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 采用CAE技术的鲁棒性产品设计

 
                                        


摘要
    鲁棒性产品设计可以表征在许多方面,但是最直接的定义可能是:持续满足客户的所有期望,同时为公司提高最大化盈利的设计。设计的“鲁棒性”通常意味着根据提供机械规格要求使用最便宜的制造工艺,这些工艺经常会引入大部分零件对零件之间的变化量。成功的工程师所面临的挑战是,如何确定装配和零件的规格要求满足产品质量和客户的感知或要求,尽管制造过程有可能会导致质量比昂贵的替代品更差。
    实现鲁棒性产品的设计目标是相当直接的,但是实际的具体工艺更加复杂。其涉及各种技能的组合,包括装配工程、统计、对各种不同制造工艺的理解及其相关成本、以及与他人交流需求的语言,此语言很少在工程课程中教授。因此,对于具有类似能力水平和背景经验的不同工程师,在面对相同目标时,仍然会有明显不同的设计规范。幸运的是,软件工具可以帮助规范流程,并驱使不同的工程师得到相类似的解决方案。
    本文回顾了使用先进软件实现鲁棒性设计所需的主要步骤,此软件有条理性地结合了所需的多个学科。对于已经实施了这些步骤的公司案例研究,我们可从其实现方式中得到经验。

1. 介绍
     软件工具在创建鲁棒性设计中帮助实现流程的标准化,Taguchi把产品的鲁棒性定义为“设计过程中,把不可控的操作性变化对产品的质量影响降到最小的能力” [1]。
本文将讨论变量的主要来源和获得鲁棒性设计的必要步骤。具体的案例研究强调创建鲁棒性设计的实施步骤。
2. 变量来源
    Taguchi所定义的“不可控操作性变化”也可以被称作变量来源。如图1所示,列出了变量的主要来源。
 


图1.变量来源


2.1. 材料属性
    材料选择是设计的基本组成部分。市场、生产、质量和其他部门对材料选择具有重大影响。但是不同材料对外力的作用会做出不同的反应。模具冷却时间的长短会影响塑料件的完整性,材料密度决定材料的柔韧性。因此,需要理解和管理所有这些变量来源来达到鲁棒性设计。
2.2. 作用力
    几乎所有的产品都会受到某种外力。至少,他们都受到重力作用。当产品使用过程中、产品与其他系统交互作用、环境外力作用等大多数情况下,产品会受到某种形式的动态作用力。通常使用最坏情况下的受力,对设计进行安全工程因素的分析,以确保其达到总体预期效果,但是动态载荷随着时间推移产生的疲劳是比较难以预测的。
2.3. 温度
    温度波动几乎影响所有的材料其他特性。除了引起尺寸变化,还会收起其他特性的变化,如:脆性、热传导性、导电性能,气体压力,化学反应时间等都将随着操作温度的波动而变化。如果所述的标准操作温度更高或更低,设计名义值时,必须将环境温度变化考虑在内。
2.4. 环境
    电,水,风等其他环境因素都能改变材料的物理性能。环境变化不仅导致作用力和温度的变化,而且加速腐蚀率,影响材料属性并导致提前失效。例如,当设计用于咸水环境的产品时,避免电偶腐蚀是材料选择需要考虑的首要问题。
2.5. 装配方法
    改变装配方法或装配顺序,将会改变零件变量对零件之间的位置和方向的影响。由于不同的人使用不同的方法装配零件,在遇到问题时,排除故障产生的原因就变得非常困难。同样重要的是,装配方法试图防止零件的不正确装配,例如:插入电池的方法不对,或确保在最低限度时,类似的错误不会导致安全问题或设备故障。
2.6. 运动学影响
    许多装配包含尺寸特征一致的零件,例如:一组并列插入到多个孔和槽中的销子。动态变量的发生是由于装配中间隙导致零件间产生相对运动。当然,具有运动零件的产品需要在运动范围内的多个位置进行测试,以确保达到设计要求。
2.7. 制造工艺
    对于任何给定的零件类型和所需的材料,均有许多种制造工艺来选择。提高尺寸特征的准确度和精度将导致较高的成本,所以对于工程师的挑战,是通过定义最小限制公差,尽可能的选择设计所需的最高准确度和精度的方法。为了要有效的做到这一点,需要对装配要求做评估,如果仅仅使用零件分析,不可能做到。
3. 鲁棒性设计的六个步骤
    实现鲁棒性设计,有6个主要的步骤。它们是:
    ① 确定要求
    ② 创建设计方案(通常有几个)
    ③ 确定关键功能特征
    ④ 理解变量来源
          1) 力
          2) 热
          3) 制造和装配方法
          4) 其他
    ⑤ 设计中的迭代变化
          1) 名义值
          2) 公差
    ⑥ 文档记录装配和零件要求
3.1. 确定要求
     设计要求有许多来源。许多公司,要求最初由市场调研提供,例如:新产品为了满足一个确定的市场需求。材料选择通常基于产品的成本或特定外观和感觉,而不是仅仅由所需的强度或弹性等材料特性决定。
     顾客提供基于产品使用的直接反馈,他们可能按照预期的方法使用,或者并没有按照设计者所设计的方法使用此产品。
     在此之前的产品是设计要求的最大来源之一。相比于现有产品的许多迭代变化,完美的新产品是罕见的。从生产数据中积累的经验为新产品的设计提供了直接输入。
为了解决不同制造方法的成本或保持一定设计规范和公差的能力,制造将会影响设计要求。
     最后,各项监管要求和现有的标准影响设计规范。联邦、地区、地方和专门的政府机构可能直接影响整体设计。标准委员会和行业协会也提供指导,其也将影响设计要求。
3.2. 创建设计方案
     创建设计方案为第一阶段,将要求的解释注入到新产品中。设计方案可以被画在纸上或写在白板上或在CAD系统中由2D草图绘制或用实体模型体现。考虑重要零件的不同允许范围,将其作为几个不同的备选方案,往往是非常有帮助的。评估这些可选方案的特点,将允许探索每种方案对于重要功能的敏感性。
 


