本发明涉及用于多组件的焊接变形累计误差预测及公差优化方法，具体涉及一种全焊接组件的公差优化方法。
背景技术：
在核工业、船舶工业、能源工业等领域中，很多大型关键部件都是由大量、多类型及复杂的组件构成，各组件间均由焊接连接，其中焊接变形影响的全局性预测及公差合理优化是影响产品质量的重要因素。尤其是以核工业中部分关键部件为代表，其由大量零部件通过多道工序焊接组装构成，制造工序复杂、焊接步骤多、精度控制要求高。以某大型复杂结构件为代表，由于各个环节均存在设计误差、焊接变形等偏差，且这些偏差随着焊装过程的进行不断累积和传递，最终导致成品整体的偏差，影响到产品的成品质量和后续工序的加工及装配，在实际制造过程中也缺乏误差累积预测的方法和手段。在质量控制中，为减少不合格率，通常需要严格控制每个工步的焊接精度，但过分控制焊接变形将大大增加制造成本。因此，在设计阶段针对焊接变形的累积误差进行预测，找出对成品质量影响较大的公差变量，并根据偏差源分析结果进行针对性的公差优化，实现公差的二次设计，从而降低工艺难度、合理分配公差、优化装焊工艺、节约制造成本。
中国专利《一种关于装配公差的优化设计方法》公开了一种关于装配公差的优化设计方法，以最小加工成本为目标，建立装配公差优化的目标函数，从而满足产品的装配功能需求，但其应用范围和方法与本专利相差较大。中国专利《一种车体装配公差分配方法》公开了一种包含建立车体三维装配公差分析模型并进行仿真模拟、确定优化目标及方案并对焊接变形进行补偿，从而进行公差分配的方法，其应用对象、具体实施方法与本专利相差较大。中国专利《一种基于遗传算法的装配公差优化设计方法》涉及了装配公差优化设计方法，但其应用对象、实施方式与本专利相差较大。因此，国内外没有查询到与本专利涉及的稳压器电加热元件芯体去除装置相关文献的公开报道。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：全焊接组件公差设计优化需求，本发明提供了解决上述问题的一种全焊接组件的公差优化方法。
本发明为用于全焊接组件的焊接变形累计误差预测及公差优化方法用于预测全焊接组件的焊接变形的误差累积，并针对装焊工艺过程进行公差优化，获得合理的公差分配方案，为全焊接组件的公差设计提供重要的方法。针对全焊接组件公差设计优化需求，提出了一种用于全焊接组件的焊接变形累计误差预测及公差优化方法，对全焊接组件的装焊过程进行虚拟装配、仿真计算及公差优化，实现全焊接组件的焊接变形的误差累积的预测，并针对装焊工艺过程进行公差优化，最终完成公差的二次设计并获得合理的公差分配方案，为全焊接组件在设计阶段进行优化分析提供了重要的指导。
本发明通过下述技术方案实现：
一种全焊接组件的公差优化方法，包括如下步骤：
s1、采集全焊接组件的各个结构件的原始设计信息，汇总各类公差信息，其中各个结构件的原始设计信息即设计输入包括但不限于：各个结构件的零部件尺寸、设计公差，装配流程及工装夹具的统计误差；由经验获得的焊接工步中焊接变形的统计结果；统计到的各公差的误差来源、控制方式及控制难度。
在s1与s2之间还包括步骤：确定公差优化目标，具体包括：进行公差优化期望达到的技术指标，技术指标包括但不限于通过公差优化分析达到成品质量要求的合格率，后一工序需满足的尺寸要求。
s2、建立三维公差分析模型，创建公差分析所需的几何特征并进行虚拟装配，将焊接变形参数按照具体变形形状转换为对应零部件的尺寸偏差，并结合焊接变形偏差分布类型输入到公差分析模型，进行仿真分析，所述s2步骤对三维公差分析模型的完善模型公差信息包括添加设计公差，装配公差，基于对设计输入的统计结果将焊接变形参数转换为零部件的尺寸偏差并添加至模型，还包括对三维公差分析模型建立空间装配尺寸链，确定封闭环并创建测量目标，并描述尺寸链中封闭环与其他公差的约束关系。
