基于模型的三維尺寸鏈及公差設計應用需求分析

北京國科軍友工程咨詢有限公司 檀國柱 鄭昭春

當前，高質(zhì)量發(fā)展是全面建設社會主義現(xiàn)代化國家的首要任務，裝備研制單位和客戶方均意識到裝備質(zhì)量管理不是管控、檢測出來的，而是設計出來的。公差設計及尺寸鏈計算是裝備研制過程中的重要環(huán)節(jié)，它可以提前暴露設計中存在的缺陷，提高產(chǎn)品的可制造性和穩(wěn)健性，大幅縮短裝備型號研制到批量生產(chǎn)的周期，可有效地提升裝備產(chǎn)品質(zhì)量?；谀Ｐ偷娜S尺寸鏈計算及公差設計，對裝備產(chǎn)品質(zhì)量的提升具有重要意義。

一、基于模型的三維尺寸鏈及公差設計

裝備產(chǎn)品研發(fā)流程中數(shù)據(jù)流的核心和基礎就是三維模型，結(jié)構(gòu)設計、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)柔性分析、復雜結(jié)構(gòu)件剛強度仿真、液壓系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)匹配等工作都是基于三維模型展開的?；谀Ｐ偷娜S尺寸鏈計算及公差設計就是通過計算機輔助系統(tǒng)開展基于三維設計模型的尺寸鏈計算和公差設計分析，它包含著靜態(tài)、動態(tài)、熱工況等不同狀態(tài)的計算分析。計算分析過程如下。

首先，要確定影響裝配技術(shù)要求和使用性能要求的重要幾何特征量目標值，這個重要幾何特征量目標值需要通過驗證和評價，確保目標值設定的合理性。其次，根據(jù)重要幾何特征量目標，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝方案將尺寸鏈環(huán)中的每一項影響因素分解為對應的零部件公差要求。然后，要對影響重要幾何特征量的尺寸鏈環(huán)要素進行梳理，并明確每一個鏈環(huán)的公差設計值和公差分布形式，列計算項目清單進行計算，根據(jù)要求將設計好的公差，進行基于模型的三維公差分析、校核和優(yōu)化。最后，通過校核和優(yōu)化的尺寸鏈環(huán)中每一個公差控制要求，形成計算書并組織審批，作為裝備及零部件制造過程質(zhì)量管控目標。

基于模型的三維尺寸鏈計算及公差設計可以大幅提升尺寸鏈計算及公差設計的智能化水平，降低設計師的設計難度，有效地提高裝備尺寸鏈計算的完整性和準確性。

二、裝備設計的發(fā)展需求

近年來，裝備相關(guān)研制單位設計的數(shù)字化、智能化和標準化水平有了很大改善，其中三維建模技術(shù)的大量應用，為設計和創(chuàng)新提供了一種非常好的工作平臺，設計師可以從三維概念和構(gòu)思入手，通過模型仿真和評價設計方案的可行性和可靠性，但相關(guān)設計中一個重要的環(huán)節(jié)——公差設計，很多設計單位仍然大量沿用傳統(tǒng)的查手冊、手工計算等方法，效率低且精度不夠，尤其是涉及形位公差，由于相關(guān)標準少、手工計算難度大，往往依據(jù)經(jīng)驗進行估算，結(jié)果是到后期制造時往往需要通過試裝配、修挫等手段來調(diào)整，面臨著研發(fā)周期長、成本高、可替換性差、不合格率高等嚴峻挑戰(zhàn)。

我國在工業(yè)零件機械制造過程中，為保證產(chǎn)品實現(xiàn)功能、達到性能要求，保證零件互換性，需要由設計者提出對零件實際尺寸變動范圍的具體要求，并在產(chǎn)品的設計、加工制造過程中對尺寸鏈及公差進行計算、分配和必要的調(diào)整。裝備相關(guān)設計標準中明確提出對于機械系統(tǒng)，不僅需要對零件公差、尺寸鏈進行計算、校核，還應該對部件、產(chǎn)品進行系統(tǒng)級公差分析，對關(guān)鍵控制尺寸的公差進行合理的設計。例如，某型號裝備正向設計過程中，如果不結(jié)合組件的尺寸鏈及公差對零組件進行組合設計，就會導致在零組件設計完成后進行尺寸鏈校核時，因為引入了復雜的空間尺寸鏈而增加計算難度或是因存在沖突的形位公差而重新設計，大大延長了驗證周期。因此，尺寸鏈的設計亟待進行規(guī)范，裝備設計單位應積極開展對基于模型的三維尺寸鏈及公差設計進行深入研究。

三、數(shù)字化的研發(fā)需求

隨著數(shù)字化技術(shù)手段在裝備產(chǎn)品研發(fā)過程中的推廣應用，推動了設計、制造、維保等流程的逐步融合。我國的航天、航空、船舶、兵器等行業(yè)新產(chǎn)品基本上實現(xiàn)了從基于圖紙的二維設計到基于模型的三維設計變革。隨著網(wǎng)絡平臺和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等軟硬件條件的不斷完善與實施應用，打通了科研院所與生產(chǎn)制造的數(shù)據(jù)鏈路，實現(xiàn)了設計仿真與工藝制造的協(xié)同推進，基于單一模型數(shù)據(jù)源可使產(chǎn)品全生命周期的研發(fā)各環(huán)節(jié)契合為有機的整體。

某型發(fā)動機早已實現(xiàn)了從基于圖紙的二維設計到基于模型的三維設計，依托數(shù)字樣機技術(shù)可以清晰了解到：渦輪轉(zhuǎn)子徑向間隙要通過尺寸鏈計算轉(zhuǎn)子葉片與封嚴裝置理論尺寸的間隙量，保證壓力性能的同時避免發(fā)生碰撞和摩擦；某軸承內(nèi)外環(huán)端面偏移量要通過尺寸鏈計算來確定其厚度及分度；燃燒室點火裝置安裝座中心的位置度要通過尺寸鏈計算來校驗其位置度，保證燃燒室點火裝置能順利插入燃燒室火焰筒等。

以一個零部件的孔軸配合為例，在設計中，零部件的孔軸配合裝配精度校核要考慮因素很多，對尺寸鏈計算要求也很高。如圖1所示，零件1、零件2 和零件3 通過孔軸配合進行裝配，需要計算零件1 軸大端與零件2 孔大端的同軸度誤差。這3 個零件有4 個配合面，其中有2 個配合精度較高的配合面為主定位面，通過2 個主定位面來確定3 個零件之間的裝配關(guān)系，以此來開展計算。

圖1 某機匣產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

傳統(tǒng)二維尺寸鏈計算難以考慮空間、形位公差等的影響，在實際設計過程中常因缺少計算工具和方法，而產(chǎn)生驗證周期長、依賴實際裝配情況、試湊等經(jīng)驗方法，這就會導致各轉(zhuǎn)子間的同軸度不合理，進而造成整機的振動超差。因此，在裝備產(chǎn)品的研制過程中，尺寸鏈設計、計算的原則、要求應滿足三維設計的基本要求。

四、零部件尺寸精度的管控需求

隨著裝備戰(zhàn)技指標的不斷提升，作為機動平臺核心部件的動力系統(tǒng)、傳動裝置的結(jié)構(gòu)集成度明顯提高。以某型號產(chǎn)品的傳動裝置為例，其內(nèi)部包含行星變速、變矩器、減速器、液壓操縱系統(tǒng)、操縱電控、潤滑系統(tǒng)等功能單元，可以說傳動裝置是一種集成應用機械、液力液壓、電氣、控制等技術(shù)實現(xiàn)復雜功能的高技術(shù)產(chǎn)品。在實際應用過程中，各系統(tǒng)、各功能單元之間既互相影響、相互制約，也能共同作用、發(fā)揮效能、實現(xiàn)功能。

