【Creo】02-Tolerance Analysis公差分析

by 假許

公差指的是零件尺寸加工所容許的誤差範圍,常見的為尺寸公差、幾何公差,傳統以最大與最小尺寸為組裝公差設計的依據,零件與零件之間組裝配合情況,少量生產也許可採取一對一組合測試,但在大量生產中無法逐一檢測零件尺寸,無法反映真實的情形,此時零組件的公差設計就很重要,在允許的公差,您必須考慮個別尺寸中變異的累積或堆疊。

■為什麼要做公差分析?

公差設計需要將實際製造能力考慮進去,實際製造能力一般以製程能力指標Cpk表示,結合公差設計與製程能力之公差設計方法,一般稱為「統計公差」,應用於大量生產之產品零組件尺寸公差之分析與設計,公差分析可幫助我們在設計階段,找出關鍵尺寸、關鍵公差、求得尺寸公差值,有依據的設計,不再僅依靠過去經驗,有效掌控成本,具體效益如下:

  • 提高產品質量
    • 分析和優化質量和可製造性的公差
  • 設計實現價格溢價
    • 確定並優化公差以改善功能和性能
  • 提高工程效率
    • 快速建立和分析公差疊加和間隙分析
  • 降低產品開發成本
    • 儘早使用公差分析來識別和消除設計缺陷
  • 降低製造成本
    • 優化公差以實現可製造性目標並減少廢品

在設計時候,考慮到量產及零件檢驗,會針對各零件設置公差範圍,公差的範圍自然影響成本,公差值越大,加工成本降低,公差值越小的成本越高,所以在定義公差時,在合乎設計要求的前提下會盡量放寬公差來降低成本。

■如何做公差分析?

公差分析在一般產品中通常使用一維尺寸鏈的分析方法,可分為三種模式,最壞狀況模式(Worst-case model)、統計模式(Statistical model,RSS)、蒙地卡羅模式(Monte Carlo model),這裡就不詳述數學原理,網路上都有很多資料,基本的定義如下:

  • 最壞狀況模式 (Worst Case model)

最壞狀況模式又稱極值法或區間法,不會考慮個別變數的分佈,主要以零件的最大及最小狀況組合計算其組合公差,取得之堆疊距離的絕對上限與下限,可以滿足互換性,組件公差最大。適合零件數較少(4件以下)的組件。

算術累積公差分析 Worst Case
  • 統計模式(Statistical model, RSS)

統計模式又稱概率法或幾何累積誤差分析,利用統計學的原理來放寬零件公差,假設各零件公差的特徵或加工條件符合常態之鐘型曲線分佈,且分佈中心與公差帶中心值相同,分佈範圍與公差範圍也相同,考慮實際的分布情況,分佈情形能夠說明組裝量測誤差,通常適用於大量生產的多組件。

  • 蒙地卡羅模式(Monte Carlo model)

一種數值方法,利用亂數取樣(Random sampling) 模擬來解決數學問題。凡是具有隨機效應的過程,均可能以蒙地卡羅方法來大量模擬單一事件,藉統計上平均值獲得某設定條件下實際最可能測量值。

ˊ維基百科 Monte Carlo method

※公差分析軟體與CAD的關聯性

撇除使用傳統的Excel執行公差分析,對於CAD軟體通常都會跟主流的公差分析軟體公司策略合作(如Sigmetrix),提供公差分析的Kernel在CAD軟體,然而CAD上的公差分析基本上是執行1維分析,而該公差分析軟體公司會另外販售進階的外掛式公差分析軟體,功能比較齊全,甚至可以執行3維的公差分析,例如Sigmetrix的CETOL6σ可以掛載在Siemens NX、SolidWorks、Creo Parametric、CATIA。內建的則 SolidWorks、Creo Parametric 都可以在軟體裡面找到該功能,不需要另外安裝,以下則針對Creo的Tolerance Analysis 做說明。

■怎麼在Creo做公差分析?

在Creo Parametric 7.0版本之後 EZ Tolerance Analysis 已取代 Tolerance Analysis Extension,一樣都是由 Sigmetrix提供Kernel,概念上是相同,但具體的操作與方便性就有差異如下:

  • EZ Tolerance Analysis
    • 建立及管理多個一維公差堆疊分析
    • 自動考慮相關元件、曲面、組件條件約束
    • 不再需要手動定義堆疊迴圈

公差分析中最關鍵的是尺寸鏈定義,需要找出相關尺寸建立尺寸鏈,再執行公差計算與分析,所以不熟悉的人員或是使用傳統Excel方式定義尺寸鏈會覺得困難,為了清楚有助於執行中定義,我們在Creo執行公差分析前,先針對尺寸鏈術語說明如下:

  • 環:尺寸鏈的每一個尺寸稱為環。
  • 組成環:尺寸鏈中對封閉環有影響的全部環。
  • 封閉環:在裝配中,最後形成的尺寸。
  • 增環:若組成環增大時,封閉環也會增大,稱增環。
  • 減環:若組成環增大時,封閉環會減小,稱減環。
  • 補償環:可改變位置或大小來讓封閉環達到規定的要求,則稱補償環。
  • 傳遞係數:各組成環對封閉環大小影響的係數,也稱尺度因子,一般為1。

例如一組件有A、B、C三個零件:

整個尺寸鏈定義必須封閉環與增環跟減環的加總為相等。
■減環:C
■增環:A、B
■封閉環:D
■D=C-A-B

(1)在組件模式下 > 應用程式(Applications) > EZ Tolerance Analysis

EZ Tolerance Analysis

(2)執行新建堆疊(New Stackup)

(3)定義封閉環

(4)EZ Tolerance Analysis 會根據裝配關係找到符合的尺寸鏈路徑,直接點確定就好。(舊版Tolerance Analysis則需要自行定義尺寸與尺寸鏈路徑)

(5)帶出尺寸鏈的相關零件尺寸與公差

(6)選擇要分析的類型

(7)設定目標值,點選「目標」公差欄位,設定範圍

(8)觀察尺寸貢獻度(Contributions)進行公差調整

(9)察看結果(Results)


下列為 Creo Parametric 6.0版本以下 Tolerance Analysis 介面說明:

1.量測封閉環的基準

定義需求,目標求值為何,選取兩平面量測封閉環值,有正負方向之分。

2.封閉環的設計規格

可以是設計要求、設計考量,例如產品設計的按鈕在某範圍值為最佳手感,則可定義此範圍為目標。若沒明確規格值,可能要求解目標值公差範圍,則需與第4點尺寸往復調整求得。

3.依序選取零件尺寸

為了造成尺寸鏈,從封閉環所量測的基準依序選取零件尺寸,造成一個尺寸迴路才可分析。基本上是選擇零件本身參數尺寸,若無可藉由標註尺寸後選取。

4.修改公差與尺寸,滿足設計要求

取得公稱尺寸與公差後,調整範圍觀察變體圖、敏感度、貢獻度,達到設計之需求。

5.設定製程能力:一般設定為1

Cp (Process Capability Index)製程精密度指數,衡量製程之品質能力,Cp值越高表示製程能力越好

6.敏感度: 增環為+、減環為-

為正代表該尺寸增大時,封閉環也會增大,若為負該尺寸增大時,則封閉環減小。

綜合上列六點步驟,觀察變體圖標準平均偏差趨向上限或下限,再修正上列步驟尺寸,來達到要求之良率。



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