三维公差分析技术在机枪脱链机构公差设计中的应用

王 洋，徐 诚，郭 胜，牟奥敏

(南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094)

【装备理论与装备技术】

三维公差分析技术在机枪脱链机构公差设计中的应用

王 洋，徐 诚，郭 胜，牟奥敏

(南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094)

在机枪脱链机构的设计、制造和装配过程中，需要对零部件的尺寸和公差进行详细分析和控制，传统的二维尺寸链校核方法计算繁琐、计算结果精度低，无法适应轻武器对高互换性和低修挫率的要求。使用基于三维公差分析技术的Vis VSA软件，建立起了某型12.7 mm机枪脱链器的数字化公差模型，并采用统计公差的方法对装配过程进行仿真。该方法可以在设计初期，快速计算出偏差的数量和分析原因，有助于提高产品精度，加速研发过程，降低生产成本、提升零部件的互换性。

三维公差分析技术；脱链机构；尺寸链运算；公差分析；免修锉；Vis VSA

枪械产品零部件结构复杂、尺寸小、异形件多、装配繁琐、功能要求高。在自动武器设计中，设计人员多是凭借经验以二维图纸为基础，进行二维尺寸链分析，分析方法主要依据设计人员的经验。

自动武器尺寸链计算项目多达几十项，常规计算方法工作量大、计算效率低、校核困难。在实际加工和装配中，很难达到预定的设计目标，往往要通过“人工修锉”，即通过手工修配不合格零件尺寸，以达到最终产品的总装合格。“人工修锉”严重影响轻武器的生产效率，降低了部件的互换性。增加了次品率。该现象已经成为自动武器产品加工装配过程中最为突出的问题[1]。

机枪通过脱链机构实现枪弹和弹链的分离，脱链机构的尺寸链对枪械脱链动作的可靠性有很大影响。脱链机构中异形件众多，计算繁琐，传统二维尺寸链计算效率低下。在实际生产中，常留一定的加工余量，在装配过程中经过修锉使其达到合适尺寸，这极大地影响了装配效率和互换性。

公差分配不合理是“人工修锉”产生的重要原因之一。以二维工程图为基础的公差分析已经无法满足现代轻武器产品加工装配公差分析的要求。而利用以计算机辅助公差分析软件Vis VSA为代表的三维公差分析技术，可以有效地解决这个问题。

本文将三维公差分析技术引入某型12.7 mm高射机枪的脱链器尺寸链计算中。这种基于计算机三维公差分析软件的新型轻武器尺寸链计算方式，减少了昂贵的物理样机制造成本和试验次数，缩短了研制周期，可大幅度提高我国轻武器方面的设计能力和生产效率。

1 基于Vis VSA的三维公差设计分析原理

目前，市场上流行的商业化三维公差分析软件有3DCS、Vis VSA等。轻武器行业中多采用UG作为三维CAD软件，本文采用和UG兼容性良好的Vis VSA作为公差分析软件。

Vis VSA是“可视化的偏差模拟分析”的英文缩写,是Siemens公司开发的一套三维统计公差软件，它基于Monte Carlo方法，主要用于三维统计公差分析[2]。Vis VSA功能强大，可以通过仿真产品的制造装配过程预测产品的尺寸质量和偏差源贡献因子，判断某阶段的设计是否能够满足尺寸设计要求，并给出可能的整改方案，弥补了传统方法的不足[3]。

Monte Carlo方法是Vis VSA公差分析的理论基础。Vis VSA中公差分析的基本原理是在组成环公差范围内按照设定的概率分布生成一系列服从正态分布的随机数，然后对其随机抽样，代入尺寸链方程即可求解出封闭环的一个样本值。然后按照一定的置信水平设定的次数重复这个过程，从而得到封闭环的样本集合[4]。相比于传统二维尺寸链运算，该方法可以利用计算机进行多次正态输入、正态输出方式的运算，并能考虑到装配顺序，在进行三维复杂多尺寸公差计算时有很大优势[5]。

Vis VSA软件和UG兼容性良好，可以将已经建立好的枪械三维模型转化为.jt格式进行运算。相较于抽象的传统二维尺寸链计算，在Vis VSA中进行的三维公差运算更为直观，不必手动组成封闭环。其计算过程迅速、计算结果准确，可以对不同尺寸的公差影响因子做出评估，对公差分配的修改提供指导。基于Vis VSA的三位公差设计分析基本流程如图1所示。

图1 基于Vis VSA的三位公差设计分析流程

2 脱链机构组成

我国某型12.7 mm高射机枪采用开式弹链作为供弹具，进弹过程为一次进弹。一次进弹结构简单、可靠性高。弹链在脱链过程中，由脱链器挤下弹链变形，迫使链、弹分离。脱链过程弹链弹性时间短、动作大、变形猛烈。脱链机构的精度，直接影响脱链动作的可靠性[6]。为了保证脱链动作质量，大多采用留余量人工修锉的办法保证装配精度。该方法依赖工人的熟练程度，生产效率较低。因此，将计算机辅助公差设计技术，用于脱链机构设计中，具有重大意义。

该高射机枪脱链机构部件中主要包括8个零部件：机匣体、带锁扣座的供弹机盖、压板前部、脱弹器、压板后部、拨弹滑板、拨弹滑板轴、支耳轴。其装配关系示意图如图2。

在进行计算机公差分析时，考虑简化模型，有以下假设：

1) 压弹板与盖底板平行；

2) 机匣体上安置的脱弹器的斜面倾角α为标定值；

3) 脱弹器上平面与压板后部平行。

图2 脱链器组件装配关系示意图

3 数字模型创建与分析

按照脱链器部件的装配要求，运用三维公差仿真分析软件Vis VSA进行分析，该软件以蒙特卡洛算法为核心进行仿真运算。主要分析步骤如下：

利用UG建立脱链器部件装配三维公差分析模型。由于原模型较为复杂，且拨弹滑板等零部件仅有一个尺寸参与计算，故对其进行简化。简化后的脱链器部件包括了机匣体、带锁扣座的供弹机盖、压板前部、脱弹器、压板后部、拨弹滑板、拨弹滑板轴、支耳轴等8个零件。

将UG三维软件模型转化为轻量化的.JT模型。.JT模型体积小、处理效率高，大部分的三维软件如UG都可以将模型直接转化为.JT格式，能够实现基于特征的几何模型和VIS VSA的公差分析模型的无缝对接，避免转化为其他格式丢失固有特性。在VSA中建立过程文件，即可将对应的.JT模型关联。

将公差输入.JT模型、在VSA中建立特征、输入公差、进行装配。最终仿真分析模型。

根据零件加工图纸将各配合处尺寸及公差列出，如表1所示。

表1 各配合处容差

依照给定的供弹机盖到脱链器前后压板到平面的距离要求，对应要求1、要求2分别建立测量点距离1、距离2。距离1、距离2如图3所示。

采用2 000个样本点进行Monte Carlo仿真分析，以样本概率在6σ范围之外为合格进行评价，得到合格率柱状图。距离1和距离 2 的仿真分析结果，如图4、图5所示。

图3 距离1、距离2指代关系示意图

图4 距离1仿真结果

图5 距离2仿真结果

分析图4、图5可以得出：距离1计算结果为1.92～3.06 mm，不符合图纸大于2 mm的技术；距离2计算结果为1.99～3.02 mm，不符合图纸要求的2.0～3.02 mm。影响距离1、距离2两个测量结果的影响因子及其贡献度大小如图6、图7所示。

图6 距离1尺寸链各影响因子的贡献度

图7 距离2尺寸链各影响因子的贡献度

从图6、图7可以看出，对距离1，对分布结果影响最大为拨弹滑板轴和压板后部上平面配合的尺寸10.65H11；而距离2中，由于部件比较复杂，影响因子多，影响系数相近，经数次调整，确定对分布结果影响最大为压弹板下平面尺寸7.5(自由公差)和浮动座体输弹器孔相对上平面距离8.2H12。

