基于 Creo 平台的三维公差分析技术在公差配合与测量技术课程中的应用论文

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　　摘要：针对职业教育公差配合与测量技术课程教学中存在的教学内容抽象化、教学环节缺乏实践性、教学方法落后等问题， 以基 于 Creo 平台的 CETOL6σ 公差分析软件引入公差配合与测量技术课程教学的应用为研究对象， 并以键槽轴的尺寸链设计计算与分析 为教学案例对尺寸链教学过程及方法进行设计。将基于 Creo 平台的 CETOL6σ 公差分析软件引入教学案例中， 以三维实体模型为基 础构建三维公差分析模型， 依据分析结果中敏感度和贡献度数据进行公差优化分配， 可以实现尺寸链中间计算问题具象化。研究 表明， 相比于传统的尺寸链教学， 将基于 Creo 平台的 CETOL6σ 公差分析软件引入公差配合与测量技术课程教学中， 可以有效提升 教学效果， 激发学生学习兴趣， 培养学生创新精神， 提高学生的综合实践能力。

　　(School of Mechanical and Electrical Engineering, University of Guizhou Normal, Guiyang 550025. China)

　　Abstract: Aiming at the problems of abstraction of teaching content, lack of practicality in teaching links and backward teaching methods in the teaching of Tolerance Control and Measurement Technology in vocational education, the application of CETOL6σ tolerance analysis software based on Creo platform to the course of Tolerance Control and Measurement Technology is taken as the research object, and the teaching process and method of dimension chain are designed with the design calculation and analysis of dimension chain of shaft with key way as the teaching case. By introducing the CETOL6σ tolerance analysis software based on Creo platform into the teaching case, the three- dimensional tolerance analysis model is constructed based on the three-dimensional solid model, and the tolerance is optimized according to the sensitivity and contribution data in the analysis results to realize the visualization of the intermediate calculation problem of the dimension chain. The research shows that compared with the traditional dimension chain teaching, the introduction of CETOL6σ tolerance analysis software based on Creo platform into the course of Tolerance Control and Measurement Technology course can effectively improve the teaching effect, stimulate students' interest in learning, cultivate students' innovative spirit and improve students' comprehensive practical ability .

　　Key words: three-dimensional tolerance analysis technology; tolerance control and measurement technology; CETOL6σ

　　0 引言

　　公差配合与测量技术作为一门职业院校机械类及近 机类专业的专业基础课， 是联系机械设计与制造工艺系 列课程的纽带， 具有四多 (定义多、概念多、符号多、 标准多)、三强 (学科交叉性强、综合性强、应用性强) 的特点[1-2]。该课程要求学生在掌握产品几何技术规范 ( ISO-GPS) 等理论知识的基础上， 可以正确地处理设计 与制造、公差与偏差之间的关系， 培养学生独立设计选 择零件精度及选择零件精度检测方法和仪器的综合运用 能力， 让学生具备一定的岗位技能。如何将基于 Creo 平 台的 CETOL6σ 公差分析软件引入到公差配合与测量技术教学中，既让学生对理论知识有深入的理解，又可以提升 课程教学效果， 还能培养学生综合实践能力与职业素养， 是教学改革中要解决的重要问题， 也是本文的研究方向。

　　1 公差配合与测量技术课程教学中面临的突出问题

　　( 1) 教学内容过于抽象化。公差配合与测量技术课 程的理论知识晦涩难懂， 学习难度较大， 导致在后续的 课程设计中， 学生的零件精度设计能力与课程要求的零 件 识 图 标 注 能 力 、零 件 检 测 分 析 能 力 存 在 明 显 的 差 距[3-4]; 且课程内容较为严肃， 学生缺乏感性认识， 兴趣 不高[5]， 进而产生的思维定势容易让学生对机械基础、 机械制图等相关课程出现负迁移效果。

　　( 2) 教学环节实践性弱化。该课程的实践性很强， 但课程标准和教材中都缺少实践活动[6]， 尤其是在尺寸 链教学上， 传统尺寸链教学无法解决实际生产中的问题， 导致理论与实践严重脱节[7]。杜威的“做中学”理论指 出， 学生学习要建立在实践活动之上， 因此综合实践能 力的提高离不开实践活动的土壤。

