面向制造和装配的产品设计之公差分析(可编辑)

1、面向制造和装配的产品设计之公差分析DFMADFMA第第 44 部分部分：公差分析公差分析Tolerance AnalysisTolerance Analysis钟元钟元72013/03/302013/03/30DFMADFMA内容：一常见的公差分析做法二公差分析三公差分析的公差分析的计算步骤算步骤四四公差分析的计算方法公差分析的计算方法五公差分析的三大原则六产品开发中的公差分析DFMADFMA一. 常见的公差分析做法1. 产品详细设计完成后，在 design review 时，针对 O-ring 的压缩量进 行公差分析；分析如下：DFMADFMA常见的公差分析做法2. 当发现公差分析的结果不满

2、足要求时，修改尺寸链中的尺寸公差，从 0.15mm修改到土 0.10mm发现依然不能满足，继续修改到 0.05mm直到满足O-ring的15%压缩量要求；成功完成公差分析4DFMADFMA一. 常见的公差分析做法存在的问题：公差的设定没有考虑到制程能力公差的设定没有考虑到制程能力? 公差的设定没有考虑到成本没有缩短尺寸链的长度没有缩短尺寸链的长度? 当公差分析结果不满足要求时，没有通过优化设计的方法，而是通过严格要求零零件尺尺寸公差的方法；? 对尺寸公差没有进行二维图标注 对尺寸公差没有进行制程管控对尺寸公差没有进行制程管控? 产品制造后，没有利用真实的零件制程能力来验证设计阶段的公差分析在产

3、品详细设计完成后才开始进行公差分析在产品详细设计完成后才开始进行公差分析5DFMADFMA一. 常见的公差分析做法后果：产品不良率高产品不良率高? 要求严格的公差，产品制造成本高，但依然会出现不良品实实际产品公差分析验证6DFMADFMA二. 公差分析1. 公差的概念：为什为什么为产生为产生公差差？? 加工制程的变异： ? 组装制程的变异：组装设备的精度材料特性的不同? 设备或模具的精度 ? 工装夹具装夹 具的错误错误? 加工条件的不同? 操作员的不熟练? 模具磨损7DFMADFMA二. 公差分析1. 公差的概念：公差是零件尺寸所允许的偏差值公差是零件尺寸所允许的偏差值， 设定零 件的公差即是

4、设定零件制造时设定零件的公差即是设定零件制造时尺寸允许的偏差范围100.0799.759999.8888100.031000.20100.05100100.000099.9999.92100100.1515100.30DFMADFMA二. 公差分析1. 公差的概念：正态分布正态分布下偏差下偏差 上偏差上偏差DFMADFMA二. 公差分析2. 公差的本质：公差是产品设计和产品制造的桥梁和纽带公差是产品设计和产品制造的桥梁和纽带，是保证产品以优异的质量是保证产品以优异的质量、设计造功能功能用制造费用性能外观外观选择制造方法选择可装配性机器设计限制稳健性设计验设计意图优良的性能和较低的成本进行制造的

5、关键。公差公差制造制制造费装配费用制造方法 精密宽松 夹具检 不良返工率返工率客户满意10DFMADFMA二. 公差分析2. 公差的本质：公差与成本的关系公差与成本的关系： ：零件公零件公差越严格，零件制造成本就越高严格的零件公差要求意味着严格的零件公差要求意味着：? 更高的模具费用；? 更精密的设备和仪器；额外的加额外的加工程序程序；? 更长的生产周期；? 更高的不良率和返工率；? 要求更熟练的操作员和对操作员更多的培训；? 更高的原材料质量要求及其更高的原材料质量要求及其 产生的费用。11DFMADFMA二. 公差分析3. 宽松的零件公差要求A. 设计合合理的的间隙? 设计合理的间隙，防止

6、零件过约束，避免对零件尺寸的不必要的公差要求，不合理的零件间隙设计会带来对零件不合理的公差要求合合理间隙间隙零件 A零件 B零件 C12DFMADFMA二. 公差分析B. 简化产品装配关系，缩短装配尺寸链? 对于重要的装配尺寸对于重要的装配尺寸，在产品最初设计阶段就要重点加以关注在产品最初设计阶段就要重点加以关注，简化产简化产品的装配关系，避免重要装配尺寸涉及更多的零件，从而减少尺寸链 中尺寸的数目，达到减少累积公差的目的，产品设计于是能够允许零件宽松的公差要求松的公差要求减少尺寸链的长度，尺寸允许较大的公差13DFMADFMA二. 公差分析C. 使用定位特征? 在零件的装配关系中增加可以定位

