47
Dr Tafesse Gebresenbet AAiT AAU AAiT , AAU

Tolerance Design and Analysis Part II

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Tolerance Design and Analysis Part II

Dr Tafesse GebresenbetAAiT  AAUAAiT, AAU

Page 2: Tolerance Design and Analysis Part II

References

C li  C M  T l  D i    h db k f  d l i  1. Creveling, C.M., Tolerance Design; a handbook for developing optimal specifications,1996, Addison Wesley

2. Fortini, Dimensioning for interchangeable Manufacture, 2. Fortini, Dimensioning for interchangeable Manufacture, 1967,Industrial press

3. Ken Chase, Basic tools for tolerance analysis of Mechanical A bli  Assemblies, 2001

4. Bjorke, Computer aided tolerancing, 2nd edition, 1992, Library of Congressof Congress

5. Kai Yang &  Basem Al Haik, Design for Six Sigma: A road map for product development.2003, McGraw‐Hill

6. Paul J. Drake, Jr., Dimensioning and Tolerancing Handbook, McGraw‐Hill, 1999

Dr. Tafesse Gebresenbet 2

Page 3: Tolerance Design and Analysis Part II

Lecture outline

T l  A l i  (P  II)Tolerance Analysis (Part II)Comparison of Tolerance stack‐up modelsStatistics to predict rejects Statistics to predict rejects Percent contribution Numerical examplespTolerance analysis of assemblies Tolerance accumulationMontecarlo simulation Models for Tolerance accumulations

Dr. Tafesse Gebresenbet 3

Page 4: Tolerance Design and Analysis Part II

Tolerance analysis 

One of the effective tools of Dimensional variation management is tolerance analysis Tolerance analysis is a quantities tool for predicting the 

l ti   f  i ti  i     bl  b   f i     t kaccumulation of variation in an assembly by performing a stack‐up analysis 

1. Identifying dimensions which chain together to control a critical assembly dimension or feature critical assembly dimension or feature 

2. The mean, or average, assembly dimension is determined by summing the mean of dimensions in the chain 

3. The variation in the assembly dimension is estimated by 3. The variation in the assembly dimension is estimated by summing the corresponding component variations. “stack‐up”

4. The predicted assembly variation is compared to the engineering limits to estimate the number of rejects, or 

f i   bli  nonconforming assemblies 5. Design or production changes may be made after evaluating 

the results of the analysis.

4Dr. Tafesse Gebresenbet

Page 5: Tolerance Design and Analysis Part II

Tolerance analysis 

The four most popular models of tolerance stack‐ up are listed below with their advantages and their limitations.

5Dr. Tafesse Gebresenbet

Page 6: Tolerance Design and Analysis Part II

Comparison of tolerance stack‐up models

The two most common stack‐up models are: Worst Case (WC). 

Computes the extreme limits by summing absolute values of tolerances to obtain the worst combination of over and undersize partspIf the worst case is within assembly tolerance limits, there will be no rejected assemblies.For given assembly limits, WC will require the tightest part tolerance. Thus it is the most costly 

6Dr. Tafesse Gebresenbet

Page 7: Tolerance Design and Analysis Part II

Comparison of tolerance stack‐up models

Statistical (RSS)Adds variations by root‐sum‐square (RSS), since it 

id   b biliti   f th   ibl   bi ti  th  considers probabilities of the possible combinations, the predicted limits are more reasonableRSS predicts the statistical distribution of the assembly p yfeature, from which percent rejects can be estimated. It can also account for static mean shifts.

7Dr. Tafesse Gebresenbet

Page 8: Tolerance Design and Analysis Part II

Comparison of tolerance stackup modelsE l   Example.  

An assembly has nine component of equal precision, such that the same tolerance Ti may be assumed for each. Predict assembly variationsvariations.

WC:    TASM = Σ | Ti | = 9 x 0.01 = ± 0.09

RSS: TASM =  ( ) 03.001.09 22 ±=×=∑ iT

( ± denotes a symmetric range of variations) Th f  WC  di t   h    i ti  th  RSS  Th  Therefore, WC predicts much more variation than RSS. The difference is even greater as the number of components dimension in the chain increases) 

8Dr. Tafesse Gebresenbet

Page 9: Tolerance Design and Analysis Part II

Comparison of tolerance stackup modelsE l   Example.  

An assembly has nine component of equal precision, such that the same tolerance Ti may be assumed for each. Predict assembly variationsvariations.

