CETOL公差分析软件在电器产品设计中的应用

CETOL公差分析软件在电器产品设计中的应用

工艺．设备．皿斟．ＣＥＴＯＬ６盯公差分析软件在电器产品设计巾的应用

上海电器技术（２００９№．１）

ＣＥＴＯＬ６仃公差分析软件在电器产品设计中的应用

秦家爱张顺法

西希安工程模拟软件（上海）有限公司

上海华通低压开关有限公司

摘要：结合低压配电系统塑壳断路器的装配性能指标，采用公差分析系统ＣＥＴＯＬ６ｔｒ软件进行数字化分析，真实模拟实际的物理装配过程。通过ＣＥＴＯＩ．６ｔｒ系统的贡献度和敏感度分析结果，在现有加工条件的基础上，提出合理的质量改进措施，并指出优化设计的方向。关键词：

ＣＥＴ０１．６仃公差分析贡献度敏感度优化设计塑壳断路器

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尺寸的统计分布图，同时分析结果，自动输出各个组

０前言

通常，大部分的电器产品结构较复杂，性能要求也越来越高。随着市场需求的不断变化，如何在较短的时间内设计出满足市场需要的产品，一直困扰着广大设计人员。在电器产品没计过程中，公差分配往往是根据经验来给定的，关于各个公差分配是否合理，设计师则很难确定。

当前推出的专业的公差分析系统ＣＥＴＯＬ６盯，可以真实地模拟实际的物理装配过程，即定义各个装配部件之间关系，如销和孔、线和面、面和面等装配关系。一旦输入各部件或具体尺寸的过程加工能力数据，系统就会自动计算各个加工尺寸的统计分布图，由已有的装配关系函数关系式传递计算封闭环

成环尺寸的贡献度数据和敏感度数据。

塑壳断路器是低压配电系统中主要的基础元件。操作机构作为断路器设计中的一个子装配，在合闸、分闸、储能等过程中起到关键的作用。由于设计的原因或者公差分配的不合理，会造成机构不能储能或储能完毕后自选合闸、机构拒绝分闸等问题。因此，希望通过对操作机构进行仿真分析，根据实际的尺寸公差和物理装配过程，预测装配体质量控制的关键尺寸和公差，提出合理的控制和优化方向。

本文从现有的公差分配来预测操作机构装配体的质量，并提出合理化建议，从而达到提高质量、节约成本的目的。

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ＣＥＴＯＬ６０＂公差分析软件在电器产品设计中的应用 ｒ２ 设备．唧斟

１

装置建模

功能，故操作机构的滑扣『日Ｊ题是设计的主要问题。所谓滑扣，即开关在合、分闸过程中跳扣和锁扣脱开，造成合、分闸失败的现象。图３是操作机构分析目标图。根据经验，图３中显示的跳扣与锁扣的搭接距离只有在０．６５～１．０５ｍｍ之间，才能保证操作机构处于正确的机械性能。因此，在ＣＥＴＯＬ６盯分析界面中，设置分析目标尺寸为：（０．８５±０．２）ｍｍ，

１．１定义分析目标

如图ｌ所示，塑壳断路器由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器、外壳等构成，圆圈部分为操作机构。在ＣＡＤ软件中，抽取操作机构子装配体，如图２所示。打开ＣＥＴＯＬ６０＂软件并与ＣＡＤ通信，进行实际物理装配过程的预定义。

由于断路器具有过载、短路、欠电压等多种保护

此为一个封闭环尺寸，其余相关部件尺寸则作为组

成环尺寸来处理。

ｌ一外壳；２一触头系统；３一操作机构；４一灭弧系统；５一脱扣器

图１塑壳断路器总装配

ｌ一杠杆；２一侧板；３一连杆；４一插销

图２塑壳断路器操作机构

ｌ一锁扣；２～跳扣；３—牵引杆

闰３操作机构分析目标

１．２建立装配关系

在图２所示的操作机构中，首先把一个侧板作

为装配体的基准部件，其余各个部件都是遵循一定的装配顺序，通过轴、孔配合，线、面配合等关系完成装配。

特别要提出的是，在定义跳扣与配合轴之间的装配关系时，由于设计余量的需要，设置跳扣孔的名

２公差分析理论

２．１公差计算方法２．１．１最坏情况分析

实现最坏情况的分析，要求所有的尺寸都处于最大偏差尺寸值，用于最坏情况分析的计算公式为：

±‰。＝≯瓦（一维隋况下）

义尺寸为彬．１，而相对应配合轴的名义尺寸为妒。

这样，轴孔在装配过程中，由于轴和孔之间有较大的间隙，建立装配关系时应考虑轴在孔的任意位置时的情况。在ＣＥＴＯＬ６ｔｒ中，选择轴、孔配合时的配合形式为“ｆｌｏａｔ”，系统就会自动计算轴在孔任意位置时对装配质量的影响。

±％。＝喜ｌ兰ｌＩ（二维或三维情况下）

式中：正——第ｉ个尺寸的上、下公差

掣——测量尺寸对第ｉ个关联尺寸的导数∞－

２．１．２系统矩方法

系统矩方法是基于统计的分析方法，每个加工

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工艺 设苗．啊斟．ＣＥＴＯＬ６盯公差分析软件在电器产品设计中的应用

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尺寸可以根据预期的加工情况或样本设计为依据的特定的分布情况和参数，利用样本的算术平均值和标准偏差就可以唯一地确定一个标准正态分布曲线。标准偏差可以由一系列的分布要素计算出来，其中平均值是：

－ｄ：曼兰

样本矩是：

Ｅ耋｝竽

次样本矩是：

舻主｝竽舻主｝竽

式中：ｘ，ｉ——样本空间中的元素

厅——样本的维数

可以预先给定心、肛，和地，然后计算出一系列的其他要素，其中标准方差为：

盯＝，／－ｄ

斜度为：

卢．＝等

峰值为：

卢：：丝４

样本标准方差的计算公式为：

ｓ＝【喜Ｉ≮竽】

Ｌ‘＝

ｎ—ｌ

Ｊ

由均值、标准方差、斜度和峰值定义的分布一般

称为Ｌａｍｂｄａ分布，是一般情况下的统计分布。２．２结果数据分析２．２．１贡献度

贡献度是描述装配尺寸链中各个组成环尺寸公

差对封闭环尺寸积累公差的贡献大小。采用百分比的计算方法，分为最坏情况下的百分比贡献度和统计情况下的百分比贡献度。最坏情况计算公式为：

怯ａｕ（ｕＴＬ，，－ＬＴＬ，；）Ｉ

式中：ＵＴＬ，．叫ｉ的公差上限

ｃｏｎｔｒｉｂｑ＝—？匾万瓦■二刈００

ＬＴＬ，．叫ｉ的公差下限

ＵＴＬ，，——Ｕ的公差上限ＬＴＬⅣ——Ｕ的公差下限

统计情况下的百分比贡献度计算公式为：

ｃｏｒⅡｒｉｂ，．＝—二』丁二ｘ

（警０１００

ｏｒＵ

式中：茗ｉ——模型中第ｉ个零件尺寸

￡，＿一设计尺寸

矿，：——嘎ｉ的标准偏差

矿，，——Ｕ的标准偏差

２．２．２敏感度

敏感度是描述装配尺寸链中组成环各个尺寸的变化对装配质量的影响程度，其变化大小和变化方

向是评价装配体鲁棒性的指标。敏感度数值为设计

工程师进行优化设计指明了方向。改变尺寸或角度的名义值，能把求解尺寸对应到测量尺寸公差的中间值。这样，通过改变尺寸或角度的名义值来驱动

测鼍尺寸。从此意义来说，驱动测量尺寸的尺寸称为“敏感度”。图４是表示调整敏感度数值中心位置产生偏移。

－０．４

０．００．４－０．４０．００．４

圈４分布中心值产生偏移

３操作机构公差分析结果

３．１

选择合理的公差分配

ＣＥＴＯＬ６盯系统可以与主流ＣＡＤ软件完全无缝集成，大大方便了设计人员进行可关联、可更新分析。只要产品形状一改变，ＣＥＴｏＩＪ６盯会自动进行基于原有装配的分析，同时在ＣＡＤ设置的公差也可方便地导入到ＣＥＴＯＬ６盯进行分析。在ＣＥＴＯＬ６矿分析器界面中，选择基于刚性装配的公差分析类型，得

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ＣＥＴＯＬ６ｃｒ公差分析软件在电器产品设计中的应用．工艺．设苗．皿料

到贡献度分析结果数值排序如图５所示。图６为跳扣尺寸图。

图５贡献度数据

图６屣扣尺寸图

图５中的第一行尺寸表示在图６中跳扣尺寸Ｒ３６．１的尺寸公差对装配质量影响最大，其百分比贡献度数值为６８．０ｌ％。它的尺寸失效可能会导致整个产品的失效。图５中的第二行尺寸表示跳扣孔与跳扣轴在配合时，其Ｙ方向的间隙变化对装配质量有较大的影响。图５中第二行尺寸４３．８是侧板跳扣和锁扣孔在水平方向的距离，其贡献度具体值为２１．２８％。

如图６所示，最初设计时，给定尺寸／ｔ。３６．１和是冷冲压件，随着冲压加工水平的提高，直接把尺寸Ｒ３６．１的精度等级提高到ｌｌ级，即正、负公差为０．０８。；再把尺寸４３．８的精度等级提高到１２级，即正、负公差为０．１２５。修改上述尺寸的公差，ＣＥＴＯＬ６盯分析器界面立即进行求解，结合工厂的加工能力指数盯值为２，可以得到操作机构的装配合格率由．９４．８５％上升到９９．９５％。

根据上述分析数据，在检验尺寸过程中把尺寸Ｒ３６．１和４３．８作为主要测量尺寸，提高了检验工序的效率。从分析结果可以看出，各个轴如锁扣轴、牵引杆轴等各轴的尺寸公差对装配质量几乎不产生什

一５８一

么影响。因此，把车床加工时轴的尺寸公差从较高的精度等级７级调整为ｌＯ级，这样就直接可以降低加工成本。根据调整后的尺寸公差，ＣＥＴＯＬ６盯输出各个尺寸公差对装配质量的贡献度数值图。总之，通过贡献度数值，可以指导设计工程师选择加工成本既低、又能满足装配质量的公差分配。图７是输

出结果报告。

圈７输出结果报告

图８给出了装配尺寸链中各个尺寸的敏感度数

值排序。敏感度数值为负的，表示相应的名义尺寸

的变化方向与装配尺寸的变化方向相反；敏感度数值为正时，相应尺寸的变化方向与装配尺寸的变化方向相同。

图８敏露度数据

根据本例中各个尺寸对装配尺寸已经形成的敏感度数值，可以从创新的角度来进行设计。假设锁扣和跳口间的距离需要指定它的目标值为（１．０±０．２）ｍｍ，可以得出在现有条件下其装配尺寸的统计分布图与目标值产生了较大的偏移，合格率仅为７９．０９％，盯值为１．２６。这样，显然不能满足要求。

根据调整的方便程度，选择尺寸Ｒ３６．１，图８中

给出的敏感度数值为１．Ｏ，修改其尺寸的名义值为

４３．８的精度等级为１３级。由于侧板和跳扣部件都３．２优化设计

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Ｒ３６．２５，ＣＥＴＯＬｃｒ立即就计算在新的名义尺寸下装配尺寸的装配质量。图９是优化设计的结果。

＆３

Ｃ敏感ＥＴＯＬ度６０蒸＂

图９优化设计结果

４

可视化敏感度是直接以动画的形式感度是直接以动画的形式

结语一一

在公差分析过程中，通过设置各装配部件之间

显示敏感度高的尺寸是如何对封闭环尺寸产生影响的。选择尺寸尺５．８，在ＣＡＤ界面动态显示尺寸Ｒ５．８的动态变化过程。图１０是敏感度动画的详细信息。

的位置关系，考虑各部件的加工精确度，结合装配可能产生的误差，得到现有装配状态下产品的装配质量。根据ＣＥＴＯＬ６ｔｒ分析后的贡献度数值，调整关键尺寸的公差，使得产品质量有一个大幅度的提高；相反，对于贡献度数值小尺寸的公差，可以放大其公差，从而大大降低各部件的加工成本。分析结果中的敏感度数值，对于我们进行产品创新设计或改进设计，提供－『改进方向和改进依据；控制敏感度数值高的尺寸，可以防止由于此尺寸的变化对结果有比较大的影响，因而有目的地促进了装配体的鲁棒性。

参考文献

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圈１０敏感度可视化显示

学出版社，１９９６．

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/inxi.html