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1、机构设计公差分析培训教材,比亚迪公司 28-Sep.-2007,主要内容,第一部分：统计学应用于公差分析的背景 3 第二部分：一般公差分析的理论 15 第三部分：公差分析在诺基亚专案中的应用 29 第四部分：特殊情态 54,统计学应用于公差分析的背景 这部分主要目的是介绍统计学应用于公差分析的背景，强调加工制造能力的重要性。,变异,下偏差,上偏差,目标,规格范围,加工制程的变异 材料特性的不同 设备或模具的错误 工序错误 / 操作员的错误 模具磨损 标准错误,组装制程的变异 工装夹具错误 组装设备的精度,两种主要的变异类型,变异的控制,解决方案 制成的选择 制程的控制 (SPC) 产品的检查
2、技术的选择 优化的设计 公差分析,变异的控制 从加工制造 从产品设计,Aim 高品质 高良率 低Low FFR,柱状图,柱状图能提供制程的分布形状，位置及区域的初步评估 柱状图也是呈现变异几何的方法 There may be outliers,变异的一般分布图,正态分布 normality distribution 双峰分布（非正态分布） 偏斜分布（非正态分布）,99.9937 %,-3,-4,-5,-6,+3,+4,+5,+6,99.73 %,99.999943 %,99.9999998 %,正态分布的特点,-2,-1,+2,+1,变形点,标准差, (s or ),数据的百分比，在给定的西格
3、玛 ()范围,95.46 %,68.26 %,平均值, (x or ),正态分布的参数,平均值 (x) 分布的位置 范围 (R) 最大值与最小值之间的距离 Sensitive to outliers 标准差 (s) 反映样本内各个变数与平均数差异大小的一个统计参数 最常用的量测法，量化可变性 变量 (s2) 标准差的平方,总体参数 m = 总体平均值 s = 总体标准差,总体参数与样本统计,总体 现有的及将来会出现的所有单元或个体 我们将永远都不可能知道的真实总体 比如，所有的Nokia 9210 生产总量。,样本 从总体提取的单元或个体的子集 用样本统计，我们可以尝试评估总体参数 比如， N
4、okia 9210 在2001年41周生产的样本,样本统计 x = 样本平均值 s = 样本标准差,Process variation 3s,制程性能指标 Ppk,参数 Ppk 是制程性能指标 sLT 是长期标准差 LSL是规格的下限 USL是规格的上限 mean 是实际制程的平均值,USL - mean,LSL,Sample mean,Nominal value,mean - LSL,USL,Process variation 3s,Tolerance range,一般公差分析的理论 这部分主要是说明怎样应用公差分析这个工具，去确保产品适合最终确定的产品功能和品质的要求的过程。,公差分析的优
5、点,公差分析: 验证设计是否达到预期的品质水平. 带较少缺点的良率产品. 预防生产重工和延误. 降低产品的返修率 (降低成本).,怎么地方使用公差分析 ?,单个零件或组件出现公差堆积。 在公差堆积中，用公差分析可以确定总的变异结果。在机构设计中，它是一个很重要的挑战。 单个零件和组件的公差堆叠,35.00 ?,13.00 0.20,10.00 0.15,12.00 0.10,零件 4,堆叠公差分析过程,在堆叠公差时，有以下几种方法: 手工. 用电子数据表，比如Nokia Excel 模板. 这在NOKIA是首选的方法! 用公差分析软件，比如 VisVSA. 这份教材重点是讲用NOKIA模板分析
6、一个尺寸的堆叠。按组装要求，分为六步来分析。,3. 转换名义尺寸，将公差 转成对称公差,2. 建立封闭尺寸链图,1. 确定组装要求,6. 按要求计算变异,5. 确定公差分析的方法,4. 按要求计算名义尺寸,一些产品要求的例子: 装配要求 换壳；无固定的配对组装（多套模具或模穴） 功能要求 电子方面；PWB与弹片的可靠接触 结构方面；良好的滑动结构，翻盖结构，或机构装置 品质要求 外观；外壳与按键之间的间隙 其他; 良好的运动或一些奇怪的杂音，零件松动,第一步 确定组装要求,3. 转换名义尺寸，将公差 转成对称公差,2. 建立封闭尺寸链图,1. 确定组装要求,6. 按要求计算变异,5. 确定公差