WC:    TASM = Σ | Ti | = 9 x 0.01 = ± 0.09

RSS: TASM =  ( ) 03.001.09 22 ±=×=∑ iT

( ± denotes a symmetric range of variations) Th f  WC  di t   h    i ti  th  RSS  Th  Therefore, WC predicts much more variation than RSS. The difference is even greater as the number of components dimension in the chain increases) 

9Dr. Tafesse Gebresenbet

Page 10: Tolerance Design and Analysis Part II

Comparison of tolerance stack‐up models

Example Suppose TASM =± 0.09 is specified as a design requirement. The stack‐up analysis is reversedThe stack up analysis is reversed.

The required component tolerance are determined from h bl lthe assembly tolerance, 

WC: 01009.0±== ASM

iT

TWC:

RSS:

01.099

±iT

03.0309.0

9±=== ASM

iT

T

Here we find that the WC requires tighter tolerances than RSS to meet an assembly requirement  RSS to meet an assembly requirement  

10Dr. Tafesse Gebresenbet

Page 11: Tolerance Design and Analysis Part II

Statistics to Predict Rejects 

All manufacturing processes produce random variations in each dimension. If      h  t  d k  t k  f h      If one measures each part and keeps track of how many are produced at each size, you could make a frequency plot, as shown below

Normal or  Gaussian distributionμ‐mean σ‐ standard deviation σ standard deviation UL & LL – upper and lower limits of size ±3σ ‐ process capability

Frequency plot of size distribution for a process with random error

11Dr. Tafesse Gebresenbet

Page 12: Tolerance Design and Analysis Part II

Statistics to Predict Rejects 1 Perform a tolerance stack‐up analysis to calculate the mean and standard 1. Perform a tolerance stack up analysis to calculate the mean and standard 

deviation of the assembly dimension X, which has design requirements XULand XLL

2. Calculate the number of standard deviations from the mean to each limit:

X

LLLL

X

XULXUL

XXZZ σσ

−== −

3. Using standard normal tables, look up the fraction of assemblies lying between ZLL and ZUL ( the area under the curve). This is the predicted yield, or faction of assemblies which will meet requirements. The fraction lying 

t id  th  li it  i  (   i ld)  Th    th   di t d  j t   ll  outside the limits is (1.0 – yield). These are the predicted rejects, usually expressed in parts per million 9ppm). (note that the standard tables list only positive Z, since the normal distribution is symmetric)

12Dr. Tafesse Gebresenbet

Page 13: Tolerance Design and Analysis Part II

Percent contribution

Another valuable, yet simple evaluation tool is the percent contribution.By calculating the percent contribution that each variation By calculating the percent contribution that each variation contributes to the resultant assembly variations, designers and manufacturing personnel can decide where to concentrate their quality improvement effortsconcentrate their quality improvement efforts.The contribution is just the ratio of a component standard deviation to the total assembly standard deviation

WC:ASMTTCont 100% =

RSS2

2100%

ASM

iContσ

σ=

13Dr. Tafesse Gebresenbet

Page 14: Tolerance Design and Analysis Part II

ExampleE l  Example: 

A clearance must be maintained between the rotating shaft and bushing shown in the figure. The minimum clearance must not be less than 0.001 inches. The max is not specified. Nominal dimension and tolerance for each part are The max is not specified. Nominal dimension and tolerance for each part are given in the table below .

The first step involves converting the given dimensions and tolerances to centered dimensions and symmetric tolerances.This is a requirement for statistical tolerance analysisThe resulting centered dimensions and symmetric tolerances are listed in the last two columns.

14Dr. Tafesse Gebresenbet

Page 15: Tolerance Design and Analysis Part II

ExampleThe next step is to calculate the mean clearance and variation The next step is to calculate the mean clearance and variation about the mean. The variation about the mean is calculated both by WC and RSS stack‐up, for comparison up, for comparison Mean Clearance: 

WC variation: 

inSBC 0032..07478.07510.0 =−=−=

inTTT SBc 0016.00006.00010.0 =+=+=WC variation: 

RSS variation:

SBc ...

inTTT SBc 00117.00006.00010.0 2222 =+=+=

(Note that the component tolerances are summed )The predicted range of tolerance is C= 0.0032±0.00117 in (RSS) or, Cmax=0 0044, Cmin=0 00203 in Cmax=0.0044, Cmin=0.00203 in Note that Cmax and Cmin are not absolute limits. They represent the ±3σ limits of variations. It is the overall process capability of this assembly process calculated from process capabilities of each of y p p pthe component dimensions is the chain

