三維公差分析技術(shù)在機(jī)槍脫鏈機(jī)構(gòu)公差設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王 洋，徐 誠(chéng)，郭 勝，牟奧敏

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

三維公差分析技術(shù)在機(jī)槍脫鏈機(jī)構(gòu)公差設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王 洋，徐 誠(chéng)，郭 勝，牟奧敏

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

在機(jī)槍脫鏈機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造和裝配過(guò)程中，需要對(duì)零部件的尺寸和公差進(jìn)行詳細(xì)分析和控制，傳統(tǒng)的二維尺寸鏈校核方法計(jì)算繁瑣、計(jì)算結(jié)果精度低，無(wú)法適應(yīng)輕武器對(duì)高互換性和低修挫率的要求。使用基于三維公差分析技術(shù)的Vis VSA軟件，建立起了某型12.7 mm機(jī)槍脫鏈器的數(shù)字化公差模型，并采用統(tǒng)計(jì)公差的方法對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)行仿真。該方法可以在設(shè)計(jì)初期，快速計(jì)算出偏差的數(shù)量和分析原因，有助于提高產(chǎn)品精度，加速研發(fā)過(guò)程，降低生產(chǎn)成本、提升零部件的互換性。

三維公差分析技術(shù)；脫鏈機(jī)構(gòu)；尺寸鏈運(yùn)算；公差分析；免修銼；Vis VSA

槍械產(chǎn)品零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸小、異形件多、裝配繁瑣、功能要求高。在自動(dòng)武器設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員多是憑借經(jīng)驗(yàn)以二維圖紙為基礎(chǔ)，進(jìn)行二維尺寸鏈分析，分析方法主要依據(jù)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)。

自動(dòng)武器尺寸鏈計(jì)算項(xiàng)目多達(dá)幾十項(xiàng)，常規(guī)計(jì)算方法工作量大、計(jì)算效率低、校核困難。在實(shí)際加工和裝配中，很難達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，往往要通過(guò)“人工修銼”，即通過(guò)手工修配不合格零件尺寸，以達(dá)到最終產(chǎn)品的總裝合格。“人工修銼”嚴(yán)重影響輕武器的生產(chǎn)效率，降低了部件的互換性。增加了次品率。該現(xiàn)象已經(jīng)成為自動(dòng)武器產(chǎn)品加工裝配過(guò)程中最為突出的問(wèn)題[1]。

機(jī)槍通過(guò)脫鏈機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)槍彈和彈鏈的分離，脫鏈機(jī)構(gòu)的尺寸鏈對(duì)槍械脫鏈動(dòng)作的可靠性有很大影響。脫鏈機(jī)構(gòu)中異形件眾多，計(jì)算繁瑣，傳統(tǒng)二維尺寸鏈計(jì)算效率低下。在實(shí)際生產(chǎn)中，常留一定的加工余量，在裝配過(guò)程中經(jīng)過(guò)修銼使其達(dá)到合適尺寸，這極大地影響了裝配效率和互換性。

公差分配不合理是“人工修銼”產(chǎn)生的重要原因之一。以二維工程圖為基礎(chǔ)的公差分析已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代輕武器產(chǎn)品加工裝配公差分析的要求。而利用以計(jì)算機(jī)輔助公差分析軟件Vis VSA為代表的三維公差分析技術(shù)，可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題。

本文將三維公差分析技術(shù)引入某型12.7 mm高射機(jī)槍的脫鏈器尺寸鏈計(jì)算中。這種基于計(jì)算機(jī)三維公差分析軟件的新型輕武器尺寸鏈計(jì)算方式，減少了昂貴的物理樣機(jī)制造成本和試驗(yàn)次數(shù)，縮短了研制周期，可大幅度提高我國(guó)輕武器方面的設(shè)計(jì)能力和生產(chǎn)效率。

