Анализ допусков — это общий термин для обозначения деятельности, связанной с изучением накопленных вариаций в механических деталях и сборках. Его методы могут использоваться в других типах систем, подверженных накопленным вариациям, таких как механические и электрические системы. Инженеры анализируют допуски с целью оценки геометрических размеров и допусков (GD&T). Методы включают в себя двухмерные стеки допусков, трехмерное моделирование Монте-Карло и преобразования данных.
Наложения допусков или стеки допусков используются для описания процесса решения проблем в машиностроении по расчету эффектов накопленной вариации, которая допускается указанными размерами и допусками . Обычно эти размеры и допуски указываются на инженерном чертеже. Наложения арифметических допусков используют наихудшие максимальные или минимальные значения размеров и допусков для расчета максимального и минимального расстояния (зазора или помехи) между двумя элементами или деталями. Статистические наложения допусков оценивают максимальные и минимальные значения на основе абсолютного арифметического расчета в сочетании с некоторым методом установления вероятности получения максимальных и минимальных значений, таким как методы квадратного корня из суммы квадратов (RSS) или Монте-Карло.
При выполнении анализа допусков используются два принципиально разных инструмента анализа для прогнозирования вариации стека: анализ наихудшего случая и статистический анализ.
Анализ допусков наихудшего случая — это традиционный тип расчета стека допусков. Отдельные переменные помещаются в пределы своих допусков, чтобы сделать измерение как можно большим или как можно меньшим. Модель наихудшего случая не учитывает распределение отдельных переменных, а скорее то, что эти переменные не превышают своих соответствующих указанных пределов. Эта модель прогнозирует максимальное ожидаемое отклонение измерения. Проектирование с требованиями к допускам наихудшего случая гарантирует, что 100 процентов деталей будут собираться и функционировать должным образом, независимо от фактического отклонения компонентов. Главным недостатком является то, что модель наихудшего случая часто требует очень жестких допусков отдельных компонентов. Очевидным результатом являются дорогостоящие процессы производства и проверки и/или высокий уровень брака. Допуски наихудшего случая часто требуются заказчиком для критических механических интерфейсов и интерфейсов замены запасных частей. Когда допуски наихудшего случая не являются требованием контракта, правильно применяемые статистические допуски могут обеспечить приемлемый выход сборки с увеличенными допусками компонентов и более низкими затратами на изготовление.
Модель статистического вариационного анализа использует преимущества принципов статистики для смягчения допусков компонентов без ущерба для качества. Вариация каждого компонента моделируется как статистическое распределение, и эти распределения суммируются для прогнозирования распределения измерения сборки. Таким образом, статистический вариационный анализ прогнозирует распределение, которое описывает вариацию сборки, а не экстремальные значения этой вариации. Эта модель анализа обеспечивает повышенную гибкость проектирования, позволяя проектировщику проектировать на любом уровне качества, а не только на 100 процентов.
Существует два основных метода выполнения статистического анализа. В одном из них ожидаемые распределения изменяются в соответствии с соответствующими геометрическими множителями в пределах допуска, а затем объединяются с использованием математических операций для получения композита распределений. Геометрические множители генерируются путем создания небольших дельт для номинальных размеров. Непосредственная ценность этого метода заключается в том, что вывод получается гладким, но он не учитывает геометрическое несовпадение, допускаемое допусками; если размер размера помещен между двумя параллельными поверхностями, предполагается, что поверхности останутся параллельными, даже если допуск этого не требует. Поскольку движок САПР выполняет анализ чувствительности к вариации, нет выходных данных, доступных для управления вторичными программами, такими как анализ напряжений.
В другом варианте вариации моделируются путем разрешения случайных изменений геометрии, ограниченных ожидаемыми распределениями в пределах допустимых допусков с полученными собранными деталями, а затем измерения критических мест регистрируются, как если бы они находились в реальной производственной среде. Собранные данные анализируются для нахождения соответствия известному распределению и полученным из них средним и стандартным отклонениям. Непосредственная ценность этого метода заключается в том, что выходные данные представляют то, что приемлемо, даже если это происходит из-за несовершенной геометрии, и, поскольку он использует записанные данные для выполнения своего анализа, можно включить в анализ фактические данные заводского контроля, чтобы увидеть влияние предлагаемых изменений на реальные данные. Кроме того, поскольку механизм анализа выполняет вариацию внутренне, а не на основе регенерации САПР, можно связать выходные данные механизма вариации с другой программой. Например, прямоугольный стержень может отличаться по ширине и толщине; механизм вариации может выводить эти числа в программу напряжений, которая в результате передает обратно пиковое напряжение, а размерное изменение может использоваться для определения вероятных вариаций напряжений. Недостатком является то, что каждый прогон уникален, поэтому распределение выходных данных и среднее значение будут отличаться от анализа к анализу, как если бы они были получены на заводе.
Хотя ни один официальный инженерный стандарт не охватывает процесс или формат анализа допусков и стеков, они являются важнейшими компонентами хорошего проектирования продукта . Стек допусков должен использоваться как часть процесса механического проектирования, как в качестве предиктивного, так и в качестве инструмента решения проблем. Методы, используемые для проведения стека допусков, в некоторой степени зависят от стандартов инженерных размеров и допусков, на которые ссылаются в инженерной документации, таких как Американское общество инженеров-механиков (ASME) Y14.5, ASME Y14.41 или соответствующие стандарты размеров и допусков ISO. Понимание допусков, концепций и границ, созданных этими стандартами, имеет жизненно важное значение для выполнения точных расчетов.
Стеки допусков служат инженерам следующими целями:
Начальная точка для цикла допуска; обычно это одна сторона предполагаемого зазора после перемещения различных деталей в сборке в одну или другую сторону их свободного диапазона движения. Векторные циклы определяют ограничения сборки, которые располагают детали сборки относительно друг друга. Векторы представляют размеры, которые способствуют наложению допусков в сборке. Векторы соединены кончик к хвосту, образуя цепь, проходящую через каждую деталь в сборке последовательно. Векторный цикл должен подчиняться определенным правилам моделирования при прохождении через деталь. Он должен:
Дополнительные правила моделирования векторных циклов включают в себя:
Вышеуказанные правила будут различаться в зависимости от того, используется ли метод наложения допусков 1D, 2D или 3D.
Коэффициент безопасности часто включается в проекты из-за опасений по поводу: