尺寸鏈在機車牽引變流器器件裝配的應用

靳印凱 李啟明 魏龍輝

摘要：隨著產品的可制造性和可裝配性需求不斷提高，以尺寸鏈分析為代表的尺寸工程技術在很多行業中都有著廣泛應用，本文以機車某牽引變流器產品為切入點，通過基于重要器件的裝配所對應的關鍵尺寸鏈的計算分析，分析尺寸鏈在設計生產裝配環節的應用，進而對以后產品的設計和生產制造提供更好的指導。

關鍵詞：尺寸鏈計算;公差分析;生產裝配

中圖分類號： ?TH124 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

1 引言

以汽車行業為代表的很多行業，都把先進的尺寸工程軟件嵌入到ProE、CATIA等三維設計軟件中，在軟件中標注尺寸鏈，通過設計后的尺寸工程模擬分析進行關鍵尺寸鏈的計算，以供設計及工藝相關部門評估尺寸公差可行性，并通過將尺寸工程計算過程嵌入到產品開發流程中，內部進行關鍵尺寸管控，確保產品開發過程中的標準化。大大的提高了產品一致性及零部件互換性，提高了產品裝配效率，降低了生產成本。

對于機車牽引變流器的裝配而言，很多時候是通過后期裝配進行調整、修配，相對而言，成本較高效率低下。但通過利用尺寸鏈進行計算，可以優化零部件尺寸公差，降低現場裝配過程中的返工率，提高生產效率，使產品獲得最佳的技術水平和經濟效益[1]。

本文以機車牽引變流器產品為切入點分析，通過結合關鍵位置尺寸鏈的分析，來實現對同類結構尺寸的優化設計，進而推廣到其他類似結構和其他平臺產品。

2 尺寸鏈計算方法

常用的公差分析計算模型有兩種：極值法和均方根法。

2.1 極值法

利用公差分析計算目標尺寸的最大值和最小值后，可以根據目標尺寸的判斷標準來判斷產品的設計是否滿足設計。此處作為計算過程數據使用。

2.3 蒙特卡羅法

蒙特卡羅方法也是一種計算方法，以概率和統計理論方法為基礎的算法，基本原理是基于零件公差的數據模型然后根據裝配關系建立一個產品尺寸概率模型，使它的參數等于問題的解，裝配模擬計算的次數越多越準確。

由于它受幾何條件限制小，所以目前它是三維空間公差分析計算的主要方法之一。相比于一般計算方法，能夠在計算所求量的同時計算出與真值的誤差[4]。

對于一維尺寸鏈，可以用表格等手工計算的方法，對于二維尺寸鏈因為手工計算難度增大很多，因此很多企業采用相關軟件進行計算，本次分析使用了DTAS軟件進行了計算。軟件可以自動判斷增減環，也可以結合傳遞系數以及貢獻率來對公差進行分配，優化尺寸，然后結合蒙特卡羅法再進行仿真分析，判斷是否合理。

3 尺寸鏈計算分析

本文中關于尺寸鏈的計算采用直線尺寸鏈的計算方法，未涉及平面尺寸鏈以及空間尺寸鏈的計算。對于平面尺寸鏈以及空間尺寸鏈手工計算非常復雜，目前主要依賴于軟件進行，上文已提及，此處不再贅述。

現場安裝電容（藍色物料）時曾出現過問題，因此以安裝電容所涉及的尺寸鏈為例進行分析，具體如下圖所示。

序號1、2、3、4、5、6分別對應：支撐電容安裝板A、支撐電容安裝板D、電容螺栓距離、支撐電容安裝板B、支撐電容安裝板C端面到上螺栓孔、柜體骨架對應安裝孔間距。

改進前裝配順序為：支撐電容安裝板B、D柜下與電容緊固，支撐電容安裝板C組裝，電容上柜，支撐電容安裝板A組裝。因此此處定義支撐電容安裝板A安裝孔與骨架安裝處為封閉環，此處安裝板為φ10mm孔，骨架為M8焊接螺母，因此封閉環目標尺寸為±1mm。

結合本結構模型，具體計算情況如下表所示：

對于這種裝配結構而言，尺寸鏈數量多，進而導致引入計算的公差多，通過蒙特卡洛法仿真計算合格率為80.08%，電容實際裝配時也出現了安裝困難，需要通過重新調整支撐電容安裝板B、D實現安裝，而電容重量較大，因此調整時困難也較大，浪費工時且存在安全隱患。

基于上述問題從減少尺寸鏈的角度考慮，對此處結構做優化：

因支撐電容安裝板B、D是在上柜前完成緊固，對應的安裝孔會出現偏移，因此可以通過設計工裝，使電容和兩個安裝板統一為一個尺寸鏈，同時也消除了偏移的影響，同時，支撐電容安裝板C改為焊接結構，焊接時采用焊接工裝保證[5]，消除了原先裝配偏移的影響，同時也降低了焊接變形的影響，尺寸鏈模型得到優化[6]。

改進后的模型仿真計算合格率達到99.18%，相比之前的80.08%提升了19.1%，已經超過±2σ對應的合格率水平，優化效果明顯，而且在實際產品裝配過程中也未發生裝配困難的情況。

電容安裝工裝以及焊接結構保證工裝如下圖所示：

電容安裝結構實物優化前后對比如下：

4 結論與展望

通過以上分析案例可見， 在柜體集成組裝過程中，所用到的螺栓與零件尺寸關系，除非特殊要求，一般都是孔直徑大于螺栓直徑2mm。有些結構沒有結合具體裝配情況設計定位尺寸與公差，因此也就會產生裝配問題。

在產品設計階段，要區分并設計定位基準，這樣就不至于原本設計的裝配偏移量因重力或裝配順序等因素的影響形成裝配公差，導致在裝配現場不斷調整，特別是一些安裝關鍵器件的尺寸設計，定位尺寸設計位置一般在重大器件支撐處，以及在組合安裝的時候最先需要安裝的器件的安裝孔位。增加定位基準，對骨架結構的生產加工也有了進一步的規范要求;

本文通過對機車變流器器件組裝尺寸鏈的識別與分析，關于尺寸鏈計算分析的規范和文件需要結合產品實際情況做進一步優化，對于類似結構設計以及跨平臺產品實現可借鑒的應用，從分析和解決現場問題出發，到基于產品全生命周期進行尺寸工程化管理，來優化產品的設計和生產裝配環節。

在產品詳細化設計階段進行產品公差分析和仿真，縮短產品的開發周期，在生產裝配階段提升工作效率，降低生產成本，助力提升產品質量。

參考文獻：

[1]李煥慶. 面向虛擬裝配的公差分析關鍵技術研究[D] . 南京： 南京理工大學， 2006.

[2]李瑞姣. “解尺寸鏈”在實際教學中的應用及分析[J]. 成才之路， 2016 （06）.

[3]匡兵， 黃美發， 鐘艷如. 尺寸公差與形位公差混合優化分配[J].計算機集成制造系統，2008（02）： 398-402.

[4]曹渡， 劉永清. 汽車尺寸工程技術 [M]. 機械工業出版社， 2017.

[5]曹麗芳. 焊接工裝夾具在生產中的應用與設計實踐[J]. 裝飾裝修天地， 2019（12）.

[6]楊斌. 發射架焊接變形研究及工藝優化[D]. 廊坊： 北華航天工業學院， 2016.