基于CETOL的微波炉间隙与段差装配仿真研究

包捷 吴延岐 赵超一 周宇 彭定元

广东美的厨房电器制造有限公司 广东佛山 528311

1 引言

微波炉是一种常见的利用微波加热食物的器具，目前市面上微波炉产品种类繁多，好的微波炉除了性能优良以外，外观也是消费者关注的重点。而整机的间隙与段差是考核外观的重要指标之一。

微波炉的组成零部件繁多，包括腔体、外罩、门面、控盒、底板、铰链等，其关键零部件结构如图1所示，图1中1-外罩、2-腔体组件、3-铰链、4-门体组件、5-门面、6-控盒、7-底板组件。工程师在设计微波炉过程中，对于单个零部件的尺寸公差设定往往只凭经验，而当多个部件装配成整机后，公差叠加会对微波炉的间隙与段差产生很大影响。故尺寸公差设定不当会导致微波炉间隙与段差过大，甚至引发部件干涉或微波泄漏等严重产品缺陷。

当前，对于复杂部件的公差仿真分析国内外一般采用CETOL软件进行，廖勇军，王芳芳等以变速箱的油封工装为研究对象，通过在CETOL中建立对应的仿真模型，找出了现有产品同轴度超差原因[1]。李万莉，丁云霞对集装箱跨运车的下横梁与立柱模块进行的公差优化设计，提出了装配成功率高达98%的装配方案，节约了成本[2]。张晓飞，马继伟等对空调蒸发器进行研究，通过优化管板的孔直径公差，解决了管板与铜板装配间隙大的问题[3]。

在目前的公差仿真研究中，专门针对微波炉的研究较为少见，通过CETOL软件对微波炉间隙段差值进行仿真研究，可以为工程师在设计零部件时提供很好的理论依据，避免设计时过分依赖经验；也可以结合仿真结果，对现有平台产品的部件进行合理的尺寸优化，从而改善产品外观，提升产品市场竞争力，具有很强的实用价值与工程指导意义。

2 公差设计理论

公差设计的主要任务是求解封闭环与组成环的基本尺寸及其公差之间的关系问题。而计算机辅助公差设计主要有极值法与统计分析法两类方法。

2.1 极值法

极值法的计算公式为：

式中：T0为封闭环公差；ξi为传递系数；Ti为组成环公差。

采用这种方法的缺陷在于每个零部件需要严密配合才可100%满足使用要求，会较大提升制造成本与部件报废率。

2.2 统计分析法

统计分析法利用了统计学知识，在保证装配质量的情况下提高设计弹性，降低制造成本。让部件在弹性公差范围内满足要求。

统计分析法计算封闭环公差公式为：

敏感度表示装配尺寸链中各个组成环的尺寸变化对于装配效果的影响程度，而贡献度表示装配尺寸链单个组成环尺寸公差对于封闭环尺寸公差的贡献程度大小。利用统计法计算的贡献度公式为：

3 仿真模型建立与分析

微波炉的三维仿真模型如图2所示，涉及间隙与段差的外观面有A面，B面，D面，E面。

表征微波炉间隙与段差的物理量如图3所示，分别为A缝间隙、B缝间隙、D缝间隙、E缝间隙，A面高低段差、B面高低段差、D面高低段差、E面前后段差。其具体计算公式与标准值如表1所示。

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表1 间隙段差指标表

图1 微波炉关键零部件结构示意图

图2 微波炉三维仿真模型

图3 微波炉间隙段差示意图

图4 微波炉E面前后段差尺寸分布图

图5 门控A缝间隙尺寸分布图

图6 门控E缝间隙尺寸分布图

图7 关键尺寸图示

表2 CETOL间隙段差仿真结果

表3 各零部件尺寸的贡献度分布（截选）

表4 尺寸公差修正表

表5 优化后间隙段差仿真结果

图8 优化后门控E缝前后段差尺寸分布图

图9 优化后门控A缝间隙尺寸分布图

图10 优化后门控E缝间隙尺寸分布图

仿真模型满足以下假设：（1）组成微波炉的各个部件或组件不会发生热变形或焊接偏位，如腔体组件、门体、底板组件等；（2）所有零部件的公差分布均满足正态分布；（3）对间隙段差影响不大的零部件可在仿真模型中省略，如安装于腔体内壁的磁控管、变压器、导风罩、转盘电机、旋钮等部件；（4）所有零部件的公差均在图纸标注范围内。最终的仿真模型包含18个零部件，98个尺寸公差及形位公差。

