基于DTAS的電機裝配尺寸鏈分析計算

1、基于dtas的電機裝配尺寸鏈分析計算賀建煒，張慧博，常安然(棣拓軟件技術(shù)(上海)有限公司，上海普陀200333 )摘要：尺寸鏈分析計算在整個電機結(jié)構(gòu)設(shè)計中占很有重要地位。尺寸鏈一方面可以校驗當前零件尺寸公差設(shè)計的合理性；另 一方面也可以借助尺寸鏈分析計算軟件對不合理的零部件尺寸公差設(shè)計進行優(yōu)化改進。本文引入尺寸鏈計算軟件dtas對電 機徑向與軸向尺寸鏈進行分析計算、仿真計算；判斷仿真計算結(jié)果是否滿足用戶要求；若不滿足,根據(jù)彳既率法計算結(jié)果中各 組成環(huán)貢獻度大小找岀需要的優(yōu)化的環(huán),對其進行合理優(yōu)化。dtas軟件的使用可以給用戶提供一套完整的、高效的、合理 的解決公差問題的方法，對提高電機的電氣性

2、能和機械性能有重要意義。以電機實例對dtas尺寸鏈計算、優(yōu)化過程進行說 明。關(guān)鍵詞：電機；尺寸鏈；dtas1尺寸鏈公差分析軟件dtas介紹dtas公差分析軟件是由棣拓軟件技術(shù)(上海)有限公司自主研發(fā)的一款針對機械制造行業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計過程中 尺寸鏈的計算及公差分析軟件。dtas作為產(chǎn)品設(shè)計中的重要工具，可以幫助產(chǎn)品工程師實現(xiàn)以下目的：1. 產(chǎn)品設(shè)計階段公差分析(1) 從根本上預(yù)測并解決開發(fā)設(shè)計過程中的尺寸問題,協(xié)調(diào)各相關(guān)部門和供應(yīng)商對產(chǎn)品質(zhì)量進行系統(tǒng)科學的優(yōu)化和改 進,減少后期設(shè)計的被動變更,加快產(chǎn)品投向市場的速度；(2) 合理設(shè)計零件的公差,而不單單是基于經(jīng)驗；(3) 預(yù)測現(xiàn)有公差下產(chǎn)品

3、的關(guān)鍵尺寸是否滿足外觀、質(zhì)量以及功能等要求；(4) 優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計,降低成本。通過仿真計算發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計不滿足要求時,通常是提高零件公差水平來達到要求，但 會增加零件的制造成本，往往不可取。通過公差分析可以在不增加制造成本的前提下優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，從而達到功 能要求。2. 量產(chǎn)階段公差分析(1) 尋找問題的根本原因，加快尺寸問題的解決速度，識別各尺寸環(huán)對最后結(jié)果的影響權(quán)重，為尺寸調(diào)整優(yōu)化提供理 論依據(jù)；(2) 為新產(chǎn)品的開發(fā)提供寶貴的knowhow ,提升公司的開發(fā)能力。dtas公差分析軟件操作方便友好，大大提高效率和計算精度,它可以快速的校驗產(chǎn)品、零部件公差設(shè)計的合理性。校 驗結(jié)果以概率的形式顯示在

4、軟件界面上,然后將顯示的概率結(jié)果與6g水平(99.73% )進行對比來判斷公差設(shè)計是否滿足要 求，如果不滿足用戶要求，用戶可以以dtas計算得到貢獻度作為指標來優(yōu)化調(diào)整零部件公差，以達到性能成本最優(yōu)。2問題提岀電機定、轉(zhuǎn)子鐵心之間的氣隙尺寸與定、轉(zhuǎn)子鐵心中心軸向距離偏差是電磁設(shè)計和電機工作中兩個重要技術(shù)參數(shù)，其二 者數(shù)值大小直接影響電機的工作性能。電機氣隙值過小可造成電機裝配困難或掃膛；氣隙值過大會影響電機性能變壞；氣隙 不均勻可導致電機磁路不對稱、產(chǎn)生振動和噪聲,嚴重時造成電機損壞,電機裝配后氣隙值不易測量。為使電機氣隙值和 氣隙均勻度控制在允許的范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)設(shè)計時需對氣隙和氣隙均勻度尺寸鏈