　　( 3) 教学方法呆板落后。目前公差配合与测量技术 课程教学仍采用以“传递-接受”为鲜明特征的传统教 学方法[8-9]，“填鸭式”教学方法既不利于培养创新意识 的培养[10]， 也与新时代下培养高素质技术技能人才的职 业教育思想理念背道而驰。

　　2 引入基于Creo 平台的CETOL6σ 公差分析软件

　　将基于 Creo 平台的 CETOL6σ 公差分析软件引入公差 配合与测量技术课程尺寸链教学设计中， 遵循启发性教 学原则， 确定理论分析、模型建构与实际应用并重的理 虚实一体化教学目标， 以三维公差分析技术作为教学手 段， 设计带有键槽部分的轴 (简称键槽轴) 的尺寸链设 计计算与分析这一教学案例。首先应用三维建模软件 Creo 搭建键槽轴三维模型， 将三维公差分析软件 CE ⁃ TOL6σ 与 Creo 平台建立通讯， 读取键槽轴 CAD 模型信 息; 其次， 按照尺寸精度设计和公差分析流程构建三维 公差模型; 随后， 依据逻辑网络图分析键槽轴尺寸链的 逻辑关系， 以加深学生对工艺尺寸链中间计算的理解; 最后， 通过公差分析结果对键槽轴工艺尺寸链进行公差 优化分配。

　　2.1 基于Creo 平台的三维实体模型搭建

　　2.1.1 键槽轴尺寸精度设计

　　根据键槽轴的加工工艺路线“半精车外圆-铣键槽- 热处理-磨外圆”的设计要求， 同时为了更清晰地反映 出键槽轴的尺寸公差分配情况， 批处理设定键槽轴的加 工尺寸进行研究。本案例设定： 保证键槽面至磨外圆 Y 方向上最远端的距离 A0= 26.2 mm、半精车外圆时轴直 径 D车 = 小30.5. 1 mm、键槽面至半精车外圆 Y 方向上最 远端的距离 H0、磨外圆时轴直径 D磨 = 小30.032 mm。图 1 所示为键槽轴不标注位置度情况下的二维横剖简图， 其中不相关尺寸未给出。机械加工过程中， 用尺寸链保 证产品的设计与加工要求， 对于提高制造精度、降低成本具有重要的实际意义[11]。因此， 依据加工工艺路线， 初步设计键槽轴工艺尺寸链如图 2 所示。

　　2.1.2 建立键槽轴三维实体模型

　　根据键槽轴的相关加工尺寸， 应用 Creo 软件的建模 功能对键槽轴进行三维模型绘制， 键槽轴三维模型如图 3 所示。与讲解二维工程图纸相比， 学生可以更直观地 看到键槽轴各特征之间空间位置与加工工艺流程的关系， 键槽轴的加工工艺过程也更为清晰易懂， 从而可以弥补 学生抽象思维能力弱的短板。

　　2.2 基于CETOL6σ 的三维公差模型分析

　　2.2.1 构建三维公差模型

　　CETOL6σ 软件的优势是可以与 CAD 类软件集成处 理。首先， 将三维建模软件 Creo 和三维公差分析软件 CETOL6σ 先后打开运行; 其次， CETOL6σ 通过与 Creo 建立通信， 连接读取 Creo 平台中键槽轴的 CAD 模型， 并 自动导入键槽轴的轮廓线、轴径、键槽深度等参数后， 即可同步处理、识别以及更新键槽轴的 CAD 模型。

　　三维公差模型是在三维实体模型基础之上建立的[12]。 因此， 要按照相应的二维横剖简图与三维实体简图来构 建键槽轴公差模型。公差建模的目的是要分析测量对象 的变动情况， 这一分析过程称为公差分析流程。公差分 析流程如图 4 所示。

