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    [原创]产品公差的并行优化设计 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2006-02-20
    产品公差的并行优化设计 S-8O9  
    X a$c7d~p$I  
    李舒燕,金健 =s P6  
    (华中科技大学数控研究所,湖北武汉 430074) :B=p%C  
    摘要:在分析产品公差设计现状的基础上,提出了公差并行优化设计的数学模型;给出了一个仿真实例。 ]FLuiC  
    关键词:公差;并行工程;优化设计 2'"$Y'  
    中图分类号: TH161. 1   文献标识码:A   文章编号:1001 - 2354(2003) 05 - 0061 - 02 t/,k{5lX  
      现代科学技术的发展使得社会对产品的性能要求越来越 )T6+}   
    高,精度是衡量产品性能最重要的指标之一,也是许多产品评 JF>mybB  
    价质量的主要技术参数。如何在设计阶段预测机构的输出偏 =;{vfjj  
    差,进而通过合理地分配和调整机构各构件参数的公差,以保 ,=tVa])  
    证机构的运动偏差在允许的范围之内,却仍然是一个亟待解决 '|e5cW6z  
    的难题。 V(3udB@K  
    目前,产品的公差问题主要在三个阶段按不同范畴和性质 *xs8/?  
    予以考虑和解决: {Ex0mw)T  
    (1) 设计阶段:设计者根据产品的功能要求和产品结构决 |52VHW8 c  
    定设计公差,很少考虑加工问题; $S$%avRX  
    (2) 制造阶段:工艺师根据设计公差确定加工工艺路线、方 G! uQ|<(  
    法、余量和加工公差等,以确保设计公差,也较少顾及产品的功 nTSGcMI  
    能要求和结构设计; B@]( ,  
    (3) 质量检验阶段:检验师只考虑己加工零件的检验问题, S:] w@$  
    并与设计公差相比较,看其是否满足设计公差要求,不考虑功 l_LfVON  
    能要求、设计结构和加工方式。 #(@dN+  
    显然,这种模式不符合并行工程原理,使制造成本增加、设 T7YzO,b/   
    计和制造周期变长。因此,为了使制造更有效、更经济,获得优 kImGSIJ  
    质低成本的产品,开展并行公差设计理论的研究,在设计阶段 17G7r\iNYq  
    充分考虑制造阶段和质量检验阶段对公差的约束和要求,直接 Dyp'a  
    求出满足设计要求的加工公差和检验要求,是提高产品综合质 0Bn$C, -  
    量和市场竞争力的重要途径。 f#414ja  
    1  公差并行设计的优化数学模型 =o=)EU{~  
    公差并行设计一般将成本作为公差设计优劣的评价指标, /Mf45U<  
    其目标是以加工成本最低、并保证装配技术要求和合理的加工 uJG^>B?`b  
    方法,设计出尽可能大的设计公差、工序公差和最优的工艺路 u~?]/-.TY  
    线。因此,公差并行设计数学模型的目标函数是总成本最小。 Y 3[<  
    设计公差和工序公差并行设计时的约束条件,是指将这两 7,|-%!p[  
    者分别设计时的约束条件同时进行考虑,合并其中共同的约束 oZ%t!Fl1  
    条件。设计公差的约束条件主要考虑装配功能要求以及生产 !.iA^D//]  
    批量等;工序公差设计的约束条件主要有设计公差约束、加工 mxjY-Kq  
    方法选择、加工余量公差约束和经济加工精度约束。以上所有 n$}c+1   
    约束即为总模型的约束条件。 9 4W9P't  
    1. 1  目标函数 2o/}GIKj  
    取加工成本作为优化设计的目标函数,假定第ij 个加工公 2P9hx5PiV  
    差的加工成本为Cij : Zx5vIm  
    Cij = f c (δi j)  ( i = 1 ,2 , ⋯, n) , ( j = 1 ,2 , ⋯, mi) (1) R\yw9!ESd  
    式中:δi j ———第i 个零件中的工序j 的公差; Y&k'4Y%  
    mi ———第i 个零件所需工序个数。 z]\0]i  
    一个产品的总加工成本将是: +(r8SnRX  
    C = Σ x!!: jL'L  
    n 6ssZg@}nf{  
    i =1 U,Z.MP Q  
    Σ H"I|dK:  