在公差修正中，优先修正非主要件公差。对应距离1，将10.65H11改为10.65JS10；对于距离2，将压弹板下平面尺寸7.5(自由公差)和浮动座体输弹器孔相对上平面距离8.2H12，分别改为7.5h10和8.2H10，重新进行计算。计算即为：距离1为2.07～3.01 mm，距离2计算结果为2.43～3.28 mm，均符合图纸要求。经过试验，在装配过程中可以达成相关互换性要求，免修锉的目的。

4 结论

分析结果表明，利用Vis VSA分析轻武器复杂机构尺寸链计算、指导新型武器公差分析可行。相比于传统的二维尺寸链计算，以Vis VSA为代表的三维公差分析技术计算过程简单、计算速度快、计算精度高，是一种行之有效的计算手段。借助Vis VSA软件，可以对枪械公差分布做出合理优化，实现免修锉、增加互换性等一系列目的。因此，将三维公差分析技术引入到轻武器的研制生产中，具有一定的军事意义和经济效益。

[1] 罗少敏,王亚平,邹衍.某型手枪击发机构装配公差分析与信息化集成研究[J].机械设计与制造,2014(12):132-136.

[2] LIU Z.Analysis of Mounting Tolerance based on VisVSA[J].Automobile Technology,2011.

[3] 张博,霍枫,张清,等.一种基于Vis Mockup的尺寸偏差分析方法[C]//中国科协年会第13分会场:航空发动机设计、制造与应用技术研讨会.出版地不详:[出版社不详],2013.

[4] SIEMENS.Variation Analysis[EB/OL].[2016-05-12].HTTP://www.plm.automation.siemens.com/en_us/products/tecnomatix/manufacturing-planning/dimensional-quality/variation-analysis.shtml.

[5] 林洁,王佳.基于VisVSA技术的三维统计公差分析及应用[J].制造业自动化,2017,39(1):99-101.

[6] 张本军,王瑞林,李永建,等.开式弹链脱弹过程建模与分析[J].兵工学报,2011,32(12):1531-1534.

ThreeDimensionalToleranceAnalysisTechnologyinMachineGunBulletDiscardingMechanismToleranceDesign

WANG Yang， XU Cheng， GUO Sheng， MOU Aomin

(College of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094, China)

During the design, manufacture and assembly process of bullet discarding mechanism, the size and tolerance of parts should be analyzed and controlled precisely. The conventional two-dimensional dimensional chain verification method with cumbersome calculation and inaccurate can not meet the small arms’ requirement of high interchangeability and low mend rate. Based on the 3D tolerance analysis software Vis VSA, the digital tolerance model of a certain 12.7 mm machine gun bullet discarding mechanism is set up, and the assembly process is simulated by the statistical tolerance. By the above method, the deviation number and reason can be calculated and analyzed rapidly at the initial stage of design. This method helps to improve product accuracy, accelerate the R&D process, reduce production costs and enhance the interchangeability of parts.

three dimensional tolerance analysis technology；bullet discarding mechanism；dimensional chain operation；tolerance analysis；no artificial mend；Vis VSA

2017-06-09；

2017-06-29

国防基础科研项目(A1020131011)

王洋(1994—)，男，硕士，主要从事自动武器研究。

10.11809/scbgxb2017.10.008

本文引用格式：王洋，徐诚，郭胜，等.三维公差分析技术在机枪脱链机构公差设计中的应用[J].兵器装备工程学报，2017(10):36-39.

formatWANG Yang，XU Cheng，GUO Sheng，MOU Aomin.Three Dimensional Tolerance Analysis Technology in Machine Gun Bullet Discarding Mechanism Tolerance Design[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(10):36-39.

TJ24

A

2096-2304(2017)10-0036-04

(责任编辑周江川)