曹 俊

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

基于Pro/E的公差分析在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用*

曹 俊

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

公差分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要部分，公差分析方法分為極值法和統(tǒng)計(jì)法兩類。文中介紹了兩類公差分析方法，利用Pro/E的公差分析對產(chǎn)品裝配的公差進(jìn)行分析，并對相關(guān)零件公差進(jìn)行評估和優(yōu)化。分析結(jié)果表明，Pro/E的公差分析功能為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的改進(jìn)指出了方向，相比傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，效率更高，對提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低產(chǎn)品成本有著明顯的應(yīng)用價值。

公差分析；Pro/E；天線結(jié)構(gòu)

引 言

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為產(chǎn)品質(zhì)量是檢驗(yàn)出來的，甚至有人簡單地認(rèn)為先進(jìn)的生產(chǎn)線就可以生產(chǎn)好的產(chǎn)品，實(shí)際上有數(shù)據(jù)證明，產(chǎn)品生命周期中的前期設(shè)計(jì)對產(chǎn)品質(zhì)量的影響最為關(guān)鍵，而前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的公差設(shè)計(jì)往往又是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。正確的公差設(shè)計(jì)不僅是減少產(chǎn)品制造成本和返工成本的前提，更是大規(guī)模生產(chǎn)中提高產(chǎn)品質(zhì)量的迫切需求。隨著電子設(shè)備性能不斷提高，機(jī)械加工的精度要求也隨之增高，在這樣的背景下，公差設(shè)計(jì)顯得尤為重要，因此在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，必須對公差設(shè)計(jì)予以特別的重視。

通常，雷達(dá)電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，性能要求也越來越高。在傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，公差分配主要是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，關(guān)于各個公差分配是否合理，設(shè)計(jì)師很難確定，更無法給出量化的判定指標(biāo)?？梢姽罘治鲎鳛槌叽绻芾淼暮诵模谡麄€產(chǎn)品開發(fā)過程中，起著越來越重要的作用。隨著計(jì)算機(jī)輔助公差分析(CAT)方法的出現(xiàn)，控制手段進(jìn)一步完善，可以從根本上解決開發(fā)設(shè)計(jì)過程中的尺寸問題，可以最大程度地減少后期的被動修改，在降低成本的同時加快產(chǎn)品投向市場的速度。本文通過介紹公差設(shè)計(jì)中的公差分析方法，采用基于Pro/E的公差分析對產(chǎn)品裝配的公差進(jìn)行分析，并通過一個簡單的實(shí)例說明該方法在天線產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 公差設(shè)計(jì)

公差設(shè)計(jì)問題可以分為兩類，一類是公差分析(又稱正計(jì)算)，即已知組成環(huán)的尺寸和公差，確定裝配后需要保證的封閉環(huán)公差；另一類是公差分配(又稱反計(jì)算)，即已知裝配尺寸和公差，求解組成環(huán)的經(jīng)濟(jì)合理公差。由于一般尺寸鏈由多個組成環(huán)組成，所以分配方案是多種多樣的。公差分析的方法有極值法和統(tǒng)計(jì)公差方法兩類，根據(jù)分布特性進(jìn)行封閉環(huán)和組成環(huán)公差的分析方法稱為統(tǒng)計(jì)公差法[1-4]。

1.1 極值法

極值法是指，當(dāng)所有增環(huán)均為最大極限尺寸、所有減環(huán)均為最小極限尺寸時，獲得封閉環(huán)的最大極限尺寸；當(dāng)所有增環(huán)均為最小極限尺寸、所有減環(huán)均為最大極限尺寸時，獲得封閉環(huán)的最小極限尺寸。

(1)

式中：D0為封閉環(huán)基本尺寸；n為組成環(huán)的個數(shù)；Di為第i個組成環(huán)的基本尺寸；λi為第i個組成環(huán)的傳遞系數(shù)(增環(huán)時λi=1，減環(huán)時λi=-1)。

(2)