1 基于Vis VSA的三維公差設(shè)計(jì)分析原理

目前，市場(chǎng)上流行的商業(yè)化三維公差分析軟件有3DCS、Vis VSA等。輕武器行業(yè)中多采用UG作為三維CAD軟件，本文采用和UG兼容性良好的Vis VSA作為公差分析軟件。

Vis VSA是“可視化的偏差模擬分析”的英文縮寫,是Siemens公司開(kāi)發(fā)的一套三維統(tǒng)計(jì)公差軟件，它基于Monte Carlo方法，主要用于三維統(tǒng)計(jì)公差分析[2]。Vis VSA功能強(qiáng)大，可以通過(guò)仿真產(chǎn)品的制造裝配過(guò)程預(yù)測(cè)產(chǎn)品的尺寸質(zhì)量和偏差源貢獻(xiàn)因子，判斷某階段的設(shè)計(jì)是否能夠滿足尺寸設(shè)計(jì)要求，并給出可能的整改方案，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的不足[3]。

Monte Carlo方法是Vis VSA公差分析的理論基礎(chǔ)。Vis VSA中公差分析的基本原理是在組成環(huán)公差范圍內(nèi)按照設(shè)定的概率分布生成一系列服從正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)，然后對(duì)其隨機(jī)抽樣，代入尺寸鏈方程即可求解出封閉環(huán)的一個(gè)樣本值。然后按照一定的置信水平設(shè)定的次數(shù)重復(fù)這個(gè)過(guò)程，從而得到封閉環(huán)的樣本集合[4]。相比于傳統(tǒng)二維尺寸鏈運(yùn)算，該方法可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行多次正態(tài)輸入、正態(tài)輸出方式的運(yùn)算，并能考慮到裝配順序，在進(jìn)行三維復(fù)雜多尺寸公差計(jì)算時(shí)有很大優(yōu)勢(shì)[5]。

Vis VSA軟件和UG兼容性良好，可以將已經(jīng)建立好的槍械三維模型轉(zhuǎn)化為.jt格式進(jìn)行運(yùn)算。相較于抽象的傳統(tǒng)二維尺寸鏈計(jì)算，在Vis VSA中進(jìn)行的三維公差運(yùn)算更為直觀，不必手動(dòng)組成封閉環(huán)。其計(jì)算過(guò)程迅速、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，可以對(duì)不同尺寸的公差影響因子做出評(píng)估，對(duì)公差分配的修改提供指導(dǎo)。基于Vis VSA的三位公差設(shè)計(jì)分析基本流程如圖1所示。

圖1 基于Vis VSA的三位公差設(shè)計(jì)分析流程

2 脫鏈機(jī)構(gòu)組成

我國(guó)某型12.7 mm高射機(jī)槍采用開(kāi)式彈鏈作為供彈具，進(jìn)彈過(guò)程為一次進(jìn)彈。一次進(jìn)彈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高。彈鏈在脫鏈過(guò)程中，由脫鏈器擠下彈鏈變形，迫使鏈、彈分離。脫鏈過(guò)程彈鏈彈性時(shí)間短、動(dòng)作大、變形猛烈。脫鏈機(jī)構(gòu)的精度，直接影響脫鏈動(dòng)作的可靠性[6]。為了保證脫鏈動(dòng)作質(zhì)量，大多采用留余量人工修銼的辦法保證裝配精度。該方法依賴工人的熟練程度，生產(chǎn)效率較低。因此，將計(jì)算機(jī)輔助公差設(shè)計(jì)技術(shù)，用于脫鏈機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，具有重大意義。

該高射機(jī)槍脫鏈機(jī)構(gòu)部件中主要包括8個(gè)零部件：機(jī)匣體、帶鎖扣座的供彈機(jī)蓋、壓板前部、脫彈器、壓板后部、撥彈滑板、撥彈滑板軸、支耳軸。其裝配關(guān)系示意圖如圖2。

