PROE中公差分析参考指南

Parametric Technology Corporation

Pro/ENGINEER? Wildfire? 4.0

Tolerance Analysis Extension

Powered by CETOL?Technology

参考指南

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利”(Commercial Computer Software-Restricted Rights) 所适用限制条件的约束。 01012008

Parametric Technology Corporation, 140 Kendrick Street, Needham, MA 02494 USA

简介

由 CETOL Technology 提供支持的 Pro/ENGINEER Tolerance Analysis Extension 是与 Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 集成在一起的一款公差分析应用程序。利用 Tolerance Analysis Extension，您可以快速地执行与 Pro/ENGINEER 零件尺寸相关的 1-D 公差累积分析。

背景

公差分析方法

执行公差分析时，Tolerance Analysis Extension 提供两种有本质区别的分析工具来预测装配测量偏差：最坏情况分析与统计分析。

最坏情况公差分析

最坏情况公差分析是传统的公差累积计算类型 (图 1)。各个尺寸均被设置为其公差极限，以使累积测量结果尽可能最大或最小。

最坏情况模型考虑的不是各个尺寸的统计分布图，而是考虑这些尺寸不超过其各自的指定公差极限。从数学角度来说，模型假设所有公差尺寸都将等于它们的其中一个极限值，并进而产生极限累积情况。换言之，此模型可预测最大预期测量偏差。

图 1：最坏情况累积偏差

设计最坏情况公差要求可保证所有零件在装配和运转时均正常无误，而与实际的元件尺寸偏差和累积组合无关。最坏情况模型的主要缺点是它通常要求各个元件的公差配合非常紧密。这容易造成制造和检测过程费用昂贵和/或报废率居高不下。

最坏情况公差分析通常用于重要的机械接口及备件更换接口。如果最坏情况公差分析不是合同规定的方法，则正确应用统计公差分析可以既保证装配结果可以接受，同时又可以增加元件公差、降低生产成本。

统计偏差分析

统计偏差分析模型充分利用了统计学的原理，可以在兼顾质量的情况下放宽元件公差限制。每个元件的偏差均被建模为统计分布图 (图 2)，这些分布加总后可预测装配测量的分布情况。因此，统计偏差分析可预测分布情况，它可以描述装配测量偏差，但不能描述该偏差的极限值。利用此分析模型，设计人员可以设计出任何质量级别 (不只是 100%) 的产品，从而提高设计弹性。

图 2：统计累积偏差

统计分布

由 CETOL Technology 提供支持的 Pro/ENGINEER Tolerance Analysis Extension 可根据尺度矩量来表示所有分布。所使用的矩量包括平均数、标准差、偏态和峰态。尺度矩量通过统计分布的中心矩量 (平均数的矩量) 计算得出。如需有关中心矩量和尺度矩量的其它信息，请参阅附录。

平均数

分布平均数代表母体的平均值 (或预期值)。

μ = 分布平均数

标准差

标准差 (σ) 是指分布图的分散程度。它是第二阶中心矩量 (变异数) 的平方根：

()21

2μσ=

其中： μ2 = 第二阶中心矩量，变异数

偏态

偏态是指分布图的对称程度。偏态为 0 表示分布图完全对称。它与第三阶中心矩量有关。由于我们假定 Tolerance Analysis Extension 中的所有分布图都是对称的，因此偏态值始终为零。

其中：

μ3 = 第三阶中心矩量

峰态

峰态是表示分布图峰值的指标，或相反，表示分布图尾部的权重。它与第四阶中心矩量有关。在由 CETOL Technology 提供支持的 Pro/ENGINEER Tolerance Analysis Extension 中，峰态标记为 B2 (Beta 2)。

B244

=μσ 其中：

μ4 = 第四阶中心矩量

为方便起见，由 CETOL Technology 提供支持的 Pro/ENGINEER Tolerance Analysis Extension 提供了三种用于分析的分布类型：正态 (高斯) 分布、均匀分布和 Lambda 分布。

分布类型

在由 CETOL Technology 提供支持的 Pro/ENGINEER Tolerance Analysis Extension 中，统计偏差通过下列三种分布类型中的一种来表示。

正态 (高斯) 分布

图 3：正态分布

正态分布 (图 3) 通过下列两个参数就可以完全定义：平均数与标准差。在 Tolerance Analysis Extension 中，所有零件尺寸的分布均假定为正态分布。

3

31σμ=B

均匀分布

图 4：均匀分布

均匀分布 (图 4) 通过下列两个参数就可以完全定义：最小值与最大值。在 Tolerance Analysis Extension 中，浮动接口的间隙分布均假定为均匀分布。

Lambda 分布

图 5：Lambda 分布

lambda 分布通过四个 lambda 参数加以定义的统计分布。标准矩量 Lambda (Lambda) 分布(图 5) 是一种非常有弹性的普通分布，它通过四个 lambda 参数加以定义，但使用平均数、标准差、偏态和峰态来指定。

如果在测量定义中有浮动接口，则分析结果可能会变成 lambda 分布。否则，结果始终是正态分布。

创建公差分析测量

要开始创建公差分析测量，请选取 Pro/ENGINEER 菜单中的“分析”(Analysis) > “公差研究”(Tolerance Study)。

公差分析管理器

选取“分析”(Analysis)菜单中的“公差研究”(Tolerance Study)后，“公差分析管理器”(Tolerance Analysis Manager)对话框打开，其中将列出模型中定义的所有公差分析测量。利用此对话框，您可添加、编辑或删除公差分析测量。

要定义新的公差分析测量，请单击“公差分析管理器”(Tolerance Analysis Manager)对话框中的“添加”(Add)。这将启动由 CETOL Technology 提供支持的 Tolerance Analysis Extension界面。应用程序会提示您从 Pro/ENGINEER 模型中选取测量

参照。

定义测量参照

所选的几何形状必须构成有效的 1 维测量。也就是说，您必须定义会产生明确结果的测量。例如，您不能选取非平行的平面，因为平面之间的距离不确定(该距离取决于您在每个平面上用来测量与其它平面之间距离的点的位置)。

表 1 显示可用于定义 1 维公差分析测量的有效几何参照组合。

第 1 个特征：

平曲面或基准平面直边或基准轴顶点或基准点第 2 个特征

平曲面或基准平面必须平行必须平行可以

直边或基准轴必须平行可以可以

顶点或

可以可以可以基准点

表 1：有效的几何参照组合

选取了测量参照后，应用程序可能会提示您选取测量方向特征。如果选取的是平曲面或基准平面，则测量方向法向于所选平面。如果选取的是直边或基准轴，则测量方向将沿着所选边或轴。如果可以通过测量参照得出测量方向(例如，其中一个或全部两个参照都是平面)，则无需再选取单独的方向特征。

选取尺寸

选取了测量参照后，必须从 Pro/ENGINEER 模型中选取尺寸以定义尺寸环。选取的尺寸必须与测量方向平行，并定义一个从第一个测量参照到第二个测量参照的 1 维尺寸环。

为帮助完成选取过程，候选尺寸会自动显示在 Pro/ENGINEER 中。从第一个测量参照开始，属于该零件(此零件与测量方向平行且其端点与测量参照对齐) 的所有尺寸都会显示出来。选取尺寸时，下一组候选尺寸会显示出来(此尺寸与测量方向平行且其端点与前一个所选尺寸的端点对齐)。

选取了第一个零件的所有相关尺寸后，单击环中的下一个零件。该零件的候选尺寸会显示出来。继续此过程，直到尺寸环选取完毕。选取了端点与第二个测量参照对齐的尺寸后，尺寸环即选取完毕，选取过程结束。

支持的尺寸类型包括：

?标准线性尺寸

?基本线性尺寸

?大小尺寸 (如直径或半径)

?下列类型的 GD&T：

o位置

o曲面轮廓

选取尺寸时，您可选取参数化尺寸、注释尺寸或 GD&T。

定义尺寸环时，如果需要包括大小特征，则必须确保所选的大小尺寸位于当前尺寸环端点的中心。选取了大小尺寸后，应用程序会提示您指定相关的几何形状是孔还是销钉。

由 CETOL Technology 提供支持的 Pro/ENGINEER Tolerance Analysis Extension 界面

由 CETOL Technology 提供支持的 Pro/ENGINEER Tolerance Analysis Extension界面由三个视图组成：“测量表”(Measurement Table)、“尺寸环布线图”(Dimension Loop Diagram)以及“分析结果”(Analysis Results) (见图 6)。

图 6：界面中的三个视图

您可根据需要重新排列这三个视图。要重新排列界面，可单击其中一个视图的标题栏，然后将视图拖动到界面的新位置处并使其固定。如果将视图放到其它任一个视图的上面，它们将共享相同屏幕空间，并带有命名的选项卡。单击相应的选项卡可切换到所需的视图。如果将视图拖放到界面的外部，它将显示为浮动窗口。双击视图的标题栏会在固定和浮动状态间对其进行切换。

您也可以开启或关闭视图。如果在其中一个标题列上右键单击，会出现一个快捷菜单。选取某个视图名称可切换该视图的可见性。

测量表”视图

测量表”(Measurement Table)视图可提供电子表格形式的公差分析测量结果。表格中的每一行都代表公差分析测量中的一个对象。每列都代表一个对象属性。

对象类型

公差分析测量包含下列对象类型。

测量 (Measurement) – 所选特征之间的线性测量。

零件 (Part) – 测量偏差中所涉及的 Pro/ENGINEER 模型中的零件。

特征 (Feature) – 代表尺寸环中尺寸端点处的几何。大小特征 (销钉、孔等) 包括大小尺寸。

尺寸 (Dimension) – Pro/ENGINEER 模型中的线性尺寸。对于标准尺寸，尺寸偏差取决于 Pro/ENGINEER 中尺寸的公差属性。对于基本尺寸，尺寸偏差取决于在 Pro/ENGINEER 中所选的相关 GD&T。

接口 (Interface) – 在“测量表”(Measurement Table) 的每对零件之间，都有一个接口对象，代表相邻零件间的装配接口。接口对象的属性取决于前一个零件的最后一个特征和下一个零件的第一个特征。例如，如果前一个零件的最后一个特征是销钉，下一个零件的第一个特征是孔，则接口对象就是销钉/孔的装配接口。在连接列的下拉菜单中，可指定接口的连接选项。对于销钉/孔接口，可指定销钉在孔内是否居中、是向右相切还是向左相切 (根据尺寸环布线图中显示的定向) 或者浮动。

如果选取浮动选项，模型会引入一个附加变量，表示销钉在孔内的随机变化。

假设间 隙是均匀分布的，则浮动变量的分布将根据销钉和孔直径的分

布进行计算。

对象属性

公差分析测量包含下列对象属性。

? 名称 (Name) – 零件和尺寸的名称被初始化为 Pro/ENGINEER 中相应零件或尺

寸的名称。但是，您可修改“测量表”(Measurement Table) 中的名称。更改公差分析测量中的零件或尺寸的名称不会影响 Pro/ENGINEER 中那些对象的名称。 ? 公称 (Nominal) – 对于尺寸，此值对应于 Pro/ENGINEER 中尺寸的公称值。对

于测量，它是基于尺寸环的测量公称值。注意，它可能不同于 Pro/E 中对应的测量值，具体取决于测量中任意销钉/孔接口的连接情况。此列中的所有值都不能进行修改。

? 公差 (Tolerance) – 此列显示基于尺寸的公差属性。公差属性源自

Pro/ENGINEER 中的尺寸属性。通过双击表格中的相应单元格，可编辑测量或尺寸的公差属性。

? Cp – 此值代表假定的尺寸容量指数。Cp 的缺省值是在应用程序选项中定义的，但

您可修改每个尺寸的值 (0>Cp>2)。

? 分布 (Distribution) – 此列显示测量和尺寸的统计分布参数。所有尺寸均被假定

为正态分布。平均数 (m ) 和标准差 (s ) 的计算方法如下： 2LTL UTL m ?=

p

C LTL UTL s ??=6 一般来说，测量结果的分布呈正态分布。但是，如果在其中包括任何销钉/孔接口的 浮动，则浮动偏差会引入一些非正态效应，这可能会导致出现 lambda 分布，此分布有 四个分布矩量。此列中的所有值都不能进行修改。

? x ??