式中：T為封閉環(huán)的公差；Ti為第i個組成環(huán)的公差。

極值法模型考慮的不是各個尺寸的統(tǒng)計(jì)分布，而是考慮這些尺寸不超過各自的指定公差極限。從數(shù)學(xué)角度來說，模型假設(shè)所有公差尺寸都等于一個極限值，并進(jìn)而產(chǎn)生極限累積情況。換言之，此模型可預(yù)測最大預(yù)期測量偏差。極值法公差要求可保證所有零件在裝配和運(yùn)轉(zhuǎn)時均100%可互換，而與實(shí)際的元件尺寸偏差和累積組合無關(guān)。極值法模型的主要缺點(diǎn)是，它通常要求各個元件的公差配合非常緊密，這容易造成制造精度過高、檢測過程費(fèi)用昂貴、報廢率居高不下。

1.2 統(tǒng)計(jì)法

統(tǒng)計(jì)公差方法主要是指方和根法與修正的方和根法，由于蒙特卡羅模擬法、田口試驗(yàn)法和卷積法也是根據(jù)概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論進(jìn)行公差分析的，所以把它們也劃分為統(tǒng)計(jì)公差方法[2]。

統(tǒng)計(jì)法模型充分利用了統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理，可以在兼顧質(zhì)量的情況下放寬元件公差限制。每個元件的偏差均被建模為統(tǒng)計(jì)分布圖(圖1)，這些分布加總后可預(yù)測裝配測量的分布情況。因此，統(tǒng)計(jì)法分析可預(yù)測分布情況，可以描述裝配測量偏差，但不能描述該偏差的極限值。利用此分析模型，設(shè)計(jì)人員可以設(shè)計(jì)出任何質(zhì)量級別(不只是100%)的產(chǎn)品，從而提高設(shè)計(jì)彈性。

2 基于Pro/E的公差分析

計(jì)算機(jī)輔助公差分析方法可以從根本上解決公差設(shè)計(jì)中主要依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的問題。目前市場上已經(jīng)有很多成熟的軟件，軟件雖然各不相同，但分析的思路和基本過程非常接近。由CETOL Technology提供支持的Pro/E公差分析擴(kuò)展是與Pro/E Wildfire 4.0集成在一起的一款公差分析應(yīng)用程序。執(zhí)行公差分析時，公差分析擴(kuò)展提供2種有本質(zhì)區(qū)別的分析工具來預(yù)測裝配測量偏差：極值法分析與統(tǒng)計(jì)法分析，本文重點(diǎn)介紹統(tǒng)計(jì)法分析的過程。Pro/E的公差分析工具提供了3種用于分析的分布類型：正態(tài)(高斯)分布、均勻分布和Lambda分布。如果在測量定義中有浮動接口，則分析結(jié)果可能會變成Lambda分布。否則，結(jié)果始終是正態(tài)分布。

2.1 公差分析過程

(1)定義測量參照

由于Pro/E提供的公差分析只能做尺寸相關(guān)的一維公差累積分析，因此選擇測量參照是為了保證所選的幾何形狀必須構(gòu)成有效的一維測量，也就是說，必須定義能產(chǎn)生明確結(jié)果的測量。

(2)定義尺寸鏈

選擇測量參照后，從Pro/E模型中選取尺寸以定義尺寸鏈。選取的尺寸必須與測量方向平行，并定義一個從第一測量參照到第二測量參照的一維尺寸鏈。尺寸鏈定義完成后，程序進(jìn)入結(jié)果分析界面。

(3)公差分析結(jié)果

界面由3個視圖組成：“測量表”、“尺寸環(huán)布線圖”、“分析結(jié)果”。“分析結(jié)果”視圖有2個顯示區(qū)，左側(cè)區(qū)域顯示測量的偏差圖，偏差圖可顯示統(tǒng)計(jì)偏差圖和根據(jù)尺寸環(huán)中指定的尺寸公差得出的測量最壞情況范圍。

2.2 分析實(shí)例

圖2是某有源天線陣面結(jié)構(gòu)示意圖，對于天線陣面來說，各子陣天線單元間距的精度決定了天線的性能，通常電訊要求相鄰天線單元間距的精度為± 0.15 mm以上。