15Dr. Tafesse Gebresenbet

Page 16: Tolerance Design and Analysis Part II

Example

The next question to answer is how many assemblies will have a clearance less than 0.002 in ?To answer this question, we first must calculate ZLL in terms of q , LLdimensionless σ units The corresponding yield is obtained by table lookup in a math table or by using a spreadsheet, such as Microsoft EXCEL:y g p ,

σC =    inTc 00039.03

=

ZLL =  σσ

087.300039.0

0032.0002.0−=

−=

C

CLL

The results from EXCEL are Yield = NORMSDIST(ZLL) = 0.001011 Or , 99.8989 percent good assemblies 1011 ppm (parts per million 

rejects) (Here only ZLL was only needed, since there was no upper limit specified) 

16Dr. Tafesse Gebresenbet

Page 17: Tolerance Design and Analysis Part II

How to account for mean shifts?

I  i     i  i   i i l  l   l i  It is common practice in statistical tolerance analysis to assume that the mean of the distribution is stationary, located at the midpoint b/n the LL and UL. y pThis is generally not true.

All processes shift with time due to numerous causes such as;  tool wear, thermal expansion, operators error, fixture errors, setup errors, setup differences from batch to batch, material properties differences etc.batch to batch, material properties differences etc.

A shift in the nominal dimension of any part in the chain can throw the whole assembly off center by a can throw the whole assembly off center by a corresponding amount. 

Dr. Tafesse Gebresenbet 17

Page 18: Tolerance Design and Analysis Part II

How to account for mean shifts?Wh  th     f th  di t ib ti   hift   ff t  it     When the mean of the distribution shifts off‐center, it can cause serious problems. More of the tail of the distribution is shoved beyond the limit, increasing the number of rejects.

Te slope of the curve steepens as you move the mean toward the limit, so the rejects can increase dramatically 

Mean shift can become the dominant sources of rejects, and no j ,company can afford to ignore them.

Normal distribution with a mean shift causes an increase in rejects 

Dr. Tafesse Gebresenbet 18

Page 19: Tolerance Design and Analysis Part II

How to account for mean shifts?

Th      ki d   f    hif  There are two kinds of mean shifts 1. Static mean shifts, which occurs once, and affect every part 

produced thereafter with a fixed error, causing fixed errorp , g

2. Dynamic mean shifts which occur gradually overtime. They may drift in one direction, or back and forth. 

l l d l l lOvertime, large‐scale production requires multiple setups, multi‐cavity molds, multiple suppliers etc.

To model the effective or static mean shifts, one simply alters the p ymean value of one or more of the component dimensions.

If you have data of actual mean shifts, that is even better. When you calculate the distance from the mean to LL and UL in σ units, you calculate the distance from the mean to LL and UL in σ units, you can calculate the rejects at each limit.

Dr. Tafesse Gebresenbet 19

Page 20: Tolerance Design and Analysis Part II

How to account for mean shifts?M d li  d i     hift   i   lt i  th  t l  Modeling dynamic mean shifts requires altering the tolerance stack‐up model. 

Instead of estimating the standard deviation σi of the dimensional tolerances form Ti = 3 σi, as in conventional RSS tolerance analysis, a modified form is used to account for higher quality level processes:

where Cp is the process capability indexiPi iCT σ3=

LLULC p−

=

If the UL and LL correspond to ±3σ of the process, then the difference UL‐LL= 6σ, and Cp will be 1.0. Thus, a Cp of 1.0 

σ6p

, p , p fcorresponds to a moderate quality level of ±3σ . 

If the tolerance corresponds to ± 6σ, UL‐LL = 12σ, and Cp =2.0, corresponding to an “extremely high quality level” of ± 6σcorresponding to an  extremely high quality level  of ± 6σ

Dr. Tafesse Gebresenbet 20

Page 21: Tolerance Design and Analysis Part II

How to account for mean shifts?Th   i  Si   d l f  t l   t k   t  f  b th hi h The six Sigma model for tolerance stack‐up accounts for both high quality and dynamic mean shift by altering the stack‐up equation to include the Cp and a drift factor k for each dimension in the chain.