7、分析的方法,4. 按要求计算名义尺寸,零件 3,零件 2,零件 1,零件 4,20.00 0.30,必要条件 (Gap 0),15.00 0.25,10.00 0.15,I,II,III,46.20,+0.20 - 0.60,B (d2 ),A (d1 ),C (d3 ),D (d4 ),+,IV,必要条件 X (dGap ) 0,第二步 封闭尺寸链图,3. 转换名义尺寸，将公差 转成对称公差,2. 建立封闭尺寸链图,1. 确定组装要求,6. 按要求计算变异,5. 确定公差分析的方法,4. 按要求计算名义尺寸,46.00 0.40,46.20,+0.20 - 0.60,45.60,+0.80
8、- 0.00,从设计角度看，上图所有尺寸标注方法，其功能是相同。 按规则，设计者将使用双边公差 钻孔是个例外，通常是实际的大于名义尺寸,第三步 转换名义尺寸,零件 4,3. 转换名义尺寸，将公差 转成对称公差,2. 建立封闭尺寸链图,1. 确定组装要求,6. 按要求计算变异,5. 确定公差分析的方法,4. 按要求计算名义尺寸,名义值间隙是:,dGap= 名义值间隙。正值是空隙，负值是干涉 n= 堆叠中独立尺寸的数量 di= 尺寸链中第i个尺寸的名义尺寸,dGap = - 10.00 - 15.00 - 20.00 + 46.00 = 1.00,B (d2 ),A (d1 ),C (d3 ),D
9、 (d4 ),+,必要条件 X (dGap ) 0,第四步 计算名义尺寸,3. 转换名义尺寸，将公差 转成对称公差,2. 建立封闭尺寸链图,1. 确定组装要求,6. 按要求计算变异,5. 确定公差分析的方法,4. 按要求计算名义尺寸,怎样计算间隙的变异 ? 一般应用比较多的公差分析模式是： 极值法 (Worst Case)，简称WC 验证 100 % 性能 简单并且最保守的手法 用于零件数量少的情况 用于产量不大的零件 统计法(Root Sum of Squares),简称RSS 统计手法，假设名义值在大批量加工零件的尺寸中心值 用于较多的零件或尺寸堆叠 用于产量达的零件 RSS 方法是基于什
10、么计算 ? 请看后面的说明,第五步 公差分析方法的定义,3. 转换名义尺寸，将公差 转成对称公差,2. 建立封闭尺寸链图,1. 确定组装要求,6. 按要求计算变异,5. 确定公差分析的方法,4. 按要求计算名义尺寸,1. 确定组装要求,统计法 (RSS) 统计手法 正态分布可以求和所有的变量.,让我们用 WC 和 RSS来计算这些变量，然后做个比较！,假设每个尺寸的 Ppk 指标是1.33并且制程是在中心.,第五步 方法的定义, 统计手法,3. 转换名义尺寸，将公差 转成对称公差,2. 建立封闭尺寸链图,6. 按要求计算变异,5. 确定公差分析的方法,4. 按要求计算名义尺寸,Ttot= 最大
11、的预期间隙变量(对称公差) . n= 独立尺寸的堆叠数量. Ti= 第i个尺寸对称公差.,极值法 (WC) 间隙变量是个体公差的总和.,Ttot = 0.15 + 0.25 + 0.30 + 0.40 = 1.10 最小间隙 Xmin = dGap Ttot = 1.00 1.10 = 0.10 最大间隙 Xmax = dGap + Ttot = 1.00 + 1.10 = 2.10 增加 0.10 达到最小间隙的要求 (dGap 0).,第六步 计算变异, WC,3. 转换名义尺寸，将公差 转成对称公差,2. 建立封闭尺寸链图,1. 确定组装要求,6. 按要求计算变异,5. 确定公差分析的方
12、法,4. 按要求计算名义尺寸,统计法 (RSS) 间隙变量是个体公差的平方和再方根.,最大间隙 Xmin = dGap Ttot = 1.00 0.58 = 0.42 最小间隙 Xmax = dGap + Ttot = 1.00 + 0.58 = 1.58 最小间隙的要求 (dGap 0) 完全达到,第六步 计算变异, RSS,3. 转换名义尺寸，将公差 转成对称公差,2. 建立封闭尺寸链图,1. 确定组装要求,6. 按要求计算变异,5. 确定公差分析的方法,4. 按要求计算名义尺寸,Ttot= 最大的预期间隙变量(对称公差) . n= 独立尺寸的堆叠数量. Ti= 第i个尺寸对称公差.,第六