5、進行正確計算，以保證當前各組成環(huán)的設(shè)計公差 滿足電磁設(shè)計要求。電機運行時定、轉(zhuǎn)子溫升不同,一般定子散熱條件較好,定子部分機座、端蓋溫州氐于轉(zhuǎn)子的溫升,轉(zhuǎn) 軸熱膨脹要大于定子部件軸向尺寸的熱膨脹變形，導致定、轉(zhuǎn)子鐵心中心軸向發(fā)生偏移。定、轉(zhuǎn)子鐵心中心軸向距離偏差 對電機性能也會造成影響,其相當于縮短鐵心有效長度。氣隙有效截面積減小，相當于激磁電流增大,功率因數(shù)降低；同時 定子電流大,定子銅耗大,則效率低，溫升高；另外轉(zhuǎn)子受到一個軸向力，加快了軸承磨損。為改善電機性能,必須縮小定、 轉(zhuǎn)子鐵心中心的軸向距離偏差。在電機的裝配關(guān)系中，由相關(guān)零部件的軸向尺寸組成的尺寸鏈與徑向尺寸組成的尺寸鏈統(tǒng)稱為電機裝

6、配尺寸鏈。電機裝 配尺寸鏈的分析與計算，對保證電機各零部件的裝配精度，消除各零部件累積誤差對電機性能與質(zhì)量造成的影響，有著重要作用。筆者借助尺寸鏈計算軟件dtas對裝配尺寸鏈進行計算；通過蒙特卡羅法仿真計算結(jié)果判斷當前零件尺寸公差設(shè)計是 否合理；若當前設(shè)計不合理,根據(jù)概率法計算結(jié)果中各組成環(huán)的貢獻度大小選取需要優(yōu)化的組成環(huán),對其進行優(yōu)化。優(yōu)化之 后定子鐵心與轉(zhuǎn)子鐵心中心的軸向距離偏差和徑向間隙都將滿足各自的技術(shù)要求。3電機軸向裝配尺寸鏈分析圖1為電機誹$由伸端裝配圖。設(shè)計意圖是在裝配時，要求非軸伸端的軸承蓋把深溝球軸承的外圈固定，使得定子鐵心與 轉(zhuǎn)子鐵心軸向?qū)R（即中心重合）。圖1電機軸伸端裝

7、配圖1 機殼；2定子鐵心；3轉(zhuǎn)子鐵心；4轉(zhuǎn)軸；5 端蓋；6軸承蓋；7深溝球軸承3.1電機軸向裝配尺寸鏈計算參數(shù)電機軸向尺寸鏈計算參數(shù)（僅供參考）如表1所示:表1電機4由向尺寸鏈計算參數(shù)（僅供參考）環(huán)說明環(huán)代號名義尺寸上偏差下偏差軸承蓋止口高度c50-0.075端蓋軸承室左端面至止口端面距離b16010機座端面至定子鐵芯端面距離a12301.5-1.5定子鐵心越l129021主軸軸承擋軸肩至轉(zhuǎn)子鐵芯端面距離a225112轉(zhuǎn)子鐵心長度l22902.503.2尺寸鏈建模根據(jù)各零部件的裝配關(guān)系，在dtas軟件中建立的電機軸向裝配尺寸鏈如圖2所示:圖2電機4由向裝配尺寸鏈3.3尺寸鏈計算尺寸鏈計算的方法

8、有兩種：極值法、概率法。極值法是在尺寸鏈各環(huán)都處于極值的條件下解析封閉環(huán)與組成環(huán)尺寸之間 的關(guān)系。極值法計算簡單,不受其他因素的影響。但是當尺寸鏈組成環(huán)個數(shù)較多，封閉環(huán)精度要求較高的情況下，其組成環(huán) 的精度要求更高，這會導致零件加工難度大，成本高。概率法相對極值法而言，同等條件下對各組成環(huán)的精度要求相對較低。 概率法是正態(tài)分布作為理論基礎(chǔ)的,該算法計算過程中假設(shè)各組成環(huán)都服從正態(tài)分布，并且各個組成環(huán)都相互獨立。但是實 際工程問題中,各組成環(huán)公差分布不一定是正態(tài)分布，且各個組成環(huán)之間也不一定相互獨立。因此該算法計算得到的尺寸鏈 目標值不是很精確。iff圖3電機4由向裝配尺寸鏈計算結(jié)果個務(wù)o糧檢山

9、o由圖3可知，極值法計算得到的定、轉(zhuǎn)子鐵心中心軸向偏移量為 巧；概率法計算得到的定、轉(zhuǎn)子鐵心中心軸向 偏移量為 用戶給定的技術(shù)要求為±1.5,若用極值法和概率法計算結(jié)果與技術(shù)要求直接t匕較很難得出產(chǎn)品的 是否合格、合格率為多少。因此本文應(yīng)用dtas仿真算法計算產(chǎn)品合格率。3.4尺寸鏈仿真計算極值法與概率法在進行尺寸鏈計算時都存在一些假設(shè)，所以目標值計算結(jié)果都存在不同程度的偏差。本文引入另夕種 算法：蒙特卡洛法。蒙特卡洛法又稱統(tǒng)計模擬法、隨機抽樣技術(shù),是一種隨機模擬方法，以概率和統(tǒng)計理論方法為基礎(chǔ)的一 種計算方法，是使用隨機數(shù)來解決工程問題的方法。蒙特卡洛理論基礎(chǔ)是當試驗次數(shù)足夠多時，

