基于VisVSA技术的三维统计公差分析及应用

Monte Carlo方法是VisVSA公差分析的理论基础。 VisVSA中公差分析的基本原理是在组成环公差范围内 按照设定的概率分布生成一系列随机数，然后对其随机 抽样，代入尺寸链方程即可求解出封闭环的一个样本 值。然后按照一定的置信水平设定的次数重复这个过 程，从而得到封闭环的样本集合。最后对封闭环样本集 进行统计处理便可得到封闭环尺寸的公差信息。Monte Carlo仿真对系统的复杂性不敏感，计算时间并不会因 为系统变量的增多而有显著增加[4]。
发过程，降低生产成本。
关键词：计算机辅助公差；VisVSA；统计公差；圆锯
中图分类号：TH124
文献标识码：A
文章编号：1009-0134(2017)01-0099-03
0 背景和问题
圆锯是一种通过锯片的旋转运动来切割木材、金属 等材料的手持式电动工具。无论是做90°切割还是45° 斜切，圆锯配合导轨使用都是保证精度和直线度的最简 单的方法[1]，如图1所示。这样可以减少后续的加工工 序，确保相配的工件可以正确连接。配合导轨使用时， 锯片切割线与导轨滑槽之间的平行度直接影响到切割是 否平顺和被加工材料的表面质量，如图2所示。
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在VisVSA中每个特征的公差都可以根据实际需要 定义它的分布，比如正态分布、均匀分布等。零件之间 的连接关系也有多种选项供选择，比如轴和孔就有相 切、浮动、平行、重合等空间位置关系。这些特征、公 差和装配关系共同组成了一个数字样机模型。然后按照 Monte Carlo方法在定义的公差范围内随机生成带有不同 偏差的数字样机模型，并模拟实际装配。这样在很短时 间内即可通过仿真大量模型来获取期望的测量值。本例 的圆锯公差模型在普通配置电脑上模拟装配2000次数字 样机，只需要大概几分钟时间。 2.4 仿真结果
2.2 导入3D模型
导入VisVSA的3D模型需要是JT格式。这是一种 广泛应用在产品设计中有关产品可视化的公开的三维 数据格式，它的特点是能在保留模型细节特征的同时 维持比较小的文件体积。常用的CAD建模软件如Pro/ E等都有相应的插件可以输出为JT格式。在VisVSA中 进行公差分析首先需要新建一个过程文件（Process Document），然后便可将其与对应的JT文件关联起来。
⭸⟆ 䑂⧱ ⫔⧾㔷 䑂⧱ 图3 导轨和锯片之间的装配尺寸链
收稿日期：2014-07-24 作者简介：林洁（1984 -），女，浙江人，工程师，本科，研究方向为计算机模拟产品三维统计公差计算及优化。
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图4 上护罩关键几何特征的尺寸公差
为了能够在所有旋转角度及调整高度的状态下， 底板与导轨都可以正常配合使用，就要求锯片的斜切旋 转轴线一直位于工件的切割线上。为实现这些要求，底 板与上护罩之间的旋转部件中有许多复杂的结构特征并 标注了大量的几何公差。锯片通过定位垫圈、传动轴及 轴承连接到上护罩上，上护罩本身包含了轴承座的位置 度、安装孔的位置度、深度调节面的平面度等许多三维 公差，如图4所示。
摘 要：圆锯作为一种手持式电动工具，终端客户对其切割精度和切割质量提出越来越高的要求。因
此在设计、制造和装配过程中，需要对零部件的尺寸和公差进行详细的分析和控制。使用
VisVSA软件建立起了一个圆锯切割精度的数字化公差模型，并采用统计公差的方法对装配过
程进行仿真。可以在设计初期预测出偏差的数量和原因，这将有助于提高产品精度，加速研
1 公差链的组成
在一个典型的圆锯中，从导轨滑槽到锯片之间有底 板、旋转连接部件、上护罩、轴承座、轴承、传动轴和 定位垫圈等零部件，如图3所示。锯片通过传动系统与 上护罩相连，上护罩又通过一套旋转定位机构连接到底 板上，以实现精确调节切割深度和切割角度的目的。
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㣱⷏㼀 图2 锯片切割线与导轨滑槽之间的平行度
2.3 建立公差模型，进行数字样机的装配仿真
VisVSA公差模型是基于零件几何特征建立的，常 用的特征有孔（Hole）、轴（Shaft）、槽（Slot）、肋 板（Tab）和平面（Plane）等。在这些特征上以及特征 之间可以标注几何尺寸和公差，并建立零件之间的装配 关系。例如孔和轴、槽和肋板可以分别形成一对装配特 征。完成装配之后，可以定义测量关系。在本例中我们 选择测量锯片切割线和底板导轨滑槽之间的夹角（前述 平行度）来衡量整个装配链对切割精度的影响。
基于VisVSA技术的三维统计公差分析及应用
3D statistical tolerance analysis and application based on VisVSA 林 洁1，王 佳2
LIN Jie1, WANG Jia2
（1.同济大学 机械工程学院，上海 200092；2.博世电动工具（中国）有限公司，浙江 310052）
由上述例子可见，尺寸链是由很多组成环构成，这 些组成环并不在一条直线或者一个平面上，而是空间布 局的三维公差。对于较长的尺寸链来说，传统的极限公 差模型不能反映实际情况，其主要缺点在于对单个组成 环的公差要求很高，从而带来昂贵的制造成本、复杂的 检测流程和较高的零件废品率。而统计公差模型则可以 在不牺牲质量的前提下放宽组成环公差 [2]。
2 公差模型的建立
2.1 VisVSA简介 VisVSA是Siemens公司开发的一套三维统计公差软
件，它基于Monte Carlo方法，主要用于三维统计公差分 析。VisVSA是一个强大的公差分析工具，用来对制造 和装配过程进行仿真，并可以对偏差的数量和原因进行 预测。其中的数字样机可以用来全面地表现几何特征、 产品偏差、装配过程偏差（装配次序、组件连接的定 义、工装等）以及测量要素。不需要制造出任何实物零 件或者模具，使用数字样机便可以预测装配过程中可能 出现的问题[3]。
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图1 圆锯角度调整原理
因此在圆锯设计中，知道尺寸链中各个组成环对锯 片切割线与导轨滑槽之间的平行度有多大影响是一个重 要的问题。以往设计人员多是凭借经验进行公差分配， 在批量生产之后才有可能判断出公差设计是否合理。这 个过程常常需要反复进行，既拖延了生产周期又使成本 增加。而采用计算机辅助公差分析软件VisVSA可以有 效地解决这个问题。