El análisis de tolerancia es el término general para las actividades relacionadas con el estudio de la variación acumulada en piezas y conjuntos mecánicos. Sus métodos se pueden utilizar en otros tipos de sistemas sujetos a variación acumulada, como sistemas mecánicos y eléctricos. Los ingenieros analizan las tolerancias con el fin de evaluar el dimensionamiento y la tolerancia geométricos (GD&T). Los métodos incluyen pilas de tolerancia 2D, simulaciones Monte Carlo 3D y conversiones de datos.
Las acumulaciones de tolerancia o las acumulaciones de tolerancia se utilizan para describir el proceso de resolución de problemas en la ingeniería mecánica para calcular los efectos de la variación acumulada permitida por las dimensiones y tolerancias especificadas . Normalmente, estas dimensiones y tolerancias se especifican en un dibujo de ingeniería. Las acumulaciones de tolerancia aritmética utilizan los valores mínimos o máximos de dimensiones y tolerancias en el peor de los casos para calcular la distancia máxima y mínima (espacio libre o interferencia) entre dos características o partes. Las acumulaciones de tolerancia estadística evalúan los valores máximo y mínimo basándose en el cálculo aritmético absoluto combinado con algún método para establecer la probabilidad de obtener los valores máximo y mínimo, como los métodos Root Sum Square (RSS) o Monte-Carlo.
Modelado
Al realizar un análisis de tolerancia, existen dos herramientas de análisis fundamentalmente diferentes para predecir la variación de la acumulación: análisis del peor de los casos y análisis estadístico.
Peor de los casos
El análisis de tolerancia en el peor de los casos es el tipo tradicional de cálculo de acumulación de tolerancia. Las variables individuales se colocan en sus límites de tolerancia para que la medición sea lo más grande o lo más pequeña posible. El modelo del peor de los casos no considera la distribución de las variables individuales, sino que esas variables no exceden sus respectivos límites especificados. Este modelo predice la variación máxima esperada de la medición. Diseñar según los requisitos de tolerancia del peor de los casos garantiza que el 100 por ciento de las piezas se ensamblarán y funcionarán correctamente, independientemente de la variación real de los componentes. El mayor inconveniente es que el modelo del peor de los casos a menudo requiere tolerancias de componentes individuales muy estrictas. El resultado obvio son los costosos procesos de fabricación e inspección y / o altas tasas de desperdicio. El cliente suele requerir la tolerancia en el peor de los casos para interfaces mecánicas críticas e interfaces de reemplazo de piezas de repuesto. Cuando la tolerancia en el peor de los casos no es un requisito del contrato, la tolerancia estadística aplicada correctamente puede garantizar rendimientos de ensamblaje aceptables con mayores tolerancias de componentes y menores costos de fabricación.
Variación estadística
El modelo de análisis de variación estadística aprovecha los principios de la estadística para relajar las tolerancias de los componentes sin sacrificar la calidad. La variación de cada componente se modela como una distribución estadística y estas distribuciones se suman para predecir la distribución de la medición del ensamblaje. Por lo tanto, el análisis de variación estadística predice una distribución que describe la variación del ensamblaje, no los valores extremos de esa variación. Este modelo de análisis proporciona una mayor flexibilidad de diseño al permitir al diseñador diseñar a cualquier nivel de calidad, no solo al 100 por ciento.
Hay dos métodos principales para realizar el análisis estadístico. En uno, las distribuciones esperadas se modifican de acuerdo con los multiplicadores geométricos relevantes dentro de los límites de tolerancia y luego se combinan usando operaciones matemáticas para proporcionar un compuesto de las distribuciones. Los multiplicadores geométricos se generan haciendo pequeños deltas a las dimensiones nominales. El valor inmediato de este método es que la salida es suave, pero no tiene en cuenta la desalineación geométrica permitida por las tolerancias; si se coloca una cota de tamaño entre dos superficies paralelas, se supone que las superficies permanecerán paralelas, aunque la tolerancia no lo requiera. Debido a que el motor CAD realiza el análisis de sensibilidad a la variación, no hay salida disponible para impulsar programas secundarios como el análisis de tensión.
En el otro, las variaciones se simulan al permitir cambios aleatorios en la geometría, restringidos por distribuciones esperadas dentro de las tolerancias permitidas con las piezas resultantes ensambladas, y luego las mediciones de lugares críticos se registran como en un entorno de fabricación real. Los datos recopilados se analizan para encontrar un ajuste con una distribución conocida y desviaciones medias y estándar derivadas de ellos. El valor inmediato de este método es que la salida representa lo que es aceptable, incluso cuando se trata de una geometría imperfecta y, debido a que utiliza datos registrados para realizar su análisis, es posible incluir datos de inspección de fábrica reales en el análisis para ver el efecto. de cambios propuestos en datos reales. Además, debido a que el motor para el análisis está realizando la variación internamente, no basándose en la regeneración CAD, es posible vincular la salida del motor de variación a otro programa. Por ejemplo, una barra rectangular puede variar en ancho y grosor; el motor de variación podría enviar esos números a un programa de tensión que devuelve la tensión máxima como resultado y la variación dimensional se puede utilizar para determinar las variaciones de tensión probables. La desventaja es que cada ejecución es única, por lo que habrá variación de un análisis a otro para la distribución de salida y la media, tal como lo haría una fábrica.