其中，描述尺寸链中约束关系采用极值法或概率法。
s2中进行仿真分析的具体操作为对所述三维公差分析模型进行蒙特卡洛仿真计算分析。
s3、依据s2得到的仿真分析结果，预测全焊接组件总偏摆量的偏差；
其中，包括步骤s3还包括预测误差累积结果，具体包括：根据计算结果分析现有装配方案下测量目标的误差累积值；与优化目标进行对比，分析测量目标的超差率；
并对偏差源进行分析，具体包括：计算各公差的敏感度及贡献度分析结果，得到各公差对测量目标的放大系数及影响因子，找到对测量目标影响较大的公差，所述放大系数即敏感度，所述影响因子即贡献度。
s4、基于各偏差的贡献度因子、敏感度因子及焊接变形的控制难度因子建立起加权计算值，所述加权计算值指导尺寸优化，由各个公差加权后求出加权平均系数，再设定各个公差的调整比例，得到第一次的优化方案，对第一次的优化方案仿真，根据仿真分析结果继续进行迭代，直到获得满足优化目标的公差优化方案并输出。
在s4中依据s3的影响因子确定公差优化方案，具体包括：分析各公差对测量目标的贡献度，根据公差的敏感度因子、贡献度因子、控制难度因子进行加权计算并分析，确定初步公差优化方案，其中，加权计算采用两个加权值进行分析，包括加权值a由敏感度结果和贡献度结果相乘获得，加权值b由实际焊接变形的控制难度进行调整。
判断加权分析结果数值与公差优化目标数值的欧式距离，当加权分析结果不满足公差优化目标，对公差优化方案调整、修正，并进行迭代，直至满足公差优化目标。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明能够有效地预测焊接变形累积误差、实现公差优化、提高公差二次设计的效率。该方法可应用于各类全焊接组件的焊接变形累积误差预测及公差优化。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的流程图。
图2为本发明的实施例2的结构图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1、接头组件；2、左箱盖；3、左管板；4、管束；5、右管板；6、右箱盖。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“a或/和b中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“a或b”或“a或/和b中的至少一个”可包括a、可包括b或可包括a和b二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，步骤如下：
步骤a，整理公差分析所需的设计输入，具体包括：所述部件的零部件尺寸、设计公差等信息；装配流程及工装夹具的统计误差；由经验获得的焊接工步中焊接变形的统计结果；并着重统计各公差的误差来源、控制方式及控制难度等。
步骤b，确定公差优化目标，具体包括：目前进行公差优化期望达到的技术指标，如通过公差优化分析达到成品质量要求的合格率，后一工序需满足的尺寸要求。
步骤c，建立全焊接组件三维公差分析模型，具体包括：建立所述部件的三维模型；导入三维尺寸公差计算软件；创建几何特征，并对所述部件进行装配。
步骤d，完善模型公差信息，具体包括：添加设计公差，装配公差等公差信息；基于统计结果将焊接变形参数转换为零部件的尺寸偏差并添加至模型；建立空间装配尺寸链，确定封闭环并创建测量目标，采用极值法或概率法描述尺寸链中封闭环与其他公差的约束关系。
步骤e，进行仿真计算及结果分析，具体包括：根据需求确定虚拟装配计算次数；对所述三维公差分析模型进行蒙特卡洛仿真计算分析；
步骤f：预测误差累积结果，具体包括：根据计算结果分析现有装配方案下测量目标的误差累积值；与优化目标进行对比，分析测量目标的超差率等。
步骤g：偏差源分析，具体包括：计算各公差的敏感度及贡献度分析结果，得到所述各公差对测量目标的放大系数(敏感度)及影响因子(贡献度)，找到对测量目标影响较大的公差。
步骤h：根据影响因子确定公差优化方案，具体包括：分析各公差对测量目标的贡献度，根据公差的敏感度因子、贡献度因子、控制难度因子进行加权计算并分析，确定初步公差优化方案；其中加权值a由敏感度结果和贡献度结果相乘获得，加权值b由实际焊接变形的控制难度进行调整。
重复d-g步，如果结果满足优化目标，则获得合理公差优化方案，如不满足，对公差优化方案进行修正，并不断迭代，直到满足优化目标。
步骤i：输出公差优化方案，具体包括：总结公差优化计算主要步骤，并撰写报告，输出优化后的公差分配方案，完成公差二次设计。
实施例2：
在实施例1的基础上，通过一个某大型复杂结构件公差优化实例对本方法的技术特征和优点作更详细的说明。
某大型复杂结构件由各组件焊接连接而成，其成品质量与接头组件偏摆量有着密切关系，如果偏摆量过大会直接影响到后续工艺加工，因此需要对各工步焊接变形的累积误差进行预测，并进行公差优化确保最终偏摆量满足设计后续工序加工要求。
以某大型复杂结构件为例，由接头组件、左右箱盖、左右管板及管束(按照从左到位依次排序为零件1～6，零件1～6分别如下：1、接头组件；2、左箱盖；3、左管板；4、管束；5、右管板；6、右箱盖；水平为x方向、竖直为y方向，里外为z向)构成，各部件直接均由焊接连接固定，装焊过程中需要对焊前组装间隙、焊后变形及偏摆量进行控制，装焊完成后需要对接头末端偏摆量进行测量，确保总偏摆量满足要求。
在公差分析前需要对结构件的尺寸信息、设计公差等原始设计信息进行收集，同时还需要在以往组装经验基础上，根据夹持工装、组装工艺等对可能的组装工艺误差进行统计，最为关键的是需要在以往相似焊接操作的基础上对各工步焊后焊接变形进行统计并进行分析从而确定分布类型，并整理各工步焊接精度、焊接变形的控制手段及控制难度。最后汇总各类公差信息及控制手段、难度，为公差分析提供设计输入。
第二部分：建立某大型复杂结构件的三维公差分析模型并进行计算。
一般由cad类软件进行建模，并导入三维公差分析软件，在软件中创建公差分析所需的几何特征并进行虚拟装配；其次根据设计输入为模型添加公差信息，本方法采取的方式是将焊接变形参数按照具体变形形状转换为对应零部件的尺寸偏差，并结合焊接变形偏差分布类型输入到公差分析模型；再创建各工步焊前组装间隙、接头末端在各个方向的偏摆量的测量，然后进行蒙特卡洛仿真计算，分别得到焊前组装间隙，偏摆量在各个方向的仿真结果。
第三部分：仿真结果分析及偏差源分析
根据仿真分析结果，预测接头末端总偏摆量的偏差呈正太分布，均值为1.59mm，6σ范围为0.35～2.85mm，超过规定范围(≤2.2mm)的超差率为21.0％。
由于不满足优化目标，需要进行偏差源分析，计算各公差的敏感度及贡献度，其中零件1、零件2间焊接变形导致的z方向偏差对结果的贡献度分别为25.4％，敏感度因子大于2，零件2、零件3间的焊接变形导致的x、z方向偏差贡献度为23.7％及6.6％，敏感度因子均大于2零件2焊后收缩导致的偏差贡献度为25.1％，敏感度小于2。
第四部分，确定公差优化方案。
