啮合侧隙等结构参数在合理的公差带内。

对影响零部件核心结构参数的尺寸链进行分析计算，并根据分析结果对相关尺寸链进行合理匹配用以改进设计，可以有效控制关键尺寸、降低不必要的精度、缩短验证周期、提高产品制造的可达性。

五、技术文件的需求

在产品的设计阶段,设计负责人应编制必须要进行尺寸链校核的计算项目清单并组织开展尺寸链校核工作，总体设计单位、协作单位、制造单位都应进行尺寸链校核和验证评价。总体设计单位下发给协作单位和制造单位的设计要求，应通过尺寸链虚拟仿真校核并出具计算报告；协作单位应对部件级、零件级公差设计，进行尺寸链校核并出具尺寸链计算报告；制造单位对于结构复杂、集成度高的关键零件工序尺寸设计，要进行整体工艺尺寸链校核并出具计算报告。

论证三维数字化模型的公差设计合理性（包括线性、角度、几何公差、基准的设计合理性），应输出报告。装备零部件加工、装配、测量过程中，应复查相关报告并根据实际情况修订报告。

报告宜通过基于模型的计算机辅助公差设计分析系统自动生成，在交付定型产品的成套技术文件中需要包含尺寸链计算及公差分析报告。报告内容至少应包含三维尺寸链计算项目要求的或者假设的计算条件，如企业制造能力、动态因素等情况；尺寸链计算中涉及的相关零部件清单，包括图号、零部件名称、版本号、备注；三维模型结构简图；尺寸链组成环参数，包括环编号、基本尺寸、上下极限偏差、传递系数、贡献率、增减性；计算结果及结论，包括计算项目目标值要求、计算结果、结论、优化建议等。

六、结论及建议

开展公差设计及尺寸链校核时，设计人员、工艺人员、检验人员只有基于三维模型，才能与装备行业现行设计研发流程真正有机融合，并可实现设计变化的动态调整。建议国家出台相关标准，对部件、零件开展基于三维模型的公差设计及尺寸链校核的模型、方法、流程、要求作出规范。展示系统级尺寸链及公差分析与设计的流程，完善当前尺寸链计算相关工作流程，明确结果评价、应用方法和审批依据。形成一套适合装备行业和国防工业主导的民用产品都可参照使用的尺寸链及公差设计要求和作业规范。