基于VSA的容差建模分析

葛磊

【摘 要】飛機制造過程中，其零部件的公差及裝配工藝流程直接影響飛機的裝配精度。本文使用ViaVSA容差分析軟件以產品模型為基礎，結合尺寸鏈，對VSA建模不同方法進行分析，確定最優建模方法。

【關鍵詞】容差分析；尺寸鏈；裝配

中圖分類號： TH124 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）25-0021-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.25.009

【Abstract】The precision of part and process plan of the plane directly affect products manufacturing accuracy in the process of aircraft manufacturing. Based on the product model with combination of dimension chain，this article use tolerance analysis software ViaVSA to analysis different model affect on assembly，and then confirm the optimal model.

【Key words】Tolerance analysis； Dimension chain； Assembly

0 引言

公差是產品設計的重要組成部分，是保證產品工功能的關鍵因素。飛機對裝配準確度要求非常高，可以通過制造準確度、裝配容差等方法滿足高裝配準確度要求。然而制造準確度要求越高，通過減小制造誤差來實現時，將會導致制造成本大幅度的增加同時對加工設備的要求也勢必提高，因此一味試圖通過提高制造準確度的方法來滿足裝配準確度是難以實現的。裝配過程的協調通常表現為協調路線，不同的協調路線與裝配誤差累積和容差分配密切相關，最終都要通過裝配容差和工藝余量來滿足裝配封閉環的要求，而裝配過程中對工藝余量進行修配和協調將直接影響裝配準確度[1]。如果裝配容差分配不合理，將難以滿足裝配的要求；同時有可能導致返工或修改，引起一次裝配成功率的降低。因此飛機裝配的誤差分析和容差優化已成為提高產品裝配準確度需迫切解決的問題。

1 理論基礎

1.1 容差分析

容差分析的主要工作是根據協調路線及零件制造確定的零件公差、裝配路線及基準傳遞路線所建立尺寸鏈，結合計算機模擬裝配，對尺寸鏈中零部件公差的積累進行模擬仿真，最終得到控制目標的工藝能力指數評判，驗證工藝方案的合理性及可形狀，并對工藝方案和裝配協調路線進行優化，以提高工藝方案的可行性和產品的裝配準確性[2]。

1.2 尺寸鏈

產品是由若干互相關聯的有技術要求的零件裝配而成。這些零件的尺寸就反映著它們之間的關系。從尺寸鏈的觀點來看， 整個機器就是一個彼此有著密切關系的尺寸鏈系統[3]。應用尺寸鏈來計算容差，首先根據零、部件間的關鍵特性、裝配關系及工裝和測量方案確認尺寸鏈。然后用蒙特卡洛法在軟件中模擬裝配來計算累積的容差。

1.3 蒙特卡洛法及工藝能力

VisVSA是Siemens公司提供的一個商用容差分析計算軟件，能有效的解決靜態裝配問題，既可以驗證設計好的裝配順序、公差標定是否可行，又可以通過試驗對比方式正向設計出相對較合理的裝配方案。

VSA采用的是目前應用較廣的公差設計函數計算方法-蒙特卡洛法[4]。蒙特卡洛法是一種通過隨機變量的統計試驗、隨機模擬，求解數學物理、工程技術問題近似解的數值方法。

正態分布是蒙特卡洛法中使用最廣泛的一類模型，描述正態分布需要均值和標準差兩個特征值，其密度函數和分布函數的一般形式如下：

在對過程區間的處理上， 系統默認±3σ 以內的值（約99.73%）是可信值，超出此范圍的值（約0.27%）是壞點。在此基礎上，以Cp和Cpk值作為工藝能力的衡量標準。

實踐表明工序能力（Cp）越高產品質量波動越?。还ば蚰芰υ降?，產品質量波動就越大。一般要求Cp值要大于1.33，但Cp值過高會使產品成本增加。

2 基于VisVSA的建模方式分析

副翼支臂交點安裝如圖1所示，主要涉及零件為副翼支臂、底座、后梁，涉及到裝配工裝的控制點為后梁面擋塊，支臂定位銷及擋塊。裝配需控制的控制目標位交點的位置度和同軸度。

2.1 工藝方案描述

方案一，兩套獨立工裝，當作為兩套獨立工裝時：在VSA中的建模中將支臂工裝和后梁工裝在Catia建模中為兩個獨立零件。方案二，一體工裝，該方案下是在Catia建模中將兩套工裝作為一個零件。方案三，經黑盒處理的工裝：在Caita建模中支臂工裝和后梁工裝為兩個獨立文件，在VSA里進行黑盒處理為一個.jt格式零件。

2.2 容差分析

將產品數模及工裝數模轉化為軟件所需格式，并導入軟件。根據不同的裝配方案選取不同的裝配特征及對應的測量目標特征，之后按照不同方案在viavsa軟件中進行相應的裝配，然后仿真計算各方案測量目標的結果。

方案一仿真結果如圖2所示，圖二測量結果可知，將支臂工裝定位銷的位置度從0.15mm改到1mm，cp值由1.5492mm改成0.7171mm，CP值發生變化。

方案二仿真結果見圖3，由方案二結果可知：將支臂工裝定位銷的位置度從0.15mm改成1mm，CP值從1.3498變成0.7621。

圖4所示為方案三的仿真計算結果，可見將支臂工裝定位銷的位置度從0.15mm改成1mm，CP值從1.4700變成0.7452。

根據3種方案的仿真分析結果可見，在同樣的零件制造精度、工裝精度的情況下，工裝的誤差可以傳遞到測量目標，CP值變化較為靈敏；VSA軟件內部已經考慮到相應的工裝建模影響，三種方案對測量目標CP值影響較為一致，可根據實際情況任選其中一種方案處理模型。

3 結論

在數字化制造的國際背景下，利用容差分析與優化技術實現工藝優化、容差分配優化、設計結構優化已成為必然趨勢。計算機輔助容差分析能在結合已有的工藝經驗的基礎上，通過不斷完善迭代，補充并完善企業工藝經驗的累積，合理、有效的分配尺寸鏈各環節的容差，能夠提高裝配質量，提高生產效率，降低制造成本，縮短設計周期。

【參考文獻】

[1]王姮，侯志霞，李光麗，等.面向裝配的飛機數字化設計技術[J].航空制造技術，2014（21）：63-65.

[2]周瞳.飛機艙段對接裝配容差分析建模及工藝優化.上海交通大學，2011.

[3]周琳，翟建軍，黃翔，等.一種筒段對接關鍵特征點的容差分配方法[J].機械制造與自動化，2015，44（3）：58-61尺寸鏈.

[4]劉壯.基于VisVSA技術的汽車裝配公差分析.汽車技術[J].2011，1；57-61.