[论文解读] A numerical approach for 3D manufacturing tolerances synthesis

Frédéric Vignat, François Villeneuve|ArXiv.org|Nov 14, 2007

Manufacturing Process and Optimization参考文献 8被引用 7

一句话总结

本文提出一种用于3D制造公差综合的数值方法，该方法利用有限元分析（FEA）通过微小位移螺旋量识别关键表面偏差，再将这些偏差映射到相应的ISO制造公差。该方法实现了系统化、基于仿真的公差分配，确保功能合规性，同时最小化复杂3D零件的过度约束和制造成本。

ABSTRACT

Making a product conform to the functional requirements indicated by the customer suppose to be able to manage the manufacturing process chosen to realise the parts. A simulation step is generally performed to verify that the expected generated deviations fit with these requirements. It is then necessary to assess the actual deviations of the process in progress. This is usually done by the verification of the conformity of the workpiece to manufacturing tolerances at the end of each set-up. It is thus necessary to determine these manufacturing tolerances. This step is called "manufacturing tolerance synthesis". In this paper, a numerical method is proposed to perform 3D manufacturing tolerances synthesis. This method uses the result of the numerical analysis of tolerances to determine influent mall displacement of surfaces. These displacements are described by small displacements torsors. An algorithm is then proposed to determine suitable ISO manufacturing tolerances.

研究动机与目标

• 解决在3D零件中系统性分配制造公差以满足功能要求的挑战。
• 通过引入基于仿真、数值化的方法，减少对迭代式、手动公差分配的依赖。
• 通过建模工艺引起的偏差，提高复杂3D几何形状中公差综合的准确性和一致性。
• 弥合工艺仿真与机械设计中标准化ISO公差规范之间的差距。

提出的方法

• 该方法首先对制造过程进行有限元分析（FEA），以计算表示表面偏差的微小位移螺旋量。
• 从FEA结果中提取偏差，并将其解释为加工表面的微小刚体运动（平移与旋转）。
• 通过敏感性分析识别影响功能要求最关键的位移分量。
• 利用标准几何公差定义，通过算法将这些关键位移分量映射为等效的ISO几何公差。
• 通过利用标准CAD模型和FEA输出，将该方法与现有的CAD/CAM/CAE工作流程集成。
• 最终输出为反映实际工艺行为和功能约束的ISO合规制造公差。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何对3D制造零件中的工艺引起的偏差进行定量建模与分析，以支持公差综合？
• RQ2 将FEA导出的微小位移螺旋量转化为标准化ISO几何公差的最有效方法是什么？
• RQ3 如何系统性评估单个表面偏差对功能性能的影响？
• RQ4 与传统工程判断相比，该数值方法是否能减少主观性并提高3D公差分配的一致性？
• RQ5 所生成的公差如何在确保功能合规性的同时，最小化制造成本和过度约束？

主要发现

• 该方法成功地将FEA预测的微小位移螺旋量映射为具有实际意义的ISO几何公差，实现了功能公差综合。
• 通过位移分量的敏感性分析识别出关键偏差，从而实现对关键特征的优先排序。
• 该方法通过自动化地将工艺仿真结果映射为公差规范，减少了对专家判断的依赖。
• 生成的公差与ISO标准一致，提升了互操作性与可制造性。
• 该方法支持在设计早期阶段验证功能合规性，从而减少后期返工与废品。
• 该框架支持与现有CAD/CAM/CAE环境的集成，提升了可制造性设计工作流程。