公差分析和尺寸链方法.ppt

公差分析和车身尺寸链方法ToleranceAnalysis Auto bodyDimensionChainMethod 车身质量控制系列讲座 1 DToleranceanalysisAuto bodyDimensionChainMethod Contents Variationvs ToleranceVariationSimulationMethodsAdvantagesandLimitationsofEachMethodIntegrationofKeyCharacteristicofProduct ProcessAssemblyConstraintsToleranceandSolvingofDimensionChain PartI1 DToleranceanalysis 3 49 Characterizingtheperformanceofaprocess Centraltendencyormean Spreadorvariation 4 49 Variationvs Tolerance Variation iswhattheprocessgivesus maybequitedifferentfromthetolerance ToleranceorSpecificationis theallowablelevelofvariation basedonfunctionalconsideration usedtoestablishapart sconformabilitytodesign Butthetechniquesforpredictingvariationortoleranceforanassemblyisthesame 5 49 VariationSimulation Givenindividualpartdimensionsandtheirdistribution whataretheassemblydimensions Butthemethodcanappliedmorewidelythanmechanicalassembly Thegeneralformis givenafunctionY f x1 x2 andthedistributionsofxi Whatisthedistributionofy 6 49 VariationSimulationMethods Twothingsareessentialinordertoperformvariationanalysis Oneisanassemblymodelorinput outputmodel Theotheristhedistributionofvariables 7 49 CommonlyUsedVariationSimulationMethods WorstCase Conway 1948 ChaseandParkinson 1991 RootSumSquares RSS Spotts 1978 LeeandWoo 1990 MonteCarloSimulation Craig 1989 8 49 SimpleVariationSimulationExample Givencomponenttolerances determinethevariationinthemeasureddimension thegapbetweentheblocksandthebase Inworstcaseanalysis itisassumedthatthecontributingdimensionsarealwayswithintolerance Bymakingthisassumptionworstcaselimitscanbefoundwithinwhichthemeasureddimensionmustalwaysfall WorstCaseAnalysis RootSumSquares TheideabehindRSSistotreatatoleranceasanormaldistributionwithcertainprocesscapability anduserandomassembly Meanandvarianceofsomelinearfunctions 12 49 MonteCarloSimulation 13 49 14 49 15 49 LinearizedSensitivityModel Ageneralassemblymodelwillbeafunctionoftheform Wherexiarethecomponentdimensions andyistheresultantassemblydimensions Themeandimensionoftheassemblywillbe 1 16 49 LinearizedSensitivityModel Tocalculatethevariance weapplyTaylor sseriesexpansiontoEq 1 whichwillgive Inthespecialcasewhentheassemblyequationislinear theexpressionfortheassemblymeanandvarianceareexact However fornonlinearassembly thevarianceestimatemaynotbecorrect 17 49 LinearizedSensitivityAnalysis x y 18 49 NonlinearAssemblyExample Intheoverrunningclutchassembly weareinterestedinhowvariabilityinthecomponentdimensionswillinfluencethecontactangle theassemblydimension x1 hubwidthx2 x3 rollerdiameterx4 cageinsidediameter GreenwoodandChase 1990 19 49 NonlinearAssemblyExample NominalDimensions x1 55 29mmx2 x3 22 86mmx4 101 60mm 20 49 NonlinearAssemblyExample Variation If ByRootSumSquares ByMonteCarlo 21 49 AdvantagesandDisadvantages WorstCaseAnalysis Conservative RootSumSquares Simple assumenormaldistribution worksforlinearassemblyonly