∑⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

−=

2

)1(3 ip

iASM kC

T

i

σ

As Cp increase, the contribution of that dimension decreases, causing σASM  to decrease. The drift factor kmeasures how much  the mean of a distribution has been observed  to drift during production .

The figure shows that k corresponds to the shift in the mean as a percent of the tolerance. If there Is no data, it is usually set to k=0.25.  The six sigma model uses a drift factor k and ± 6σ Limits to simulate high quality levels. 

Dr. Tafesse Gebresenbet

Also note  That k is a fraction b/n  0 & 1.0

21

Page 22: Tolerance Design and Analysis Part II

Tolerance allocation methods T l  All ti  M th dTolerance Allocation Methods

The rational allocation of component tolerances requires the establishment of some rule upon which to base the allocation. The following are examples of useful rules  The following are examples of useful rules: 

Allocation By Proportional ScalingThe designer begins by assigning reasonable component tolerances based on process or design guidelines.He then sums the component tolerances to see if they meet He then sums the component tolerances to see if they meet the specified assembly tolerance. If not, he scales the component tolerances by a constant proportionality factor  proportionality factor. In this way the relative magnitudes of the component tolerances are preserved. 

Dr. Tafesse Gebresenbet 22

Page 23: Tolerance Design and Analysis Part II

Examples

Th  f ll i   l  i  b d    h   h f   d h i  The following example is based on the shaft and housing assembly shown in figure below. Initial tolerances for parts B, D, E, and F are selected from tolerance guidelines p gfor the turning process, such as figure 2.

Dr. Tafesse Gebresenbet 23

Page 24: Tolerance Design and Analysis Part II

ExamplesE h di i  i   bj t t   i tiEach dimension is subject to variation.Variation  accumulate through the chain, causing the clearance to vary as the resultant of sum of variations. h   i l  d    l  li i  f   h     The nominal and process tolerance limits for each one are 

listed in the Table corresponding to the figure.The design requirement for the clearance U is give below. Th     d l  li i   f  l  U   d i d b  The upper rand lower limits of clearance U are determined by the designer, from performance requirements.Such assembly requirements are called Key Characteristics. Th     i i l  bl  f   hi h  ff  They represent critical assembly features, which affect performance 

Thus  Design requirement (U) = 0.020 ± 0.015 in 

Initial design tolerance for dimensions B, D, E and F are selected t a des g to e a ce o d e s o s , , a d a e se ectedfrom a tolerance chart  (Figure 2 below)

Dr. Tafesse Gebresenbet 24

Page 25: Tolerance Design and Analysis Part II

Examples

Fig. 2. Tolerance range of machining processesTolerance range of machining processes

Dr. Tafesse Gebresenbet 25

Page 26: Tolerance Design and Analysis Part II

ExamplesTh  t l  f  B  D  E  d F    h  f  th   iddl   f The tolerances for B, D, E and F were chosen from the middle of the range of the turning process, corresponding to the nominal size analysis .Th  di i   f th  b i   d  t i i   i     d  The dimensions of the bearings and retaining ring are vendor supplied, thus tolerances for A, C and G are  fixed

Dr. Tafesse Gebresenbet 26

Page 27: Tolerance Design and Analysis Part II

ExamplesTh   t  t  i  t   l l t  th     l   d  i ti   b t th  The next step is to calculate the mean clearance and variation about the mean. The variation has been calculated both by WC and RSS stack up for comparisons. Thus, the mean (average) clearance is:

U=  020 +/‐ 015 = ‐A + B ‐ C + D ‐ E + F ‐ G U= .020 +/ .015 =  A + B  C + D  E + F  G Average Clearance  = ‐.0505 + 8.000 ‐ .509 + .400 ‐ 7.705 + .400 ‐ .509  = .0265

WC variation WC variation 

 0 0015+0 008 +0 0025 +0 002 +0 006 +0 002 +0 0025

=+++++= GFDCBAU TTTTTTT

= 0.0015+0.008 +0.0025 +0.002 +0.006 +0..002 +0.0025= 0.0245

RSS variation 

0025000200060002000250008000150 2222222

2222222

++++++=

++++++= GFEDCBAU TTTTTTTT

Dr. Tafesse Gebresenbet

01108.00025.0002.0006.0002.00025.0008.00015.0

=++++++

27

Page 28: Tolerance Design and Analysis Part II

ExamplesPart‐per million rejects 

rejectsppmUU

ZU

ULUL 679.103.2

00369.00265.0035.0

⇒=−

=−

= σσ

Th     ib i  h  b   l l d f   ll   

rejectsppmUUZU

LLLL 0030.082.5

00369.00265.0005.0

⇒−=−

=−

= σσ

The percent contribution has been calculated for all seven dimension for both WC and RSS. A plot of the results is shown below. RSS is greater because it is the square of the ratio of the variation

ASMTTCont 100% =

2

2100%

ASM

iContσ

σ=

Dr. Tafesse Gebresenbet 28

Page 29: Tolerance Design and Analysis Part II

ExamplesIn this example it was observed that there is a mean shift of 0 0065 In this example it was observed that there is a mean shift of 0.0065 from the target value i.e, = 0.0265. Thus 0.020 in , midway between LL and UL. The analysis illustrates the effect of the mean shift – a large increase The analysis illustrates the effect of the mean shift  a large increase in rejects at the upper limit and reduced reject at the lower limit To correct the problem, we must modify one or more nominal values of the dimensions B, D, E or F, since A, C and G are fixed.Correcting the problem is more challenging. Simply changing a callout on a drawing to center the mean will nom make it happen.The mean value of a single dimension is the average of many produced 

 parts. Machinist cannot tell what the mean is until they have made many parts. They must account for tool wear, temperature changes  setup errors  etc  The cause of the problem must be changes, setup errors, etc. The cause of the problem must be identified and corrected. It may require tooling careful monitoring of the target value and the parameters affecting errors.

Dr. Tafesse Gebresenbet 29

Page 30: Tolerance Design and Analysis Part II

ExamplesI   i   f l  l i   f  ll  h  di i  i   h  It requires careful evaluation of all the dimension in the chain to see which is  cost effective to modify. In this case, we have chosen  to increase dimension E by 0.0065 in, to a value of 7.715 in. The results are:

Mean  σASM ZLL Rejects ZUL RejectsσASM LL j UL j

0.020 in 0.01108 in ‐4.06 24  ppm 4.06 24  ppm

This would be a good solution, if we could successfully hold the mean value by better fixturing more frequent tool sharpening, statistical process control and the like.sharpening, statistical process control and the like.

Dr. Tafesse Gebresenbet 30

Page 31: Tolerance Design and Analysis Part II

ExamplesS   h     f  h      b   ll d Suppose the mean of the process cannot be controlled sufficiently. In that case we may choose to adjust the tolerance of one or more dimensions. The largest contributions are dimensions B on the shaft and E on the housing. Thus we reduce them both to 0.004 in with the results 4

Mean  σASM ZLL Rejects ZUL Rejects

6  i   i      

This corresponds to an effective quality level of ± 3.63σ, that is, 

0.0265 in 0.00247  in ‐8.72 0  ppm 3.45 284  ppm

This corresponds to an effective quality level of ± 3.63σ, that is, for  a two‐tailed, centered distribution having the same number of total rejects (142 at each limit)

Dr. Tafesse Gebresenbet 31

Page 32: Tolerance Design and Analysis Part II

Examples –Mixing normal and uniform distributions

S   h   h f  (  B) i  j bb d          h   i h Suppose the shaft (part B) is jobbed out to a new shop, with which we have no previous experience. We are uncertain how much variation to expect. How shall we account for the uncertainty?We could do worst case analysis, but that would penalize the entire assembly for just one part of unknown quality. y j p q yWe could instead resort to a uniform distribution, applied to dimension B, leaving the others normalThe uniform distribution is sometimes called the ‘equal The uniform distribution is sometimes called the  equal likelihood’ distribution. It is rectangular in shape. There are no trials, as with the normalEvery size b/n the upper and lower tolerance limits has an equal probability of occurring. The uniform distribution is conservative. And it predicts greater variation than the normal, but not as great as worst case. 

Dr. Tafesse Gebresenbet 32

Page 33: Tolerance Design and Analysis Part II

Examples –Mixing normal and uniform distributions

F      if  di t ib ti  th  t l  li it     t ±  For a  uniform distribution, the tolerance limits are not ± 3σ, as they are for the normal. They are equal to            .  Thus the stack‐up equation becomes 

σ3±

22

33 ∑∑ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟

⎞⎜⎝

⎛= jiASM

TTσ

Where the first summation is the squares of the σi for the normal distributions and the second sum is for the uniform 

33 ∑∑ ⎟⎠

⎜⎝⎠⎝

f fdistributions. For the example problem, dimension B has upper and lower limits of 8.008 and 7.992 in, respectively, corresponding to the  σ3±99 p y p ghe  limits. We assume the assembly distribution has been centered and the only change is that B is uniform rather than gnormal.