13、步 计算变异, WC or RSS ?,以上的计算结果 WC: 最小间隙 Xmin = 0.10 mm RSS: 最小间隙 Xmin = 0.42 mm 使用哪一个 ?,3. 转换名义尺寸，将公差 转成对称公差,2. 建立封闭尺寸链图,1. 确定组装要求,6. 按要求计算变异,5. 确定公差分析的方法,4. 按要求计算名义尺寸,当每个堆叠尺寸的公差为 0.10时，通过WC和RSS方法计算组装公差,在WC 和 RSS方法之间百分比不同,WC 和 RSS 方法的假设, 风险及+/-,So一些指导原则，什么时候当用 WC 和 RSS 方法,在堆叠中，如果少于4个尺寸的 如果对这个制造工艺了解不足够的
14、 在堆叠中，如果有4个或多于4个尺寸的 只要有可能就尝试用它 当对制造工艺非常了解（旧的类似零件）,WC,RSS,Nokia 专案的公差分析 这部分主要介绍在Nokia专案设计应用的公差分析表格，它可以给参与专案设计的设计者一些基本能力。,例 1 LCD 连接器的组装,PWB,LCD Spring Connector,LCD,UI Frame,Light Guide,LCD Foil,功能要求 电子方面：PWB和LCD Foil 通过弹片连接器连接可靠。 弹片可压缩最小极限(干涉量)是0.30 mm. 在这个例子中，最大的压缩不是主要的考量因素。,1. 确定组装要求,X - 0.30 mm,例
15、 1 LCD 连接器 第1步,X,D 0.100.05,C 1.450.10,B 0.500.10,E 1.450.15,A 0.150.03,2. 建立封闭尺寸链图,PWB,Soldering Tin layer,LCD Spring Connector,LCD,UI Frame,Light Guide,LCD Foil,例 1 LCD 连接器 第2步,No gap,在弹力作用下将没有间隙,在弹力作用下将没有间隙,+,X = - A - B +C - D - E = (- 0.15 - 0.50 + 1.45 - 0.10 - 1.45) mm = - 0.75 mm,3. 转换名义尺寸，将
16、公差 转成对称公差,压缩的名义尺寸值 (用公差分析表格，这个尺寸会自动计算出来):,4. 按要求计算名义尺寸,X,C 1.450.10,B 0.500.10,E 1.450.15,A 0.150.03,+,没尺寸需要转换。,例 1 LCD 连接器 第3 & 4步,D 0.100.05,例 1 LCD 连接器 第5步,5. 确定公差分析的方法,制造工艺是了解的，以及所有RSS假设是由依据的。 堆叠尺寸多于4个尺寸。,使用 RSS 法 !,例 1 LCD 连接器 第6步,6. 按要求计算变异,用Nokia的公差分析表进行堆叠分析，表格布局如下，,例 1 LCD 连接器 第6步,必需输入数据资料 1
17、/3.,6. 按要求计算变异,针对这些分析填好一般的信息. 如果名义尺寸栏目是空白的，则必须输入目标值.在这例子，这栏留空. 填上上公差。下公差留空. 插入相关的图片。,例 1 LCD 连接器 第6步,为每个尺寸天上零件名称，及描述它的相关性. 输入名义尺寸值和尺寸链中的间隙，记得标上 (+) 和 (-) 符号! 输入每个尺寸的公差值.,必需输入数据资料 2/3.,6. 按要求计算变异,例 1 LCD 连接器 第6步,输入每个尺寸的Ppk 指标预估值. 这个练习的默认值是 Ppk=1 . 这份表格是基于公差值的4 来分析，相当于 Ppk=1.33. 当采用 Ppk=1 (3 ) 表格内公差成比
18、例转换到 4 公差 (4/3*T). 比例公差可以通过点 “% Contribution to Total”栏，即可转换为 “Estimated 4 Sigma Variation”.,8,必需输入数据资料 3/3.,9,6. 按要求计算变异,例 1 LCD 连接器 第6步,10,11,结果 1/2.,名义尺寸的总和是自动计算的。如果名义尺寸栏目是空白，那么目标值必须填写。 百分比数值告诉设计者每个尺寸公差占总变量的百分比。所有因素的总和是100 %.,6. 按要求计算变异,例 1 LCD 连接器 第6步,堆叠计算4 变量(Ppk =1,33) . 评估 上偏差PPM 等级是 (接近) 0.
