波導組件重復裝配精度控制方法研究

胡培軍 唐波 王延偉

摘 要：一面兩孔是波導組件常用的定位方案。文章基于CAT軟件公差設計方法，在有效控制加工難度和加工成本的前提下，提出了一種提高微波組件重復裝配精度和合格率的設計方案，指出了一面兩孔定位方式優化設計的方向。

關鍵詞：波導組件；一面兩孔； 重復裝配精度；公差分析

中圖分類號：TN252 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）10-0119-03

Abstract： One side and two holes are the common positioning methods of waveguide components. Based on the tolerance design method of CAT software， under the premise of effectively controlling machining difficulty and processing cost， a design scheme to improve the accuracy and qualified rate of repeated assembly of microwave components is put forward. The direction of optimization design of two holes is pointed out.

Keywords： waveguide assembly； one side with two holes； repeat assembly accuracy； tolerance analysis

1 概述

波導組件一般由沿波導腔軸線方向分割的上下兩部分腔體組合而成，兩部分腔體裝配后進行法蘭端面加工，而后仍需拆分鍍涂、內裝微波電路等。波導組件波導腔及法蘭盤端面平面度是影響其電氣性能的關鍵因素，必須采用可重復高精度定位方法。一面兩孔定位具有加工成本低、重復拆裝方便、結構簡單可靠等優點，是波導組件常用的定位方案。

一面兩孔定位精度主要由定位孔與定位銷的配合間隙及定位孔位置度精度決定[1，2]。傳統的公差設計大多據經驗或尺寸鏈極值計算，對復雜精密部件往往定為設備加工極限，增加了加工成本，裝配體質量也無法掌控。計算機輔助公差分析（簡CAT）可基于零部件的三維模型，結合零部件的尺寸公差、形位公差及表面粗糙度要求，模擬產品的實際裝配過程（如銷與孔間隙配合偏心），分析封閉環尺寸統計分布情況，并對組成環尺寸進行公差優化設計[3]。本文采用CAD軟件進行三維建模，采用CAT軟件進行裝配體公差分析及優化設計。

2 常見波導組件定位方案公差分析

2.1 波導組件公差分析模型建立

波導組件如圖1所示，銷釘3與下腔體2定位孔為過盈配合，與上腔體1定位孔間隙配合。首先將兩銷釘3以過盈配合的方式壓入下腔體2定位孔，上腔體1沿定位銷3裝入并進行輔助定位，采用螺釘緊固等方式組合后加工法蘭端面。

定義分析目標及相關尺寸公差。將下腔體及兩定銷簡化位為一個零件模型。波導組件上腔體一組定位孔與定位銷間隙作為分析目標，其值要求為0～0.01mm。上腔體兩定位孔尺寸公差和位置度、下腔體銷釘尺寸公差和位置度均要定義。

定義波導組件約束關系。公差模型約束邏輯關系如圖2所示。調整模型結構樹與裝配順序一致。腔體上下接觸面選用面接觸；一組定位孔與銷釘約束類型設為浮動，另一組為分析目標；選取波導腔一側面作為輔助定位面，類型為點接觸。波導組件各零件完全約束后進行公差分析。

2.2 波導組件裝配精度公差分析

模型建立后，CAT軟件生成分析報告。分析目標的正態、極值分布如圖3所示。由正態分布圖得出，波導組件合格率為63.4%。最小間隙量為負值時，定位銷與定位孔干涉，致使銷釘受力變形；間隙過大則會引起重復裝配定位精度超差。

波導組件合格率不能滿足設計要求，需進行公差優化設計。CAT軟件可生成分析目標敏感度和貢獻度信息。敏感度是指封閉環尺寸對組成環尺寸變動的敏感程度，即為封閉環尺寸對組成環尺寸的導數；貢獻度反映了尺寸鏈中組成環尺寸對封閉環尺寸變動的貢獻程度，即各組成環公差在封閉環公差影響中所占的百分比。分析敏感度（圖4）和貢獻度數據（圖5）可知，兩腔體定位孔位置度為關鍵尺寸。初選定位孔位置度制程能力指數Cpk為1，提高其公差要求將導致腔體零件的合格率降低，將導致波導組件成本大幅上升。

3 波導組件定位方式改進方案

為保證波導組件裝配精度并綜合考慮可制造性要求，采用一種改進設計方案。如圖6所示，原方案基礎上配打兩組定位孔，定位孔穿透兩個腔體。再次裝配時棄用原定位孔，采用配打的兩組定位孔定位[4]。配打的定位孔一次完成加工，兩腔體定位孔相對位置度誤差可忽略。

定位孔和定位銷尺寸公差要求與原方案一致，采用CAT建模計算得圖7所示結果。波導組件裝配合格率由63.4%提高至88.6%，極限尺寸超差也由0.029mm降低為0.009mm。分析敏感度和貢獻度可知，定位孔和定位銷尺寸為關鍵尺寸。

銷釘成本較腔體成本要低得多，可提高銷釘公差要求。銷釘公差要求由2±0.005mm提高為2±0.003mm，銷釘直徑制程能力指數Cpk由1降低為0.6。計算得，波導組件裝配合格率由88.6%提升至93.2%，滿足設計要求。該方法目前已應用于我所多種型號產品，取得了顯著的經濟效益。

4 結束語

傳統的一面兩孔定位方法在進行重復裝配定位時，定位孔位置度對定位精度影響很大。一面兩孔定位改進方案規避了位置度誤差影響，大幅提高重復定位精度。銷釘成本相對較低，在一定范圍內加嚴銷釘公差要求可降低波導組件制造成本，提高定位精度。可采用一面三孔或一面多孔定位方式，以提高重復裝配精度和支承剛度。

CAT軟件可綜合考慮零部件的尺寸公差、形位公差及表面粗糙度等要求，在設計初期通過統計計算的方式評估裝配體精度和合格率，降低實驗成本，加快開發速度，是一種便捷有效的公差設計手段。

參考文獻：

[1]張永軍.一面兩孔定位方案的設計與定位誤差分析[J].機械工程師，2010（8）：114-115.

[2]張新義，韓進宏.孔、銷精密配合件公差設計的理論概率法[J].機械設計，1994（5）：32-35.

[3]朱延娟，祁磊.復雜結構的公差分析及優化[J].機電一體化，2015（4）：39-44.

[4]唐波，霍建東，路波.一種可重復精密定位方法：中國[P].2013106

83882.1.2016-10-05.

[5]李巖.提高裝配精度技術探索[J].科技創新與應用，2012（14）：73.