图2.烤箱的设计方案

 

      实际上,此设计方案需要在CAD系统中创建。在此阶段,将假设基本的公差。
3.3. 创建关键功能特征
     设计方案的具体化,最初是确定关键功能特征。许多特征为装饰特征,例如:门把手的球形度。但是关键功能特征将包括弹簧附着孔,或相互间接触的齿轮表面等。
在此例子中,简单的锁具机构显示了全部的零件如图3:


 
图3.锁具机械结构的实体模型


     随着关键功能特征的确认,代表装配的关键特征如下图所示:


 
图4.锁具机械机构的关键曲面


    例如,销的外表面与孔接触,或者包围销的孔内表面会高亮显示。
    确定关键功能之后,方程用于模型转换,则曲面用数学表示式表示。对于孔中的销,方程式为:
 
    转换为数学表达式后,留下的可视化模型看起来更像这样:


 
图5.锁具机械结构的方程可视化


3.4. 理解变量来源
     当该产品被用作设计时,每一个变量来源可能会或不会对特定的产品产生重大影响。门锁内部中的温度变化,相比于门锁外部的冰冻环境,便不再是一个问题。
如果我们看一下烤箱设计的简单例子,基本的热分析是这样的:


 
图6.烤箱门上的正常热量分布


     热量通过门均匀分布,且最高温度集中在玻璃观看区域。
     制造变量的研究转变为公差的审查。高度复杂的公差分析软件的存在,决定了最坏情况和统计结果。这些软件包中采用高等数学,或蒙特卡洛实验,以确定变量的统计概率。
     但是当制造变量考虑热分析时,结果将是动态的。在下图的烤箱例子中,下部的铰接处在允许变量的最坏情况下对齐,并且调整平面度满足最坏情况变量。
     联合的结果是,从烤箱里的热传导和烤箱门手柄的温度升高,超出了要求所定义的可接受范围。


 
图7.烤箱门的热传导分布


3.5. 设计中的迭代变化
     明显的,在新情况下,烤箱手柄的温度是不可接受的。为了纠正这一点,需要一个迭代过程去查看如何改变设计。通过使用分析软件,可以提供贡献度和敏感度图,以辅助理解需要调整哪个测量尺寸及其大小,以增加设计的鲁棒性。如下所示:


 
图8.敏感度图


     材料和制造成本在设计改变中扮演重要的角色。通常情况下,在迭代过程中有必要查看给出的原始要求和发现的新信息。
     公差的变化往往是设计调整的早期步骤。然而,当使用分析软件评价设计时,工程师可以决定,名义测量尺寸的变化将增加鲁棒性,调整公差可以增加整体成本。
     在下图的例子中,测量尺寸名义值的平移,将合格率从2.2%增加至了87.8%。


 
图9.调整前的分布
 
图10.调整后的分布


     进一步调整公差值导致合格率的进一步增加,此例子达到了期望值为99.9%。


 
图11.调整公差后的分布


     当然,公差值的变化可能导致更加昂贵的制造工艺,这可能超出原有产品的要求。因此,必要性和创新性的改变要求,是工程师解决必要复杂问题的一部分。
3.6. 文档记录装配和零件要求
    文档化装配和零件要求是必要的,以便于沟通设计意图。GD&T的工业标准,应用于3D模型和2D图纸中,如下图所示。


 
图12.文档化实例


4. 实例研究-发动机汽缸盖
     发动机汽缸盖是一个具有许多精密配合和许多变量来源的复杂装配。温度变化范围为几百度,尘埃和颗粒会干扰运动,变量在零件制造的过程中发生变化,上述因素随着时间导致发动机产生磨损。具有高度交互系统公差尺寸链是复杂的、要求严格的。在此案例中,我们采用鲁棒性设计实施方法,通过管理公差以调整变量的变化范围,达到了鲁棒性设计要求。
4.1. 气门顶杆间隙
     一个关键要求为顶杆间隙,或气门机构顶部与凸轮间的气门间隙(如图13)。随着发动机运动中温度的升高,气门机构存在允许范围的热膨胀。如果发动机冷却状态下存在间隙不足,气门可能在温度升高后无法完全关闭,甚至可能发生更严重的零件机械失效。如果间隙过大,发动机运行时将无法达到最佳性能,因为过大间隙会导致气门的打开和关闭的时间不确定。此外,如果不进行校正,凸轮和顶杆顶部间的冲击也可能导致长期的损害。
     随着时间的推移,机械磨损导致顶杆间隙的增加,这种情况通常在发动机中产生滴答声。如果发生这种情况,必须调整顶杆和阀杆之间垫片的厚度,使用厚度更大的垫片。


 
图13  (a)顶杆间隙图          (b)垫片照片


4.2. 顶杆垫片的空间测量尺寸
     期望的顶杆间隙通常在0.15mm和0.20mm之间,或者进气和排气系统的总公差范围为0.05mm。为了满足这些要求,必须有许多不同厚度的垫片来调整间隙(图14)。公差分析可以确定最经济的垫片厚度来满足上述设计要求。


 
图14.顶杆间隙图


4.3. 建立仿真模型
     为了准确预测制造过程中可能发生的情况,公差分析方案必须考虑交互零件部分缺陷产生的影响。这种评价往往强调条件约束,如:一组特征控制在某些特定情况下的零件交互,而另一组完全不同的特征在控制其他状况下交互,这种情况通常要避免,因为无论在制造过程中还是在现场,排除故障都要困难很多。
     我们还必须考虑控制特征间的间隙,例如轴承与轴的配合,将在分析中如何处理。在某些情况下,会有位置和方向的偏移(例如:由于重力产生的切向接触)。在其他情况下,分析方案应该假设零件位置完全是随机的。
     凸轮轴和阀顶部之间的典型配合如下所示(图15),


 
图15.典型配合
(a)中心      (b)相切        (c)圆柱       (d)点


4.4. 尺寸网络图
     三维网络图(链),显示了每个零件间相互的配合,其中包含具有尺寸和公差的相关特征(图16)。三维尺寸链图可以用来验证模型中零件和特征的相互关系。这里三维等效的矢量环图,与一维的公差研究相通用。


 
图16.三维尺寸网络图


4.5. 公差评定
    为了提高基于分析结果的设计,工程师应该考虑许多因素,如:基于名义值分析结果的中心需要在功能要求范围内、对目前整体功能需求变量贡献最大的尺寸和改变尺寸值对功能要求带来的影响(例如,每个尺寸对结果的敏感度)。当试图优化满足功能要求的公差分配时,需要知道每个贡献度尺寸所允许的偏差范围,工程师也应该理解不同生产工艺的统计过程能力,及相应成本之间的差异。此类信息的来源往往包含在出版的行业参考中,内部推荐公差数据来自工艺能力的研究,或者来自制造人员的经验。本案例显示了前三位的公差贡献度尺寸公差:(1)顶部到阀座表面的距离公差;(2)凸轮轴在头部的位置公差;(3a)顶杆上的垫片沉头孔深度公差;(3b)阀座的深度公差。


 
图17.贡献度图


4.6. 关键尺寸管理
    敏感度图(图.18)显示了前五个最大敏感度的尺寸,包括:
    (1)阀顶部曲面和底平面之间的距离
    (2)凸轮轴孔和阀座匹配表面之间的距离
    (3)凸轮基圆的轮廓
    (4)顶杆顶面和垫片配合表面之间的距离
    (5)阀座表面的位置


 
图18.敏感度图


    如果精度或Cp值是好的,但是准确度或Cpk值不好,工程师应该首先平移最大敏感度尺寸的名义值,使用最少的设计变更得到最大的影响(图19)。在此研究中,减少“(1)阀顶面和底面间的距离”0.1mm,由于其敏感度为-1.0mm/mm,则名义尺寸值平移了0.1mm。


 
图19.名义值平移案例


5. 结论
    分析测量尺寸的精度有助于做出更放心且节约成本的决定。
    在此研究中,工程师应该对高贡献度尺寸应用更严格的公差。这么做可以减少35%的变化。这意味着,用于制造和库存维护所需的顶杆垫片的数量可以减少35%。


 
图20.公差调整


总结
     鲁棒性设计是一个多学科交互的过程,使用现代软件工具已经使得其显著的简单化和更加有效。本文介绍的步骤,对于鲁棒性设计是最基本的,如果遵循,可以帮助工程师在设计的产品时提高对许多变量来源产生影响的承受力。

 

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