　　在教学中， 指导学生对照公差分析流程构建三维公 差模型。(1) 定义基准特征。根据零部件键槽轴的加工 工艺流程要求， 第一工步是对键槽轴初步进行半精车外 圆 。 此 时 D车 = 小30.5. 1 mm， 且 D车 为 最 大 实 体 状 态 ( MMC， M) 时， 键 槽 轴 的 最 大 极 限 为 上 偏 差， 即30.5 mm。因此， 本文将第一工步定为基准特征。在 CE⁃ TOL6σ 中添加并定义基准特征之后， 再依次添加关键特 征、关联特征等其他相关特征。(2) 添加相关特征后， 按照键槽轴二维横剖简图， 依次定义相关特征的基本尺 寸、尺寸公差等相关精度要求。(3) 按照键槽轴加工工 艺路线要求， 添加并定义特征之间的约束关系， 以控制、 约束特征组件的自由度。(4) 添加并定义测量对象。测 量对象即为封闭环， 本案例中测量对象为要保证的键槽 面到磨外圆 Y方向上最远端的距离， 即为封闭环A0.

　　图 5 所示为公差模型建立后形成的逻辑网络图。若 公差模型未封闭， 顾问窗口指出特征约束关系存在过约 束或欠约束等问题时， 则需要按上述流程溯源查明原因， 修正公差模型树图。

　　分析逻辑网络图中尺寸链构建无误后， 对封闭环 A0 进行求解测量。对于教学而言， 基于维果茨基的“最近 发展区”理论， 教学目标是要引导鼓励学生达到“跳一 跳， 够得着”的状态[13]， 因此键槽轴的三维公差模型构 建较为简易， 只需考虑 1 阶情况， 默认公差中间值即可。 考虑到三维公差模型与实际公差设计分析过程中存在一 定程度上理想化的容许偏差， 对三维公差模型部分参数 进行如下假设： (1) 假定所有公差需满足正态分布， 默 认工程能力指数 Cp /Cpk = 1; ( 2) 假定键槽轴材料为刚 性， 不考虑变形和热膨胀; ( 3) 假定键槽轴表面粗糙度 忽略不计， 不考虑位置公差。运算完成后会获得初步的 分析结果清单以及相关参数的分析报告， 其中包括特征 约束关系、敏感度分析报告以及贡献度分析报告等。

　　2.2.2 公差分析结果

　　三维公差模型分析完成后， 首要任务是界定封闭环 A0 要求值参数。封闭环 A0 的要求值即为案例要求中要保证的键槽面至磨外圆 Y方向上最远端的距离， 设定要求 值的参数： 名义尺寸为 26 mm， 上偏差为 0 mm， 下偏差 为 − 0.2 mm; 根据三维公差模型建立前提条件， 以保证 键 槽 轴 公 差 带 满 足 正 态 分 布， 设 定 工 程 能 力 指 数 Cp /Cpk = 1.

　　关键变量敏感度分析报告与关键变量贡献度分析报 告是三维公差模型的重点研究对象。敏感度描述的是尺 寸链中各个组成环尺寸的变化对产品质量的影响程度[14]。 图 6 所示为键槽轴加工工艺过程中各个组成环 (特征) 的尺寸与封闭环A0 (测量对象) 的关系。对于教学而言， 由于运算时只考虑 1 阶情况， 所以对于尺寸链中各组成 环只进行 1 阶敏感度分析， 学生可以通过观察敏感度分 析图中各个组成环与封闭环 A0 之间的关系来判断该组成 环为增环还是减环。引导学生观察并分析敏感度报告： 键槽到半精车外圆 Y方向上的距离这一组成环关于封闭 环 A0 的敏感度为 +1 mm/mm， 即该组成环为增环， 与封 闭环 A0 的尺寸成正比; 且相比于增环磨外圆关于封闭环 A0 的敏感度 +0.5 mm/mm 以及减环半精车外圆关于封闭环 A0 的敏感度 − 0.5 mm/mm 而言， 增环键槽到半精车外圆 Y 方向上的距离的敏感系数比最高， 对封闭环 A0 的影响显 著; 而增环磨外圆和减环半精车外圆的影响程度较弱。

　　相比于教材中对增减环判断的文字说明， 利用 CE ⁃ TOL6σ 的敏感度分析结果将增减环的情况具象化展现出 来， 有效解决尺寸链教学难点， 让学生可以更加直观深 刻地理解尺寸链设计思路， 为后续的学习应用打下良好 基础。