依据各个零部件的装配关系，设定好对应的连接副与约束类型，依据图纸输入对应零部件的尺寸公差及形位公差。仿真结果如表2所示，根据表2可知：初始设计状态炉门控盒正面E面前后段差、外罩炉门A缝间隙差、炉门控盒E缝间隙差的sigma水平较低，分别只有0.55，0.71，1.61；而其他5个外观间隙与段差指标则sigma水平与装配成功率较高。

炉门控盒正面E面前后段差、外罩炉门A缝间隙、炉门控盒E缝间隙的具体尺寸分布图如图4～图6所示。由图可知：

（1）微波炉的E面前后段差实际为-2.7mm～2.7mm之间，段差标准值为-0.5mm～0.5mm，装配成功率只有41.8%；

（2）外罩炉门A缝间隙实际间隙为-1.1～3.1mm之间，间隙标准值为0.5～1.5mm，装配成功率为52.36%;

（3）炉门控盒的E缝间隙实际为0.3mm～2.1mm，间隙标准值为0.7mm～1.7mm，实际值与标准值较前两个指标较为接近，装配成功率为89.36%。

4 优化方案

上述三个间隙与段差指标偏低的主要原因是微波炉的构成部件较复杂，尺寸链较多，较难直接采用理论分析，尺寸公差的设定多凭经验，缺少系统理论计算，公差经多级累积，导致指标值较差，为改善以上三个间隙与段差指标，需对相应的零部件尺寸公差进行优化，以炉门控盒E面前后段差为例，各零部件尺寸的贡献度分布从高到低排序部分截选如表3所示，不同零部件对应不同的仿真模型图号，每个模型拥有若干个特征，不同特征之间建立有尺寸约束，根据贡献度的高低分布表，可判断出对间隙段差指标影响较大的关键尺寸所在的零部件位置以及对应公差值，由表3可知，贡献度靠前的几项关键尺寸中，除门体孔位尺寸164.2±0.1mm因其公差精度已达到±0.1mm，受生产制造水平限制较难进一步调控外，对指标贡献度较大，且可通过工艺水平提升较易调控的尺寸有以下几个：（a）上铰链孔心距8.5mm；（b）上铰链固定孔边距23mm；（c）前板定位孔边距19.9mm；（d）底板定位孔心距24.4mm。几个关键尺寸如图7所示。

对以上关键尺寸进行优化，缩小贡献度大的尺寸公差，具体尺寸公差修正如表4所示。

优化后的间隙段差仿真结果如表5所示，炉门控盒正面E面前后段差、外罩炉门A缝间隙、炉门控盒E缝间隙的具体尺寸分布图如图8～图10所示。由图可知：

（1）微波炉的E面前后段差实际为-1.2mm～1.2mm之间；E面前后段差sigma值由0.55上升至1.18；装配成功率由初始的41.8%，改善至76.16%；

（2）外罩炉门A缝间隙实际间隙为0～2mm之间；A缝间隙sigma值由0.71上升至1.54；装配成功率由初始的52.36改善至87.63%；

（3）炉门控盒的E缝间隙实际为0.4mm～2mm；E缝间隙sigma值由1.61上升至1.81；装配成功率由初始的89.36%改善至93.02%。

通过优化上铰链孔心距、上铰链固定孔边距、前板定位孔边距、底板定位孔心距等几个关键尺寸对以上三个间隙段差指标改善效果明显，通过提升生产制造水平，提高加工精度可较好达到紧缩公差带的要求。

5 结论

（1）制定了微波炉间隙与段差的评价指标，在CETOL软件中构建微波炉的公差仿真模型，考虑了尺寸公差与形位公差对微波炉的影响，通过仿真数据表明：在原始设计状态下，炉门控盒正面E面前后段差、外罩炉门A缝间隙差、炉门控盒E缝间隙差三项指标偏低。

（2）根据各尺寸对间隙段差的贡献度分布，并结合实际生产工艺水平，确定对指标影响较大的关键尺寸，通过优化分析，E面前后段差装配成功率涨幅82.2%；外罩炉门A缝间隙装配成功率涨幅67.4%；炉门控盒的E缝间隙装配成功率涨幅4%。

（3）采用此方法对微波炉的间隙段差值进行研究，可为以后设计微波炉零部件，如腔体、门体、铰链等尺寸提供理论支撑，对于关键尺寸需增加品质管控，而对于非关键尺寸可在制造时适当放大公差，降低设备精度要求从而可减少经济成本，具有较大的实用价值。