10、可以用事件的頻率來代替事 件的概率。原理是通過大量隨機樣本，去了解一個系統(tǒng)，進而得到所要計算的值。蒙特卡羅方法是一種計算方法,它非常 強大和靈活。對于許多問題來說,它往往是最簡單的計算方法,有時甚至是唯一可行的方法。dtas軟件中,進行蒙特卡洛計算之前,需要定義各組成環(huán)的公差分布類型,尺寸鏈仿真計算界面中還需設(shè)置仿真次數(shù) 及輸入用戶提供的技術(shù)要求，以上數(shù)據(jù)輸入完成之后，通過仿真計算和結(jié)果分析可分別得到目標值的分布情況和模擬10000 次目標值落在技術(shù)要求范圍內(nèi)的概率,即目標值合格率。圖4尺寸鏈仿真計算由圖4可知,蒙特卡洛模擬10000次,目標值落在(-1.5,1.5 )范圍內(nèi)的概率為94.21

11、% ,即當前零件尺寸公差下，電機 軸向裝配合格率為94.21%。該合格率沒有達到用戶要求的99.97% ( 6。水平)，所以需要對當前部分零件尺寸公差進行調(diào)整, 以滿足客戶需求。3.5優(yōu)化計算dtas軟件中,以組成環(huán)的貢獻度大小作為指標來選擇需要進行公差調(diào)整的組成環(huán)。具體操作如下，根據(jù)圖3中概率法 結(jié)果中貢獻度柱狀圖，選擇柱狀圖最高的三個組成環(huán)心、人2、l1。組成環(huán)al、a2、l1的貢獻度大，說明心、a2、l1組 成環(huán)的公差對目標值公差的影響比較敏感,當對三者公差有微小變動時,目標值公差將會有較大的波動。因此,調(diào)整a1、 a2、l1對應(yīng)零件的尺寸公差,可以有效的提高電機軸向裝配合格率。具體調(diào)整

12、過程如表2所示:表2各組成環(huán)尺寸公差優(yōu)化環(huán)編號尺寸公差環(huán)說明貢獻度調(diào)整后尺寸公差a1機座端面至定子鐵芯端面距離41.23%a2主軸軸承擋軸肩至轉(zhuǎn)子鐵芯端面距離41.23%l1機座端面至定子鐵芯端面距離10%注：調(diào)整后的尺寸公差待確定,需再討論各組成環(huán)尺寸公差優(yōu)化后,重新進行仿真計算,計算結(jié)果為99.75%。優(yōu)化后定、轉(zhuǎn)子鐵心中心軸向偏移量落在(-1.5, 1.5)范圍的概率為99.75% ,達到6。水平(99.73% ),上述過程對電機電氣性能和機械性能有較大改善。圖5公差優(yōu)化后尺寸鏈仿真計算4電機徑向裝配尺寸鏈分析圖6為某款電機的總裝圖，電機徑向裝配尺寸鏈用來計算定、轉(zhuǎn)子之間的間隙。定、轉(zhuǎn)子

13、間隙過小可能會造成電機裝配 困難或掃膛；定、轉(zhuǎn)子間隙過大會影響電機的輸出功率；氣隙不均勻可導致電動機磁路不對稱、產(chǎn)生振動和噪聲，嚴重時造 成電機損壞。因此，定、轉(zhuǎn)子間隙是評價電氣性能的一個重要指標。根據(jù)電機各零咅阱之間的裝配關(guān)系，定、轉(zhuǎn)子間隙與定 子、轉(zhuǎn)子、機殼、轉(zhuǎn)軸、端蓋以及轉(zhuǎn)軸兩端的軸承等琴部件有關(guān)，因此以上零部件的尺寸公差均要參與定、轉(zhuǎn)子間隙尺寸鏈 計算。w7圖6電機總裝圖4.1電機軸向裝配尺寸鏈計算參數(shù)表3電機各零部件參數(shù)參數(shù)說明名義尺寸上偏差下偏差機殼內(nèi)徑85-0.04-0.13轉(zhuǎn)軸直徑160.030.01轉(zhuǎn)子內(nèi)徑16002-0.02轉(zhuǎn)子外徑40.50.02-0.02磁環(huán)內(nèi)徑40.5