　　贡献度指尺寸链中各个组成环尺寸公差对封闭环尺 寸积累公差的贡献大小[15] 。CETOL6σ 提供了两种贡献度 分析方法： 最坏情况分析法 (Worst Case， WC) 和统计 分析法 (Root SumSquare， RSS)。图 7 所示为应用 CE ⁃ TOL6σ 运算分析得出的公差分配结果， 数据表明： 基于 正态分布的公差带分布图上， 无论是最坏情况分析结果 还是统计分析结果， 封闭环 A0 的仿真结果均未完全落在区间， 没有达到设计要求; 部分质量参数表示 Sigma (标准差) 水平较低， 只有 2.637 4. DPMU (每百万单元 中的缺陷数) 只达到 8 354.237 6. Wield (合格率) 仅有 99. 16 %。因此， 初步判断键槽轴的公差分配亟待优化。

　　键槽轴公差贡献度分析情况如图 8~9 所示。引导 学生观察分析贡献度报告： 贡献度是指敏感度与公差 带的乘积在目标公差带中的所占比重， 贡献度所占比 重代表目标组成环 (特征) 对封闭环 A0 的影响程度; 贡献度所占比重越大， 目标组成环的影响程度越显著， 公差优化分配的优先级也就越高。由图可知， 增环键 槽到半精车外圆 Y 方向上的距离关于封闭环 A0 的 WC 贡献度为 75. 19 % 、RSS 贡献度高达 93.55 %， 即该增环 对封闭环的贡献度比重最大， 对封闭环 A0 尺寸偏差的 影响程度显著， 优先对其进行公差优化分配; 相比于 减环半精车外圆 18.80 % 的 WC 贡献度、 5.85 % 的 RSS 贡献度， 以及增环磨外圆 6.02 %的 WC 贡献度、 0 %的 RSS 贡献度， 均对封闭环 A0 的影响程度较弱， 不考虑 公差优化分配。

　　2.2.3 公差优化分配

　　根据三维公差模型的结果报告分析敏感度和贡献度 数据， 发现键槽面到半精车外圆 Y方向上的距离 H0 是封 闭环 A0 的主要影响因子， 因此要对其进行公差优化分 配。在教学过程中， 通过让学生学会观察敏感度分析结 果和贡献度分析结果， 在初步设计尺寸链方案不完善的 情况下， 针对性进行公差优化分配， 最终让尺寸链设计 方案达到最佳状态。引导学生分析原因并提供优化方案： 已知封闭环 A0 的要求值为 26.2 mm， 然而封闭环A0 的测 量值为 26mm。若要测量值满足要求值， 则测量值 的 上 偏 差 ES 需 要 减 少 0.050 mm， 下 偏 差 EI 需 要 增 加 0.016 mm。由图 10 可知， 为键槽到半精车外圆 Y方向上 优化前的公差尺寸 H0= 26.25.2 mm。

　　根据敏感度分析结果， 该增环与封闭环 A0 的公差成 正比关系， 相应地， 增环键槽到半精车外圆 Y方向上的 距离偏差也与封闭环 A0 公差尺寸同步进行增减， 即增环 键槽到半精车外圆 Y 方向上距离的上偏差 ES 也应减少0.050 mm， 下偏差 EI 也应增加 0.016 mm， 因此， 增环键 槽到半精车外圆优化后的公差尺寸 Hopt = 26.25 mm， 如图 11 所示。

　　图 12 所示为对增环键槽到半精车外圆 Y方向上的距 离的公差优化分配结果。由图可知， 针对该增环进行优 化后， Sigma (标准差) 水平达到 4.169 1. DPMU 只达到 30.777 4. Wield 趋于 100 %， 封闭环 A0 的公差带正态分 布图达到最优化， 达到教学案例要求。

　　通过对键槽轴三维公差模型的优化分配， 使学生了 解到尺寸链设计、三维公差模型构建以及公差优化分配 等一系列公差分析的新思路与前沿应用方向， 避免传统 尺寸链教学中教学内容的抽象化、呆板化、迟滞化， 让 学生掌握尺寸链设计和公差分析能力的同时， 又能理解 其在加工制造领域中的作用与价值。

