CC BY
47
Машиностроение и компьютерные технологии
Сетевое научное издание
http://www.technomagelpub.ru ISSN 2587-9278 УДК 621.865, 629.7.02
Опыт применения комплекса Variation Analysis для оценки точности сборки машиностроительных конструкций
Балашов Ю.В.1, Логвин Ю.С.1, 'maitikfi jggmail.com
1 2 *
Мартынюк В.А. ''
Научно-производственная корпорация „Иркут",
Москва, Россия 2МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
Статья посвящена опыту применения конкретного приложения системы Teamcenter -Variation Analysis, для оценки точности машиностроительных сборок. При создании геометрической модели проектируемого изделия современные CAD системы отображают номинальную геометрию отображаемой детали или сборочного узла со всеми необходимыми аннотациями. Естественно, назначаются и все необходимые допуски на линейные и угловые размеры, допуски формы и расположения. Но в результате статистического разброса назначенных допусков возникают ситуации, когда признанные годными отдельные детали не собираются, или дефекты сборки обнаруживаются уже во время эксплуатации, или при ремонте готового изделия.
Ключевые слова: CAT, сборочные единицы, размерные цепи, статистический анализ
Введение
При создании геометрической модели проектируемого изделия современные CAD системы отображают номинальную геометрию отображаемой детали или сборочного узла со всеми необходимыми аннотациями (рис.1). Естественно, назначаются и различные допуски. Практика показывает, что большинство назначенных допусков определяют конструкцию отдельных деталей, и гораздо меньше допусков назначается на сопрягаемые поверхности и сочленяемые отверстия. А именно недостаточная плоскостность сопрягаемых граней или отсутствие допуска на перпендикулярность сочленяемых отверстий может "свести на нет" достигнутую точность изготовления отдельных деталей.
В результате статистического разброса назначенных допусков на линейные размеры, форму и расположение отдельных деталей возникают ситуации, когда признанные год-
Ссылка на статью:
// Машиностроение и компьютерные технологии. 2018. № 09. С. 34-47.
DOI: 10.24108/0918.0001429
Представлена в редакцию: 06.08.2018
© НП «НЭИКОН»
ными детали не собираются, или дефекты сборки обнаруживаются уже во время эксплуатации, или при ремонте готового изделия.
Рис.1. Типовое представление электронной модели детали
Поэтому ещё на этапе проектирования изделий, конструкторы и технологи сборки стараются проанализировать возможный статистический разброс назначаемых допусков не только на отдельные детали, но и на сопрягаемые поверхности, штыри и отверстия. В результате такого анализа оказывается возможным рассчитать не только кривую распределения плотности вероятности исследуемого размера (рис.2), но и выяснить причину неудовлетворительных характеристик полученных гистограмм (рис.3).
Рис.2 Кривая распределения плотности вероятности исследуемой величины
Contributors Effect
1. assembly 1 - Plane Para! Lev -> 469 r 20 24 +■ 0,600 56,36%
2. assembly 1-Plane 4 Otv1 Piav -> 57,2225 4- 0,3-30 15,35%
3. assembly 1 - Ho!e_Lev_Nign -> Size: Min: -0r050 Max: 0,050; 69r3125 +■ 0r300 14,14%
4. assembly 1 - Hole_Prav_Nign -> Size: Min: -0,050 Max: 0,050; 57,2225 4-0,300 14,13%
Рис.3 "Таблица вкладов" в итоговый статистический разброс исследуемой величины
Естественно, для решения поставленных задач появились соответствующие программные средства и целые комплексы. В настоящее время, по аналогии с уже известными аббревиатурами таких систем проектирования, как CAD, CAE, CAM, даже возник новый термин - CAT системы (computer-aided tolerancing) [1], который может быть переведен как системы автоматизированного расчета, анализа, и назначения допусков. В настоящее время уже существуют и эксплуатируются некоторые CAT системы, позволяющие оценить точностные характеристики собираемых конструкций.