19、(PPM Parts Per Million). 评估Ppk-指标是高的，相关的 PPM等级也是低的. 填写主要的不确定因素，结论和建议.,结果 2/2.,12,13,14,15,6. 按要求计算变异,例 2 电池组装界面,例 2 电池界面 第1步,功能要求 有关电的；在电路板与电池之间通过弹片连接器可靠连接. 弹片被压缩（干涉量）最小极限是0.25 mm. 最大的压缩在这个例子可以不考虑.,X - 0.25 mm,1. 确定组装要求,例 2 电池界面 第2步,B 53.000.10,A 1.150.10,X,I 8.200.20,G 69.350.10,电路板,电池,弹片连接器,H 0.00
20、0.15 (焊接位置公差),E 0.07,D 0.930.03,C 10.000.10,B-Cover,导向柱 (机壳),F 1.000.03,在弹力作用下没有间隙,Float,+,2. 建立封闭尺寸链图,X = A - B - C + D + E - F + G - H - I = (1.15 - 53.00 - 10.00 + 0.93 + 0.07 - 1.00 + 69.35 - 8.20) mm = - 0.70 mm,没有尺寸需要转换.,例 2 电池界面 第3 & 4步,+,B 53.000.10,A 1.150.10,X,I 8.200.20,E 0.07,D 0.930.03,
21、C 10.000.10,G 69.350.10,F 1.000.03,H 0.000.15,压缩名义值 (如果采用Nokia 公差表格，名义值会自动计算):,3. 转换名义尺寸，将公差 转成对称公差,4. 按要求计算名义尺寸,Example 2 HDa16, Battery interface Step 5,5. 确定公差分析的方法,制造工艺是了解的，以及所有RSS假设是由依据的。 堆叠尺寸多于4个尺寸。,使用 RSS 法 !,Example 2 HDa16, Battery interface Step 6,必需输入数据资料 1/3.,6. 按要求计算变异,针对这些分析填好一般的信息. 如果
22、名义尺寸栏目是空白的，则必须输入目标值.在这例子，这栏留空. 填上上公差。下公差留空. 插入相关的图片。,Example 2 HDa16, Battery interface Step 6,6,7,5,必需输入数据资料 2/3.,6. 按要求计算变异,为每个尺寸天上零件名称，及描述它的相关性. 输入名义尺寸值和尺寸链中的间隙，记得标上 (+) 和 (-) 符号! 输入每个尺寸的公差值.,必需输入数据资料 3/3.,Example 2 HDa16, Battery interface Step 6,8,9,6. 按要求计算变异,输入每个尺寸的Ppk 指标预估值. 这个练习的默认值是 Ppk=1
23、. 这份表格是基于公差值的4 来分析，相当于 Ppk=1.33. 当采用 Ppk=1 (3 ) 表格内公差成比例转换到 4 公差 (4/3*T). 比例公差可以通过点 “% Contribution to Total”栏，即可转换为 “Estimated 4 Sigma Variation”.,Example 2 HDa16, Battery interface Step 6,10,11,6. 按要求计算变异,结果 1/2.,名义尺寸的总和是自动计算的。如果名义尺寸栏目是空白，那么目标值必须填写。 百分比数值告诉设计者每个尺寸公差占总变量的百分比。所有因素的总和是100 %.,Example
24、2 HDa16, Battery interface Step 6,堆叠计算4 变量 (Ppk =1,33). 评估上偏差 PPM等级是208. 评估出的Ppk指标是低的，相关的PPM等级是高的. 填写主要的不确定因素，结论和建议.,结果 2/2.,12,13,14,15,6. 按要求计算变异,例2 电池界面 第6步,= 弹片长度由8.20 mm 改到8.40 mm. = 名义压缩量由 0.70mm 加大到 0.90 mm.,输入数据进行第二次分析.,6. 按要求计算变异,Example 2 HDa16, Battery interface Step 6,上偏差的PPM等级是(或接近) 0.