　　3 结束语

　　( 1) 通过将基于 Creo 平台的 CETOL6σ 公差分析软件 应用于键槽轴的三维建模与公差分析， 并应用在公差配 合与测量技术尺寸链教学设计与实践中， 实现了三维公 差分析技术与尺寸链理论教学的深度融合。相比于传统 的尺寸链教学， 本文提供了一种新型多样化的教学内容 与教学方法， 为本课程利用基于 Creo 平台的 CETOL6σ 公差分析软件教学提供参考方法。

　　( 2) 通过 Creo 平台中的键槽轴三维实体模型与 CE ⁃ TOL6σ 建立通信， 读取模型参数信息后， 利用CETOL6σ 实现了对键槽轴的三维公差模型搭建， 让学生头脑中已 建构的键槽轴公差分析逻辑链条具象化的展示出来， 以 培养学生尺寸链设计计算与分析能力， 提升了课程教学 效果。

　　( 3) 通过研究键槽轴三维公差模型的分析结果， 使 抽象的尺寸链中间计算问题拥有可操作、可视化的效果， 所讲即所见。同时对键槽轴的公差分析结果形成优化分 配方案， 依据公差分析结果对尺寸链的敏感度与贡献度 进行分析， 处理三维公差模型分析结果得出的问题， 反 馈公差优化分配方案效果， 培养学生的综合实践能力与 职业素养， 以达到理论知识、虚拟软件与实践能力一体 化的教学效果。

　　参考文献：

　　[1] 朱双霞 ."慕课+智慧课堂"混合式教学模式探索与实践—— 以 公差配合与技术测量课程为例[J]. 新余学院学报,2019.24(6):118- 122.
　　[2] 崔金玉, 宋文,程瑜 .《公差配合与测量技术》 在线开放课程的 建设与应用—— 以延安职业技术学院为例[J]. 延安职业技术 学院学报,2022.36(5):31-35.
　　[3] 张远平 . "公差配合与测量技术 "课程的教学改革与探索[J]. 机 械职业教育,2015(6):27-28.
　　[4] 朱双霞 . 慕课背景下的公差配合与技术测量混合式教学改革 研究[J]. 南方农机,2019.50(23):146.
　　[5] 张红利 . 任务驱动法在 《公差配合与测量技术》 教学中的探 索与应用[J]. 南方农机,2020.51(5):204.
　　[6] 赵东明 . 基于工作过程系统化中职 《公差配合与技术测量》 课程开发[D]. 长春:长春师范大学,2018.
　　[7] 叶小丽 .CETOL 6sigma 在中职尺寸链教学中的应用研究[D]. 贵州:贵州师范大学,2022.
　　[8] 张爱琴,冯娟,龚小涛 . 基于 PDCA 模式的公差配合与测量技术 课程质量保障体系构建—— 以西安航空职业技术学院为例 [J]. 黄冈职业技术学院学报,2020.22(5):55-58.
　　[9] 杨琼, 陈智刚 . 信息化教学在《公差配合与测量技术》 课程中 的应用[J]. 长江技术经济,2019.3(S1):162- 164.
　　[10] 孙灿 ."三教改革" 背景下职业院校教师教学创新团队的建设 研究[J]. 产业创新研究,2020(15):132- 133.
　　[11] 李双成, 陈兴媚 . 图表法解算工艺尺寸链研究[J]. 机电工程技 术,2019.48(12):89-91.
　　[12] 李万莉, 丁云霞 . 基于 CETOL 公差模型的集装箱跨运车装配 公差优化设计[J]. 工程机械,2018.49(2):22-27.
　　[13] 王文静 . 维果茨基"最近发展区"理论对我国教学改革的启示 [J]. 心理学探新,2000(2):17-20.
　　[14] 金学民 .CETOL 6σ 在尺寸问题解决上的应用[J]. 中国科技信 息,2015(15):125- 127.
　　[15] 于鹏,孔晓玲, 刘素梅,等 . 三维公差建模与敏感度分析[J]. 合 肥工业大学学报(自然科学版),2013.36(1):15- 19.
 
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