基于VSA的容差建模分析

葛磊

【摘 要】飛機(jī)制造過(guò)程中，其零部件的公差及裝配工藝流程直接影響飛機(jī)的裝配精度。本文使用ViaVSA容差分析軟件以產(chǎn)品模型為基礎(chǔ)，結(jié)合尺寸鏈，對(duì)VSA建模不同方法進(jìn)行分析，確定最優(yōu)建模方法。

【關(guān)鍵詞】容差分析；尺寸鏈；裝配

中圖分類號(hào)： TH124 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）25-0021-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.009

【Abstract】The precision of part and process plan of the plane directly affect products manufacturing accuracy in the process of aircraft manufacturing. Based on the product model with combination of dimension chain，this article use tolerance analysis software ViaVSA to analysis different model affect on assembly，and then confirm the optimal model.

【Key words】Tolerance analysis； Dimension chain； Assembly

0 引言

公差是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要組成部分，是保證產(chǎn)品工功能的關(guān)鍵因素。飛機(jī)對(duì)裝配準(zhǔn)確度要求非常高，可以通過(guò)制造準(zhǔn)確度、裝配容差等方法滿足高裝配準(zhǔn)確度要求。然而制造準(zhǔn)確度要求越高，通過(guò)減小制造誤差來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致制造成本大幅度的增加同時(shí)對(duì)加工設(shè)備的要求也勢(shì)必提高，因此一味試圖通過(guò)提高制造準(zhǔn)確度的方法來(lái)滿足裝配準(zhǔn)確度是難以實(shí)現(xiàn)的。裝配過(guò)程的協(xié)調(diào)通常表現(xiàn)為協(xié)調(diào)路線，不同的協(xié)調(diào)路線與裝配誤差累積和容差分配密切相關(guān)，最終都要通過(guò)裝配容差和工藝余量來(lái)滿足裝配封閉環(huán)的要求，而裝配過(guò)程中對(duì)工藝余量進(jìn)行修配和協(xié)調(diào)將直接影響裝配準(zhǔn)確度[1]。如果裝配容差分配不合理，將難以滿足裝配的要求；同時(shí)有可能導(dǎo)致返工或修改，引起一次裝配成功率的降低。因此飛機(jī)裝配的誤差分析和容差優(yōu)化已成為提高產(chǎn)品裝配準(zhǔn)確度需迫切解決的問(wèn)題。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 容差分析

容差分析的主要工作是根據(jù)協(xié)調(diào)路線及零件制造確定的零件公差、裝配路線及基準(zhǔn)傳遞路線所建立尺寸鏈，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬裝配，對(duì)尺寸鏈中零部件公差的積累進(jìn)行模擬仿真，最終得到控制目標(biāo)的工藝能力指數(shù)評(píng)判，驗(yàn)證工藝方案的合理性及可形狀，并對(duì)工藝方案和裝配協(xié)調(diào)路線進(jìn)行優(yōu)化，以提高工藝方案的可行性和產(chǎn)品的裝配準(zhǔn)確性[2]。

1.2 尺寸鏈

產(chǎn)品是由若干互相關(guān)聯(lián)的有技術(shù)要求的零件裝配而成。這些零件的尺寸就反映著它們之間的關(guān)系。從尺寸鏈的觀點(diǎn)來(lái)看， 整個(gè)機(jī)器就是一個(gè)彼此有著密切關(guān)系的尺寸鏈系統(tǒng)[3]。應(yīng)用尺寸鏈來(lái)計(jì)算容差，首先根據(jù)零、部件間的關(guān)鍵特性、裝配關(guān)系及工裝和測(cè)量方案確認(rèn)尺寸鏈。然后用蒙特卡洛法在軟件中模擬裝配來(lái)計(jì)算累積的容差。

1.3 蒙特卡洛法及工藝能力

VisVSA是Siemens公司提供的一個(gè)商用容差分析計(jì)算軟件，能有效的解決靜態(tài)裝配問(wèn)題，既可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)好的裝配順序、公差標(biāo)定是否可行，又可以通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比方式正向設(shè)計(jì)出相對(duì)較合理的裝配方案。

VSA采用的是目前應(yīng)用較廣的公差設(shè)計(jì)函數(shù)計(jì)算方法-蒙特卡洛法[4]。蒙特卡洛法是一種通過(guò)隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)、隨機(jī)模擬，求解數(shù)學(xué)物理、工程技術(shù)問(wèn)題近似解的數(shù)值方法。

正態(tài)分布是蒙特卡洛法中使用最廣泛的一類模型，描述正態(tài)分布需要均值和標(biāo)準(zhǔn)差兩個(gè)特征值，其密度函數(shù)和分布函數(shù)的一般形式如下：

在對(duì)過(guò)程區(qū)間的處理上， 系統(tǒng)默認(rèn)±3σ 以內(nèi)的值（約99.73%）是可信值，超出此范圍的值（約0.27%）是壞點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，以Cp和Cpk值作為工藝能力的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)踐表明工序能力（Cp）越高產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)越?。还ば蚰芰υ降?，產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)就越大。一般要求Cp值要大于1.33，但Cp值過(guò)高會(huì)使產(chǎn)品成本增加。

2 基于VisVSA的建模方式分析

副翼支臂交點(diǎn)安裝如圖1所示，主要涉及零件為副翼支臂、底座、后梁，涉及到裝配工裝的控制點(diǎn)為后梁面擋塊，支臂定位銷及擋塊。裝配需控制的控制目標(biāo)位交點(diǎn)的位置度和同軸度。

2.1 工藝方案描述

方案一，兩套獨(dú)立工裝，當(dāng)作為兩套獨(dú)立工裝時(shí)：在VSA中的建模中將支臂工裝和后梁工裝在Catia建模中為兩個(gè)獨(dú)立零件。方案二，一體工裝，該方案下是在Catia建模中將兩套工裝作為一個(gè)零件。方案三，經(jīng)黑盒處理的工裝：在Caita建模中支臂工裝和后梁工裝為兩個(gè)獨(dú)立文件，在VSA里進(jìn)行黑盒處理為一個(gè).jt格式零件。

2.2 容差分析

將產(chǎn)品數(shù)模及工裝數(shù)模轉(zhuǎn)化為軟件所需格式，并導(dǎo)入軟件。根據(jù)不同的裝配方案選取不同的裝配特征及對(duì)應(yīng)的測(cè)量目標(biāo)特征，之后按照不同方案在viavsa軟件中進(jìn)行相應(yīng)的裝配，然后仿真計(jì)算各方案測(cè)量目標(biāo)的結(jié)果。

方案一仿真結(jié)果如圖2所示，圖二測(cè)量結(jié)果可知，將支臂工裝定位銷的位置度從0.15mm改到1mm，cp值由1.5492mm改成0.7171mm，CP值發(fā)生變化。

方案二仿真結(jié)果見圖3，由方案二結(jié)果可知：將支臂工裝定位銷的位置度從0.15mm改成1mm，CP值從1.3498變成0.7621。

圖4所示為方案三的仿真計(jì)算結(jié)果，可見將支臂工裝定位銷的位置度從0.15mm改成1mm，CP值從1.4700變成0.7452。

根據(jù)3種方案的仿真分析結(jié)果可見，在同樣的零件制造精度、工裝精度的情況下，工裝的誤差可以傳遞到測(cè)量目標(biāo)，CP值變化較為靈敏；VSA軟件內(nèi)部已經(jīng)考慮到相應(yīng)的工裝建模影響，三種方案對(duì)測(cè)量目標(biāo)CP值影響較為一致，可根據(jù)實(shí)際情況任選其中一種方案處理模型。

3 結(jié)論

在數(shù)字化制造的國(guó)際背景下，利用容差分析與優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化、容差分配優(yōu)化、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化已成為必然趨勢(shì)。計(jì)算機(jī)輔助容差分析能在結(jié)合已有的工藝經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)不斷完善迭代，補(bǔ)充并完善企業(yè)工藝經(jīng)驗(yàn)的累積，合理、有效的分配尺寸鏈各環(huán)節(jié)的容差，能夠提高裝配質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本，縮短設(shè)計(jì)周期。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王姮，侯志霞，李光麗，等.面向裝配的飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2014（21）：63-65.

[2]周瞳.飛機(jī)艙段對(duì)接裝配容差分析建模及工藝優(yōu)化.上海交通大學(xué)，2011.

[3]周琳，翟建軍，黃翔，等.一種筒段對(duì)接關(guān)鍵特征點(diǎn)的容差分配方法[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2015，44（3）：58-61尺寸鏈.

[4]劉壯.基于VisVSA技術(shù)的汽車裝配公差分析.汽車技術(shù)[J].2011，1；57-61.