    m g9I2SdaJ  
    i Czb@:l%sc  
    j =1 z -(dT  
    Cij (2) ~z>2`^Z"  
    1. 2  产品的输出特性公差约束 y{K~g<VL  
    产品输出特性的变动量y 必须小于或等于其公差值Y : m+DkO{8F  
    y = f y ( x 1 , x 2 , ⋯, x i , ⋯, x n) ≤ Y (3) 5nqj  
    式中: x i ———第i 个零件的设计公差; &e_M \D  
    n ———产品中的零件个数。 BWL~)Hx  
    1. 3  加工方程约束 Lc*i[J<s  
    加工方程必须满足: *BBP"_$  
    x i = hx (δi1 ,δi2 , ⋯,δij , ⋯,δi m j) (4) L3X>v3CZ5  
    若考虑极值公差模型,则式(4) 可变为: nb'],({:9  
    x i = Σ E'Egc4Z2=l  
    m |...T 4:^Y  
    i Dw;L=4F |  
    j =1 *8js{G0h  
    δi O|%><I?I  
    j (5) lpve Yz  
    1. 4  余量约束 l[Ng8[R  
    余量的大小是前一道工序与现工序的加工尺寸之差。由于 8Z/P<u  
    加工尺寸并不固定, 且与公差有关, 从工件表面去除的实际余 Y4! v1  
    量在一定的范围内变化。通常所说的余量是指它的名义值。对 sEe^:aSN  
    加工尺寸来说,余量的偏差是现工序与前一道工序的制造公差 !K(0)~u  
    之和。它是公差并行设计模型的必要约束,用公式表示: =wU08}  
    δi H <F6o-*  
    j ≤δij - 1 ≤δZij (6) InNuK0@  
    式中:δij ———零件i 的第j 道工序的制造公差; Q?7U iTZ  
    δi B4[onYU  
    j - 1 ———零件i 的第j - 1 道工序的制造公差; A(Ugam~}  
    δZij ———零件i 的第j 道工序的余量偏差,可在手册中查到。 8K6yqc H  
    关键的设计公差、余量以及每道工序的公差限构成了优化 .\{GU9|nO  
    模型的必要约束。 qN}0$x>p  
    工序约束: δ1i 98Pt&C?-B  
    j ≤δi j ≤δμi *'PG@S  
    j (7) X!"ltNd  
    式中:δ1i cl1h;w9s  
    j 、δμi GJ ZT~  
    j ———分别为δij 的最小值和最大值。 <d$|~qS_  
    此约束规定了每道工序的制造公差的范围。 =|pQA~UU#  
    则优化模型的数学表述如下: 8_8 R$ =V  
    第20 卷第5 期 ,t5Ku)eNm  
    2 0 0 3 年5 月 ?o),F^ir  
    机 械 设 计 bb+-R_3Kd  
    JOURNAL OF MACHINE DESIGN >UZfi u  
    Vol. 20  No. 5 #{UM4~|:  
    May   2003 PRWS[2[yk  
    X 收稿日期:2002 - 03 - 11 ;修订日期:2002 - 09 - 28 vDv:3qN7(  
    作者简介:李舒燕(1963 - ) ,女,广东信宜人, 副教授,硕士,主要从事机械工程教学及研究工作。 (6>8Dt 9[  
    © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. I r<5%  
    求:δ = b)3dZ*cOJ  
    δ11 ⋯ δ1 j ⋯ δ1 mi :)cPc7$8  
    ⋯ ⋯ ⋯ 29 Yg>R!/  
    δi a%7%N N*i  
    1 ⋯ δi j ⋯ δi mi d*3k]Ie%5f  
    ⋯ ⋯ ⋯ u z4P  
    δn1 ⋯ δnj ⋯ δnmi #l+U(zH:JG  
    使得:min C = minΣ n t]2~aK<]  
    i =1 j1Q G-Rs&  
    Σ oOmPbAY  
    m |.)oV;9  
    i 2"c $#N  
    j =1 3!,XR\`[  
    Cij (δij) AWi~qzTZ  
    满足: y = f y ( x 1 , x 2 , ⋯, x i , ⋯, x n) ≤ Y Zh6bUxr  
    x i = Σ Tc T%[h!  
