产品公差的并行优化设计 S-8O9
X a$c7d~p$I
李舒燕,金健 =sP6
(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 '|e5 cW6z
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 |52VHW8c
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_LfV ON
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$C,-
量和市场竞争力的重要途径。 f #414ja
1 公差并行设计的优化数学模型 =o=)EU{~
公差并行设计一般将成本作为公差设计优劣的评价指标, /Mf45U<
其目标是以加工成本最低、并保证装配技术要求和合理的加工 uJG^>B?`b
方法,设计出尽可能大的设计公差、工序公差和最优的工艺路 u~?]/-.TY
线。因此,公差并行设计数学模型的目标函数是总成本最小。 Y3[<
设计公差和工序公差并行设计时的约束条件,是指将这两 7,|-%!p[
者分别设计时的约束条件同时进行考虑,合并其中共同的约束 oZ%t! Fl1
条件。设计公差的约束条件主要考虑装配功能要求以及生产 !.iA^D//]
批量等;工序公差设计的约束条件主要有设计公差约束、加工 mxjY-Kq
方法选择、加工余量公差约束和经济加工精度约束。以上所有 n$}c+1
约束即为总模型的约束条件。 94W9P'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 2P9h x5PiV
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.MPQ
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?7UiTZ
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_8R$=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$8
⋯ ⋯ ⋯ 29 Yg>R!/
δi a%7%NN*i
1 ⋯ δi j ⋯ δi mi d*3k]Ie%5f
⋯ ⋯ ⋯ u
z4P
δn1 ⋯ δnj ⋯ δnmi #l+U(zH:JG
使得:min C = minΣ n t]2~aK<]
i =1 j1Q G-Rs&
Σ oOmPbAY
m |.)oV;9
i 2"c$#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 !G90oW
j nQa5e_q!u
δi ;Bat!K7W
j +δij - 1 ≤δZij 5 nkx8JJ
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`I u
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>Zvos e
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$G|Z
3 + 30. 87e - 0. 475 98δ13 + *%l&'+
104. 4 - 9. 192 9 ×10δ14 - 7. 819 8 ×10δ21 h!5^d!2,
4 + 3. 571 7 ×102δ31 %C\Q{_ AS
4 - '%_1eaH
1. 847 5 ×102δ41 a*REx_gLG
4 - 1. 105 7 ×102δ51 MlgE-Lm
4 +112. 3 - 4. 173 2 ×10δ21 + S~d_SU~>`
9. 041 2δ22 7?-eR-
1 - 9. 361 0 ×10 - 1δ32 IMIZ#/
1 + 4. 432 6 ×10 - 2δ42 ] e!CH
<N
1 - 7. 821 4 × A%>Ir`I
10 - 4δ52 j/4N
1 +98. 86 - 1. 451 6 ×102δ22 +2. 430 4 ×102δ22 a\S"d
2 - 2. 1578 × )67_yHW
102δ32 !%5ae82~3
2 +9. 4154 ×10δ42 @'C f<wns
2 - 1. 5578 ×10δ52 C9E l {f
2 ] 0,)B~|+
约束为:δ11 +δ12 +δ13 +δ14 +δ21 +δ22 ≤1. 1 , ML'4 2z
Y
δ11 +δ12 ≤0. 2 , δ12 +δ13 ≤0. 24 , δ13 +δ14 ≤0. 24 , δ21 +δ22 ≤0. 3 zWoPa,
0. 11 < δ11 < 0. 16 , 0. 05 < δ12 < 0. 08 , 0. 15 < δ13 < 0. 22 , YLmzMD>
0. 05 < δ14 < 0. 08 , 0. 15 < δ21 < 0. 22 , 0. 085 < δ22 < 0. 15 34-QgE
采用模拟退火算法来解此优化问题,并用Visual C ++ 编制 #P.jlpZk
此优化程序(如图2 所示) ,所得结果如下: 5JW+&XA
δ11 = 0. 11 , δ12 = 0. 078 365 , δ13 = 0. 15 , δ14 = 0. 079 , GE]fBg
δ21 = 0. 150 166 578 , δ22 = 0. 132 024 882 , C = 456. 931 W.iL!x.B@
其中δ11 、δ12 、δ13 和δ14 分别为凸轮的仿形铣削、磨削、钻孔 xoF]r$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'h5x
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© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights