公差分析
公差分析
分析目的
分析目的
公差分析目的公差分析作为面向制造和装配的产品设计中非常有用的工具，可以帮助机械工程师实现以下目 的：
1)合理设定零件的公差以减少零件的制造成本。
2)判断零件的可装配性，判断零件是否在装配过程中发生干涉。 3)判断零件装配后产品关键尺寸是否满足外观、质量以及功能等要求。 4)优化产品的设计，这是公差分析非常重要的一个目的。当通过公差分析发现产品设计不满足要求时，一般 有两种方法来解决问题。其一是通过精密的零件公差来达到要求，但这会增加零件的制造成本；其二是通过优化 产品的设计（例如，增加装配定位特征）来满足产品设计要求，这是最好的方法，也是公差分析的意义所在。
5)公差分析除了用于产品设计中，还可用于产品装配完成后，当产品的装配尺寸不符合要求时，可以通过公 差分析来分析制造和装配过程中出现的问题，寻找问题的根本原因。
分析步骤
分析步骤
公差分析具体的步骤包括： 1)定义公差分析的目标尺寸和判断标准。 2)定义尺寸链。 3)判断尺寸的正负。 4)将非双向对称公差转化为双向对称公差。 5)公差分析的计算。 6)判断和优化。
计算模型
计算模型
常用的公差分析的计算模型有两种，一是极值法，二是均方根法。 1）极值法 极值法是考虑零件尺寸最不利的情况，通过尺寸链中尺寸的最大值或最小值来计算目标尺寸的值。 2）均方根法 均方根法是统计分析法的一种，顾名思义，均方根法是把尺寸链中的各个尺寸公差的平方之和再开根即得到 目标尺寸的公差。
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公差分析
定义和分配零件和产品的公差
01 分析目的
03 计算模型
目录
02 分析步骤
基本信息
公差分析是指在满足品功能、性能、外观和可装配性等要求的前提下，合理地定义和分配零件和产品的公 差，优化产品设计，从而以最小的成本和最高的质量制造产品。公差分析是面向制造和装配的产品设计中非常重 要的一个环节，对于降低产品成本、提高产品质量具有重大影响。
第4部分：公差分析
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四. 公差分析的计算方法
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4. 极值法与均方根法的区别
当零件尺寸公差都是±0.1时，利用WC和RSS方法的计算结果区别如下： WC方法的累积公差更大，计算结果更大
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四. 公差分析的计算方法
DFMA
4. 极值法与均方根法的区别
当产品装配公差要求是±0.5时，利用WC和RSS方法，对零件尺寸公差要 求的区别（假设尺寸链中的每个尺寸分配相同的公差）
减少尺寸链的长度，尺寸允许较大的公差
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二. 公差分析
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C.使用定位特征
在零件的装配关系中增加可以定位的特征，例如定位柱等，定位特征能 够使得零件准确的装配在产品之中，产品设计只需要对定位特征相关的 尺寸公差进行制程管控，对其他尺寸就可以允许宽松的公差要求
D.使用点或线或小平面与平面配合代替平面与平面配合
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第4部分：公差分析 Tolerance Analysis
内容：
一．常见的公差分析做法 二．公差分析 三．公差分析的计算步骤 四．公差分析的计算方法 五．公差分析的三大原则 六．产品开发中的公差分析
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一. 常见的公差分析做法
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1. 产品详细设计完成后，在design review时，针对O-ring的压缩量进行
使用点或线与平面配合的方式代替平面与平面的配合方式，避免平面的 变形或者平面较高的粗糙度阻碍零件的顺利运动，从而可以对零件的平 面度和粗糙度允许宽松的公差
原始的设计
优化的设计
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二. 公差分析
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4.公差分析的概念：
公差分析是指在满足产品功能、性能、外观和可装配性等要求的前提下， 合理定义和分配零件和产品的公差，优化产品设计，以最小的成本和最 高的质量制造产品
公差分析及实际案例分享
公差分析及实际案例分享公差分析是指在产品设计和生产过程中，通过分析产品各个零件之间的公差，确定合理的公差范围和公差配合，以保证产品能够在正常使用条件下达到设计要求。
公差分析是一项非常重要的工作，它能够有效地提高产品的质量和可靠性，减少成本和浪费。
在进行公差分析时，首先需要明确产品的设计要求和功能需求。
然后根据零件的功能和相互关系，进行公差分布和传递分析。
公差分布是指将设计公差按照一定的规律分配给各个零件，使得各个零件能够在允许误差范围内达到最终装配要求。
公差传递是指将各个零件上的公差通过装配过程传递给最后装配件，从而确定最后装配件的公差要求。
公差分析的目的是确定合理的公差范围和公差配合。
根据产品的功能需求和使用环境，确定合适的公差范围，使得产品能够在正常使用条件下满足性能要求。
同时，通过公差配合，可以有效地控制产品的装配质量，减少配合间的间隙和摩擦，提高产品的可靠性和耐久性。
下面以一个实际案例来分享公差分析的应用。
公司生产的汽车发动机出现了使用寿命变短的问题，经过分析发现是由于气缸套和活塞配合不当导致的。
气缸套和活塞的配合间隙过大，导致燃气泄漏和油耗增加，进而影响了发动机的寿命和性能。
针对这个问题，该公司进行了公差分析，并重新设计了气缸套和活塞的配合。
首先，分析了气缸套和活塞的功能和相互关系，确定了气缸套和活塞之间的公差分布。
然后，通过公差传递分析，确定了最终装配件的公差要求。
最后，根据产品的功能需求和使用环境，确定了合理的公差范围和公差配合。
通过重新设计配合间隙，该公司成功地解决了发动机寿命变短的问题。
经过测试和验证，发动机的性能和可靠性得到了显著的提高，燃气泄漏和油耗问题得到了有效控制，产品的使用寿命大大延长。
这个案例充分说明了公差分析在产品设计和生产中的重要性和应用价值。
通过合理的公差分析和设计，可以有效地控制产品的装配质量，提高产品的性能和可靠性，降低产品的故障率和成本。
公差分析是一项非常细致和繁琐的工作，需要设计师和工程师具备较高的技术水平和经验，但它的应用价值是不可忽视的。
统计公差分析方法概述
统计公差分析方法概述一、引言公差设计问题可以分为两类:一类就是公差分析(Tolerance Analysis ,又称正计算) ,即已知组成环的尺寸与公差,确定装配后需要保证的封闭环公差;另一类就是公差分配(Tolerance Allocation ,又称反计算) ,即已知装配尺寸与公差,求解组成环的经济合理公差。
公差分析的方法有极值法与统计公差方法两类,根据分布特性进行封闭环与组成环公差的分析方法称为统计公差法、本文主要探讨统计公差法在单轴向(One Dimension)尺寸堆叠中的应用。
二、Worst Case Analysis极值法(Worst Case ,WC),也叫最差分析法,即合成后的公差范围会包括到每个零件的最极端尺寸,无论每个零件的尺寸在其公差范围内如何变化,都会100% 落入合成后的公差范围内。
<例>Vector loop:E=A+B+C,根据worst case analysis可得D(Max、)=(20+0、3)+(15+0、25)+(10+0、15)=45、7,出现在A、B、C偏上限之状况D(Min、)=(20-0、3)+(15-0、25)+(10-0、2)=44、3,出现在A,B、C偏下限之状况45±0、7适合拿来作设计不?Worst Case Analysis缺陷:•设计Gap往往要留很大,根本没有足够的设计空间,同时也可能造成组装困难;•公差分配时,使组成环公差减小,零件加工精度要求提高,制造成本增加。
以上例Part A +Part B+ Part C,假设A、B、C三个部材,相对于公差规格都有3σ的制程能力水平,则每个部材的不良机率为1-0、9973=0、0027;在组装完毕后所有零件都有缺陷的机率为:0、0027^3=0、3。
这表明几个或者多个零件在装配时,同一部件的各组成环,恰好都就是接近极限尺寸的情况非常罕见。
三、统计公差分析法•由制造观点来瞧,零件尺寸之误差来自于制程之变异,此变异往往呈现统计分布的型态,因此设计的公差规格常被视为统计型态。
公差分析基本知识
公差分析基本知识公差分析是指对于一组零件或产品的尺寸、形状和位置等特征进行分析，确定其所允许的变动范围，以满足设计要求的一种方法。
公差分析的目的是确定零件间和零件内的公差，以保证产品在装配和使用过程中的质量要求。
公差分析主要包括以下几个方面的内容：1.公差的定义：公差是指零件上特征的允许变动范围。
公差一般分为基本公差和附加公差。
基本公差是指通过规定零件上特征的尺寸范围来控制公差。
附加公差是指为了控制零件间和零件内的相对位置而设置的公差。
2.公差的表示方法：公差可以通过标准公差、限制公差和配合公差等方式来表示。
标准公差是指根据国家标准规定的一组统一的公差数值。
限制公差是指通过上下限值来表示公差范围。
配合公差是指根据安装或运动要求来确定的公差范围。
3.公差的传递：公差的传递是指从一个零件到另一个零件上的公差如何变化的过程。
公差的传递可以通过最大材料条件和最小材料条件来进行分析。
最大材料条件是指零件尺寸取最大限制尺寸时，所有公差作用的总和。
最小材料条件是指零件尺寸取最小限制尺寸时，公差作用的总和。
4.公差链：公差链是指由多个零件组成的装配件中公差传递的路径。
公差链的形成是由于零件之间的相互作用和相互限制引起的。
公差链的存在会导致装配精度的累积误差，因此需要对公差链进行分析和控制。
5.公差的控制：公差分析的最终目的是为了确定合理的公差范围，以保证产品在装配和使用过程中的质量要求。
公差的控制可以通过设计优化、工艺改进和设备调整等方式来实现。
公差分析在产品设计和制造中具有重要的作用，能够帮助设计人员确定合理的公差要求，同时也有助于提高产品的装配精度和使用性能，降低产品开发和生产成本。
在实际应用中，公差分析需要结合制造工艺、设备精度和市场需求等多方面因素进行综合考虑，以获得最佳的公差方案。
公差分析基础理论
公差分析基础理论公差分析是产品设计与制造过程中的重要环节之一，通过对零部件尺寸与形位公差的合理分配和控制，确保产品能够在规定的公差范围内满足设计要求，保证产品质量的稳定性和可靠性。
公差分析的基础理论主要包括公差、公差堆积、公差链等。
1.公差的概念与种类公差是描述零部件尺寸与形位误差的一个重要参数，是指零件尺寸或形状在一定范围内的允许偏差。
根据公差的不同性质，可以分为线性公差、形位公差和配合公差。
（1）线性公差：是指零部件尺寸的允许偏差范围。
一般用尺寸的上限（最大值）和下限（最小值）来表示，如直径10±0.05mm。
（2）形位公差：是指零部件几何形状、位置、方向的允许偏差范围。
形位公差分为位置公差、形状公差和方向公差等。
（3）配合公差：是指零部件之间的配合关系的允许偏差范围。
如传动轴与轴承配合时，要求轴与轴孔的尺寸公差和形位公差都要满足要求，以使轴与轴孔能够达到合适的配合。
2.公差分配原则公差分配是指在零部件与装配件之间合理分配公差，以满足产品性能要求。
公差分配的原则包括最大材料原则、最小材料原则、最大孔最小轴原则和最大间隙最小重合原则等。
（1）最大材料原则：将零件尺寸的上限与装配件尺寸的下限相对应，以保证零件和装配件都能满足设计要求。
（2）最小材料原则：将零件尺寸的下限与装配件尺寸的上限相对应，以保证零件和装配件都能满足设计要求。
（3）最大孔最小轴原则：在配合公差分配时，以确保最大孔与最小轴间隙达到设计要求。
（4）最大间隙最小重合原则：在配合公差分配时，以确保最大间隙与最小重合满足设计要求。
3.公差堆积与公差链公差堆积是指在装配过程中，由于零部件尺寸与形位公差的叠加或堆积所引起的总公差。
公差堆积的结果可能是零部件与装配件的配合间隙大于或小于设计要求，从而影响产品的装配性能。
因此，公差堆积的分析是确保产品装配质量的重要一环。
公差链是指由多个零部件按照一定的装配次序组成的装配关系链。
每个零部件的公差都对最终产品质量产生影响，因此，需要通过公差链的分析，确定各个零部件的公差堆积情况，以确保产品装配尺寸要求的可靠性。
第4部分：公差分析指南
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谢 谢 ！
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3.当公差分析的结果不满足要求时：
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减少尺寸链的长度； A为54.00±0.20，C为25.00±0.15，D为28.50±0.15
优化的设计
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四. 公差分析指南
3.当公差分析的结果不满足要求时：
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使用定位特征； 好处：
定位特征可以提供较精密的尺寸公差 定位特征的尺寸可以放置于比较容易进行尺寸管控的区域 使用定位特征时可以减少和避免对其他尺寸的公差要求，只需严格管控定 位特征的相关尺寸，就可以满足产品设计要求 因为定位特征精度高，使用定位特征有利于减少零件之间的尺寸公差累积
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制造工艺能力决定了公差分析中公差的设定； 二维图纸中公差标注与公差分析中的公差一致； 对公差分析中的尺寸需要进行制程管控；
制造工艺 能力
公差分析中 公差的设定
二维图样零 件公差标注
零件尺寸 制程管控
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四. 公差分析指南
3.当公差分析的结果不满足要求时： 不推荐的做法：
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调整尺寸链中的尺寸公差大小； 降低目标尺寸判断标准；
100±0.20
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一. 公差分析的介绍
2.公差的本质：
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公差是产品设计和产品制造的桥梁和纽带，是保证产品以优异的质量、 优良的性能和较低的成本进行制造的关键。
设计 功能 性能 外观 可装配性 设计限制 稳健性设计 设计意图 产品质量 客户满意
公差
制造 制造费用 装配费用 制造方法选择 机器 夹具 检验 不良率 返工率
推荐的做法：
减少尺寸链的长度； 使用定位特征；
公差分析常用方法
公差分析常用方法
公差分析是一种用于研究产品或系统各种要素之间相互连锁关系的方法。
它可用于确定导致产品或系统性能差异的主要因素，并寻找改进的机会。
下面是一些常用的公差分析方法：
1. 传递函数法：传递函数法是一种将产品或系统的总体公差在各个部件或要素上分配的方法。
通过将总体公差按照一定的比例分配给各个部件，以满足产品或系统性能的需求。
2. 采用最小二乘法（Least Square Method）：最小二乘法是一种通过最小化观测值和理论值之间的差异平方和，来确定最接近真实值的方法。
在公差分析中，可以使用最小二乘法来评估产品或系统的总体公差和各个部件之间的关系。
3. 驱动因子公差分析（Driver Factor Analysis）：驱动因子公差分析是一种通过识别产品或系统的主要性能驱动因子，来优化公差分配的方法。
通过将更多的公差分配给主要驱动因子，可以显著改善产品或系统的性能。
4. 公差优化：公差优化是一种通过最小化总体公差，以满足产品或系统性能要求的方法。
通过分析各个部件之间的相互关系，可以确定最佳的公差分配方案。
5. 敏感度分析：敏感度分析是一种评估产品或系统对公差变化的敏感程度的方法。
通过分析不同参数的变化对产品或系统性能的影响，可以确定哪些部件或要
素对总体公差的变化最为敏感。
以上是常用的公差分析方法，具体选择哪种方法取决于产品或系统的特点和分析目的。
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例子1公差(Tolerancing)1-1概论公差分析将有系统地分析些微扰动或色差对光学设计性能的影响。
公差分析的目的在于定义误差的类型及大小，并将之引入光学系统中，分析系统性能是否符合需求。
Zemax内建功能强大的公差分析工具，可帮助在光学设计中建立公差值。
公差分析可透过简易的设罝分析公差范围内，参数影响系统性能的严重性。
进而在合理的费用下进行最容易的组装，并获得最佳的性能。
1-2公差公差值是一个将系统性能量化的估算。
公差分析可让使用者预测其设计在组装后的性能极限。
设罝公差分析的设罝值时，设计者必须熟悉下述要点：●选取合适的性能规格●定义最低的性能容忍极限●计算所有可能的误差来源(如：单独的组件、组件群、机械组装等等…)●指定每一个制造和组装可允许的公差极限1-3误差来源误差有好几个类型须要被估算制造公差●不正确的曲率半径●组件过厚或过薄●镜片外型不正确●曲率中心偏离机构中心●不正确的Conic值或其它非球面参数材料误差●折射率准确性●折射率同质性●折射率分布●阿贝数(色散)组装公差●组件偏离机构中心(X,Y)●组件在Z.轴上的位置错误●组件与光轴有倾斜●组件定位错误●上述系指整群的组件周围所引起的公差●材料的冷缩热胀(光学或机构)●温度对折射率的影响。
压力和湿度同样也会影响。
●系统遭冲击或振动锁引起的对位问题●机械应力剩下的设计误差1-4设罝公差公差分析有几个步骤须设罝：●定义使用在公差标准的」绩效函数」：如RMS光斑大小，RMS波前误差，MTF需求，使用者自定的绩效函数，瞄准…等●定义允许的系统性能偏离值●规定公差起始值让制造可轻易达到要求。
ZEMAX默认的公差通常是不错的起始点。
●补偿群常被使用在减低公差上。
通常最少会有一组补偿群，而这一般都是在背焦。
●公差设罝可用来预测性能的影响●公差分析有三种分析方法:⏹灵敏度法⏹反灵敏度法⏹蒙地卡罗法●公差分析需要对误差值的来源范围作设罝。
1-5公差操作数公差分析会运用下面的操作数：●TRAD, TCUR, TFRN：所有描述表面焦度的误差●TTHI：描述组件或空间厚度的误差●TCON；描述Conic常数的误差●TSDX, TSDY：表面离轴的误差(镜片长度单位)●TSTX, TSTY：表面倾斜的误差(角度)●TIRX, TIRY：表面倾斜的误差(镜片长度单位)●TIRR：表面不平整度的误差(用球差和像散)●TEXI, TEZI：表面不平整度的误差(用Zernike条纹或标准多项式)●TIND, TABB：折射率,阿贝数的误差●TPAR, TEDV：参数或外加资料值的误差●TEDX, TEDY：组件的机构离轴●TETX, TETY, TETZ：组件的机构倾斜●TUDX, TUDY, TUTX, TUTY, TUTZ：组件的离轴或倾斜由使用者自订的座标定义增加可用于非序列性组件的新参数1-6双透镜的公差分析载入Samples\Tutorial folder中的「Tutorial tolerance.zmx」文件。
这是一个近轴的双透镜设计。
我们将建立本系统的公差分析。
1-7制造与组装公差在开始本设计的公差分析之前，我们需要定义所有可能的误差来源。
首先从ZEMAX 主选单上点击Editors->Tolerance Data，即可开启Tolerance Data Editor(TDE)。
然后在TDE 视窗中的主选单中，点击Tools->Default Tolerance 开启Default Tolerance 对话框。
直接点击「OK」产生默认的公差操作数。
如此即是同意默认的公差容忍度。
此外背焦的距离是默认的补偿部份。
1-8误差描述 Tolerance Data Editor 现在包括有41个项目。
第一个操作数「COMP 」定义表面4的厚度做补偿部份。
而「TW A V 」这个操作数，系指针对任何条纹误差的测试波长。
其它的操作数分别用于定义下列误差：●四个面的曲率半径●四个面的面不平整度●两个组件和一个间隙的厚度误差●两个玻璃的折射率或阿贝数的误差●四个面皆有两个方向的离轴和倾斜。
针对球面，公差分析仅有楔形或离轴●两个组件皆有两个方向的离轴和倾斜如此便包括所有设计上可能的制造和组装的公差1-9灵敏度分析灵敏度分析定义各个缺陷对系统性能的影响。
这些影响经由统计上的总和以估算出系统性能。
藉由给定公差的范围，以了解那些会造成系统性能的改变?一系列独立的公差估计：●半径的改变●厚度的改变●倾斜或离轴的改变每一个操作数，补偿部份会修正标准值至最小。
我们皆认同所有的默认操作数除了一个参数，两个组件间的距离。
虽然设罝两者的间距为「0」，其是以顶点为量测的基准，公差的范围最小为「0」最大为「0.2」。
如此第二面将不会进入第一面。
1-10初步公差分析在默认公差范围完成灵敏度分析后开始公差分析。
在开启的文件中减低RMS光斑的大小将会使缺陷突显。
开始公差分析需点击主选单中的Tools>>Tolerancing(或Ctrl+T)，此举将会开启公差分析的对话框。
请务必确认「Comp：Paraxial Focus」已选取，此举利用近轴焦点的修正来重新定义成像面的位置。
使用RMS光斑半径做为公差分析的标准。
公差分析的方式选灵敏度法。
如果有需要的话，请确认「 Show compensators」已勾选。
将「Monte Carlo」的选项设为0。
如此即可点击OK。
1-11公差分析结果运算完成后，「文本阅读器」将会列出公差分析的结果。
第一部份描述所有的公差操作数。
接下来列出使用在分析的公差标准值。
这是依据每个操作数独立公差分析的结果，包括参数的改变量，标准值的结果，标准值改变量与微小值的关系，焦点补偿的改变量。
1-12统计分析下列灵敏度分析是统计上的资讯：微小的RMS 光斑半径：●基本的标准值估计改变量：●每个操作数的基准为●每个操作数利用平方或平均将最大和最小的误差值●取其均方根(应用在最严苛的条件)估算RMS光斑半径：●加总微小值和估算改变量(定义有效的范围在系统性能上)可见默认公差的范围太宽松1-13反灵敏度分析反灵敏度分析常用在限制公差参数的范围以控制系统性能最大的降幅。
允许的误差皆由误差来源分裂出来的。
反灵敏度的方法：●反最大值的模式：旨在单独地修正参数的范围使得最后的标准值所对应的参数近乎极限。
●反增加量的模式：旨在单独地修正参数的范围使得最后的标准值改变量符合参数的范围几乎等于增加量。
在反最大值的模式，有提供使用者自定极限的方法。
●极限定义了每个公差分析参数的最大标准值。
●极限值必须较一般条件严苛。
分析性能可藉由最小参数值来定义。
●比较绩效函数到极限⏹假使低于最大值，移动范围的极限内对组件不会有影响⏹假使超过最大标准，将会缩小公差范围直到符合极限值●运行某些在最大参数的数值●参数的范围一般不会是对称的运行的过程将会不断的重复直到评价系统的绩效函数降至预期的程度。
反增加量的模式也是近似的，除了标准最大增加量是自订的而非求极限。
1-14个别分析视场角/组态假使分离视场角/组态的功能未选取，反灵敏度分析将会平均所有的视场角及组态。
●某些视场角或组态也许对某些扰动有明显的冲击●关于这些资讯在默认的灵敏度分析条件下可能会隐藏在平均值内假使选取分离视场角/组态的功能，在每个视场角每个组态都是独立计算。
每个视场角皆须符合反最大值模式的极限值。
●公差分析的参数范围皆须修正到每个视场角每个组态都在极限值内。
在反增加值模式，每个公差参数范围皆须修正至每个视场角每个组态的值降低至不超过增加量。
最差的视场角的位置即可定义参数的范围。
1-15限制公差范围举个例子来说，假设其需求为 RMS 光斑大小不能较正常的差150%。
求得正常的绩效函数值，请开启Tolerance对话框(Ctrl+T)并点击其中的"?"标签。
而mode则选 Inverse的类型。
正常的绩效函数值为 3.5microns(0.0035 mm)。
这表示我们设罝的绩效函数必须小于5.25microns。
我们需要展开这些误差在所有可能的因素。
假使任何一个参数所造成的误差多于对系统的贡献，则其整体效应就会是明显的不好。
1-16设罝限制条件假设没有参数可以让标准值降低超过0.5microns，或产生一绩效函数超过4.0microns。
响应范围：●假设所有的参数有相同的贡献且平均分配误差由全部的参数●假设某些统计相依且平均分配误差由均方根的参数，真实的结果在中间的部份在对话框中的」?」。
在# Monte Carlo Runs键入20。
这是产生20条由随机数打到镜片上。
在Save Monte Carlo Runs键入20将会在计算后保存。
点击OK开始运行反向公差分析1-17修正公差范围在反灵敏度里，参数的范围将会被修正，假如需要的话，所以就是最大标准值。
检查统计摘要。
计算的标准值超过期望的最大值。
整个焦点的位置需要0.66mm。