    m r|{h7'  
    i GTeFDm; T^  
    j =1 M0S}-eXc5  
    δi !G 90oW  
    j nQa5e_q!u  
    δi ;Bat!K7W  
    j +δij - 1 ≤δZij 5nkx8JJ  
    δ1i !\z:S?V  
    j ≤δij ≤δμi .MXznz  
    j ltO:./6v  
    在所建立的并行公差优化综合的混合非线性模型中, 目标 UMma|9l(i  
    函数是总的制造成本, 采用的是混合非线性公差- 成本模型。 8G6PcTqv"  
    设计变量是制造工序所产生的零件的工序制造公差δij 。优化模 %kxq"=3  
    型中变量的个数,取决于零件的个数和制造零件所需的工序的 *[wy- fu  
    个数。 \=kH7 !  
    2  实例分析 B-@6m  
    以对心直动尖端从动件盘形凸轮机构为例, 说明公差并行 gah3d*d7  
    优化设计方法的应用。该凸轮机构从动件输入端的位移误差 qb]n{b2  
    ΔS 为1. 1 mm,求为保证此要求, 凸轮机构中凸轮与凸轮轴的 `kpX}cKK}  
    工序公差。 " 2Dz5L1v  
    由装配结构图1 可知: q?nXhUD  
    ΔS = ΔR ,ΔR = Δr +Δr2 +Δr1 (8) ` {gkL-  
    式中:ΔR ———凸轮向径误差; _*>bf G  
    R ———装配后形成的凸轮型面向径,为一装配尺寸; {Uz@`QO3  
    r ———凸轮的型面向径; ^&03D5@LoY  
    r1 ———凸轮轴的半径; N/p9Ws  
    r2 ———凸轮中孔的半径; Vl%AN;o  
    Δr1 ———凸轮轴的半径误差; m$ )yd~  
    Δr2 ———凸轮中孔的半径误差。 d(3F:dbk  
    由于凸轮及凸轮轴的加工工序分别为仿形铣削、磨削、钻 r`qMif'  
    孔、内圆磨削、车削和磨削,故: wc* 5s7_  
    ΔR = δ11 +δ12 +δ13 +δ14 +δ21 +δ22 rjo/-910  
    其中:δij ———零件的工序公差。 ms{:=L2$$  
    因为:Δs = ΔR L'BDS*  
    故:Δs = δ11 +δ12 +δ13 +δ14 +δ21 +δ22 ≤1. 1 yM}}mypS  
    1. 凸轮轴 2. 凸轮 GbFLu`Iu  
    图1  盘形凸轮机构的装配结构 W2D^%;mw  
    参考公差- 成本模型,此优化问题的目标函数可写为: +iz5%Qe<f  
    min C = min = Σ[ C1 (δ11) + C2 (δ12) + C3 (δ13) + C4 (δ14) + gPSUxE `O.  
