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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 !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<$w  
    关键词:公差;并行工程;优化设计 f&yQhe6q  
    中图分类号: TH161. 1   文献标识码:A   文章编号:1001 - 2354(2003) 05 - 0061 - 02 @^? XaU  
      现代科学技术的发展使得社会对产品的性能要求越来越 kon=il<@  
    高,精度是衡量产品性能最重要的指标之一,也是许多产品评 gX,9Gh  
    价质量的主要技术参数。如何在设计阶段预测机构的输出偏 >IY,be6>P  
    差,进而通过合理地分配和调整机构各构件参数的公差,以保 Y=Hz;Ni  
    证机构的运动偏差在允许的范围之内,却仍然是一个亟待解决 8i: [:Z  
    的难题。 o:UXPAj  
    目前,产品的公差问题主要在三个阶段按不同范畴和性质 &p"(-  
    予以考虑和解决: G9RP^  
    (1) 设计阶段:设计者根据产品的功能要求和产品结构决 s'L?;:)dyB  
    定设计公差,很少考虑加工问题; CgnXr/!L  
    (2) 制造阶段:工艺师根据设计公差确定加工工艺路线、方 Ro r2qDF  
    法、余量和加工公差等,以确保设计公差,也较少顾及产品的功 (X}@^]lpa  
    能要求和结构设计; (1){A8=?o  
    (3) 质量检验阶段:检验师只考虑己加工零件的检验问题, J&6:d  
    并与设计公差相比较,看其是否满足设计公差要求,不考虑功 wFL3& *  
    能要求、设计结构和加工方式。 .7Kk2Y  
    显然,这种模式不符合并行工程原理,使制造成本增加、设 1S%}xsR0  
    计和制造周期变长。因此,为了使制造更有效、更经济,获得优 Q)^g3J  
    质低成本的产品,开展并行公差设计理论的研究,在设计阶段 SI*^f\lu  
    充分考虑制造阶段和质量检验阶段对公差的约束和要求,直接 jvs[ /  
    求出满足设计要求的加工公差和检验要求,是提高产品综合质 tt4+m>/T  
    量和市场竞争力的重要途径。 7>-yaL{  
    1  公差并行设计的优化数学模型 >n!ni(  
    公差并行设计一般将成本作为公差设计优劣的评价指标, .Z%G@X*  
    其目标是以加工成本最低、并保证装配技术要求和合理的加工 %^.P~s6  
    方法,设计出尽可能大的设计公差、工序公差和最优的工艺路 HomN/wKh  
    线。因此,公差并行设计数学模型的目标函数是总成本最小。 ~O4|KY  
    设计公差和工序公差并行设计时的约束条件,是指将这两 @ yxt($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 2 F?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 vJC f~'  
    j =1 o3h-=t  
    Cij (2) =! m JG  
    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`h 9  
    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@8 h,  
    m '_o@V O  
    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 MUcN C\`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 detLjlE  
    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 = ;3 UvkN  
    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> RRE;  
    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 owM mCR  
    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 $^IjFdD  
    1 + 7. 414 4 × Qpw@MF2P  
    10δ31  `~h0?g  
    1 - 9. 689 3δ41 b?>VPuyBb  
    1 + 4. 758 7 ×10 - 1δ51 ?cJA^W  
    1 + 98. 86 - 1. 451 6 × TR?Bvy2s:g  
    102δ12 +2. 430 4 ×102δ21 !^-OfqIHfV  
    2 - 2. 157 8 ×102δ31 sy=dY@W^  
    2 +9. 415 4 ×10δ41 Onyh1  
    2 - zQt1;bo  
    1. 557 8 ×10 + 8. 052 + 3. 937 0 ×10 - 7δ51 z g)|rm  
    3 + 30. 87e - 0. 475 98δ13 + vuW-}fY;  
    104. 4 - 9. 192 9 ×10δ14 - 7. 819 8 ×10δ21 6qf-Y!D5  
    4 + 3. 571 7 ×102δ31 ;da4\bppt  
    4 - LGXZx}4@;  
    1. 847 5 ×102δ41 c`pYc  
    4 - 1. 105 7 ×102δ51 hWm0$v 1p  
    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=Ufr  
    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:yR J_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  
    © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights
     
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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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    还不错 蛮有用的