三维公差
传统设计的不足
国内的大部分企业，对于公差分析还是存在模糊的认识，即公差分配是设计人员的任务。设计人员在做公差分析的时候，大多数时候参照已有产品的公差分配，公差无法参照的地方，多采用手工画一维尺寸链图，粗略的得出封闭换尺寸公差。上述情况存在诸多不足，第一，当设计人员在设计公差时参照老产品，并不能提高设计人员对公差分配原理的理解，当遇到和老产品不一样的产品，设计人员就失去了参照的依据。第二，手工计算一维尺寸链很容易出错，当这种错误发生时，又不容易检查。第三，手工计算效率较低，当尺寸链包含非常长时，需要大量的公差计算时间。第四，手工方法计算一维尺寸链比较容易，但是对于二维或三维的尺寸链计算就更加复杂。
使用公差分析软件的优势
公差分析软件为设计人员提供了一个公差分析与综合的平台，使设计人员通过它实现在设计阶段对关键零件尺寸进行公差分析，结合实际的工艺加工能力，选择制造成本最低，又能保证满足设计要求的更优公差，分析的结果也可以为设计提供参考。具体来说，公差分析与综合系统为设计人员提供了评估公差状况的手段，通过该系统，给出了可靠、准确、合理的公差分配的依据。
总结来说，使用公差分析软件有如下优势：
一. 在CAD环境下模拟三维零件的装配过程。它可以直接读取CAD系统的设计参数，当设计参数更新时，公差分析的数据也一起更新。
图1 Solidworks公差分析界面
图2 CATIA公差分析界面
图3 Creo/Proe 公差分析界面
二. 自动计算三维尺寸链误差的传播。下图是V形块和圆柱销的装配，公差分析软件不仅能计算沿着尺寸方向的尺寸对圆柱销高度的影响，还可以计算V形块的宽度和夹角对圆柱销高度的影响。
图4自动计算三维误差的传播
三. 真实地模拟零部件之间的装配关系。例如，在销和孔的装配过程中，在CAD的装配关系中，定义二者的中心轴线同心，这样销和孔的配合关系就产生了，但是这种状态是不符合现实的，应当考虑重力或者在实际的装配状态中受某一方向外力的反作用力的影响，实际销和孔是处于相切的状态。
图5 销与孔的关系
四. 自动形成三维尺寸链装配关系图，帮助设计人员深刻理解公差的传播。
图6. 装配关系可视化
公差分析的必要性
一般的实体建模系统，如在CAD系统下可以在完成基本尺寸的设计后，通过软件提供的间隙和干涉检查功能来确保装配的精度，同时还可以取基本尺寸的上偏差和下偏差值，检查在极限尺寸的情况下，装配精度（间隙、干涉等）是否仍然可以满足。可以在检测时设置为上偏差或下偏差的值。但是，这并不是真正的公差分析。在这种分析中并未考虑装配中各种偏差源对装配质量的影响。我们知道，在实际生产过程中，有很多因素都会导致误差的出现，如制造加工中的误差，环境对加工设备的影响，各种不同的误差会通过零件之间的配合关系慢慢积累起来，最终影响整体系统的装配精度和成本。因此，必须充分重视产品中可能出现的误差，因为它们会导致不可预测和昂贵的质量缺陷。
在设计过程中将设计好的零件进行三维预装配，建立数字样机，利用公差分析与综合系统通过分析零件公差对产品装配过程和装配精度的影响，建立装配公差模型和零件公差模型。在建立装配公差模型树、装配公差网络图的基础上，进行公差分析与综合。提供最坏情况设计分析方法、统计分析方法、在结果分析器调整敏感度和贡献度数值，找到制造成本低又能满足装配精度要求的公差分配。通过该系统的分析，可以分析出设计过程中公差分配是否合理、正确，对公差进行优化，并将结果反馈给设计人员，使设计人员能够及时地进行修改，以减少装配时发生干涉和精度超标的概率。运用变量化几何技术确定装配过程中配合零件之间的最坏情况及统计的公差积累，得到装配过程中影响关键尺寸公差的约束及其敏感度。利用该系统，通过改变个别关键尺寸的公差约束来提高零件的可装配性和互换性，减少由于公差分配不合理或不正确而造成的装配后产品精度超标和返工的概率，减少装配过程中的选配、修配和调整时间，提高装配效率，降低制造成本。
解决方案
CETOL是集成于三维CAD软件下的专业公差分析软件。它从开发到发展至今，已有20多年的发展历史。在低压电器行业有成熟的解决方案。它采用更先进的公差分析方法，在产品的早期阶段做公差分析的合理性做评估，预测产品质量，结合工厂的实际工艺加工能力，找到影响产品质量的关键因素。CETOL具体的公差分析流程如下图所示：