25、Ppki指标变高，相关的PPM等级变低. 重新填写主要的不确定因素，结论和建议.,第二次分析结果.,1,2,3,6. 按要求计算变异,CM1,PD0,PD0.5,PD1,PD2,PD4,PD3,PD流程中的公差分析,所有公差分析清单分类（注上责任人和状态),初步分析清单,应用例子, 练习,专家命名, 重要日期, 等等,CM1,PD0,PD0.5,PD1,PD2,PD4,PD3,特殊情态 这部分讲解在公差分析尺寸链中的一些特殊情态因素。,公差分析的困难分级,难度 增加,在一个空间方向堆叠刚性零件 在两个或三个空间方向或者机械装置堆叠刚性零件 带有不同分布形态的刚性零件 柔软有弹性的零件，塑胶，橡
26、胶，金属片等零件 随环境而变化的零件,双向和三向分析,WC 和 RSS 方法一般用于解决输入数据不多的单一方向的公差堆叠分析. 也有更高级的方法去解决更复杂的双向和三向堆叠分析. 这些商务 CAT (Computer Aided Tolerancing) 工具一般是在基础Monte Carlo进行仿真分析 (比如 VisVSA) . 使用CAT工具的一些优点： 特别在长的堆叠分析，比WC或RSS方法更精确，能力更强. 很容易分析整个产品，不仅仅是单一的横截面. 几何形式，位置和方向公差，也可以分析空隙和运动调节. 对于独立的公差，可用于不同的统计分布形态. 结果报告直观易沟通.,双向和三向分析
27、 VisVSA 用户界面,分析结果报告,量测得一些统计结果,装配树,堆叠中一个浮动的零件,零件居中 分析名义间隙 (X) 首选方法,导柱零件偏左 分析最小间隙 (X),导柱零件偏右 分析最大间隙 (X),不同的方法分析带导柱/孔组装的原理：,两个分开孔的尺寸和公差 计算孔和柱子之间的间隙,堆叠中两个浮动的零件,仅仅是名义尺寸的变量 = (R2-D1/2) + (R1-D1/2) = 4.5 这相当于: “孔2和柱子之间的名义间隙” + “孔1和柱子之间的名义间隙”,堆叠中两个浮动的零件,堆叠中两个浮动的零件,仅仅是公差的变量 = (1.0)2 + (1.0)2 + (0.75)2) = 1.60,总变量计算如下: 名义间隙: 算术总和 公差: RSS 方法计算 总变量 = (11.0-5.0)/2 + (8.0-5.0)/2 + (1.02 + 1.02 + 0.752) = 6.1,孔2和柱子的间隙,孔1和柱子的间隙,孔2半径公差,柱子直径公差,堆叠中两个浮动的零件,孔1半径公差,G1,T2,G2,T3,T1,以下表格展示孔1和孔2中心线之间的变量计算. 名义尺寸的总和是零，正如所要求的.,堆叠中两个浮动的零件,+,The end and thanks!,