14、00.05磁環(huán)外徑49.50-0.1定子內(nèi)徑510.02-0.02定子外徑850.020機殼內(nèi)徑相對軸承室中心線的同軸度0.02前軸承游隙00.0085-0.0085后軸承游隙00.006-0.006轉(zhuǎn)子外圈相對內(nèi)圈的同軸度0.02磁環(huán)外圈相對內(nèi)圈的同軸度0.02定子外圈相對內(nèi)圈的同軸度0.02前軸承安裝處圓射渤0.024.2尺寸鏈建模根據(jù)各部件的裝配關(guān)系進行尺寸鏈建模。由于機殼與定子之間是過盈配合,所以尺寸鏈中不能直接引入機殼內(nèi)徑和定子 夕卜徑，首先需要確定二者接觸面的位置,然后再確定二者中心到二者接觸面的距離。具體處理過程如下,機殼內(nèi)徑與定子外 徑是過盈配合,在此過程中,機殼內(nèi)徑與定子外徑

15、均發(fā)生變形”因此該接觸面落在二者的最小過盈量與最大過盈量之間。根 據(jù)機殼內(nèi)徑尺寸公差和外徑尺寸公差計算定子與機殼的最大過盈量0.15和最小過盈量0.04 ,最后計算機殼內(nèi)徑與定刊卜徑 的接觸面到二者中心線的距離為 聲嘴。通過對數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，前、后端軸承的游隙及前、后端軸承位置的同軸度、止 口配合導致轉(zhuǎn)軸相對于水平方向有一個角度,而轉(zhuǎn)子裝配在轉(zhuǎn)軸上,則轉(zhuǎn)子相對于水平方向也會有一個角度，該角度會使電 機氣隙分布不均勻。因此，尺寸鏈計算過程中，需要計算的參數(shù)如下：1、轉(zhuǎn)子與定子前端間隙；2、轉(zhuǎn)子與定子后端間隙。 在dtas軟件中建立的尺寸鏈如圖7、圖8所示：圖7定子與轉(zhuǎn)子前端間隙尺寸鏈圖8定子與轉(zhuǎn)子

16、后端間隙尺寸鏈43尺寸鏈計算應(yīng)用dtas軟件對上述尺寸鏈進行計算，計算結(jié)果如圖9、圖10所示:圖9定子與轉(zhuǎn)子前端間隙尺寸計算結(jié)果由圖9可知，極值法計算得到轉(zhuǎn)子前端與定子間隙為；概率法計算得到轉(zhuǎn)子前端與定子間隙為08025±00582。mui t,o/sooou o siasoo 01 >mx> osmoooaouoooooou ooooi1i4wbw mmmo ea/omo oommommmoo01)00000<010000 ooigooo oa/cooo mmt <kxxmm> /m»< u ;-mom/soooo/4ctfoo/4&l

17、t;mo iv40o>mm*ooooooooocmma/%l 0000000 0/00000 00000o<m(kmx>«u0 400000i mwm/aooooonooiooooauooofwoooomu oaooooi «m»v .oimktuimkt11 ” 11 0 1 2 1wr| 2： 1 |1"112 1t w iv x0.7sooooosasooo.isjoo0.4120000000000o(xxx>3x0b0?s600058? 12cos82j20.h646so.oocoooooooca7$1 0000000.0

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19、% mm via<oi«>cmuv: 1圖11定子與轉(zhuǎn)子前端間隙尺寸鏈仿真計算定子與轉(zhuǎn)子前端、轉(zhuǎn)子后端間隙不一致。由計算結(jié)果可知，定子與轉(zhuǎn)子前端尺寸變化范圍是定子與轉(zhuǎn)子后端尺寸變化范 圍的一個子集,因此只需要分析定子與轉(zhuǎn)子后端間隙合格率。由圖12可知,蒙特卡洛模擬10000次，目標值落在(0.7,0.8 ) 范圍內(nèi)的概率為45.49% ,即當前零件尺寸公差下，電機徑向裝配合格率只有45.49%。當前公差設(shè)計下，電機徑向裝配合格 率偏低,所以需要對當前部分零件尺寸公差進行調(diào)整,以提高電機徑向裝配合格率。4.5優(yōu)化計算dtas軟件以組成環(huán)的貢獻度大小作為指標來選擇需要調(diào)整的組成環(huán)。具體操作如下，根據(jù)圖10中概率法結(jié)果中貢獻 度柱狀圖，找出柱狀圖最高的四個組成環(huán)m9、al、a8、a6。然后，對m9、al、a8、a6對應(yīng)零件的尺寸公差進行調(diào)整，使電機徑向裝配合格率達提高。具體調(diào)整過程如表4所示:表4各組成環(huán)尺寸公差優(yōu)化環(huán)編號尺寸公差環(huán)說明貢獻度調(diào)整后的尺寸公差說明m9±0.05后端蓋止口與機殼裝配偏移41.7%±0.025m9與后端蓋止口與機殼止口有關(guān)a1»sf機殼與走子接觸面至護幾殼中心線的距離12.6%a 1、a8與機殼內(nèi)徑與定子外 徑有關(guān),將機殼內(nèi)徑調(diào)整為a8定子與機殼接觸面到定子內(nèi)徑中心線的距離12.6%m