装配偏差分析综述

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直接影响装配精度的那些零件 的尺寸、形状和位置公差,就 是装配尺寸链的组成环,组成 环为独立变量。
1.装配工艺基础
通常按照尺寸链环的几何特征和所处空间位置,可将装配尺寸链 分为四类:
直线尺寸链
定义:全部组成环平行于封闭环的尺寸链。是尺寸链的基本形式,也
称为:线性尺寸链/一维尺寸链。
A3
特征:各尺寸均位于同一平面上,且相互平行。 A0 A1 A2
β1
β2
α0 α1
α3 α2
1.装配工艺基础
封闭环的极限尺寸:
封闭环的最大极限尺寸等于增环最大极限尺寸之和减去减环最小极 限尺寸之和;
k
n 1
A0 max Az max
A j m in
z 1
j k 1
封闭环的最小极限尺寸等于增环最小极限尺寸之和减去减环最大 极限尺寸之和。
k
互换装配法 选择装配法 修配装配法 调整装配法
1.装配工艺基础
装配尺寸链的正计算和反计算:
装配尺寸链的正计算是指已知组成环(相关零件)的公差,求封闭环的 公差。前面求解装配尺寸链的过程就是正计算的过程; 装配尺寸链的反计算是指已知封闭环(装配精度)的公差要求,确定各 组成环(相关零件)的公差Ti。
产品的装配精度包括:
零件间的距离精度 相互配合精度 相互位置精度 相对运动精度 接触精度
1.装配工艺基础
1.2 装配尺寸链介绍
以某项装配精度指标(或装配要求)作为封闭环,查找所有与 其有关的零件的尺寸/位置要求作为组成环,所形成的尺寸 链即为装配尺寸链。
装配精度或技术要求,就是装 配尺寸链的封闭环,封闭环是 非独立变量;
空间尺寸链
定义:组成环位于几个不平行平面内的尺寸链。 可将 空间尺寸链 投影 平面尺寸链 直线尺寸链,按直线 尺寸链求解。
1.装配工艺基础
组成环分类:
增环: 由于该环的变动引起封闭环同向变动。即该环增大时,封
闭环也增大;该环减小时,封闭环也减小。
减环: 由于该环的变动引起封闭环反向变动。即该环增大时,封
闭环减小;该环减小时,封闭环增大。
1.装配工艺基础
回路法判别增、减环:
① 首先确定封闭环和组成环,确定尺寸回路; ② 在尺寸链上,首先对封闭环尺寸标单向箭头,方向任意选定; ③ 然后,沿箭头方向,环绕尺寸链回路画箭头。 ④ 凡是与封闭环箭头方向相同的尺寸为减环,与封闭环箭头相
反的为增环。 ⑤ 为避免箭头混乱,也可以不标单向箭头,而标注符号(+)、
(-)以判别增、减环。
1.装配工艺基础
回路法判别增、减环案例:
A1 A0 A2
A3 增环
在尺寸链图中用首尾相接的 单向箭头顺序表示各尺寸环, 与封闭环箭头方向相反者 为增环, 与封闭环箭头方向相同者 为减环。
A1 A0 A2
A3
封闭环 减环
1.装配工艺基础
1.3 尺寸链的计算
尺寸链的通常求解方法: 极值法: 认为装配系统中每个零件的偏差都处于极端状态,即按误差综合最 不利的情况进行分析。 极值法简便、可靠,但对组成环的公差要求过于严格,会增大加工 难度,提高生产成本。尤其在大批量生产以及尺寸链环数较多的情 况下,尺寸链中各增、减环同时出现相反的极限尺寸的概率很低。 统计法: 根据概率统计原理和加工误差分布的实际情况,认为装配系统中每 个制造变量的偏差服从一定的分布(一般为正态分布),分析结果 通常更接近与实际情况,允许零件尺寸有更大的公差带。
装配质量稳定可靠,装配过程简单,生产率高; 加工较困难,难用经济精度加工; 计算装配尺寸链用极值公差计算,要求各装配尺寸链组 成环公差之和小于等于装配精度;
封闭环的中间尺寸为:
k
n1
A0m Azm Ajm
z 1
Βιβλιοθήκη Baidujk 1
上、下偏差的平均值称为中间偏差,也称为公差带中心坐标,用符号△表示。 封闭环的中间偏差:
k
n1
0 z j
z 1
jk 1
1.装配工艺基础
1.3.2 统计法求解装配尺寸链:
根据概率论,若将各组成环视为随机变量,则封闭环(各随机 变量之和)也为随机变量,且有:
能,如由曲轴、齿轮、垫片、键及轴承等构成的曲轴组件; 部件:由若干组件、合件及零件的组合,部件在产品中要完成一定
的完整的功能,如发动机、主轴箱等。
部件装配:零件->合件、组件、部件 总装配:零件、合件、组件、部件->最终产品
1.装配工艺基础
车身装配的例图:
Body in White
Sideframes Body as Framed
体一侧, e=0.26,k=1.17
1.装配工艺基础
平面、空间尺寸链的通用解法:
前面介绍的极值法和统计法分析装配尺寸链的公式都是针对简单 的一维尺寸链;对于平面尺寸链和空间尺寸链,极值法和统计法 预测装配偏差的公式为:
极值法: 统计法:
n
T ASM
Sj Tj
j 1
n
T ASM
(S jTj )2
3.直接线性化方法(DLM)概述
3.1 背景介绍 3.2 装配过程中的偏差源 3.3 DLM方法的分析过程 3.4 DLM案例分析
主要内容
1.传统装配工艺基础
1.1 装配工艺概述 1.2 装配尺寸链介绍 1.3 尺寸链的计算 1.4 保证装配精度的方法
2.现代装配偏差分析理论与控制技术
2.1 蒙特卡洛仿真 2.2 矩阵法 2.3 确定性分析 2.4 影响系数法
n1
A0min Az min
Aj max
z 1
j k 1
1.装配工艺基础
封闭环的上下偏差:
封闭环的上偏差等于增环上偏差之和减去减环下偏差之和
k
n1
ES A0 ES Az EI Aj
z 1
jk 1
封闭环的下偏差等于增环下偏差之和减去减环上偏差之和
k
n1
则此时封闭环的极限偏差为:
上极限偏差: ESA0 T0 / 2 下极限偏差: EI A0 T0 / 2
1.装配工艺基础
当组成环偏离正态分布时,用下面的近似公式进行求解: 封闭环的偏差大小(装配偏差):
TA0
n1
ki2Ti 2
i 1
TA0称为当量公差,k值为相对分布系数
1)封闭环的平均值等于各组成环的平均值的代数和;
2)封闭环的方差(标准差的平方)等于各组成环方差之和, 即:
式中
n1
0 2 i 2
i 1
σ0—— 封闭环的标准差;
σi —— 第i个组成环的标准差。
1.装配工艺基础
若各组成环的尺寸分布均接近正态分布,则封闭环尺寸分布也近 似为正态分布。
假设尺寸链各环尺寸的分散范围与尺寸公差相一致
① 尺寸链各尺寸环的平均尺寸等于各尺寸环尺寸的平均值;
(即将非对称公差转换为对称公差AM±T/2) ② 各尺寸环的尺寸公差等于各环尺寸标准差的6倍,即:
T0 6 0 , Ti 6 i
两个概率法基本公式:
1)平均尺寸:
m
n1
A0M AjM
机械系统与振动国家重点实验室 上海市复杂薄板结构数字化制造重点实验室
装配偏差分析与控制
报告人: 报告时间:
主要内容
1.传统装配工艺基础
1.1 装配工艺概述 1.2 装配尺寸链介绍 1.3 尺寸链的计算 1.4 保证装配精度的方法
2.现代装配偏差分析理论与控制技术
2.1 蒙特卡洛仿真 2.2 矩阵法 2.3 确定性分析 2.4 影响系数法
互换装配法
装配时不经任何处理,便可达到所需装配精度的方法,即控 制加工误差,达到装配精度。分完全互换法和不完全互换法。
1.装配工艺基础
完全互换装配法:
机械产品中每个零件都按零件图规定的公差要求进行加工制造, 装配时,各零件不需要作任何挑选、修配和调整(完全互换), 就能保证获得规定的装配精度,称为完全互换装配法。
Underbody
Door Assembly
Fender, Hood and Decklid Assembly
Floor Pan
Motor Compartment
BMIS
1.装配工艺基础
为了保证机械产品的使用性能,设计人员在设计机械产品时,都规 定了必要的合理的装配精度。
装配精度:是指产品装配后实际达到的精度。 为保证产品可靠性和精度稳定性,设计装配精度通常稍高于标准; 通用产品有国标、部标,无标准根据用户使用要求;
封闭环的极限偏差:
k
n 1
0
( z

