CE/TOL 6 s
Tolerance Optimization System
Release 5.1
The next generation in tolerance management
Руководство пользователя
Часть I. Начало работы
Глава 3. Основы анализа допуска
Эта глава охватывает несколько фундаментальных принципов для понимания CE/TOL SixSigma.
3.1 Допуски
Допуски используются для определения допустимого отклонения от точного размера позиции, ориентации и формы механического конструктивного элемента. Проектировщики используют допуски для определения критических требований к размеру при производстве продукта. Допуски могут быть применены к размерам конструктивного элемента, позиции или ориентации и могут быть представлены в форме допуска традиционного размера или как геометрические допуски (GD&T) согласно стандартам допуска (например, ASME Y14.5M-1994). CE/TOL SixSigma рассматривает допуски как пределы размеров, которые определяют конструктивный элемент детали.
3.1.1 Вариация конструктивного элемента
Механические детали могут быть представлены как набор конструктивных элементов. Конструктивными элементами могут быть поверхности, скругления, фаски, отверстия, пазы и т.д. Каждый конструктивный элемент определяется набором размеров. CE/TOL SixSigma обращается к размерам, которые определяют позицию, ориентацию и размер конструктивных элементов детали. Например, цилиндрическая бобышка требует пять переменных (Рисунок 3-1), чтобы определять её в 3D пространстве: две переменные позиции (Tx, Ty), чтобы расположить среднюю линию, две переменные вращения (Rx, Ry), чтобы ориентировать средняя линию, и один размер переменной (радиус/диаметр), чтобы определять размер цилиндра.
Рисунок 3-1. Цилиндрическая бобышка с пятью размерами
Каждый размер будет иметь некоторое количество вариаций для производства. Допуски, приложенные к конструктивным элементам детали, определяют допустимое колебание размера.
3.1.2 Традиционные допуски
Традиционный метод нанесение допусков - использование одного допуска для каждого размера конструктивного элемента. Эта технология стирает различия между размером и допуском и позволяет упростить процесс применения допусков. Однако это часто ведет к неэффективным инспекционным требованиям, типа квадратных полей допуска для локализации отверстий.
3.1.3 Определение геометрических размеров и простановка размерных допусков - GD&T
GD&T стандарты были разработаны для устранения недостатков традиционных методов установки допусков. Основной метод GD&T определяет зону допуска, которая определяет пределы в которых конструктивный элемент может изменяться. Пока размеры конструктивного элемента не нарушает зону, деталь считается пригодной. Геометрические допуски используются для определения функциональных требований к конструктивным элементам, а не пределов для отдельных размеров. В результате, один геометрический допуск часто относится к двум или более размерам одновременно. Например, допуск позиции для конструктивного элемента отверстия может быть интерпретирован для управления четырьмя размерами: два размера расположения оси отверстия на детали и два размера определения наклона оси. Таким образом, один допуск позиции заменяет четыре традиционных допуска, требовавшихся для ограничения отверстия.
CE/TOL SixSigma относится к размерам, которые определяют локализацию, ориентацию и размер конструктивных элементов детали, как к переменным. Размеры/переменные CE/TOL SixSigma подобны размерам/параметрам, которые используются для определения геометрии в Pro/E. Тем не менее, переменные CE/TOL SixSigma могут также включить размеры, "спрятанные" в Pro/E в качестве геометрических ограничений. Они включают две ориентационные переменные смещения одной плоскости от другой или двух переменных локализации одного цилиндра, который является коаксиальным к другому. В Pro/E конструктивные элементы, показанные на рисунке 3-2, должны, вероятно, разделять общую ось. Однако, модель Pro/E не может признать, что технологическая вариация может заставить оси цилиндра быть смещёнными и наклоненными друг к другу. CE/TOL SixSigma, с другой стороны, может включить те скрытые размеры позиции и ориентации.
Рисунок 3-2. Переменные, скрытые как геометрические ограничения
Вариации производственного процесса применяются непосредственно к переменным и управляют изменением сборочной модели. Допуски рассматриваются как ограничения переменных, которые совместимы с допусками, использованными в проекте, производстве и проверке. По умолчанию каждая переменная детали управляется одним традиционным допуском. Тем не менее пользователь может аннулировать встроенную схему нанесения допуска, применяя один или более геометрических допусков к конструктивному элементу детали. CE/TOL SixSigma автоматически отобразит все важные переменные в геометрическом допуске конструктивного элемента. Если геометрические допуски позже будут удалены, переменные возвращаются к их допускам по умолчанию (традиционным).
3.2 Размерная схема
В зависимости от потребностей пользователя к детали могут быть применены различные размерные схемы. В общих чертах, три размерные схемы могут быть применены к каждой детали: проектная схема, технологическая схема и схема проверки. В идеальном случае эти все три схемы должны быть идентичными, но зачастую это не так.
3.2.1 Проектная схема
Проектная схема (рисунок 3-3) представляет перспективу конструктора детали и пытается охватить как можно полнее цели проекта. Эта размерная схема часто имеет много зависимостей между размерами и может быть описана с точки зрения функциональных конструктивных элементов как, например, отверстия, бобышки или рёбра. Хотя данная размерная схема используется сейчас большинством CAD систем, она не может быть наилучшим заданием размерной схемы для выполнения анализа допуска.
Рисунок 3-3. Проектная размерная схема
3.2.2 Технологическая схема
Технологическая схема представляет инженеру - технологу перспективу детали и описывает размеры, которые являются важными в производственном процессе (рисунок 3-4). Эти размеры представляют смещения при изготовлении конструктивных элементов, как например, отверстия и вырезы, от определенных базовых конструктивных элементов, которые будут использованы при фиксации детали. Если информация технологического процесса известна, эта размерная схема обеспечит наиболее правильный статистический анализ допуска.
Рисунок 3-4. Технологическая размерная схема
3.2.3 Инспекционная схема
Инспекционная схема (рисунок 3-5) представляет инженеру по качеству перспективу детали и описывает размеры, которые важны в процессе проверки. Эти размеры представляют, как проверяемые конструктивные элементы расположены относительно базовых конструктивных элементов, использованных для фиксации детали для проверки. Хотя инспекционная схема часто используется в анализе худшего случая допуска, она не всегда правильно представляет вариации, вводимые в течение технологического процесса.
Рисунок 3-5. Инспекционная размерная схема
3.3 Сборочные ограничения
Большинство продуктов состоят из нескольких деталей, сведенных вместе, чтобы формировать сборку. Когда больше чем одна деталь включается в изучение допуска, отношения между деталями необходимо понять. Эти связи описаны набором сборочных ограничений. Ограничения сборки могут быть простым стыковым контактом или более сложным соединением. Необходимо понять и правильно охарактеризовать эти сборочные ограничения, для точного моделирования как изменения будут передаваться через сборку другим деталям. Чтобы помочь пользователю понять и охарактеризовать эти сборочные ограничения, CE/TOL SixSigma обеспечивает следующими инструментальными средствами: сетевые диаграммы, шарниры и степени свободы.
3.3.1 Сетевые диаграммы
Сетевые диаграммы схематически представляют детали в сборке и сборочные ограничения, использованные для удержания этих деталей вместе. Таким образом, взаимодействие между деталями можно визуализировать и понять, вне зависимости от сложности 3D конструктивных элементов.
В пределах CE/TOL SixSigma, две сетевых диаграммы использованы как фокус процесса моделирования. На уровне сборки сетевая диаграмма сборки обеспечивает абстрактный вид деталей, как они взаимосвязаны и что должно измеряться. На уровне детали сетевая диаграмма показывает зависимости между ссылочными базовыми фреймами (DRF), базовыми конструктивными элементами и полученными GD&T.
3.3.2 Кинематические соединения
В пределах CE/TOL SixSigma, все сборочные ограничения охарактеризованы как кинематические соединения. Эти соединения применяются и к кинематическим ограничениям, и к твердым ограничениям, типа крепежа и сварки. Главным образом классифицирование кинематических соединений происходит от контактирующих поверхностей. В зависимости от типов поверхностей и их относительных ориентаций, CE/TOL SixSigma определяет соответствующий кинематически совместный тип. Как только условие сопряжение обусловлено, кинематическое соединение может в дальнейшем быть уточнено путем установки сборочного ограничения, используемого для удержания поверхностей в контакте. CE/TOL SixSigma поддерживает два типа технологий сборочных ограничений: простой контакт сопряжения и зажим. Техника сборочного соединения определяет, определены ли степени свободы (DOF) соединения от остальной части сборки способом саморасположения или точно установленным процессом сборки (соединение).
3.3.3 Степени свободы (DOF)
Степени свободы описывает набор независимых перемещений или вращений, которые характеризуют как одна деталь перемещается относительно другой (рисунок 3-6).
Рисунок 3-6. Шесть степеней свободы (DOF) тела в 3D пространстве
Первоначально, без сборочных ограничений, деталь имеет шесть DOF (X перемещение, Y перемещение, Z перемещение, X вращение, Y вращение и Z вращение). Применение сборочных ограничений (соединений) уменьшает DOF отдельных деталей.
DOF могут быть изучены на макро уровне (сборки) или на микро уровне (соединения). На макро уровне DOF представляет любой режим твердого тела который все еще существует в сборке (кинематика механизма). На микро уровне DOF описывает число и типы сборочных ограничений, которые подразумевались комбинацией сопряжения поверхностей. Когда CE/TOL SixSigma первоначально определяет эти DOF, допускается что поверхности имеют полный контакт и что нет других сборочных ограничений между этими двумя деталями. Если любое из этих предположений нарушено, статус степени свободы по умолчанию, установленный CE/TOL SixSigma, не может быть в силе. Тем не менее, статус DOF по умолчанию может быть модифицирован вручную, включением или отключением DOF на уровне соединения.
Для того, чтобы CE/TOL SixSigma мог проанализировать модель, DOF необходимо определить так, чтобы статус макро DOF был нулевым. Это означает, что все режимы твердого тела необходимо удалить из модели. Также важно, чтобы детали не имели избыточных ограничений относительно друг друга. Например, не может быть гарантировано, что 2-е плоские поверхности детали находятся в плоскостном контакте с 2-мя сопрягаемыми плоскими поверхностями на другой детали. Эта ситуация аннулируется освобождением одного из ограничений перемещения в одном из плоских соединений, которое подразумевает, что возможен только линейный контакт.
3.4 Методы анализа допуска
При выполнении анализа допуска, CE/TOL SixSigma обеспечивает 2-мя основными инструмента анализа для предсказания вариаций изменения: анализ наихудшего случая и статистический анализ.
3.4.1 Анализ наихудшего случая допуска
Анализ наихудшего случая допуска является традиционным типом вычисления допуска (рисунок 3-7). Индивидуальные размеры/конструктивные элементы установлены в пределах их допуска для того, чтобы делать размеры как можно большими или как можно меньшими.
Модель худшего случая не связана с распределением индивидуальных размеров, а скорее тем, чтобы размеры не превышали их соответственно определенные пределы допуска. Математически модель предполагает, что все переменные допуска будут приравниваться к одному из их предельных значений. Другими словами, эта модель предсказывает максимум ожидаемых вариаций проектной спецификации.
Рисунок 3-7. Суммарное поле допусков
Проектирование к
требованиям допуска худшего случая гарантирует, что 100 процентов деталей
соберётся и будет функционировать правильно, независимо от фактической вариации
составляющих размеров и комбинации наихудших допусков.
Основной недостаток - в том, что модель худшего случая часто требует очень
плотных индивидуальных составных допусков. Очевидный результат - дорогое
производство и инспекционные процессы и/или высокий процент брака.
Простановка размерных допусков худшего случая часто требуется клиентам для критического механического интерфейса и интерфейса замены детали. Когда простановка размерных допусков худшего случая не является контрактным требованием, правильная простановка статических допусков может гарантировать приемлемые результаты сборки с повышенными составными допусками, что понизит затраты на изготовление.
3.4.2 Статистический анализ допуска
Статистическая модель анализа допуска использует в своих интересах правила статистики, чтобы ослабить составные допуски, не жертвуя при этом качеством. Вариация каждого компонента смоделирована как статистическое распределение (рисунок 3-8) и эти распределения суммированы, чтобы предсказать распределение сборочной спецификации проекта. Таким образом, статистический анализ допуска предсказывает распределение, которое описывает изменение сборки, не крайние величины этого изменения. Эта модель анализа обеспечивает повышенную проектную гибкость, позволяя проектировщику проектировать на любом уровне качества, не только 100 процентов.
Рисунок 3-8. Суммарное распределений
Многие инженеры знакомы с основными методами статистического сочетания как, например, RSS (Root Summed Squares) анализы. RSS использует множество предположений упрощения, которые являются слишком сдерживающими для полно-показного статистического инструмента анализа допуска, типа CE/TOL SixSigma. CE/TOL SixSigma использует более общую статистическую технику, называемую Метод Системных Моментов. Этот метод работает непосредственно со статистическими распределениями каждого размера детали и вычисляет распределение для целого сочетания допуска. Используя этот метод, CE/TOL SixSigma может свернуть предварительную информацию производственного процесса, типа средних сдвигов в суммарных анализах. CE/TOL SixSigma МОЖЕТ использовать этот общий статистический двигатель, чтобы делать специализированные анализы типа RSS, DRSS (Dynamic RSS) и SRSS (Static RSS).
3.5 Оптимизация допуска
Вместо того, чтобы просто вычислять текущее суммарное изменение, проектировщики и инженеры-технологи обычно пытаются найти набор допусков или производственных процессов, удовлетворяющий соответствующим требованиям. Это распределение допуска, а не анализы допуска. Рисунок 3-9 показывает различие между анализом и распределением. В анализе допуска компонентное изменение известно и результирующее сборочное изменение вычислено. На распределении допуска, сборочный суммарный допуск известен из требования к конструкции, но набор составных вариаций неизвестен. Доступный сборочный допуск должен быть распределён среди компонентов рациональным способом.
Figure 3-9. Tolerance analysis versus tolerance allocation
Чтобы распределять допуски вручную, инженер должен сделать много анализов допуска, многократно регулируя вариации размеров и вычисляя суммарную вариацию. Инженер пытается находить вариант проекта, который удовлетворяет требованиям распределения, используя предельно возможные допуски размера. Этот утомительный и трудный процесс часто не делается вообще. CE/TOL SixSigma снабжает мощным комплектом инструментальных средств для оптимизации, которые позволяют понизить время и требуемое усилие для оптимизации проекта.