進(jìn)入公差分析模塊，選擇設(shè)計(jì)需要保證的尺寸精度±0.15mm，依次選擇尺寸鏈，并賦予通常的設(shè)計(jì)公差，形成尺寸環(huán)圖，見圖3。

圖2 某有源天線陣面結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 定義尺寸鏈

查看分析結(jié)果，可見初始設(shè)計(jì)所提出的公差的產(chǎn)品合格率為91.1%，見圖4，遠(yuǎn)低于預(yù)期，因此需要進(jìn)行公差優(yōu)化。

圖4 公差分析

通過圖4可以直觀地了解所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的合格率。圖4還顯示了各尺寸精度對產(chǎn)品合格率的統(tǒng)計(jì)學(xué)影響，由此，不難發(fā)現(xiàn)天線陣面結(jié)構(gòu)尺寸d107、d140、d1384、d930對產(chǎn)品的合格率影響最大。

此時，設(shè)計(jì)師需要考慮這些尺寸中哪些可以進(jìn)行優(yōu)化，即在實(shí)際加工中以較小的代價可以實(shí)現(xiàn)，從而提高產(chǎn)品合格率。

通過分析，尺寸d107、d140屬于安裝天線單元的L型件，L型件屬于重復(fù)使用的零件，并且在實(shí)際加工中可以進(jìn)一步提高精度。于是將d107、d140的精度由原有的± 0.1 mm提高到± 0.03 mm，再次進(jìn)行公差分析，結(jié)果見圖5，產(chǎn)品合格率達(dá)到98.6%。

圖5 改進(jìn)后的公差分析

此時，產(chǎn)品合格率提高了7.5%，代價僅僅是提高了單個L型件的精度，而此精度的提高是常規(guī)生產(chǎn)加工可以保證的，所需增加的成本有限。如果此合格率仍不滿意，可以繼續(xù)通過公差分析，合理優(yōu)化對產(chǎn)品合格率影響較大的尺寸精度，如果代價巨大，也可以考慮適當(dāng)降低產(chǎn)品預(yù)期精度。

3 結(jié)束語

本文討論了Pro/E環(huán)境下進(jìn)行公差分析的問題，使用公差分析工具對某天線結(jié)構(gòu)裝配的間隙進(jìn)行了公差分析。利用公差分析方法，可以預(yù)測零部件設(shè)計(jì)參數(shù)的改變對產(chǎn)品性能參數(shù)的影響。同樣，在確定的性能參數(shù)下，可通過逆分析方法來確定零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)范圍，從而實(shí)現(xiàn)公差分析對設(shè)計(jì)的指導(dǎo)。

[1] 關(guān)玉祥. 機(jī)械加工誤差與控制[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 1995.

[2] 王平, 沈曉陽. 公差分析中的統(tǒng)計(jì)公差方法綜述[J]. 工具技術(shù), 2008, 42(10): 43-46.

[3] 秦愛家, 張順法. CETOL6σ公差分析軟件在電器產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 上海電器技術(shù), 2009(1): 55-59.

[4] 侯永濤, 顧寄南, 黃娟. Pro/Engineer平臺下裝配尺寸鏈生成的研究[J]. 中國制造業(yè)信息化, 2003, 32(7): 127-129.

曹 俊(1976-)，男，高級工程師，工學(xué)博士，主要從事天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法研究工作。

Application of Tolerance Analysis Based on Pro/E in Antenna Structure Design

CAO Jun

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

Tolerance analysis is an important part of structure design. The methods of tolerance analysis can be divided into two kinds: worst case methods and statistical methods. In this paper, the two kinds of methods are discussed. The tolerance analysis tool of Pro/E is used to study the products assembly performance. The tolerances of relevant parts are estimated and optimized. Analysis results show that the tolerance analysis base on Pro/E indicates the direction of improvements of production design, is more efficient than traditional experience-based design, and has obvious application value for improving product quality and decreasing product cost.

tolerance analysis; Pro/E; antenna structure

2013-01-22

TH161；TP391.99

A

1008-5300(2013)02-0062-03