以某變速器為例，首先，傳動主軸支撐間隙需要開展尺寸鏈計算，合理、適當?shù)闹伍g隙是保證傳動主軸在工作期間正常發(fā)揮作用的必要條件，通過對傳動主軸支撐間隙的計算可確定形成間隙的各結(jié)構(gòu)要素并評估其影響程度。其次，主被動錐齒輪軸線偏置距需要開展尺寸鏈計算，螺旋錐齒輪傳動是車輛傳動典型結(jié)構(gòu)，主被動錐齒輪軸線偏置距是表征齒輪及其相關(guān)安裝結(jié)構(gòu)設計合理性的重要指標?？臻g齒輪嚙合間隙和旋轉(zhuǎn)動密封間隙也都需要開展尺寸鏈計算，畢竟合理、適當?shù)膰Ш祥g隙是保證齒輪對在服役期正常發(fā)揮作用的必要條件。通過對齒輪嚙合間隙的計算，確定形成間隙的各結(jié)構(gòu)要素并評估其影響程度。而旋轉(zhuǎn)動密封間隙是保證液壓系統(tǒng)正常、穩(wěn)定工作的必要條件。通過對旋轉(zhuǎn)動密封間隙的計算，確定形成間隙的各結(jié)構(gòu)要素并評估其影響程度，從而可以有效地指導設計。如圖2所示，墊圈與軸肩之間的間隙是裝配后間接形成的尺寸，需要計算裝配后墊圈和軸肩之間的間隙能否保證在一定的范圍內(nèi)。

圖2 某變速器結(jié)構(gòu)示意圖

為了最大限度減少系統(tǒng)之間的不利影響，保證實現(xiàn)整機可靠性目標，需要對變速器的系統(tǒng)壓力、振動噪聲等進行監(jiān)測與控制。對于壓力和振動的控制不僅要對壓力源、動力源進行合理匹配，還要保證動密封配合間隙、軸承游隙、齒輪嚙合側(cè)隙等結(jié)構(gòu)參數(shù)在合理的公差帶內(nèi)。

對影響零部件核心結(jié)構(gòu)參數(shù)的尺寸鏈進行分析計算，并根據(jù)分析結(jié)果對相關(guān)尺寸鏈進行合理匹配用以改進設計，可以有效控制關(guān)鍵尺寸、降低不必要的精度、縮短驗證周期、提高產(chǎn)品制造的可達性。

五、技術(shù)文件的需求

在產(chǎn)品的設計階段,設計負責人應編制必須要進行尺寸鏈校核的計算項目清單并組織開展尺寸鏈校核工作，總體設計單位、協(xié)作單位、制造單位都應進行尺寸鏈校核和驗證評價?？傮w設計單位下發(fā)給協(xié)作單位和制造單位的設計要求，應通過尺寸鏈虛擬仿真校核并出具計算報告；協(xié)作單位應對部件級、零件級公差設計，進行尺寸鏈校核并出具尺寸鏈計算報告；制造單位對于結(jié)構(gòu)復雜、集成度高的關(guān)鍵零件工序尺寸設計，要進行整體工藝尺寸鏈校核并出具計算報告。

論證三維數(shù)字化模型的公差設計合理性（包括線性、角度、幾何公差、基準的設計合理性），應輸出報告。裝備零部件加工、裝配、測量過程中，應復查相關(guān)報告并根據(jù)實際情況修訂報告。

報告宜通過基于模型的計算機輔助公差設計分析系統(tǒng)自動生成，在交付定型產(chǎn)品的成套技術(shù)文件中需要包含尺寸鏈計算及公差分析報告。報告內(nèi)容至少應包含三維尺寸鏈計算項目要求的或者假設的計算條件，如企業(yè)制造能力、動態(tài)因素等情況；尺寸鏈計算中涉及的相關(guān)零部件清單，包括圖號、零部件名稱、版本號、備注；三維模型結(jié)構(gòu)簡圖；尺寸鏈組成環(huán)參數(shù)，包括環(huán)編號、基本尺寸、上下極限偏差、傳遞系數(shù)、貢獻率、增減性；計算結(jié)果及結(jié)論，包括計算項目目標值要求、計算結(jié)果、結(jié)論、優(yōu)化建議等。

六、結(jié)論及建議

開展公差設計及尺寸鏈校核時，設計人員、工藝人員、檢驗人員只有基于三維模型，才能與裝備行業(yè)現(xiàn)行設計研發(fā)流程真正有機融合，并可實現(xiàn)設計變化的動態(tài)調(diào)整。建議國家出臺相關(guān)標準，對部件、零件開展基于三維模型的公差設計及尺寸鏈校核的模型、方法、流程、要求作出規(guī)范。展示系統(tǒng)級尺寸鏈及公差分析與設計的流程，完善當前尺寸鏈計算相關(guān)工作流程，明確結(jié)果評價、應用方法和審批依據(jù)。形成一套適合裝備行業(yè)和國防工業(yè)主導的民用產(chǎn)品都可參照使用的尺寸鏈及公差設計要求和作業(yè)規(guī)范。