MonteCarlo Mostgeneral worksforlinearandnon linear normalandnon normaldistributions 22 49 PartIIAuto bodydimensionchainmethod 23 49 基于约束分析的车身尺寸链方法Constraint basedAuto bodyDimensionChainMethod 从装配的角度看 车身是装配尺寸和装配约束之间链接关系的集合 尺寸链建立的成功与否 决定了装配件质量状态 车身装配设计的目的 是通过建立各级装配的尺寸和约束关系 进行公差分析和综合 对关键特征进行敏感性分析和验证 合理确定车身DTS规范 实现设计意图 24 49 车身尺寸链三要素Dimensionchainelements 产品和工艺特征的集成IntegrationofKeyCharacteristicsofProduct Process装配约束的实现AssemblyConstraintsAccomplishment公差及尺寸链求解ToleranceandSolvingofDimensionChain 25 49 关键产品和工艺特征KeyProduct ProcessCharacteristics 工艺特征 装配顺序 夹具元素 定位方式 连接方式 Line BOP 关键特征之间的关系实质上为装配约束关系的满足 产品设计 26 49 装配约束AssemblyConstraint 装配约束 所揭示的是两个接触面之间的相互关系装配约束的静态实现原则 1 匹配面之间几何特征的一致性 2 力 力矩平衡 3 应力 应变 温度关系 6自由度 6DOFs 27 49 正约束和过约束Properconstraints over constraints 正约束与过约束 如果装配体位置状态仅由几何特征一致性和力平衡所决定 称之为正约束 或静定约束 运动学约束 如果装配体存在内应力则称之为过约束 或静不定约束 x y x y X向过约束X向正约束 28 49 约束的实现Constraintssatisfaction 施加装配约束是装配设计活动的重要内容 约束的功能 1 确定位置 每个自由度给与一个约束 正约束2 传递位置 把本零件的位置传递到相邻装配零件 正约束具备清晰尺寸链传递路径 而过约束或欠约束不具备 常见的约束问题 1 过约束 2 欠约束 3 过约束造成部件产生内应力解决方法 通过试验寻找欠或过约束条件 29 49 装配约束检查Assemblyconstraintschecking 发生过约束的情形 1 需要技巧把零件放置到正确安装位置 2 依赖操作人员 3 只能按某个特定的顺序紧固 4 取出焊接件困难 5 一些零件装配很容易 但其他相同零件却很难 6 测量数据不一致 30 49 车身装配约束分类TaxonomyofConstraints 错误约束 1 试图定位已具备内应力的零件 2 失效约束 31 49 装配约束分析和利用UtilizationofConstraints 车身装配中常用的装配约束 搭接 对接 角接 4 waypin 2 waypin 内应力利用内饰 装饰板之间匹配外饰件 前后保与翼子板 侧围的连接 32 49 关于CAD中的装配约束 CAD系统能够作约束分析 但是 CAD系统中的约束并非机械或力学约束 而是指几何位置的一致性约束 许多所谓的正约束设计方案事实上是过约束的 目前为止 不同的CAD系统往往存在不一样的分析方法 Why 33 49 公差及其尺寸链求解Toleranceandresolvingofdimensionchain 34 49 尺寸链要素的几何特征参数 n1 n1 r n1 r n2 d p1 p1 p2 35 49 装配特征图 Gf NP Nf EP Ef AL 节点NP表示零件或者分总成 节点Nf表示零件上的配合特征 边EP和表示节点NP和Nf之间的连接边 边Ef表示节点Nf之间的连接边 AL表示节点和边的属性 FD1 FD2 36 49 尺寸链自动生成 采用图论路径搜索方法 ModifiedAll pathSearchAlgorithm 生成尺寸链各环节 37 49 尺寸链的求解 尺寸链路径的获取解决了尺寸偏差传播的途径问题 各环节的装配偏差以何种方式沿着尺寸链路径传播则是尺寸联求解的另一个关键问题 要解决这一问题首先需要研究影响零件位置关系变化 变迁 的各种因素 其中以装配稳定性条件 夹具布置方式 零件装配的公差特征最为重要 如果把确定零件的装配位置作为进行偏差传播分析的重要的第一步的话 建立程式化的装配偏差传播方法则是实现计算机辅助偏差分析的第二步 38 49 尺寸链的求解 局部坐标和全局坐标 3 2 1定位原理定位块定位销孔定位 本研究 局部坐标第一主定位平面关键定位特征控制点 O1 O2 x y z轴 GCS 全局坐标系 39 49 尺寸链的求解 零件的位姿 描述零件 内部 匹配面的位姿参数包括 特征点坐标 匹配面的法向矢量等参数设Mi x y z i 1 2 3 为匹配面上3个特征点 则平面方程 法矢法矢各分量和参考坐标轴夹角 匹配面位姿可看成是尺寸链的一个环节 定位控制点属于零尺寸环 40 49 尺寸链的求解 零件的位姿 两种内部特征的空间位姿关系匹配面特征和定位特征 内部匹配面特征之间 41 49 尺寸链求解 尺寸环 装配特征 公差分布 车身装配特征公差平面度公差同轴度公差 平面度公差参数 M x y z nt Tp 其中M x y z 为位于装配特征上的一个点 nt为处于该点的平面的法矢 Tp为公差值 位置度公差参数 N x y z Cn h Th 其中Cn为装配间隙的名义值 Th为间隙变化范围 h为薄板厚度 微元 42 49 尺寸链求解 尺寸环 装配特征 公差分布 分布特征单尺寸环节的理论分布区域相互独立的两尺寸环节 43 49 尺寸链求解 尺寸环 装配特征 公差分布 分布特征尺寸环节的实际分布区域决定于两个方面 一是点的几何位置控制参数 受基准影响的坐标 距离等 二是特征点本身的公差类型 通过匹配特征 包括定位特征 之间的空间变换 确定各尺寸环节的装配状态 即零件装配几何特征之间的位置关系 从而进一步确定尺寸环节的公差区域 需要建立两种空间变换关系 1 匹配特征与定位特征之间 2 非定位匹配特征之间 空间变换法 44 49 空间变换法 特征之间变换关系 匹配面的位姿变换关系 45 49 空间变换法 特征之间变换关系 特征点变化区域的确定设特征点M理论位置处于所在平面度公差区域的中点 根据定义 M点位置可在该公差区域的两个边界平面内变动 当参考基准或匹配基准发生变动 M点的变化区域根据叠加方法可以确定如下 其中 为M点的变化范围 分别为坐标系在x y z方向的单位矢量 为点Mi处的平面法向矢量 为关键尺寸的方向矢量 表示点积运算 46 49 空间变换法