产品公差的并行优化设计 !O{z 3W
X u+2Lm*M
李舒燕,金健 "HC)/)Mv@
(华中科技大学数控研究所,湖北武汉 430074) gs`> 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。 3eKQ<$w
关键词:公差;并行工程;优化设计 f&yQhe6 q
中图分类号: TH161. 1 文献标识码:A 文章编号:1001 - 2354(2003) 05 - 0061 - 02 @^?XaU
现代科学技术的发展使得社会对产品的性能要求越来越 kon=il<@
高,精度是衡量产品性能最重要的指标之一,也是许多产品评 gX,9Gh
价质量的主要技术参数。如何在设计阶段预测机构的输出偏 >IY,be6>P
差,进而通过合理地分配和调整机构各构件参数的公差,以保 Y=Hz;Ni
证机构的运动偏差在允许的范围之内,却仍然是一个亟待解决 8i:[:Z
的难题。 o:UXPAj
目前,产品的公差问题主要在三个阶段按不同范畴和性质 &p"(-
予以考虑和解决: G9RP^
(1) 设计阶段:设计者根据产品的功能要求和产品结构决 s'L?;:)dyB
定设计公差,很少考虑加工问题; CgnXr/!L
(2) 制造阶段:工艺师根据设计公差确定加工工艺路线、方 Ro r2qDF
法、余量和加工公差等,以确保设计公差,也较少顾及产品的功 (X}@^]lpa
能要求和结构设计; (1){A8=?o
(3) 质量检验阶段:检验师只考虑己加工零件的检验问题, J&6:d
并与设计公差相比较,看其是否满足设计公差要求,不考虑功 wFL3&*
能要求、设计结构和加工方式。 .7Kk2Y
显然,这种模式不符合并行工程原理,使制造成本增加、设 1S%}xsR0
计和制造周期变长。因此,为了使制造更有效、更经济,获得优 Q)^g3J
质低成本的产品,开展并行公差设计理论的研究,在设计阶段 SI*^f\lu
充分考虑制造阶段和质量检验阶段对公差的约束和要求,直接 jvs[ /
求出满足设计要求的加工公差和检验要求,是提高产品综合质 tt4+ m>/T
量和市场竞争力的重要途径。 7>-yaL{
1 公差并行设计的优化数学模型 >n!ni(
公差并行设计一般将成本作为公差设计优劣的评价指标, .Z%G@X*
其目标是以加工成本最低、并保证装配技术要求和合理的加工 %^.P~s6
方法,设计出尽可能大的设计公差、工序公差和最优的工艺路 HomN/wKh
线。因此,公差并行设计数学模型的目标函数是总成本最小。 ~O4|KY
设计公差和工序公差并行设计时的约束条件,是指将这两 @
yxt($G
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 S()Za@ [a$
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 @2' %o<lF
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 2F?kjg,
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
{L0;{
约束即为总模型的约束条件。 Z2p> n`D
1. 1 目标函数 (wA?;]q(
取加工成本作为优化设计的目标函数,假定第ij 个加工公 6^YJ] w
差的加工成本为Cij : ZBc|438[
Cij = f c (δi j) ( i = 1 ,2 , ⋯, n) , ( j = 1 ,2 , ⋯, mi) (1) #WufZ18#
式中:δi j ———第i 个零件中的工序j 的公差; nyhMnp#<
mi ———第i 个零件所需工序个数。 O9]\Q@M.
一个产品的总加工成本将是: (@&I_>2Q
C = Σ x /
XkD]Hq
n -G b-^G
i =1 -(;LQDG |
Σ #*,sa
m fLB1)kTS
i vJCf~'
j =1 o3h -=t
Cij (2) =!