7、的特征在零件的装配关系中增加可以定位的特征，例如定位柱等例如定位柱等，定位特征能定位特征能够使得零件准确的装配在产品之中，产品设计只需要对定位特征相关的尺寸公差进行制程管控，对其他尺寸就可以允许宽松的公差要求D. 使用点或线或小平面与平面配合代替平面与平面配合? 使用点或线与平面配合的方式代替平面与平面的配合方式，避免平面的变形或者平面较高的粗糙度阻碍零件的顺利运动，从而可以对零件的平面度和粗糙度允许宽松的公差原始的设计 优化的设计14DFMADFMA二. 公差分析4. 公差分析的概念：? 公差分析是指在满足产品功能公差分析是指在满足产品功能、 性能性能、 外观和可装配性等要求的前提下外观和可

8、装配性等要求的前提下，合理定义和分配零件和产品的公差，优化产品设计，以最小的成本和 最高的质量制造产品5. 公差分析的目的：? 合理设定零件的公差以减少零件的制造成本? 判断零件的可装配性，判断零件是否在装配过程中发生干涉? 判断零件装配后产品关键尺寸是否满足外观、质量以及功能等要求预测产品不良率预测产品不良率? 当产品的装配尺寸不符合要求时，可以通过公差分析来分析制造和装配过程中出现的问题过程中出现的问题，寻找问题的根本原因寻找问题 的根本原因? 优化产品的设计，这是公差分析非常重要的一个目的15DFMADFMA三. 公差分析的步骤1. 定义公差分析的关键尺寸及其公差：? 零件的装配间隙零件

9、的装配间隙? 外观零件的配合间隙? 零件之间的功能、性能和可靠性等配合尺寸16DFMADFMA公差分析的步骤2. 定义尺寸链：? 尺寸链尺寸链，是指在产品的装配关系中是指在产品的装配关系中，由互相联系的尺寸按由互相联系的尺寸按一定顺序首尾定顺序首尾相接排列而成的封闭尺寸组尺寸链两大特点尺寸链两大特点： 一是封闭性是封闭性， 尺寸链是由多个尺寸首尾相连尺寸链是由多个尺寸首尾相连；二是关二是关联性，组成尺寸链的每个尺寸都与关键尺寸有关联性，尺寸链中每个尺寸的精度会影响到关键尺寸的精度? 如果公差分析计算出的关键尺寸名义值与设计值不相等，则说明尺寸定义错误三. 公差分析的步骤3. 判断尺寸链中尺寸的

10、正负：? 尺寸的正负可以使用尺寸的正负可以使用 “箭头法箭头法”确定确定箭头法是指从关键尺寸的任箭头法是指从关键尺寸的任一端端开始起画单向箭头，顺着整个尺寸链一直画下去，包括关键尺寸，直到最后一个形成闭合回路，然后按照箭头方向进行判断，凡是箭头方向与关键尺寸箭箭头同向向的尺寸为负为负 （- ），反向向的为为正（ +）? 尺寸链中的尺寸的增加如果使得关键尺寸的值增加则为正（ +），如果使得关键尺寸的值减少则为负使得关键尺寸的值减少则为负（- ）4. 将非双向对称公差转换为双向对称公差：00.202010010005. 公差分析的计算? 极值法极值法asmasm iiDD DD? 均方根法均方根法

11、?00 .1010100 .10?0 .10asmasmTT TTasm iiiasm i6. 判断和优化19DFMADFMA四. 公差分析的计算方法1. 计算方法：极值法极值法：极值法是考虑零件尺寸最不利的情况极值法是考虑零件尺寸最不利的情况，通过尺寸链中尺寸的最大值通过尺寸链中尺寸的最大值或最小值来计算关键尺寸的值均方根法均方根法：均方根法是统计分析法的均方根法是统计分析法的一种种，是把尺寸链中的各个尺寸公差的是把尺寸链中的各个尺寸公差的平方之和再开根即得到关键尺寸的公差四. 公差分析的计算方法2. 极值法：DD DD TT TT? 计算公式计算公式： asm i asm ii?实例：A尺

12、寸的值和公差为54.00 0.20, B为12.00 0.10, C为 1313.0000 00.1010 , DD 为为 1616.0000 00.1515 , EE 为为1212.5050 00.1010，利用极值法求关键利用极值法求关键尺寸 X 的名义值和公差计算计算：?计算 X 的名义值：DX DA + DB + DC + DD + DE5454.0000+ -1212.0000 + -1313.0000 + -1616.0000 +-1212.50 5054.00 -12.00 -13.00 -16.00 -12.50? 计算 X 的公差TX TA + TB + TC + TD +

13、TE0.20 + 0.10 + 0.10 + 0.15 + 0.100.65 毫米?X 0.5 0.6521DFMADFMA四. 公差分析的计算方法计算公式计算公式： DDDD TTTT2?实例：A尺寸的值和公差为54.00 0.20, B为12.00 0.10, C为1313.0000 00.1010 , DD 为为 1616.0000 00.1515 , EE 为为1212.5050 00.1010，利用极值法求关键利用极值法求关键尺寸 X 的名义值和公差计算计算：?计算 X 的名义值：（方法与极值法相同）DX 0.50 毫米计算计算 XX 的公差的公差T T 2 ?T 2 ?T 2 ?T

14、 2 ?T 2X A B C D E00.20202 00.10102 00.10102 00.15152 00.101020.04 ?0.01?0.01?0.0225 ?0.010.30?X 0.5 0.3022DFMADFMA四. 公差分析的计算方法4. 极值法与均方根法的区别? 当零件尺寸公差都是当零件尺寸公差都是 00.11 时时，利用利用WCW和和RSSRS方法的计算结果区别如下方法的计算结果区别如下：? WC方法的累积公差更大，计算结果更大DFMADFMA四. 公差分析的计算方法4. 极值法与均方根法的区别当产品装配公差要求是当产品装配公差要求是 00.55 时时，利用利用WCWC

15、和RSSRS方法方法，对零件尺寸公差要对零件尺寸公差要求的区别（假设尺寸链中的每个尺寸分配相同的公差）WCW（方法要求严格的零件尺寸公差方法要求严格的零件尺寸公差24DFMADFMA四. 公差分析的计算方法4. 极值法与均方根法的区别计算方法计算方法极值法极值法均方根法均方根法模型LSL USL LSL USL1. 所有尺寸都是正态分布2. 尺 寸 的分布是全部没有偏差 .假设 所有尺寸都在公 差范围 之内3. 所有公差体现的都是相同标准差数量orors s .4. 尺 寸都是对称公差 .优点： 优点：如果零件实际制造尺寸都在公差范围之1. RSS 是基于名义尺寸居中心，用概率内内，那么产品不

16、会出现不合格品那么产品不会出现不合格品；非常非常寸的趋势，接近真接近真统计理论分析零件尺寸的趋势统计理论分析零件尺优缺点保守；实性缺点： 2. 比WC法其成本较低。零件尺寸都处在极限值状态的机率是非缺点：常低的太多的假设1. 极 值 法要 求 零 件 较 小 的 公 差 ， 不 良 率 高如果零件尺寸部分或所有 RSS 假设是风 险2. 零 件 成 本 高 的 风 险 .无效的，结果的可靠性会降低1. 尺寸链尺寸不超过尺寸链尺寸不超过 4 个个1. 尺寸链尺寸尺寸链尺寸 4 个或个或 4 个以上个以上应用 场 合2. 对 制 造 工 艺 不 够 了 解2. 对制造工艺足够了解25DFMADFM

17、A五. 公差分析的三大原则1. 宽松的零件公差要求? 公差越严格公差越严格，成本越高成本越高? 避免对零件尺寸提出严格的公差要求的公差要求五. 公差分析的三大原则2. 公差的一致性? 零件的制造工艺能力决定了公差分析中尺寸公差的设定零件的制造工艺 能力决定了公差分析中尺寸公差的设定；公差并不是随公差并不是随意设定的；二维图纸中公差标注与公差分析中的公差二维图纸中公差标注与公差分 析中的公差一致致；? 对公差分析中的尺寸需要进行制程管控；制 造 工艺 公差 分 析中 二维图样零能力 能力 公差的设定公差 的设定 件公差标注件公差标注零件尺寸制程管控制程管控27DFMADFMA五. 公差分析的三大

18、原则3. 当公差分析的结果不满足要求时：不推荐的做法的做法：? 调整尺寸链中的尺寸公差大小；? 增加关键尺寸的公差；推荐的做法推荐的做法：? 调整尺寸链中的尺寸大小? 减少尺寸链的长度；使用定位特征使用定位特征；DFMADFMA五. 公差分析的三大原则3. 当公差分析的结果不满足要求时：? 调 整 尺 寸 链 中 的 尺 寸 大 小 调 整 尺 寸 链 中 的 尺 寸 大 小 ； 调整密封圈调整密封圈尺寸，压缩量即符合设计要计要DFMADFMA五. 公差分析的三大原则3. 当公差分析的结果不满足要求时：? 减少尺寸链的长度减少尺寸链的长度；? 减少尺寸链中的零件数量；? 同一零件中，减少尺寸链

19、的长度，避免公差累积；如果两个零件之间的关键尺寸很重要如果两个零件之间的关键尺寸很重要，尽量使得尺寸链仅涉及到这两个尽量使得尺寸链仅涉及到这两个零件，避免涉及到第三个、第四个、第 N 个零件；涉及的零件越多，公差累积，越不容易满足设计要求；如果涉及多个零件不可避免，则尽量减少涉及的零件个数减少涉及的零件个数DFMADFMA五. 公差分析的三大原则3. 当公差分析的结果不满足要求时：? 减少尺寸链的长度减少尺寸链的长度；减少尺寸链的长度，减小累积公差31DFMADFMA五. 公差分析的三大原则3. 当公差分析的结果不满足要求时：? 减少尺寸链的长度减少尺寸链的长度；A 为 54.00 0.20,

20、 B 为 12.00 0.10, C为 13.00 0.10, D为原始的设计32DFMADFMA五. 公差分析的三大原则3. 当公差分析的结果不满足要求时：? 减少尺寸链的长度减少尺寸链的长度；A 为 54.00 0.20 , C为 25.00 0.15 , D为 28.50 0.15优化的设计优化的设计DFMADFMA五. 公差分析的三大原则3. 当公差分析的结果不满足要求时：分析结果有较大? 减少尺寸链的长度减少尺寸链的长度；针对开始的案例， 缩短尺寸链， 减少尺寸公差累积，优化的设计34DFMADFMA五. 公差分析的三大原则3. 当公差分析的结果不满足要求时：? 使用定位特征使用定位

21、特征；? 好处：? 定位特征可以提供较精密的尺寸公差定位特征的尺寸可以放置于比较容易进行尺寸管控的区域定位特征的尺寸可以放置于比较容易进行尺寸管控的区域? 使用定位特征时可以减少和避免对其他尺寸的公差要求， 只需严格管控定 位特征的相关尺寸位特征的相关尺寸，就可以满足产品设计要求就可以满足产品设计要求? 因为定位特征精度高， 使用定位特征有利于减少零件之间的尺寸公差累积35DFMADFMA五. 公差分析的三大原则3. 当公差分析的结果不满足要求时：? 未使用定位特征时未使用定位特征时；22.8080 00.0505 ，零件零件 11 的螺钉孔的螺钉孔一般设计为般设计为33.5050 00.05

22、05零件 2 零件 1原 始的设 计36DFMADFMA五. 公差分析的三大原则3. 当公差分析的结果不满足要求时：? 使用定位特征时使用定位特征时；尺寸A为5.00 0.05 ,尺寸B为5.00 0.05。零件1右侧的定位孔直径为44.00 00.0505，左侧定位孔为长圆孔左侧定位孔为长圆孔，零件零件 22 的定位柱直径为的定位柱直径为 33.99 00.0505；零件 2零件 1设计优化的37DFMADFMA六. 产品开发中的公差分析定义关键尺 寸及其公差 优化的产品 设计假设假设产品开发中的公公差分析差分析流程图差分析流程图验证38DFMADFMA六. 产品开发中的公差分析1. 定义公

23、差分析的关键尺寸和公差：二维图纸尺寸公差标注寸公差标注制程能力测量量真实产品公差分析差分析在产品概念设计完成后在产品概念设计完成后，在详细设计之前在详细设计之前，根据产品的功能根据产品的功能、外观和配合等外观和配合等设计要求，明确定义那些尺寸是关键尺寸，以及关键尺寸的公差AA. 零件之间的功能零件之间的功能、性能和可靠性等配合尺寸性能和可 靠性等配合尺寸实例：? 连接器之间的端子 overlap 尺寸应当足够大以保证连接? 卡勾的 overlapp 尺寸应当足够大以保证配合强度? 导电泡棉的压缩量应当足够大以提供应有的导电性能防水防水00型圈的压缩量应当足够大以保证防水性能型圈的压缩量应当 足够大以保证防水性能? PCB上的IC零件应当与金属保持足够大的距离，以防止短路运动零件之间或者运动零件与静止零件之间应当保证足够的间隙运动零 件之间或者运动零件与静止零件之间应当保证足够的间隙，保证保证运动不发生干涉39DFMADFMA六. 产品开发中的公差分析1. 定义公差分析的关键尺寸和公差：BB. 外观零件的配合间隙外观零件的配合间隙 产品外观质量要求40DFMADFMA六. 产品开发中的公差分析1. 定义公