許容差分析

公差解析とは、機械部品およびアセンブリにおける累積変動の解析に関連する活動の総称です。その手法は、機械システムや電気システムなど、累積変動の影響を受ける他の種類のシステムにも適用できます。エンジニアは、幾何公差（GD&T）を評価するために公差を解析します。解析手法には、2D公差スタック、3Dモンテカルロシミュレーション、データム変換などがあります。

公差スタックアップまたは公差スタックは、指定された寸法と公差によって許容される累積変動の影響を計算する機械工学の問題解決プロセスを説明するために使用されます。通常、これらの寸法と公差は設計図で指定されます。算術公差スタックアップは、寸法と公差の最悪のケースの最大値または最小値を使用して、2 つのフィーチャまたはパーツ間の最大距離と最小距離 (クリアランスまたは干渉) を計算します。統計的公差スタックアップは、最大値と最小値を得る可能性を確立する何らかの方法 (二乗和平方根 (RSS) やモンテ カルロ法など) と組み合わせた絶対算術計算に基づいて最大値と最小値を評価します。

モデリング

許容差解析を実行する場合、スタックアップの変動を予測するための根本的に異なる 2 つの解析ツール、つまり最悪ケース解析と統計解析があります。

最悪の場合

最悪ケース公差解析は、従来型の公差スタックアップ計算です。個々の変数は、測定値を可能な限り大きくまたは小さくするために、それぞれの公差限界に配置されます。最悪ケースモデルは、個々の変数の分布を考慮するのではなく、それらの変数がそれぞれの指定された限界を超えないことを考慮します。このモデルは、測定値の最大予想変動を予測します。最悪ケース公差要件に合わせて設計することで、実際のコンポーネントの変動に関わらず、部品の100%が適切に組み立てられ、機能することが保証されます。最大の欠点は、最悪ケースモデルでは、個々のコンポーネントの公差が非常に厳しくなることが多いことです。明らかな結果として、製造および検査プロセスのコストが上昇し、廃棄率が高くなります。最悪ケース公差は、重要な機械インターフェースやスペアパーツ交換インターフェースに対して、顧客から要求されることがよくあります。最悪ケース公差が契約要件でない場合は、統計的公差を適切に適用することで、コンポーネント公差の拡大と製造コストの削減を実現しながら、許容可能な組み立て歩留まりを確保できます。

統計的変動

統計的変動解析モデルは、統計の原理を利用して、品質を犠牲にすることなく部品の公差を緩和します。各部品の変動は統計分布としてモデル化され、これらの分布を合計することで、アセンブリの測定値の分布を予測します。したがって、統計的変動解析は、変動の極値ではなく、アセンブリの変動を表す分布を予測します。この解析モデルにより、設計者は100%だけでなく任意の品質レベルに合わせて設計できるため、設計の柔軟性が向上します。

統計解析には主に2つの方法があります。1つは、公差範囲内で関連する幾何学的乗数に従って期待分布を修正し、数学的演算を用いて合成することで分布の合成値を求める方法です。幾何学的乗数は、公称寸法に小さな差を加えることで生成されます。この方法の直接的な利点は、出力が滑らかになることですが、公差によって許容される幾何学的ずれを考慮に入れていないことです。つまり、2つの平行な面の間に寸法寸法を配置した場合、公差で要求されていないにもかかわらず、面は平行のままであると想定されます。CADエンジンが変動感度解析を実行するため、応力解析などの二次プログラムを駆動するための出力は生成されません。

もう1つの手法では、形状のランダムな変更を許容し、許容誤差内での予想される分布に制約された状態で部品を組み立て、実際の製造環境と同様に重要な箇所の測定値を記録します。収集されたデータは、既知の分布との適合性、およびそこから得られる平均偏差と標準偏差を求めて分析されます。この手法の直接的な価値は、たとえ不完全な形状から生じたものであっても、出力が許容範囲を表すことです。また、記録されたデータを用いて分析を行うため、実際の工場検査データを分析に組み込んで、提案された変更が実際のデータに与える影響を確認することができます。さらに、分析エンジンはCADの再生成ではなく内部で変動を計算するため、変動エンジンの出力を別のプログラムにリンクさせることができます。例えば、長方形の棒は幅と厚さが変化する場合があります。変動エンジンはこれらの数値を応力プログラムに出力し、応力プログラムが結果としてピーク応力を返し、寸法変動を用いて応力変動の可能性を特定することができます。欠点は、各実行が固有であるため、工場から出力された場合と同様に、分析ごとに出力の分布と平均にばらつきが生じることです。

公差解析とスタックアップのプロセスや形式を規定した公式のエンジニアリング規格はありませんが、これらは優れた製品設計に不可欠な要素です。公差スタックアップは、予測ツールとしても問題解決ツールとしても、機械設計プロセスの一部として活用されるべきです。公差スタックアップの実施方法は、エンジニアリング文書で参照されているエンジニアリング寸法および公差規格（米国機械学会（ASME）Y14.5、ASME Y14.41、または関連するISO寸法および公差規格など）に多少依存します。これらの規格によって規定される公差、概念、および境界を理解することは、正確な計算を行うために不可欠です。

公差スタックアップは、エンジニアに次のようなメリットをもたらします。

  • アセンブリ内の次元関係の学習を支援する
  • 設計者に部品公差を計算する手段を提供する
  • エンジニアが設計案を比較するのを支援する
  • デザイナーが完全な図面を作成できるよう支援

許容ベクトルループの概念

公差ループの開始点。通常、これはアセンブリ内の様々なパーツをそれぞれの可動範囲の片側またはもう片側に押し込んだ後の、意図したギャップの片側です。ベクトルループは、アセンブリ内のパーツを互いの相対的な位置に配置するアセンブリ拘束を定義します。ベクトルは、アセンブリ内の公差の積み重ねに寄与する寸法を表します。ベクトルは先端から末尾まで結合され、チェーンを形成し、アセンブリ内の各パーツを順番に通過します。ベクトルループは、パーツを通過する際に特定のモデリング規則に従う必要があります。つまり、次の規則に従う必要があります。

  1. ジョイントから入る
  2. データムパスをたどってデータム参照フレーム（DRF）まで進みます。
  3. 別のジョイントにつながる2番目のデータムパスをたどります
  4. アセンブリ内の次の隣接パーツへ移動します

ベクトル ループの追加のモデリング ルールは次のとおりです。

  1. ループはアセンブリ内のすべてのパーツとすべてのジョイントを通過する必要があります。
  2. 単一のベクトル ループは、同じパーツまたは同じジョイントを 2 回通過することはできませんが、同じパーツで開始および終了することはできます。
  3. ベクトル ループにまったく同じ次元が反対方向に 2 回含まれている場合、その次元は冗長であるため省略する必要があります。
  4. すべての運動学的変数（関節自由度）を解くには、十分なループが必要です。3つの変数ごとに1つのループが必要になります。

上記のルールは、1D、2D、または 3D の公差スタックアップ方法のいずれが使用されているかによって異なります。

許容誤差の積み重ねに関する懸念

次のような懸念があるため、設計に安全係数が組み込まれることがよくあります。

  • 部品またはアセンブリの動作温度と圧力
  • 着る
  • 組み立て後の部品のたわみ
  • 部品がわずかに仕様から外れている可能性または確率（ただし検査に合格）
  • スタックの感度または重要性（設計条件が満たされない場合に何が起こるか）

参照

参考文献

「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Tolerance_analysis&oldid=1325177429」より取得