Например, достаточно известна и уже применяется система 3DCS Variatiou Analyst [2]. Существуют адаптации 3DCS для совместной работы с такими CAD системами, как CATIA, Siemens NX, CREO, NX.
Система CETOL 60 [3] работает совместно с CAD системой CREO.
Рассматриваемая в данной статье система Variation Analysis является приложением одного из локальных визуализаторов Teamcenter [4], и используется для анализа сборочных единиц, спроектированных в системе NX [5] .
1. Этапы анализа точностных характеристик сборки
Первой ответственной задачей при анализе сборок является правильное построение размерной цепи собираемого изделия. Сложность этого этапа состоит в том, что зачастую размерную цепь приходится строить не только с учетом собираемых деталей, но и с учетом приспособлений сборки. Причем, приспособления сборки могут быть произведены не только на различных предприятиях, но и в разных странах. И не всегда точностные характеристики приспособлений сборки оказываются известными технологам сборки самого изделия. Поэтому данный этап построения размерной цепи требует от технолога определенной квалификации.
На следующем этапе, когда размерная цепь анализируемой сборки уже построена, все необходимые допуски назначены, можно обратиться к статистическому эксперименту. При этом все назначенные допуски формы и расположения собираемых деталей, допуски на их линейные размеры, считаются случайными величинами. Технологу сборки приходится задать закон распределения плотности вероятности для всех назначенных допусков в промежуточных звеньях размерной цепи, и выполнить численный эксперимент по моделированию всей генеральной совокупности случайных событий.
В итоге мы получим кривую распределения плотности вероятности интересующей нас величины с учетом статистического разброса допусков в промежуточных звеньях, и ошибок, возникающих при сборке изделия (рис.2). Более того, пользователь может получить и некий протокол, в котором система сообщает о том, какой вклад в общую ошибку вносит тот, или иной назначенный допуск (рис.3). Это позволяет вносить эффективные корректировки в налагаемые допуски с целью получения приемлемых результатов.
Конечно, самое эффективное применение подобных программных продуктов имеет место при проектировании изделий, производимых тысячами и миллионами штук. Например, при производстве стрелкового вооружения. Но требования по удешевлению производства и надежности эксплуатации вынуждают задуматься о подобных проблемах при серийном производстве любой техники. В частности, авторам статьи пришлось использовать программный продукт Variation Analysis для анализа качества сборок в самолетостроении.
В рекламных проспектах фирмы Siemens данный продукт (приложение Variation Analysis) предлагается как средство оптимизации размерных цепей, и статистического анализа измерений. Действительно, с помощью данного приложения возможно решение обратной задачи расчета размерных цепей. Но, как оказалось, главная ценность данного продукта - статистический анализ различных величин в проектируемых сборках. Действительно, именно ошибки сборки, несовершенство сопрягаемых поверхностей приводит к значительным проблемам в собираемости и эксплуатации сложных изделий. Поэтому в данной статье главное внимание уделено именно вопросам применения приложения Variation Analysis для анализа сборочных единиц.
В заключение следует сказать, что приложение Variation Analysis не формирует размерные цепи в автоматическом режиме. И размерные цепи, и назначение всех допусков, и описание сборок , и описание измерений - все это пользователь осуществляет вручную.
Данное приложение - продукт универсальный, но в статье описывается анализ исследуемых сборок, выполненных в CAD системе NX 10.0 [5].
2. Представление геометрии в формате JT
Геометрическая модель исходной сборочной единицы включает в себя все необходимые размеры, и описание сопрягаемых поверхностей. При желании можно найти и все допуски на линейные и угловые размеры отдельных деталей, допуски формы и располо-
жения на сопрягаемые поверхности. Вся эта информация является исходной для последующего анализа.
Нужно сказать, что приложение Variation Analysis (VA) является частью локального визуализатора Teamcenter. Таких локальных визуализаторов несколько. Рекомендуется применять Teamcenter Visualization Mockup или Teamcenter Visualization Professional.