图7 CETOL软件公差分析流程
1. CETOL软件及相关公司介绍
Sigmetrix 公司介绍
Sigmetrix公司是CETOL的原开发商，总部在美国的得克萨斯州的达拉斯，从创立到发展至今，公司一直致力于公差分析软件开发和创新。它最早和Rand Worldwide组成的合资企业，是一家专注于装配公差分析软件研发的软件公司，自CETOL问世以来，Sigmetrix一直通过各种方式，如参与高校的ADCATS项目，努力促进公差分析技术的发展。经过这些年的发展，Sigmetrix已经成为世界范围内知名的公差分析服务提供商。借助于Solidworks的平台，CETOL已经为广大的客户所熟知，应用范围涵盖了各类工程领域。同时， CETOL又有着组织和技术上的优势，和其它相关软件公司的合作，自身多年的开发经验，CETOL同时又是实现产品生命周期管理(PLM)和6 sigma方法的核心技术。近20年的成熟市场经验也验证了Sigmetrix公司以客户为中心的理念所提供的优质服务。
作为全球更大的CAE解决方案供应商之一的Cybernet System Co. LTD的全资子公司，美国Sigmetrix,LLC公司是一家应用于在设计及制造系统中，专注于尺寸装配公差分析软件研发的CAE公司，通过其研发的世界一流的公差优化技术软件CETOL，由全球顶级的专家向离散制造业提供产品性能和制造过程中的6Sigma质量控制解决方案。
Sigmetrix 公司与 Dassault SolidWorks、Dassault CATIA、PTC是金牌合作伙伴关系
2. CETOL全球主要用户
CETOL全球主要用户群：
图 8
3. 客户案例
3.3.1汽车行业应用案例
1）汽车座椅系统公差分析
CETOL6б进行公差分析的目标就是获得基于公差分析的需求的敏感度 。该座椅系统要求在3个不同设计的构成位置对凸轮角的接触角度进行分析，装配约束包括多个凸轮曲面之间的约束关系设置，1天的分析结果在与客户召开关键会议时提供强大的信息支持 。
图 9
2） 汽车制动系统公差分析
需要分析制动板到圆盘之间的距离，还需要分析卡钳铸件到加工特征之间的制造工艺公差，CETOL6б成功以帮助设计工程师在设计阶段进行公差，对汽车制动系统进行预装配。
图 10
3）汽车车灯装配系统
为了控制汽车尾灯在装配后的装配质量，需要对装配后灯具与车体之间的间隙和外观表面光顺度，在对车灯装配支架进行敏感度分析时，需要对敏感度高的部位进行控制，保证装配质量。CETOL6б在宝马车灯装配系统上的成功应用，保证灯具在装配后的整体质量。
4. 方案选择（配置模块）
1）功能模块:
a)配合关系设置模块
b)基于运动机构的设置模块
c)分析器模块
d)形状和位置公差设置模块
e)“what if”分析设置模块
f)建模器模块
g）测量尺寸设置模块
2) 软件环境：
可运行在Windows、HP-UX、SGI IRIX和SUN SOLARIS操作系统下；
支持32位和64位机器；提供中文系统用户界面。
支持的三维CAD软件： Solidworks /ProE（Creo）/CATIA
5. 解决方案主要内容
CETOL 6sigma在建立装配约束关系时，系统会根据约束特征的特性自动生成多种配合类型，下拉菜单提供多种选项，帮助快速找到所需的配合类型，系统计算配合的自由度状态，有助于正确理解三维实体的空间自由度。对于装配约束的偏置情况，系统提供方便的设置工具。装配约束关系超过300种 。
5.1复杂装配公差分析
对于一个复杂的装配机构，需要评估零件在不同位置时的装配性能，CETOL 6sigma实现了在一个装配模型对多个装配位置的设置，简化的模型设置，提高了装配建模的效率。
在CETOL 6sigma可以改变零件的位置，计算在不同装配状态下的测量尺寸，每一个具体位置的变化，就会生成一个新的装配模型。在同一个装配文件，只需定义零件的不同位置，就可表达机构的运动状态，无需重新定义原有的配合关系。
图12 多个位置关系的定义
5.2精确定义装配约束过程