在進(jìn)行計(jì)算機(jī)公差分析時(shí)，考慮簡(jiǎn)化模型，有以下假設(shè)：

1) 壓彈板與蓋底板平行；

2) 機(jī)匣體上安置的脫彈器的斜面傾角α為標(biāo)定值；

3) 脫彈器上平面與壓板后部平行。

圖2 脫鏈器組件裝配關(guān)系示意圖

3 數(shù)字模型創(chuàng)建與分析

按照脫鏈器部件的裝配要求，運(yùn)用三維公差仿真分析軟件Vis VSA進(jìn)行分析，該軟件以蒙特卡洛算法為核心進(jìn)行仿真運(yùn)算。主要分析步驟如下：

利用UG建立脫鏈器部件裝配三維公差分析模型。由于原模型較為復(fù)雜，且撥彈滑板等零部件僅有一個(gè)尺寸參與計(jì)算，故對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的脫鏈器部件包括了機(jī)匣體、帶鎖扣座的供彈機(jī)蓋、壓板前部、脫彈器、壓板后部、撥彈滑板、撥彈滑板軸、支耳軸等8個(gè)零件。

將UG三維軟件模型轉(zhuǎn)化為輕量化的.JT模型。.JT模型體積小、處理效率高，大部分的三維軟件如UG都可以將模型直接轉(zhuǎn)化為.JT格式，能夠?qū)崿F(xiàn)基于特征的幾何模型和VIS VSA的公差分析模型的無(wú)縫對(duì)接，避免轉(zhuǎn)化為其他格式丟失固有特性。在VSA中建立過(guò)程文件，即可將對(duì)應(yīng)的.JT模型關(guān)聯(lián)。

將公差輸入.JT模型、在VSA中建立特征、輸入公差、進(jìn)行裝配。最終仿真分析模型。

根據(jù)零件加工圖紙將各配合處尺寸及公差列出，如表1所示。

表1 各配合處容差

依照給定的供彈機(jī)蓋到脫鏈器前后壓板到平面的距離要求，對(duì)應(yīng)要求1、要求2分別建立測(cè)量點(diǎn)距離1、距離2。距離1、距離2如圖3所示。

采用2 000個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行Monte Carlo仿真分析，以樣本概率在6σ范圍之外為合格進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到合格率柱狀圖。距離1和距離 2 的仿真分析結(jié)果，如圖4、圖5所示。

圖3 距離1、距離2指代關(guān)系示意圖

圖4 距離1仿真結(jié)果

圖5 距離2仿真結(jié)果

分析圖4、圖5可以得出：距離1計(jì)算結(jié)果為1.92～3.06 mm，不符合圖紙大于2 mm的技術(shù)；距離2計(jì)算結(jié)果為1.99～3.02 mm，不符合圖紙要求的2.0～3.02 mm。影響距離1、距離2兩個(gè)測(cè)量結(jié)果的影響因子及其貢獻(xiàn)度大小如圖6、圖7所示。

圖6 距離1尺寸鏈各影響因子的貢獻(xiàn)度

圖7 距離2尺寸鏈各影響因子的貢獻(xiàn)度

從圖6、圖7可以看出，對(duì)距離1，對(duì)分布結(jié)果影響最大為撥彈滑板軸和壓板后部上平面配合的尺寸10.65H11；而距離2中，由于部件比較復(fù)雜，影響因子多，影響系數(shù)相近，經(jīng)數(shù)次調(diào)整，確定對(duì)分布結(jié)果影響最大為壓彈板下平面尺寸7.5(自由公差)和浮動(dòng)座體輸彈器孔相對(duì)上平面距離8.2H12。

在公差修正中，優(yōu)先修正非主要件公差。對(duì)應(yīng)距離1，將10.65H11改為10.65JS10；對(duì)于距離2，將壓彈板下平面尺寸7.5(自由公差)和浮動(dòng)座體輸彈器孔相對(duì)上平面距離8.2H12，分別改為7.5h10和8.2H10，重新進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算即為：距離1為2.07～3.01 mm，距離2計(jì)算結(jié)果為2.43～3.28 mm，均符合圖紙要求。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，在裝配過(guò)程中可以達(dá)成相關(guān)互換性要求，免修銼的目的。

4 結(jié)論

分析結(jié)果表明，利用Vis VSA分析輕武器復(fù)雜機(jī)構(gòu)尺寸鏈計(jì)算、指導(dǎo)新型武器公差分析可行。相比于傳統(tǒng)的二維尺寸鏈計(jì)算，以Vis VSA為代表的三維公差分析技術(shù)計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快、計(jì)算精度高，是一種行之有效的計(jì)算手段。借助Vis VSA軟件，可以對(duì)槍械公差分布做出合理優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)免修銼、增加互換性等一系列目的。因此，將三維公差分析技術(shù)引入到輕武器的研制生產(chǎn)中，具有一定的軍事意義和經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 羅少敏,王亞平,鄒衍.某型手槍擊發(fā)機(jī)構(gòu)裝配公差分析與信息化集成研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014(12):132-136.

[2] LIU Z.Analysis of Mounting Tolerance based on VisVSA[J].Automobile Technology,2011.

[3] 張博,霍楓,張清,等.一種基于Vis Mockup的尺寸偏差分析方法[C]//中國(guó)科協(xié)年會(huì)第13分會(huì)場(chǎng):航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用技術(shù)研討會(huì).出版地不詳:[出版社不詳],2013.

[4] SIEMENS.Variation Analysis[EB/OL].[2016-05-12].HTTP://www.plm.automation.siemens.com/en_us/products/tecnomatix/manufacturing-planning/dimensional-quality/variation-analysis.shtml.

[5] 林潔,王佳.基于VisVSA技術(shù)的三維統(tǒng)計(jì)公差分析及應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2017,39(1):99-101.

[6] 張本軍,王瑞林,李永建,等.開(kāi)式彈鏈脫彈過(guò)程建模與分析[J].兵工學(xué)報(bào),2011,32(12):1531-1534.

ThreeDimensionalToleranceAnalysisTechnologyinMachineGunBulletDiscardingMechanismToleranceDesign

WANG Yang， XU Cheng， GUO Sheng， MOU Aomin

(College of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094, China)

During the design, manufacture and assembly process of bullet discarding mechanism, the size and tolerance of parts should be analyzed and controlled precisely. The conventional two-dimensional dimensional chain verification method with cumbersome calculation and inaccurate can not meet the small arms’ requirement of high interchangeability and low mend rate. Based on the 3D tolerance analysis software Vis VSA, the digital tolerance model of a certain 12.7 mm machine gun bullet discarding mechanism is set up, and the assembly process is simulated by the statistical tolerance. By the above method, the deviation number and reason can be calculated and analyzed rapidly at the initial stage of design. This method helps to improve product accuracy, accelerate the R&D process, reduce production costs and enhance the interchangeability of parts.

three dimensional tolerance analysis technology；bullet discarding mechanism；dimensional chain operation；tolerance analysis；no artificial mend；Vis VSA

2017-06-09；

2017-06-29

國(guó)防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(A1020131011)

王洋(1994—)，男，碩士，主要從事自動(dòng)武器研究。

10.11809/scbgxb2017.10.008

本文引用格式：王洋，徐誠(chéng)，郭勝，等.三維公差分析技術(shù)在機(jī)槍脫鏈機(jī)構(gòu)公差設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(10):36-39.

formatWANG Yang，XU Cheng，GUO Sheng，MOU Aomin.Three Dimensional Tolerance Analysis Technology in Machine Gun Bullet Discarding Mechanism Tolerance Design[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(10):36-39.

TJ24

A

2096-2304(2017)10-0036-04

(責(zé)任編輯周江川)