Как и все визуализаторы Teamcenter, используемый Teamcenter Visualization Professional принимает геометрическое описание исследуемой сборки в формате JT. Это обстоятельство обуславливает некоторое размышление по поводу того, как правильно экспортировать исходную геометрическую модель сборочной единицы в формат JT. В частности, такой экспорт в системе NX предполагает представление геометрии исследуемой конструкции с разной степенью подробности (рис.4). Поскольку мы, всё-таки, занимаемся вопросами точности, экспорт в формат JT следует осуществлять с опцией Высокоточный или Сверхчеткий.
Сверхчеткий
Грубый
Стандарт
Точный
Высокоточный
Рис.4. Разные способы конвертации PRT файлов в файлы JT
Но такие высокие требования по точному представлению геометрии в JT формате оборачиваются другой проблемой. Представьте, что при анализе сборки какой-либо панели фюзеляжа пассажирского самолета (длина панели может достигать 8 метров) вам необходимо учитывать базовые или сборочные отверстия диаметром 3.3 мм. Конечно, такой разброс анализируемых размеров приводит к большим проблемам при сверхчетком экспорте изделия из формата PRT в формат JT.
Естественно, что в состав анализируемой сборочной единицы мы стараемся не включать лишние компоненты, но все детали, участвующие в сборке, все детали, характерные точки которых участвуют в измерениях, все детали, графические примитивы которых могут использоваться в качестве конструктивных баз, должны присутствовать в конвертируемой сборке.
3. Описание исследуемого проекта в УД приложении
Анализируемая сборка разбивается на отдельные детали, каждая из которых соответственным образом характеризуется. К числу параметров описываемой детали относятся конструктивные базы (рис.5), описание плоскостей, участвующих в сборках, как сопрягаемые поверхности (рис.6), описание отверстий и бобышек, сочленяемых в сборках, (рис.7). Кроме описания деталей, пользователь описывает условия сопряжения в сборках и необходимые измерения (рис.8).
х © 0 КогоЬкз
Datums
Ol А ф.„о Ш Р1апе_А
Oi В | - ..Qz? \ 0,1500]
О 1 KFi ; : О + 25,4960 + - 0,2000
0 | RF2 й -О □ Р1апе_Е
01 С I.....| 0,15001
Рис.5. Конструктивные базы
Рис.6. Сопрягаемые плоскости
Е-
Datchik
Рис.7. Сочленяемые отверстия и бобышки
■О J AbbernblyOperaticnJ. ■ 0'J— Measurement
Рис.8. Описание сборок и измерений
Как видно из рисунков 6, 7, описание всех плоскостей, бобышек и отверстий сопровождается заданием для них соответствующих допусков на линейные размеры, допусков формы, и расположения.
Здесь следует отметить, что задание таких допусков как плоскостность, перпендикулярность, параллельность вызывает определенные трудности, поэтому многие конструкторы эти допуски не указывают. И для правильного описания сборки, эти допуски приходится извлекать из соответствующих отраслевых стандартов или иных документов.
4. Особенности применения УД приложения в авиационной
промышленности
Описываемое VA приложение демонстрирует хорошие результаты при анализе жестких машиностроительных конструкций. Собственно, именно для таких конструкций оно и разрабатывалось. Но нам приходилось применять данное приложение и для анализа нежестких конструкций. Именно к нежестким конструкциям относится современный планер самолета. Даже цельнометаллический планер самолета следует отнести к нежестким конструкциям, а современные планеры имеют много и неметаллических включений. Речь идет о композитных материалах. Это несоответствие предназначения и применения VA приложения, естественно, затрудняло применение описываемого инструмента, и заставляло сомневаться в полученных результатах.
Следующим отличием применения VA приложения в самолетостроении являлось, как уже упоминалось, наличие большого количества в планере деталей из композитных материалов (крыло, оперение). Детали из композитных материалов в силу технологических причин не обеспечивают, например, малых допусков на плоскостность сопрягаемых граней. Это обстоятельство также затрудняло применение приложения.