– 此列显示每个尺寸的测量敏感度。例如，敏感度值为 -1.0 表示尺寸值每增

加 .1 测量值就会减少 -0.1。应用程序会自动计算每个尺寸的敏感度。此列中的所有值都不能进行修改。

? 连接 (Attachment) – 为每个尺寸和每个大小特征指出的连接。左连接或右连接均相对于尺寸环布线图中所示的模型定向而言。

对于尺寸，此设置代表前一个特征的尺寸的连接位置。对于大小特征，它代表前一个尺寸的特征连接。

对于接口，此连接定义相关大小特征对齐处的位置。

测量表”快捷菜单

在“测量表”(Measurement Table)视图中右键单击，会出现一个快捷菜单，其中包含下列命令：

?重新启动测量 (Restart Measure) – 清除当前测量定义中的所有数据，重新启动公差分析测量创建过程。

?移除最后 (Remove Last) – 从尺寸环中移除最后选取的尺寸。

?恢复所选(Resume Selection) – 如果尺寸环不完整，此命令可重新启动尺寸选取过程。

?创建报表 (Create Report) – 为公差分析测量生成 HTML 格式的报表。

?切换孔/销钉 (Toggle Hole/Pin) – 切换大小特征的状态。

?切换控制特征 (Toggle Controlled Feature) – 如果位置公差带有材料条件修改器，它必须与相应的大小特征相关联，以便正确计算额外公差。位置公差应与测量表中其前后紧邻的特征相关联。位置公差前紧邻的箭头指出受控的特征。

?展开全部(Expand All) – 完全展开“测量表”(Measurement Table)视图中的数据。

?收缩全部 (Collapse All) – 完全收缩“测量表”(Measurement Table)视图中的数据。

?查看选项 (View Options) – 打开“选项”(Options)对话框以设置应用程序选项。这些选项永久储存在 Windows 注册表中，以便可以应用到您定义的任何组件的任何公差分析测量中。

双击相应的字段并输入所需的值，即可修改“测量表”(Measurement Table)视图中的任意公差值以及其它值。如果您更改的值会影响结果，则分析结果会自动随之更新。更改公差值时，Pro/ENGINEER 模型中的公差值也会随之更新。

对于大小特征，可以选择将特征定义为销钉或孔。缺省情况下，假定所有大小特征都是孔。要获得正确的接口选项，应修改与 CAD 几何形状对应的大小特征的类型。

如果单击测量表中的某一行 (标准特征除外)，“尺寸环布线图”(Dimension Loop Diagram)以及 Pro/ENGINEER 模型中的相应对象会加亮显示。

“尺寸环布线图”视图

“尺寸环布线图”(Dimension Loop Diag ram)显示测量的 1 维环布线图。所有尺寸和大小特征在此布线图中均按比例缩放显示。

测量显示在电路图的最上方。第一个测量参照特征的位置显示为一条绿色垂线，第二个参照特征的位置显示为一条红色垂线。

尺寸环中涉及的每个零件在尺寸环布线图中都显示为一个方框。与零件相关的所有特征和尺寸均显示在零件方框内。尺寸端点处的垂直线段代表标准特征。

接口显示在零件方框之间。对于销钉/孔接口，会显示为带双箭头的浮动连接，如图 7 所示。对于其它连接选项，连接位置 (例如左、右或中间) 会显示为一条垂线。

图 7：尺寸环布线图

单击零件方框、尺寸线或测量时，“测量表”(Measurement Table)以及

Pro/ENGINEER 模型中的相应对象会加亮显示。

尺寸环布线图”快捷菜单

在“尺寸环布线图”(Dimension Loop Diag ram)视图中右键单击，会出现一个快捷菜单，其中包含下列菜单选项：

?放大 (Zoom In) – 按比例放大尺寸环布线图。

?缩小 (Zoom Out) – 按比例缩小尺寸环布线图。

?拟合窗口 (Fit to Window) – 更改尺寸环布线图的水平比例，以使其与窗口大小相符。

?复制 (Copy) – 将尺寸环布线图的映像复制到 Windows 剪贴板。

?保存 (Save) – 将尺寸环布线图的映像另存为文件。

分析结果”视图

“分析结果”(Analysis Results) 视图有两个显示区。左侧区域显示测量的偏差图。

偏差图可显示统计偏差图以及根据尺寸环中指定的尺寸公差得出的测量最坏情况范围。

“分析结果”快捷菜单

在“分析结果”(Analysis Results)视图的贡献度或敏感度图中右键单击，会出现一个快捷菜单，其中包含下列菜单选项：

复制 (Copy) – 将图的映像复制到 Windows 剪贴板。

公差分析结果

完全定义了公差分析测量后 (即，从第一个测量参照到第二个测量参照的尺寸环全部定义完毕)，由 CETOL Technology 提供支持的 Pro/ENGINEER Tolerance