ez
TAZ 2
)
( j
ej
TAj 2
)
z 1
j k 1
ES A0

0

TA0 2
EI A0

0

TA0 2
1.装配工艺基础
• 大批量生产条件下,稳定工艺过程,工件尺寸趋近正态分布,e=0, k=1;
• 在不稳定工艺过程中,当尺寸随时间近似线性变化,形成均匀分布; • 两个分布范围相等的均匀分布组合,形成三角分布; • 偏心或径向跳动趋于瑞利分布, e =-0.28,k=1.14; • 单件小批量生产条件下,工件尺寸可能形成偏态分布,偏向最大实
j 1
实质上,上式也是尺寸链的通用求解公式(包括一维尺寸链)。 其中,Sj是第j个组成环对封闭环的敏感系数,即零部件尺寸对装 配精度的影响系数。
1.装配工艺基础
Sj

f Aj
f f ( A1, A2 An )
f 表示封闭环对各组成环的显式函数关系,即装配系统的显式装配
约束方程。
右图是一个齿轮箱装配简图, △N为装配结束后形成的间隙, 为封闭环。建立直线尺寸链:
与极值法和统计法分析直线尺寸链的公式一致。且正敏感系数对应的组成 环恰好为增环,而负敏感系数对应的组成环恰好为减环。
然而,对于结构更为复杂的装配系统,准确获得封闭环对各组成环的解析 显式装配函数是十分困难的。需要更通用的分析模型进行装配偏差预测与 计算。
1.装配工艺基础
1.4 保证装配精度的方法
生产中常用的保证装配精度的方法:
1.装配工艺基础
1.3.1 极值法求解装配尺寸链:
封闭环基本尺寸:
封闭环的基本尺寸等于增环的基本尺寸之和减去减环的基本尺寸 之和。
k
n 1
A0 Az
Aj
z 1
jk 1
直线尺寸链
k
n 1
0 z j
z 1
j k 1
角度尺寸链
A3
A0
A1
A2
β0
3.直接线性化方法(DLM)概述
3.1 背景介绍 3.2 装配过程中的偏差源 3.3 DLM方法的分析过程 3.4 DLM案例分析
1.装配工艺基础
1.1 装配工艺概述
装配工艺基本概念: 机械装配,是指按规定的技术要求,将零件、部件进行配合和联接, 使之成为半成品或成品的工艺过程。
装配工艺的重要性:
角度尺寸链
定义:全部组成环为角度尺寸的尺寸链。具有公共角顶的封闭角度图 0
形,是最简单的角度尺寸链。
由平行度和垂直度组成的尺寸链是角度尺寸链。
β1
β2
1.装配工艺基础
平面尺寸链
定义:全部组成环位于一个或几个平行平面内,但某些组成环 不平行于封闭环的尺寸链。 使用投影的方法,将各组成环向封闭环所在方向投影,转换为 直线尺寸链。
显然,装配函数:
f N A1 A2 A3 A4 A5
敏感系数:
S1 S2 1 S3 S4 S5 1
1.装配工艺基础
将获得的敏感系数代入前面尺寸链 的通用分析公式,可得:
n
极值法: T ASM Tj
j 1
n
统计法: T ASM
Tj2
j 1
EI A0 EI Az ES Aj
z 1
jk 1
1.装配工艺基础
封闭环的公差计算:
封闭环的偏差:
T A0 = A0 max — A0 min =
即:极值法计算尺寸链时,封闭环公差等于各组成环公差之和
封闭环的中间尺寸和中间偏差的计算:
最大极限尺寸与最小极限尺寸之和的平均值称为中间尺寸。
装配时产品生产的最终环节! 装配质量的好坏,直接影响到产品交付后的 工作性能、使用性能、可靠性、美观度、精 度以及使用寿命等指标。
1.装配工艺基础
机械产品是由若干部件、组件、合件和零件组合而成。
零件:组成产品的最基本单元; 合件:若干零件永久连接在一起的组合,如装配式齿轮、发动机连
杆小头孔压入衬套后的组合等; 组件:一个或几个合件与零件的组合,组件在产品中不具备完整功
AkM
j 1
k m1
2) 装配偏差:
T0
n 1
Ti 2
i 1


T
1.装配工艺基础
封闭环的极限偏差:
结合已经获得的装配偏差:
T0
n 1
Ti 2
i 1
首先计算封闭环的中间偏差,为增环的中间偏差之和减去减环的 中间偏差之和:
k
l
i j
i 1
j 1
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