    C5 (δ21) + C6 (δ22) ] ?l! L )!2  
    = min[ C11 (δ11) + C12 (δ12) + C13 (δ13) + C14 (δ14) + y>Zvose  
    C21 (δ21) + C22 (δ22) ] I= G%r/3  
    = min[11. 08 + 3. 348 8 ×102δ11 - 2. 549 8 ×102δ21 Dd-;;Y1C  
    1 + 7. 414 4 × )@09Y_9r  
    10δ31 -wH#B<'  
    1 - 9. 689 3δ41 iS&~oj_-%  
    1 + 4. 758 7 ×10 - 1δ51 ,24NMv7  
    1 + 98. 86 - 1. 451 6 × CoDu|M%  
    102δ12 +2. 430 4 ×102δ21 #s$b\"4  
    2 - 2. 157 8 ×102δ31 bZHuEh2w  
    2 +9. 415 4 ×10δ41 }__g\?Yf  
    2 - 7!+kyA\}r^  
    1. 557 8 ×10 + 8. 052 + 3. 937 0 ×10 - 7δ51 M$DJ$G|Z  
    3 + 30. 87e - 0. 475 98δ13 + *%l&'+   
    104. 4 - 9. 192 9 ×10δ14 - 7. 819 8 ×10δ21 h!5^d!2,  
    4 + 3. 571 7 ×102δ31 %C\Q{_AS  
    4 - '%_1eaH  
    1. 847 5 ×102δ41 a*REx_gLG  
    4 - 1. 105 7 ×102δ51 M lgE-Lm  
    4 +112. 3 - 4. 173 2 ×10δ21 + S~d_SU~>`  
    9. 041 2δ22  7?-eR-  
    1 - 9. 361 0 ×10 - 1δ32 IMIZ#/  
    1 + 4. 432 6 ×10 - 2δ42 ] e!CH <N  
    1 - 7. 821 4 × A%> Ir`I  
    10 - 4δ52 j/4N  
    1 +98. 86 - 1. 451 6 ×102δ22 +2. 430 4 ×102δ22 a\S"d  
    2 - 2. 1578 × )67_yHW  
    102δ32 !%5ae82~3  
    2 +9. 4154 ×10δ42 @'C f<wns  
    2 - 1. 5578 ×10δ52 C9E l {f  
    2 ] 0,)B~|+  
    约束为:δ11 +δ12 +δ13 +δ14 +δ21 +δ22 ≤1. 1 , ML'4 2z Y  
    δ11 +δ12 ≤0. 2 , δ12 +δ13 ≤0. 24 , δ13 +δ14 ≤0. 24 , δ21 +δ22 ≤0. 3 zWoPa,  
    0. 11 < δ11 < 0. 16 , 0. 05 < δ12 < 0. 08 , 0. 15 < δ13 < 0. 22 , YLmzMD>  
    0. 05 < δ14 < 0. 08 , 0. 15 < δ21 < 0. 22 , 0. 085 < δ22 < 0. 15 34-QgE  
    采用模拟退火算法来解此优化问题,并用Visual C ++ 编制 #P.jlpZk  
    此优化程序(如图2 所示) ,所得结果如下: 5JW+&XA  
    δ11 = 0. 11 , δ12 = 0. 078 365 , δ13 = 0. 15 , δ14 = 0. 079 , GE]fBg  
    δ21 = 0. 150 166 578 , δ22 = 0. 132 024 882 , C = 456. 931 W.iL!x.B@  
    其中δ11 、δ12 、δ13 和δ14 分别为凸轮的仿形铣削、磨削、钻孔 xoF]r$sC8  
    和内圆磨削这些加工工序的公差,δ21 和δ22 分别为凸轮轴的车 k@JDG]R<{  
    削和磨削的工序公差, C 为产品总的制造成本。 qg#TE-Y`  
    图2  计算程序流程图 }M'h 5x  
    参考文献 5W"nn  
    [1 ]  刘玉生. CAD/ CAPP 集成中公差的模糊优化设计[J ] . 浙江大学学 b }S}OW2  
    报,2001 ,35 (1) :41 - 46. .yE!,^j.gB  
    [ 2 ]  蒋庄德. 机械精度设计[M] . 西安:西安交通大学出版社, 2000. j2# nCU54Z  
    62 机 械 设 计第20 卷第5 期 [/hS5TG|7  
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    只看该作者 1楼 发表于: 2006-02-20
    以上资料只能作为指导作用,真正设计时要考虑的问题很多的
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    只看该作者 2楼 发表于: 2006-03-04
    还不错 蛮有用的