mJG
1. 2 产品的输出特性公差约束 S,vu]?-8
产品输出特性的变动量y 必须小于或等于其公差值Y : 3"rkko?A
y = f y ( x 1 , x 2 , ⋯, x i , ⋯, x n) ≤ Y (3) :vQM>9l7
式中: x i ———第i 个零件的设计公差; crn k|o
n ———产品中的零件个数。 cZ<
\
1. 3 加工方程约束 >XE`h9
加工方程必须满足: 3g'+0tEl
x i = hx (δi1 ,δi2 , ⋯,δij , ⋯,δi m j) (4) >q(6,Mmb
若考虑极值公差模型,则式(4) 可变为: U e*$&VlT
x i = Σ D ,M@8h,
m '_o@VO
i ?`P2'i<b
j =1 rn" pKUd
δi o'Y#H
r)/
j (5) w0Ij'=:
1. 4 余量约束 'ZnIRE,N
余量的大小是前一道工序与现工序的加工尺寸之差。由于 "!q?P"
@C
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 9S1#Lr`r
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 MUcNC\`z
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 Y4To@TrN#\
之和。它是公差并行设计模型的必要约束,用公式表示: +,_c/(P
δi B8~=RmWLl
j ≤δij - 1 ≤δZij (6) 3j*'HST
式中:δij ———零件i 的第j 道工序的制造公差; M#M?1(O/NE
δi tWk{1IL
j - 1 ———零件i 的第j - 1 道工序的制造公差; !F7: i
δZij ———零件i 的第j 道工序的余量偏差,可在手册中查到。 `K?1L{p'4
关键的设计公差、余量以及每道工序的公差限构成了优化 (I=6Nnt'
模型的必要约束。 Q]\j>>
工序约束: δ1i >L[lV_M_>
j ≤δi j ≤δμi detL jlE
j (7) (hf zM+2
式中:δ1i ~ hm`uP
j 、δμi ?}sOG?{
j ———分别为δij 的最小值和最大值。 8p=>?wG
此约束规定了每道工序的制造公差的范围。 "$8w.C
则优化模型的数学表述如下: rJ(OAKnY
第20 卷第5 期 d8:C3R
2 0 0 3 年5 月 3qo e^e
机 械 设 计 A,c'g}:
JOURNAL OF MACHINE DESIGN #:{6b*}
Vol. 20 No. 5 3w'W~
May 2003 ]kS7n@8
X 收稿日期:2002 - 03 - 11 ;修订日期:2002 - 09 - 28 |s|/]aD}o
作者简介:李舒燕(1963 - ) ,女,广东信宜人, 副教授,硕士,主要从事机械工程教学及研究工作。 }m_t$aaUc1
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. Y/P]5: =h
求:δ = ;3UvkN
δ11 ⋯ δ1 j ⋯ δ1 mi 0j$OE
⋯ ⋯ ⋯ jo0Pd_W8&
δi sqG`"O4W
1 ⋯ δi j ⋯ δi mi EcW1;wH
⋯ ⋯ ⋯ &@; RI~
δn1 ⋯ δnj ⋯ δnmi q\H7&w
使得:min C = minΣ n k7Oy5$##
i =1 Ab
g$W/(|
Σ %6 ]\^
m an KuTI
i yW>R RE;
j =1 -f.R#J$2
Cij (δij) |nm2Uy/0
满足: y = f y ( x 1 , x 2 , ⋯, x i , ⋯, x n) ≤ Y *?N<S$m
x i = Σ Jvj=I82
m %#9P?COs&W
i xid:" y=_&
j =1 ]) n0MF)p
δi oKiD8':
j owMmCR
δi xt))]aH
j +δij - 1 ≤δZij xBWx+My
δ1i s3< F
j ≤δij ≤δμi 8.2`~'V
j " $=qGHA~
在所建立的并行公差优化综合的混合非线性模型中, 目标 !a[$)c
函数是总的制造成本, 采用的是混合非线性公差- 成本模型。 z8tl0gd%D
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 M.[wKGX(
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 2 `&<bt[g
个数。 kW(Kh0x
2 实例分析 z1Q2*:)c
以对心直动尖端从动件盘形凸轮机构为例, 说明公差并行 J)huy\>,
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 5)*6V&
ΔS 为1. 1 mm,求为保证此要求, 凸轮机构中凸轮与凸轮轴的 \n(ROf^'
工序公差。 y.ql#eQ,
由装配结构图1 可知: r=0j7^B#
ΔS = ΔR ,ΔR = Δr +Δr2 +Δr1 (8) $rTu6(i1
式中:ΔR ———凸轮向径误差; 4k$0CbHx0
R ———装配后形成的凸轮型面向径,为一装配尺寸; * gHCy4u{
r ———凸轮的型面向径; l/F!Bq[*g
r1 ———凸轮轴的半径; H9E(\)@
r2 ———凸轮中孔的半径; `sxN!Jj?
Δr1 ———凸轮轴的半径误差; @<5Tba>SC
Δr2 ———凸轮中孔的半径误差。 j"6:A
由于凸轮及凸轮轴的加工工序分别为仿形铣削、磨削、钻 6KB^w0oA
孔、内圆磨削、车削和磨削,故: w&C1=v -h
ΔR = δ11 +δ12 +δ13 +δ14 +δ21 +δ22 EW9b*r7./
其中:δij ———零件的工序公差。
ol#yjrv
因为:Δs = ΔR ]|y}\7Aa
故:Δs = δ11 +δ12 +δ13 +δ14 +δ21 +δ22 ≤1. 1 -%=RFgU4
1. 凸轮轴 2. 凸轮 e?1KbJ?.