Ещё одна особенность заключалась в том, что нам приходилось анализировать условия заводской сборки изделия с учетом неточности используемых приспособлений сборки. Иногда эти приспособления изготавливаются даже не в нашей стране, что затрудняет определение необходимых допусков.
Часто основной трудностью подобных анализов становилась неопределенность в "базировании" некоторых компонентов сборки. Эта неопределенность обуславливается незнанием того, с какой точностью будет собрано или установлено исходное звено сборочной конструкции. Таких неопределенностей достаточно много, и поэтому приходится анализировать ситуации сборки с разной точностью базирования отдельных деталей.
К счастью, математические эксперименты по моделированию генеральной совокупности событий занимают мало времени, поэтому экспериментировать было достаточно легко.
5. Описание сборок в приложении Variation Analysis
Как уже говорилось, основное преимущество данного приложения состоит в том, что с его помощью можно оценить - насколько исследуемый размер (расстояние, величина зазора, угол) зависит от ошибок сборки. Именно анализ проблем сборки и есть главное поле применения VA приложения. Действительно, именно несовершенство сопрягаемых поверхностей приводит к наиболее значимым отклонениям исследуемой величины от его номинального значения. К таким несовершенным сопрягаемым поверхностям относятся:
> Неплоские сопрягаемые грани.
> Неперпендикулярные отверстия.
^ Несоответствие сопрягаемых поверхностей заданной форме.
> Неточное позиционирование сопрягаемых отверстий, выступов и др. (рис.9).
Бее ограничения
1
2 I
4
5
6 7 S
Type Object
Bolt_sham:Pin_Mal Gaika: Plans 1
Target Gaika :Hoie
A
Shaiba_Ser:Plane_A Shaiba_Se!:Hole
Bolt_sharn:P;n_Mal Shaiba_5er:Plane_l Shaiba Ze!:Hole
Shaiba_Ze!:P!ane_A Bolt_sharn:Pin_3olsh Vt Sin:Plane A
+
Shaiba_Zel:Plane_l Vt Sin:Hole
Bolt_sharn:Pin_Boish Ki onsht Gelt ¡Plane A
Vt Sin:Plane 1
Рис.9. Допуски формы и расположения
Рис.10. Список сопрягаемых компонентов
Описание сборок в VA приложении осуществляется довольно просто - составляется список сопрягаемых плоскостей, выступов, и отверстий (рис.10, 11).
й-
Г *
Рис.11. Представление сопрягаемых компонентов
É-QO Hele
I.....о 26,0000 +0,0500 -0,0500
-О-Ф- | DIA 0,0250 |А| 1.....Q-L | 0,0000|А|
Рис.13. Задание допусков для отверстий на позиционирование и перпендикулярность
Естественно, для всех сопрягаемых плоскостей предварительно задается допуск на плоскостность (рис.12). Для сопрягаемых отверстий задается допуск на перпендикулярность, допуск позиционирования относительно базовой плоскости (рис.13). Кроме этого, можно задать допуски на линейные размеры, допуски формы, допуски на прямолинейность, допуски на круглость, и др.
6. Анализ полученных результатов
После выполнения численного эксперимента пользователь кроме стандартных статистических характеристик исследуемой величины и гистограммы кривой распределения плотности её вероятности (рис.14) получает и специальную "таблицу вкладов". В этой таблице, в порядке убывания, в процентном отношении, указаны вклады в общую ошибку исследуемой величины каждого из учтенных допусков в промежуточных деталях рассматриваемой размерной цепи (рис.15).