Analysis Extension 会自动执行最坏情况公差与统计偏差分析。这些分析的结果会显示在“分析结果”(Analysis Results)视图中。

偏差图

偏差图可显示测量的最坏情况范围和统计分布。

图 8：偏差图

测量规格极限与目标值均为用户指定的值。它们可用来定义测量的设计需求。统计偏差用统计分布图表示。由 CETOL Technology 提供支持的 Pro/ENGINEER

Tolerance Analysis Extension 支持三种分布类型：正态分布、均匀分布和 Lambda 分布。分布矩量取决于分布类型，而分布类型由最适合标准决定。对于大多数实际问题，“分析结果”(Analysis Results)都以正态分布或 lambda 分布显示。

敏感度图

敏感度图显示测量对每个公差的敏感度。敏感度值表明了测量与公差之间的数学关系。敏感度为 1.0 表示与公差相关联的尺寸值的单位发生变化时，测量值也会发生等量的变化。因此，敏感度值越高 (绝对值)，某尺寸对特定测量而言就越重要。在 1 维公差分析中，大多数尺寸的敏感度均为 1.0 或 -1.0，但也有些直径尺寸有时敏感度为 0.5 或 -0.5。

UC7.6 贡献度

贡献度百分比将敏感度信息与零件尺寸偏差信息相结合，以显示各个零件尺寸所导致的测量偏差。尺寸的贡献度百分比取决于分析类型。

统计贡献度

第一阶统计贡献度百分比的计算公式如下： 10022

×?????

??????=U

x i x i i x U

on Contributi σσ

其中，

x i = 累积的第 i 个零件尺寸

U = 测量

σx i = x i 的标准差

σU = U 的标准差

最坏情况贡献度

第一阶最坏情况贡献度百分比的计算公式如下：

()

100×?????=u

U x x i

x LTL UTL LTL UTL x U

on Contributi i i i

其中，

x i = 累积的第 i 个零件尺寸

U = 测量

UTL x i = x i 的公差上限

LTL x i = x i 的公差下限

UTL U = U 的公差上限

LTL U = U 的公差下限

数据管理与用户界面问题

由于公差分析测量参照的是 Pro/ENGINEER 尺寸，因此如果 Pro/ENGINEER 中的参照尺寸或公差被修改，测量结果也会自动更新。

从“公差分析管理器”(Tolerance Analysis Manag er)对话框的列表中选取公差分析测量，然后单击“编辑”(Edit)，即可查看该公差分析测量或对其进行修改。

请注意，在由 CETOL Technology 提供支持的 Pro/ENGINEER Tolerance Analysis Extension 中选取了尺寸后，该尺寸及其原始属性将显示在

Pro/ENGINEER 中。如果对该尺寸进行了更改，Tolerance Analysis Extension 中

的属性可能会不同于 Pro/ENGINEER 中该尺寸的属性。单击对话框右下方的接受对公差分析测量的更改，该公差分析即被保存到组件模型中。如果对任何尺寸属性进行了更改，这些更改都会写回到 Pro/ENGINEER 中。

由于 Tolerance Analysis Extension 不是 Pro/ENGINEER 固有的功能，因此

Pro/ENGINEER 与它之间的交互在某些方面不同于 Pro/ENGINEER 的标准行为：?不论哪个元件是活动元件，公差分析数据始终储存在顶层元件中。

?Tolerance Analysis Extension 运行时，大部分 Pro/ENGINEER 功能都被禁用。

?在 Pro/ENGINEER 对话框中单击鼠标中键与单击“确定”(OK)具有同样的效果，但在 Tolerance Analysis Extension 对话框中单击鼠标中键则没有任何效果。