图1 盘形凸轮机构的装配结构 OA5f} +
参考公差- 成本模型,此优化问题的目标函数可写为: ~4+8p9f
min C = min = Σ[ C1 (δ11) + C2 (δ12) + C3 (δ13) + C4 (δ14) + D&f!( n
C5 (δ21) + C6 (δ22) ] 1b+h>.gWar
= min[ C11 (δ11) + C12 (δ12) + C13 (δ13) + C14 (δ14) + b-4dsz'ai
C21 (δ21) + C22 (δ22) ] dm 2EH
= min[11. 08 + 3. 348 8 ×102δ11 - 2. 549 8 ×102δ21 $^IjFdD
1 + 7. 414 4 × Qpw@MF2P
10δ31 `~h0?g
1 - 9. 689 3δ41 b?>VPuyBb
1 + 4. 758 7 ×10 - 1δ51 ?cJA^W
1 + 98. 86 - 1. 451 6 × TR?Bvy2s:g
102δ12 +2. 430 4 ×102δ21 !^-OfqIHfV
2 - 2. 157 8 ×102δ31 sy=dY@W^
2 +9. 415 4 ×10δ41 Onyh1
2 - zQt1;bo
1. 557 8 ×10 + 8. 052 + 3. 937 0 ×10 - 7δ51 zg)|rm
3 + 30. 87e - 0. 475 98δ13 + vuW-}fY;
104. 4 - 9. 192 9 ×10δ14 - 7. 819 8 ×10δ21 6qf-Y!D5
4 + 3. 571 7 ×102δ31 ;da4\bppt
4 - LGXZx}4@;
1. 847 5 ×102δ41 c`pYc
4 - 1. 105 7 ×102δ51 hWm0$v1p
4 +112. 3 - 4. 173 2 ×10δ21 + ?F25D2[(
9. 041 2δ22 w#rVSSXQ3
1 - 9. 361 0 ×10 - 1δ32 3jS7 uU
1 + 4. 432 6 ×10 - 2δ42 ^} tuP
1 - 7. 821 4 × U(!?d ]en
10 - 4δ52 {F/q{c~]
1 +98. 86 - 1. 451 6 ×102δ22 +2. 430 4 ×102δ22 Z]7tjRvq)
2 - 2. 1578 × K,]woNxaw
102δ32 r;$r=Uf r
2 +9. 4154 ×10δ42 qNy-o\;XN
2 - 1. 5578 ×10δ52 sX
Z4U0#
2 ] py=i!vb&Z%
约束为:δ11 +δ12 +δ13 +δ14 +δ21 +δ22 ≤1. 1 , 0a@c/XGBp
δ11 +δ12 ≤0. 2 , δ12 +δ13 ≤0. 24 , δ13 +δ14 ≤0. 24 , δ21 +δ22 ≤0. 3 ,,7.=#
0. 11 < δ11 < 0. 16 , 0. 05 < δ12 < 0. 08 , 0. 15 < δ13 < 0. 22 , Eh:yRJ_8
0. 05 < δ14 < 0. 08 , 0. 15 < δ21 < 0. 22 , 0. 085 < δ22 < 0. 15 1B(G]o_>!
采用模拟退火算法来解此优化问题,并用Visual C ++ 编制 `LqnEutzc
此优化程序(如图2 所示) ,所得结果如下: n}f3Vrl
δ11 = 0. 11 , δ12 = 0. 078 365 , δ13 = 0. 15 , δ14 = 0. 079 , vyujC`61d
δ21 = 0. 150 166 578 , δ22 = 0. 132 024 882 , C = 456. 931 wzg i
@i
其中δ11 、δ12 、δ13 和δ14 分别为凸轮的仿形铣削、磨削、钻孔 $.;iu2iyo
和内圆磨削这些加工工序的公差,δ21 和δ22 分别为凸轮轴的车 *0lt$F$~b
削和磨削的工序公差, C 为产品总的制造成本。 ig+k[`W
图2 计算程序流程图 r<v_CFJ
参考文献 b13nE.
[1 ] 刘玉生. CAD/ CAPP 集成中公差的模糊优化设计[J ] . 浙江大学学 qR_SQ
VN
报,2001 ,35 (1) :41 - 46. 8cB=}XgYS
[ 2 ] 蒋庄德. 机械精度设计[M] . 西安:西安交通大学出版社, 2000. kF#{An)P
62 机 械 设 计第20 卷第5 期 /8:gVXZi
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