É¡-© LJ Plan е_Р г Í.....Ü|f | 0..X0ÜÜ |
Рис.12. Допуск на плоскостность
Рис.14. Гистограмма полученных результатов
Contibutors Effect
1. Shaiba Zel ■ Plane Zel ■> 2,7000 +0r0000 -0r2500 38r46%
Z. Bolt sharn - Plane A -> 57r8002 +-0r100 24,62%
3. Shaiba Zel - Plane A -> 6,5001 +-0,100 24r62%
4. Bolt sharn - Plane L > J SPF j 0,100 6r15%
5. Shaiba Zel ■ Plane 1 -> jSPF | 0ГЮ0 J 6r15%
Рис.15. "Таблица вкладов" в итоговую ошибку исследуемой величины
Таким образом, в итоге, конструктор всегда может определить - какой из допусков в рассматриваемых деталях сборки следует ужесточить, чтобы уменьшить среднеквадратичное отклонение исследуемой величины от её номинального значения.
Следует отметить, что именно неточности сборки вносят основной вклад в итоговую ошибку. Допуски на линейные размеры вносят свою лепту в общую ошибку на порядок меньше. И только если вы намеренно откажетесь от учета ошибок сборки, только тогда допуски на линейные размеры становятся действительно значимыми. Обычно такой анализ происходит при рассмотрении каждой детали по отдельности.
Не всегда кривая распределения плотности вероятности исследуемой величины представляет собой гауссово распределение. Довольно часто итоговые кривые распределения имеют довольно произвольный вид (рис.16).
Рис.16. "Не Гауссова" кривая распределения плотности вероятности исследуемой величины
7. Дополнительные построения в приложении Variation Analysis
Для анализа сложных проектов с помощью VA приложения иногда приходится достраивать исследуемую конструкцию. Это может быть вызвано разными причинами. Например, если вы захотите задать допуск на линейный размер между отверстиями, то система предоставит вам такую возможность. При этом, для выбора нужного отверстия, система дополнительно предоставит вам и список всех параллельных плоскостей (рис.17). Но этот список может оказаться недостаточным. В этом случае вам и придется достроить исследуемый проект дополнительными плоскостями или отверстиями.
Рис.17. Список параллельных отверстий и плоскостей
Похожая ситуация возникает и при "базировании" некоторых деталей. Например, конструктору самолета всегда рекомендуют в качестве деталей окружения применять элементы базовой контрольной структуры (БКС). Часто в качестве таких элементов БКС используют теоретические плоскости нервюр, шпангоутов, лонжеронов. Но иногда в анализируемых сборках необходимые плоскости, контактирующие с теоретическими плоскостями БКС, отсутствуют. В этом случае вам придется такие плоскости достроить.
В УЛ приложении присутствует такая возможность. Во время таких построений система предоставляет и достаточный сервис. Если вы, например, захотите достроить дополнительную плоскость, то вам достаточно только указать место её построения (рис.18, красная точка), плоскость, которая должна быть ей параллельна, и габариты будущей плоскости (рис.19). Результат построения представлен на рис.20.
Рис.18. Указание места построения
Рис.19. Диалоговое окно дополнительных построений
Рис.20. Построение дополнительной вспомогательной плоскости
Заключение
В настоящее время нельзя утверждать, что описываемое приложение широко применяется в авиационной промышленности. Но в отдельных случаях оно позволило решить действительно острые проблемы в проектировании некоторых конструкций. Предполагаем, что при производстве широкой серии отечественных самолетов, и активной их эксплуатации, данный инструмент будет всё более востребован именно на этапе конструирования.
Список литературы
1. Models for computer aided tolerancing in design and manufacturing: 9th CIRP intern. seminar on computer-aided tolerancing (Tempe, Arizona, USA, April 10-12, 2005): Sel. conf. papers / Ed. by J.K. Davidson. Dordrecht: Springer, 2007. 354 p.
2. Reese B. Realizing the value of GD&T in model-based definition. Режим доступа: https://blog.3dcs.com/realizing-the-value-of-gdandt-in-model-based-defenetion (дата обращения 12.11.2018).
3. Бирбраер Р., Космачев Ю. CETOL 6 сигма: Осознанная целесообразность точности // Умное производство. 2018. № 3(43).