基于各偏差的贡献度因子、敏感度因子及焊接变形的控制难度因子建立起加权计算值，从而指导尺寸优化。其中加权值a由敏感度结果和贡献度结果相乘获得，加权值b由实际焊接变形的控制难度进行调整，计算方法由专家评分法进行统计而得。由各公差加权后求出加权平均系数，再设定各自的调整比例，从而确定初步的优化方案，并重复上述步骤，根据仿真分析结果继续进行迭代，直到获得满足优化目标的公差优化方案。最终输出合理的公差分配方案。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种全焊接组件的公差优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
s1、采集全焊接组件的各个结构件的原始设计信息，汇总各类公差信息；
s2、建立三维公差分析模型，创建公差分析所需的几何特征并进行虚拟装配，将焊接变形参数按照具体变形形状转换为对应零部件的尺寸偏差，并结合焊接变形偏差分布类型输入到公差分析模型，进行仿真分析；
s3、依据s2得到的仿真分析结果，预测全焊接组件总偏摆量的偏差；
s4、基于各偏差的贡献度因子、敏感度因子及焊接变形的控制难度因子建立起加权计算值，所述加权计算值指导尺寸优化，由各个公差加权后求出加权平均系数，再设定各个公差的调整比例，得到第一次的优化方案，对第一次的优化方案仿真，根据仿真分析结果继续进行迭代，直到获得满足优化目标的公差优化方案并输出。
2.根据权利要求1所述的一种全焊接组件的公差优化方法，其特征在于，其中各个结构件的原始设计信息即设计输入包括但不限于：各个结构件的零部件尺寸、设计公差，装配流程及工装夹具的统计误差；由经验获得的焊接工步中焊接变形的统计结果；统计到的各公差的误差来源、控制方式及控制难度。
3.根据权利要求2所述的一种全焊接组件的公差优化方法，其特征在于，在s1与s2之间还包括步骤：确定公差优化目标，具体包括：进行公差优化期望达到的技术指标，技术指标包括但不限于通过公差优化分析达到成品质量要求的合格率，后一工序需满足的尺寸要求。
4.根据权利要求3所述的一种全焊接组件的公差优化方法，其特征在于，所述s2步骤对三维公差分析模型的完善模型公差信息包括添加设计公差，装配公差，基于对设计输入的统计结果将焊接变形参数转换为零部件的尺寸偏差并添加至模型。
5.根据权利要求4所述的一种全焊接组件的公差优化方法，其特征在于，还包括对三维公差分析模型建立空间装配尺寸链，确定封闭环并创建测量目标，并描述尺寸链中封闭环与其他公差的约束关系。
6.根据权利要求5所述的一种全焊接组件的公差优化方法，其特征在于，其中，描述尺寸链中约束关系采用极值法或概率法。
7.根据权利要求5所述的一种全焊接组件的公差优化方法，其特征在于，s2中进行仿真分析的具体操作为对所述三维公差分析模型进行蒙特卡洛仿真计算分析。
8.根据权利要求3所述的一种全焊接组件的公差优化方法，其特征在于，其中，包括步骤s3还包括预测误差累积结果，具体包括：根据计算结果分析现有装配方案下测量目标的误差累积值；与优化目标进行对比，分析测量目标的超差率；并对偏差源进行分析，具体包括：计算各公差的敏感度及贡献度分析结果，得到各公差对测量目标的放大系数及影响因子，找到对测量目标影响较大的公差，所述放大系数即敏感度，所述影响因子即贡献度。
9.根据权利要求8所述的一种全焊接组件的公差优化方法，其特征在于，在s4中依据s3的影响因子确定公差优化方案，具体包括：分析各公差对测量目标的贡献度，根据公差的敏感度因子、贡献度因子、控制难度因子进行加权计算并分析，确定初步公差优化方案，其中，加权计算采用两个加权值进行分析，包括加权值a由敏感度结果和贡献度结果相乘获得，加权值b由实际焊接变形的控制难度进行调整。
10.根据权利要求9所述的一种全焊接组件的公差优化方法，其特征在于，判断加权分析结果数值与公差优化目标数值的欧式距离，当加权分析结果不满足公差优化目标，对公差优化方案调整、修正，并进行迭代，直至满足公差优化目标。
技术总结