基于Pro/E的公差分析在天線結構設計中的應用*

曹 俊

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

基于Pro/E的公差分析在天線結構設計中的應用*

曹 俊

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

公差分析是結構設計中的重要部分，公差分析方法分為極值法和統(tǒng)計法兩類。文中介紹了兩類公差分析方法，利用Pro/E的公差分析對產(chǎn)品裝配的公差進行分析，并對相關零件公差進行評估和優(yōu)化。分析結果表明，Pro/E的公差分析功能為產(chǎn)品設計的改進指出了方向，相比傳統(tǒng)的經(jīng)驗設計，效率更高，對提高產(chǎn)品質量和降低產(chǎn)品成本有著明顯的應用價值。

公差分析；Pro/E；天線結構

引 言

傳統(tǒng)觀念認為產(chǎn)品質量是檢驗出來的，甚至有人簡單地認為先進的生產(chǎn)線就可以生產(chǎn)好的產(chǎn)品，實際上有數(shù)據(jù)證明，產(chǎn)品生命周期中的前期設計對產(chǎn)品質量的影響最為關鍵，而前期結構設計中的公差設計往往又是影響產(chǎn)品質量的重要因素。正確的公差設計不僅是減少產(chǎn)品制造成本和返工成本的前提，更是大規(guī)模生產(chǎn)中提高產(chǎn)品質量的迫切需求。隨著電子設備性能不斷提高，機械加工的精度要求也隨之增高，在這樣的背景下，公差設計顯得尤為重要，因此在產(chǎn)品結構設計時，必須對公差設計予以特別的重視。

通常，雷達電子產(chǎn)品結構較復雜，性能要求也越來越高。在傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計過程中，公差分配主要是依據(jù)經(jīng)驗設計，關于各個公差分配是否合理，設計師很難確定，更無法給出量化的判定指標?？梢姽罘治鲎鳛槌叽绻芾淼暮诵?，在整個產(chǎn)品開發(fā)過程中，起著越來越重要的作用。隨著計算機輔助公差分析(CAT)方法的出現(xiàn)，控制手段進一步完善，可以從根本上解決開發(fā)設計過程中的尺寸問題，可以最大程度地減少后期的被動修改，在降低成本的同時加快產(chǎn)品投向市場的速度。本文通過介紹公差設計中的公差分析方法，采用基于Pro/E的公差分析對產(chǎn)品裝配的公差進行分析，并通過一個簡單的實例說明該方法在天線產(chǎn)品設計中的應用。

1 公差設計

公差設計問題可以分為兩類，一類是公差分析(又稱正計算)，即已知組成環(huán)的尺寸和公差，確定裝配后需要保證的封閉環(huán)公差；另一類是公差分配(又稱反計算)，即已知裝配尺寸和公差，求解組成環(huán)的經(jīng)濟合理公差。由于一般尺寸鏈由多個組成環(huán)組成，所以分配方案是多種多樣的。公差分析的方法有極值法和統(tǒng)計公差方法兩類，根據(jù)分布特性進行封閉環(huán)和組成環(huán)公差的分析方法稱為統(tǒng)計公差法[1-4]。

1.1 極值法

極值法是指，當所有增環(huán)均為最大極限尺寸、所有減環(huán)均為最小極限尺寸時，獲得封閉環(huán)的最大極限尺寸；當所有增環(huán)均為最小極限尺寸、所有減環(huán)均為最大極限尺寸時，獲得封閉環(huán)的最小極限尺寸。

(1)

式中：D0為封閉環(huán)基本尺寸；n為組成環(huán)的個數(shù)；Di為第i個組成環(huán)的基本尺寸；λi為第i個組成環(huán)的傳遞系數(shù)(增環(huán)時λi=1，減環(huán)時λi=-1)。

(2)

式中：T為封閉環(huán)的公差；Ti為第i個組成環(huán)的公差。

極值法模型考慮的不是各個尺寸的統(tǒng)計分布，而是考慮這些尺寸不超過各自的指定公差極限。從數(shù)學角度來說，模型假設所有公差尺寸都等于一個極限值，并進而產(chǎn)生極限累積情況。換言之，此模型可預測最大預期測量偏差。極值法公差要求可保證所有零件在裝配和運轉時均100%可互換，而與實際的元件尺寸偏差和累積組合無關。極值法模型的主要缺點是，它通常要求各個元件的公差配合非常緊密，這容易造成制造精度過高、檢測過程費用昂貴、報廢率居高不下。

1.2 統(tǒng)計法

統(tǒng)計公差方法主要是指方和根法與修正的方和根法，由于蒙特卡羅模擬法、田口試驗法和卷積法也是根據(jù)概率論與數(shù)理統(tǒng)計理論進行公差分析的，所以把它們也劃分為統(tǒng)計公差方法[2]。

統(tǒng)計法模型充分利用了統(tǒng)計學的原理，可以在兼顧質量的情況下放寬元件公差限制。每個元件的偏差均被建模為統(tǒng)計分布圖(圖1)，這些分布加總后可預測裝配測量的分布情況。因此，統(tǒng)計法分析可預測分布情況，可以描述裝配測量偏差，但不能描述該偏差的極限值。利用此分析模型，設計人員可以設計出任何質量級別(不只是100%)的產(chǎn)品，從而提高設計彈性。