4. Тороп Д.Н., Терликов В.В. Teamcenter. Начало работы. М.: ДМК Пресс, 2011. 279 с.
5. NX для конструктора-машиностроителя / П.С. Гончаров и др. М.: ДМК Пресс, 2010. 498 с.
Mechanical Engineering & Computer Science
Electronic journal
http://www.technomagelpub.ru ISSN 2587-9278
Mechanical Engineering and Computer Science, 2018, no. 09, pp. 34-47.
DOI: 10.24108/0918.0001429
Received: 06.08.2018
© NP "NEICON"
Variation Analysis Application Experience for Mechanical Assembly Accuracy Assessment
Yu.V. Balashov1, Yu.S. Logvin1,
1 O *
V.A. Martynyuk1,2,
:Irkut Corporation Joint-Stock Company, Moscow, Russia 2Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
martrkS (5) gmail.com
Keywords: computer aided tolerancing, assembly units, dimensional chains, statistical analysis
The article presents experience in using the concrete Teamcenter - Variation Analysis system application to assess the accuracy of mechanical assemblies. When creating a geometric model of the product to be designed, modern CAD systems show the nominal geometry of a displayed part or mounting assembly with all the necessary annotations. It is natural that all necessary tolerances for linear and angular dimensions and also shape and location tolerances are assigned. But as a result of the statistical variation of the assigned tolerances, there are situations when individual parts, being classified as fit, are not assembled, or assembly defects are found just in the course of operation or repair of the finished product.
Of all tolerances assigned at the design stage, it is necessary to emphasize the tolerances in face flatness, squareness, and parallelism and other tolerances of shape and location. The fact is that these tolerances ultimately determine the accuracy of an assembled product. Indeed, if the mating-in-the-assembly flat faces turn out to be insufficiently flat, this misalignment "brings to nought" all the efforts to achieve high accuracy of the parts to be joined. Repeated tests have shown that when assessing the individual contributions to a total error, the assembly inaccuracies turn out to be an order of magnitude more significant than errors in manufacturing of individual parts. The described Variation Analysis application is used to assess assembling inaccuracies.
When analysing the individual parts, the described application can be effectively used to calculate dimension chains (direct and inverse problem). As is customary in many modern CAT systems, the Variation Analysis application takes into account the statistical variation of all the tolerances described. The user has to set the law of probability density distribution for all assigned tolerances in the intermediate items of the dimensional chain, and to perform a numerical experiment to simulate the entire parent population of random events. As a result, the obtained probability density distribution curve has a magnitude we are interested in, taking into account the statistical variation of tolerances in the intermediate items and the errors that occur during the
product assembly. Moreover, the user can also have a certain protocol in which the system gives information on contribution that one or another assigned tolerance makes to the total error. This allows making efficacious corrections to the tolerances in order to obtain useful results.
References
1. Models for computer aided tolerancing in design and manufacturing: 9th CIRP intern. seminar on computer-aided tolerancing (Tempe, Arizona, USA, April 10-12, 2005): Sel. conf. papers / Ed. by J.K. Davidson. Dordrecht: Springer, 2007. 354 p.
2. Reese B. Realizing the value of GD&T in model-based definition. Available at: https://blog.3dcs.com/realizing-the-value-of-gdandt-in-model-based-defenetion, accessed 12.11.2018.
3. Birbraer R., Kosmachev Yu. CETOL 6 Sigma: Perceived usefulness of precision. Umnoe proizvodstvo [Intelligent Manufacturing], 2018, no. 3(43) (in Russian).
4. Torop D.N., Terlikov V.V. Teamcenter. Nachalo raboty [Teamcenter. Start of work]. Moscow: DMK Press, 2011. 279 p. (in Russian).
5. NXdlia konstruktora-mashinostroitelia [NX for mechanical engineer] / P.S. Goncharov a.o. Moscow: DMK Press, 2010. 498 p. (in Russian).
