自由形状基准特征部件几何尺寸与公差基准系创建规则初探

田立群

（安波福电子（苏州）有限公司,江苏 苏州215126）

0 引 言

机械工程师在设计与研发工程中，经常需要面对一些设计部件或者装配的基准为自由形状状态的情形；尤其在汽车饰件相关的研发公司或部门，设计部件安装场景或者基准条件经常为不能或者难以更改的研发前端的输入。这时候工程师如何评价这样的输入条件，如何为部件或者装配设定基准系，以及如何看待这些部件的基准设定和相关的加工及检测的工程关系，就会成为关键和急待解决的问题。

1 自由形状基准特征部件案例

1.1 案例一：第二基准为多个特征的情形

图1所示为一凸轮零件，从部件功能来看，图示部件圆环端面为首要部件安装面，约束了部件的3个自由度，然后是3个键槽约束了部件的其他3个自由度。另外，如图2所示，根据部件的安装条件，部件的水平方向和垂直方向已经被推荐。在上面的条件下，应该如何设计或者明确部件的基准系呢？

图1 第二基准为多个特征的部件

1.2 案例二：基准为自由空间方向及位置的多个特征的部件

图2 部件推荐方向

图3所示为一冲压支架部件，三支撑脚平面为整车安装位置，作为首要支架约束条件，3个孔为次要约束条件，然后需要确定图3上部所示诸特征位置及方向等。对于诸多类似的研发情形，部件或者装配的约束条件经常是作为难以更改的条件被输入的，此时，如何设计部件的基准系和如何基于设计基准系展开部件的检测就成为一个工程师需要面对的问题。

图3 基准为自由空间方向及位置的多个特征的部件

2 自由形状基准特征部件案例基准系创建方案及其解析

2.1 第二基准为多个特征的情形

图4所示为案例一的基准系设计推荐方案。对于该部件，选取图4中圆环面作为A基准（定义了基准系Z方向），因为它本身就是首要的实现功能的约束特征。如图2所示，如果一个装配环境已经为这个部件设定了所谓的正方向（这里指X方向及Y方向），那么直接沿用这方向经常是合理且可行的，如图4所示，在这个方向被沿用后，一个完整的基准坐标系即建立了（图中省略了名义尺寸）；此时，键槽、孔位及被控制端面的位置和方向就和这个基准系建立了坐标系内的名义尺寸（Basic Dimensions）关系，这些名义尺寸可以标注在图样上，也可以要求后续工艺或检测人员直接在3D上获得。

图4 第二基准为多个特征的部件

其次，该部件的3个键槽完成了约束A基准外的3个自由度的功能，这个功能的实现本身从3个键槽的角度来看，并没有主次及先后的差别，正是基于这个原因，3个键槽组成了联合基准B。有些工程师会习惯性地考虑选取某个键槽建立一个X方向，或者选取某个键槽作为基准B，根据如上观念，该思路往往是不合理的。

上面基准系的思路创建过程，本身就是部件功能状态的表述。因为图样使用了最大材料状态及最大材料边界（at MMC/at MMB）, 这个部件的检测就可以使用固定尺寸功能检具（fix-sized functional gage）检测。在这个检具上配合检具轮廓度检测对应部件和塞规，同时检测凸轮轮廓度。无论是设计、加工还是检测，直接取用（或说表述）部件功能场景，通常是一个尊重和保障设计对象实现功能要求的首选方案。

2.2 基准为自由空间方向及位置的多个特征的部件基准系创建方案

图5所示为案例二的基准系创建方案图。部件3个平面组成了联合基准A，3个孔为联合基准B。然后基于基准A和B创建了基准D、E和F；进而基准D、E、F控制了中间直径为18.7的孔的位置度。基于部件功能顺序（Function Sequences）思路及相关特征约束要求设计和创建基准系，通常是一个合理、便捷而且低风险的方法。有些工程师习惯性地根据特征形状套用诸如“一面两销”等做法，经常会使本来可以简洁的思路变得含糊而费解；还有些工程师尝试使用联合基准的局部特征来控制其他类似特征（比如本案例中，使用A1来控制A2和A3；或者使用B基准的某个孔控制另外的两个孔），这样实际上是忽视了部件的功能状态，误解了联合基准的意义，肢解了联合基准特征间的作用关系。

图5 基准为自由空间方向及位置的多个特征的部件基准系创建方案

那么这个部件将如何被检测呢？如图6所示，这个检具（检具图忽略了压紧部件）检测了部件的B基准3个孔的位置度（这个位置度包含了它们和A基准的方向度及3个孔相互的位置度关系），以及尺寸为φ3.8 mm的圆孔和腰型孔基于A/B基准的位置度。对于孔径为φ18.7 mm的孔的位置度，需要另外的检具来检测。

设计图样使用了最大材料状态及最大材料边界（at MMC/at MMB）,这样不但使用固定尺寸功能检具（fix-sized functional gage）进行全检成为可能，而且使设计及检测最大程度上缩小了检测方法和部件功能状态间的偏差（Deviation）。在该过程中，检具不但模拟了部件的功能状态，而且为自由形状基准特征实际产品（as-produced parts）和设计（及检测）坐标系（汽车行业体现为整车坐标系）建立了检测操作可行性的桥梁，即:检测人员可以从检具上轻易地获得产品和设计坐标系的原点位置和相关方向，进而完成检测任务。

图6 基准为自由空间方向及位置的多个特征的部件检具方案

3 思路解析

离开了坐标系包含法向方向的定义，并没有一个部件具有所谓形状规则或者特征方向为正的判断属性。如以上案例二，貌似解决方案和几何尺寸与公差的自由度的概念是冲突的：就像除了笛卡尔坐标系还有圆柱坐标系及球坐标系等坐标系一样，一般意义的6个自由度的概念只是基于笛卡尔坐标系下约束部件的一种方法；部件基准系的设计方案是否可行，本质上取决于部件功能实践意义及制造检测过程可行性。 理论和工艺方法需要满足设计产品功能实践的意义，而不是功能场景屈从于标准的局限性。检测设备（包含三坐标测量设备等）未来更加智能、便捷，更好地模拟功能场景是工具进化满足产品功能实现的必然发展方向。

4 结 语

如上思路和理论，可以作为具有自由形状基准特征部件通用的构建基准系的解决方案。很多工程师在面临此类问题的时候，习惯性地在部件自由度上去追寻这个部件和设计基准系之间的正交关系，这个过程通常是艰苦且没有必要的；忽略了产品设计功能实践意义，把标准作为目的而非工具，通常这样的思路将已有的知识演变成了障碍。在相当长的历史阶段，在诸标准文件中，相关标准制定专家，忽略了部件设计基准基于复杂而自由环境的场景，回避了相关基准系创建标准制定责任，将诸如此类的问题留给了企业自行解决；基于已经普遍应用的3D设计环境，回到尊重部件功能实践意义的思路上来，强调检具的作用，是解决具有自由形状基准特征部件如何创建基准系问题的优选路径。