2 基于Pro/E的公差分析

計算機輔助公差分析方法可以從根本上解決公差設計中主要依靠經(jīng)驗設計的問題。目前市場上已經(jīng)有很多成熟的軟件，軟件雖然各不相同，但分析的思路和基本過程非常接近。由CETOL Technology提供支持的Pro/E公差分析擴展是與Pro/E Wildfire 4.0集成在一起的一款公差分析應用程序。執(zhí)行公差分析時，公差分析擴展提供2種有本質區(qū)別的分析工具來預測裝配測量偏差：極值法分析與統(tǒng)計法分析，本文重點介紹統(tǒng)計法分析的過程。Pro/E的公差分析工具提供了3種用于分析的分布類型：正態(tài)(高斯)分布、均勻分布和Lambda分布。如果在測量定義中有浮動接口，則分析結果可能會變成Lambda分布。否則，結果始終是正態(tài)分布。

2.1 公差分析過程

(1)定義測量參照

由于Pro/E提供的公差分析只能做尺寸相關的一維公差累積分析，因此選擇測量參照是為了保證所選的幾何形狀必須構成有效的一維測量，也就是說，必須定義能產(chǎn)生明確結果的測量。

(2)定義尺寸鏈

選擇測量參照后，從Pro/E模型中選取尺寸以定義尺寸鏈。選取的尺寸必須與測量方向平行，并定義一個從第一測量參照到第二測量參照的一維尺寸鏈。尺寸鏈定義完成后，程序進入結果分析界面。

(3)公差分析結果

界面由3個視圖組成：“測量表”、“尺寸環(huán)布線圖”、“分析結果”?！胺治鼋Y果”視圖有2個顯示區(qū)，左側區(qū)域顯示測量的偏差圖，偏差圖可顯示統(tǒng)計偏差圖和根據(jù)尺寸環(huán)中指定的尺寸公差得出的測量最壞情況范圍。

2.2 分析實例

圖2是某有源天線陣面結構示意圖，對于天線陣面來說，各子陣天線單元間距的精度決定了天線的性能，通常電訊要求相鄰天線單元間距的精度為± 0.15 mm以上。

進入公差分析模塊，選擇設計需要保證的尺寸精度±0.15mm，依次選擇尺寸鏈，并賦予通常的設計公差，形成尺寸環(huán)圖，見圖3。

圖2 某有源天線陣面結構示意圖

圖3 定義尺寸鏈

查看分析結果，可見初始設計所提出的公差的產(chǎn)品合格率為91.1%，見圖4，遠低于預期，因此需要進行公差優(yōu)化。

圖4 公差分析

通過圖4可以直觀地了解所設計產(chǎn)品的合格率。圖4還顯示了各尺寸精度對產(chǎn)品合格率的統(tǒng)計學影響，由此，不難發(fā)現(xiàn)天線陣面結構尺寸d107、d140、d1384、d930對產(chǎn)品的合格率影響最大。

此時，設計師需要考慮這些尺寸中哪些可以進行優(yōu)化，即在實際加工中以較小的代價可以實現(xiàn)，從而提高產(chǎn)品合格率。

通過分析，尺寸d107、d140屬于安裝天線單元的L型件，L型件屬于重復使用的零件，并且在實際加工中可以進一步提高精度。于是將d107、d140的精度由原有的± 0.1 mm提高到± 0.03 mm，再次進行公差分析，結果見圖5，產(chǎn)品合格率達到98.6%。

圖5 改進后的公差分析

此時，產(chǎn)品合格率提高了7.5%，代價僅僅是提高了單個L型件的精度，而此精度的提高是常規(guī)生產(chǎn)加工可以保證的，所需增加的成本有限。如果此合格率仍不滿意，可以繼續(xù)通過公差分析，合理優(yōu)化對產(chǎn)品合格率影響較大的尺寸精度，如果代價巨大，也可以考慮適當降低產(chǎn)品預期精度。

3 結束語

本文討論了Pro/E環(huán)境下進行公差分析的問題，使用公差分析工具對某天線結構裝配的間隙進行了公差分析。利用公差分析方法，可以預測零部件設計參數(shù)的改變對產(chǎn)品性能參數(shù)的影響。同樣，在確定的性能參數(shù)下，可通過逆分析方法來確定零部件的設計參數(shù)范圍，從而實現(xiàn)公差分析對設計的指導。

[1] 關玉祥. 機械加工誤差與控制[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 1995.

[2] 王平, 沈曉陽. 公差分析中的統(tǒng)計公差方法綜述[J]. 工具技術, 2008, 42(10): 43-46.

[3] 秦愛家, 張順法. CETOL6σ公差分析軟件在電器產(chǎn)品設計中的應用[J]. 上海電器技術, 2009(1): 55-59.

[4] 侯永濤, 顧寄南, 黃娟. Pro/Engineer平臺下裝配尺寸鏈生成的研究[J]. 中國制造業(yè)信息化, 2003, 32(7): 127-129.

曹 俊(1976-)，男，高級工程師，工學博士，主要從事天線結構設計和現(xiàn)代設計方法研究工作。

Application of Tolerance Analysis Based on Pro/E in Antenna Structure Design

CAO Jun

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

Tolerance analysis is an important part of structure design. The methods of tolerance analysis can be divided into two kinds: worst case methods and statistical methods. In this paper, the two kinds of methods are discussed. The tolerance analysis tool of Pro/E is used to study the products assembly performance. The tolerances of relevant parts are estimated and optimized. Analysis results show that the tolerance analysis base on Pro/E indicates the direction of improvements of production design, is more efficient than traditional experience-based design, and has obvious application value for improving product quality and decreasing product cost.

tolerance analysis; Pro/E; antenna structure

2013-01-22

TH161；TP391.99

A

1008-5300(2013)02-0062-03