装配过程实际也是一个对零件自由度约束的过程，通过在零件之间建立配合关系，使零件的自由度逐个被约束，最终达到准确约束的状态。配合关系不仅包括交叉轴合、球与面配合、点与面配合、球面配合、一般面配合等。除了准确约束之外，还有过约束和欠约束两种状态。过约束是指一个零件的某个自由度被多个配合关系所约束，因此，零件尺寸的微小变化会使零件无法同时满足多个装配关系，导致装配无法达到指定的精度，而欠约束则是指一个零件的某个或多个自由度未被任何配合关系所约束，因此该零件可能有该自由度上的刚体运动，这样也会导致装配出现问题。
表1 零件之间的配合关系
5.3敏感度分析
灵敏度是封闭环尺寸对组成环尺寸变动的敏感程度，可以用封闭环尺寸对组成环尺寸的导数来计算，首先建立封闭环尺寸和组成环尺寸之间的函数关系，然后对每个组成环尺寸取偏导数，即可得到封闭环尺寸对每个组成环尺寸的一阶敏感度。下面一个例子具体说明了灵敏度的计算方法，灵敏度的正负代表封闭环尺寸的相对变化方向，如果为正，封闭环尺寸和组成环尺寸的变化方向一致，如果为负，则组成环尺寸与封闭环尺寸的变化方向相反。灵敏度越高，则表示封闭环尺寸对该尺寸的变化比较敏感，可以考虑提高该尺寸的公差指标，反之，则可以对该尺寸取较低的公差指标。
图13 敏感度数据调整
CETOL 6sigma分析结果，是用其中的“敏感度”来计算数值。在通常情况下，对偏差结果影响大的公差尺寸是用“贡献度”来计算的。如果发现求解的尺寸象上图显示的那样比测量尺寸小，这样改变相关尺寸的公差是没有意义的。改变尺寸或角度的名义值，能把求解尺寸对应到测量尺寸公差的中间值，这样通过改变尺寸或角度的名义值来驱动测量尺寸，从这种意义来说，驱动测量尺寸的尺寸称为“敏感度”。
CETOL 6sigma可视化敏感度，是指掌握了敏感度高的尺寸以后，这个尺寸在实际变动情况下对装配精度是如何影响的，可视化敏感度是直接以视觉捕捉的形式感受敏感度高的尺寸是如何对封闭环尺寸产生影响的
图14 动画演示敏感度
5.4贡献度分析
贡献度计算是指装配尺寸链中，组成环尺寸公差相对于封闭环尺寸的公差的贡献大小，它考虑各个尺寸公差对装配质量的影响，结果贡献度分析是建立在灵敏度数据和一般尺寸变动数据的基础上的，它反映了封闭环尺寸对封闭环尺寸公差分布的影响程度，从贡献度分析中，可以找出对封闭环尺寸影响更大的封闭环尺寸，这类尺寸的变动会对封闭环尺寸产生很大的影响。而贡献度比较小的数据，则可以不考虑其尺寸变动的影响。一旦建立好合理的公差模型，用户就可以研究设计和制造之间的相互作用分析，CETOL 6б提供了高效的询问工具来理解设计选项，并确认对设计和制造来说都更好的解决方案
图15 贡献度数据排序
软件技术服务
莎益博工程开发系统将提供以下的技术支持和服务：
- 莎益博工程开发派技术人员在客户现场负责软件的安装、调试与检验，自备必要工具
- 莎益博工程开发在安装现场对使用操作、维护管理人员进行技术培训。
- 安装、调试、培训及技术服务费用分项报价并计入投标总价。
- 指导并完成软件的安装
- 建立详细的用户信息档案
- 为客户提供一个固定的高级应用工程师作为总负责工程师，与客户建立稳定的技术联系，提供技术支持或协调其他工程师进行技术支持
- 提供各种方式的技术支持, 包括：软件维护、操作指导、解决工程技术问题的技术路线指导
- 服务方式（免费）：E-mail (24小时内)，电话（解答客户技术问题）
- 定期发放用户跟踪表，定期回访
- 提供基础、高级培训
总结
CETOL6sigma真实地模拟实际的物理装配过程，考虑实际的装配偏差和加工偏差对装配质量的影响，减少生产过渡阶段中的产品设计错误，避免由于设计的错误造成返修时间，可以持续使用更高质量的产品,在产品设计阶段对产品质量有一个全面的预测，提高设计人员对尺寸公差链的深刻理解能力，降低制造和维护成本，结合数据库管理，协助建立公司的公差标准。
总的来说，CETOL6sigma引入了真实世界的装配约束，能够模拟实际的装配过程，并预测可能出现的偏差对最终装配精度的影响，从而预测产品的质量。通过灵敏度和贡献度分析能帮助识别影响产品质量／成本的关键特性，找出对应的零件尺寸，直接进行修改，可以提高改进设计的效率，并保证修改后的设计有较强的稳健性，这样也为用户提供了理解偏差和设计行为的信心。在分析过程中允许快速的假设分析，能有效地支持重复性设计和6sigma过程。CETOL6sigma的分析方案也提出了一个和同步工程相符合的理念，在设计过程中较早开始公差分析，并促进设计的稳健性已经成为可能。
苏公网安备 32059002002276号