Si bien ningún estándar de ingeniería oficial cubre el proceso o formato de análisis de tolerancia y apilamientos, estos son componentes esenciales de un buen diseño de producto . Las acumulaciones de tolerancia deben usarse como parte del proceso de diseño mecánico, como herramienta predictiva y de resolución de problemas. Los métodos utilizados para realizar una acumulación de tolerancias dependen en cierto modo de los estándares de tolerancia y dimensionamiento de ingeniería a los que se hace referencia en la documentación de ingeniería, como la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) Y14.5, ASME Y14.41 o el dimensionamiento y estándares de tolerancia. Comprender las tolerancias, conceptos y límites creados por estos estándares es vital para realizar cálculos precisos.
Las acumulaciones de tolerancia sirven a los ingenieros al:
- ayudándoles a estudiar las relaciones dimensionales dentro de un ensamblaje.
- dando a los diseñadores un medio para calcular las tolerancias de las piezas.
- ayudando a los ingenieros a comparar propuestas de diseño.
- ayudando a los diseñadores a producir dibujos completos.
Concepto de bucle de vector de tolerancia
El punto de partida para el ciclo de tolerancia; por lo general, este es un lado de un espacio previsto, después de empujar las diversas partes del conjunto hacia un lado u otro de su rango de movimiento suelto. Los bucles vectoriales definen las restricciones de ensamblaje que ubican las partes del ensamblaje entre sí. Los vectores representan las dimensiones que contribuyen a la acumulación de tolerancias en el ensamblaje. Los vectores se unen de punta a cola, formando una cadena, pasando sucesivamente por cada parte del conjunto. Un bucle vectorial debe obedecer ciertas reglas de modelado al pasar por una pieza. Debería:
- entrar por una articulación,
- siga la ruta de referencia al marco de referencia de referencia (DRF),
- seguir un segundo camino de referencia que conduce a otra articulación, y
- salga a la siguiente pieza adyacente en el ensamblaje.
Las reglas de modelado adicionales para bucles vectoriales incluyen:
- Los bucles deben pasar por todas las piezas y juntas del conjunto.
- Es posible que un solo bucle vectorial no pase por la misma parte o la misma articulación dos veces, pero puede comenzar y terminar en la misma parte.
- Si un bucle vectorial incluye exactamente la misma dimensión dos veces, en direcciones opuestas, la dimensión es redundante y debe omitirse.
- Debe haber suficientes bucles para resolver todas las variables cinemáticas (grados de libertad conjuntos). Necesitará un bucle para cada tres variables.
Las reglas anteriores variarán dependiendo de si se utiliza el método de acumulación de tolerancia 1D, 2D o 3D.
Preocupaciones con acumulaciones de tolerancia
A menudo se incluye un factor de seguridad en los diseños debido a preocupaciones sobre:
- Temperatura y presión operativa de las piezas o conjunto.
- Desgaste.
- Deflexión de componentes después del montaje.
- La posibilidad o probabilidad de que las piezas estén ligeramente fuera de especificación (pero pasaron la inspección).
- La sensibilidad o importancia de la pila (qué sucede si no se cumplen las condiciones de diseño).
Ver también
Referencias
- "Automatización de Gráficos de Tolerancia Lineal y Extensión al Análisis de Tolerancia Estadística". Revista de Ciencias de la Información y Computación en Ingeniería . 3 (1): 95–99. Marzo de 2003.
- Publicación de ASME Y14.41-2003, Prácticas de datos de definición de productos digitales
- Alex Krulikowski (1994), Tolerance Stacks usando GD&T , ISBN 0-924520-05-1
- Bryan R. Fischer (2011), Análisis y acumulación de tolerancia mecánica , ISBN 1439815720
- Jason Tynes (2012), Make It Fit: Introducción al análisis de tolerancia para ingenieros mecánicos , ISBN 1482350254
- Kenneth W. Chase (1999), Análisis de tolerancia de ensamblajes 2-D y 3-D , Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Brigham Young
- http://www.ttc-cogorno.com/Newsletters/140117ToleranceAnalysis.pdf
enlaces externos
- http://www.engineersedge.com/tolerance_chart.htm Tolerancias geométricas, Gráficos de ajustes de límites, Calculadoras de análisis de tolerancia
- http://adcats.et.byu.edu/home.php
- https://tolerancestackup.com/gdt/
- https://www.sigmetrix.com/what-is-tolerance-analysis/