Dr. Tafesse Gebresenbet 33

Page 34: Tolerance Design and Analysis Part II

Examples –Mixing normal and uniform distributions

S b tit ti  th  t l  f  B i  th   d  ti   d Substituting the tolerance for B in the second summation and tolerance for each of the other dimension in the first summation, the results are:

Mean  σASM ZLL Rejects ZUL Rejects

0.020  in 0.00528  in ‐2.84 2243 ppm 2.84 2243  ppm

The predicted rejects assume that the resulting distribution of assembly clearance U is normal. This is generally true if f y g y fthere are five or more dimensions in the stack. Even if all the component dimensions were uniform, the resultant would still approximate a normal distribution. ppHowever, if one non‐normal dimension has a much larger variation than the sum of all the others in the stack, the assembly distribution would be non‐normal

Dr. Tafesse Gebresenbet 34

Page 35: Tolerance Design and Analysis Part II

Examples –Six sigma analysis 

Si  Si   l i    f  l  d if  i   h    Six Sigma analysis accounts for long‐term drift in the mean, or dynamic mean shift, in manufactured parts. It uses the process capability index Cp and drift factor k to simulate the long term spreading of the distributions as discussed earlier, In the following, Six Sigma  is applied to two models of the above In the following, Six Sigma  is applied to two models of the above example. 

1. The first uses Cp =1.0 for comparisons directly with RSS, corresponding to ±3σ quality level  with and without drift corresponding to ±3σ quality level, with and without drift correction.

2. The second case uses Cp=2.0 for comparison of ±6σ quality levels with the ±3σ. 

The results are presented in the Table below , alongside WC and RSS results for comparisons. All centered cases used the modified pnominal's to center the distribution mean.

Dr. Tafesse Gebresenbet 35

Page 36: Tolerance Design and Analysis Part II

Examples –Six sigma analysis Comparison of Tolerance analysis models for the above exampleComparison of Tolerance analysis models for the above example

Non centered cases used a mean shift of 0.0065 in. The RSS –uniform results were not presented before, as this case applied p , ppuniform distribution to all seven dimension for comparison to WC.

Dr. Tafesse Gebresenbet 36

Page 37: Tolerance Design and Analysis Part II

Concluding remarksLimitations of Common Assembly ModelsThe common models for assembly tolerance accumulation have distinct limitations when applied to tolerance allocation: 1. The Worst Limit model results in component tolerances which 

are tight and costly to produce.2. Statistical models allow looser tolerances, but often predict 

higher assembly yields than actually occur in production.3. For assemblies with small numbers of components, or which 

have one component tolerance which is much greater than the remaining components, the common Statistical model can give component tolerances which are tighter than if computed by a Worst Limit model.

4. Statistical models assume manufacturing variations follow a Normal or classic bell‐shaped distribution, symmetrically positioned at the midpoint of the tolerance limits. 

Dr. Tafesse Gebresenbet 37

Page 38: Tolerance Design and Analysis Part II

Concluding remarks

) Th  d     k  i     ibl   k  5) They do not take into account possible skewness or bias which are common in manufactured parts. Bias results in a shift in the nominal dimension. It is particularly harmful, since it can accumulate in an assembly and cause unexpectedly high rejection rates. Virtually all manufacturing processes exhibit bias  Virtually all manufacturing processes exhibit bias. Some processes are more prone to bias than others. Bias can occur from tooling or fixture errors, setup errors or tool wear. 

It may be deliberately introduced during setup to compensate for tool wear or to allow for re‐work. 

It may naturally occur in a process as in thermal shrinkage of It may naturally occur in a process as in thermal shrinkage of molded parts.  Bias is as critical a factor in an assembly model as is the process capability or variance. 

Dr. Tafesse Gebresenbet 38

Page 39: Tolerance Design and Analysis Part II

Tolerance analysis of AssembliesM t  C l  Si l tiMonte Carlo Simulation

Monte Carlo Simulation is a powerful tool for tolerance analysis of mechanical assemblies. 

It can be used for both nonlinear assembly functions and non‐normal distributions. 

It is based on the use of a random number generator to simulate the effects of manufacturing variations on assemblies (see Figure below). ( g )

The biggest disadvantage of the Monte Carlo method is that in order to get accurate estimates it is necessary to generate very large number of samples  and it is computationally very large number of samples, and it is computationally intensive. 

Also if the distributions of the independent variables pchange, the whole analysis must be redone.

Dr. Tafesse Gebresenbet 39

Page 40: Tolerance Design and Analysis Part II

Tolerance analysis of AssembliesM  C l   i l i  Monte Carlo simulation 

Dr. Tafesse Gebresenbet 40

Page 41: Tolerance Design and Analysis Part II

Tolerance AccumulationModels for Tolerance Accumulation

To obtain the tolerance representation models we must calculate the effect of individual tolerances at specific point(s) in mechanical assemblies.

Homogeneous Matrix Transformation Based MethodsThis is a tolerance representation model for assemblies that is similar to tolerance analysis based methods used in robotic applications  to tolerance analysis based methods used in robotic applications. 

A methodology to represent standard Y14.5M‐1982 tolerances using homogeneous matrix transformations is described. 

Matrix transformations represent both nominal relations between parts and the variations caused by geometric deviations allowed by the tolerances. 

Th   l i   l l t  th   t ti ti l  ti t   f th  l ti   f th   thThe analysis calculates the statistical estimate of the location of the nth

part in an assembly starting from the first part or a fixture. 

Most types of tolerance specifications can be represented and analysis can be done using this representation   This  approach is well suited for be done using this representation . This  approach is well suited for CAD integration

Dr. Tafesse Gebresenbet 41

Page 42: Tolerance Design and Analysis Part II

Tolerance AccumulationDi  Li i i  M h d (DLM)Direct Linearization Method (DLM)

This method uses the matrix methods and the root mean sum squares analysis to establish vector loop based models sum squares analysis to establish vector loop based models that estimate the tolerance stack‐up in the assemblies. 

It linearizes the geometric variations in form and gorientation in terms of angular and positional variation. 

The variations in the mechanical assemblies are classified as dimensional variations (lengths and angles), geometric form and feature variations (position, roundness, angularity, etc) and kinematic variations (small adjustments between mating parts).

It is assumed that there is one at least contact point in the bl  assembly. 

Dr. Tafesse Gebresenbet 42

Page 43: Tolerance Design and Analysis Part II

Tolerance analysis of AssembliesVi l J i  M h d  U i  J bi T f iVirtual Joint Methods Using Jacobian Transformations

Tolerances are variations of the functional elements, and  b   id d can be considered 

as small linear and angular displacements of a Functional Element (FE) with respect to their nominal Functional Element (FE) with respect to their nominal position, orientation and form. 

The functional elements are assembly parts on which the The functional elements are assembly parts on which the tolerances are given.

Dr. Tafesse Gebresenbet 43

Page 44: Tolerance Design and Analysis Part II

Tolerance analysis of AssembliesC i d D   f F d  M d lConstrained Degree of Freedom Model

This model specifically supports analysis of tolerances i  th  l  in the loops. 

We can assume that in spatial analysis of mechanisms, h j i t    ki ti   i   t i t   ll b t     each joint, or kinematic pair, restricts all but one or 

two degrees of relative freedom (six in all) between adjacent bodies.

In other words, depending upon the type of coupling, a joint completely restricts k relative freedoms (say), and completely allows 6‐k relative freedoms..

Dr. Tafesse Gebresenbet 44

Page 45: Tolerance Design and Analysis Part II

Tolerance AccumulationV i l T l  R iVectorial Tolerance Representation

This method is one of the easiest as it can convert  bi   t i l t l  i t   t i  ambiguous geometrical tolerances into parametric 

tolerances. 

It   b   il  i t t d i t  CAD b d  t  [W b  It can be easily integrated into CAD based systems [Weber, C., Britten, W., Thome,1998]. 

This type of representation overcomes the main This type of representation overcomes the main drawback in geometrical tolerancing schemes, which is the absence of a sound mathematical representation..

Dr. Tafesse Gebresenbet 45

Page 46: Tolerance Design and Analysis Part II

Tolerance AccumulationG S  M h dGap‐Space MethodAssembly analysis is performed by integrating the density function over a tolerance region or  assembly density function over a tolerance region or  assembly region described in Gap‐space. This method was first proposed in [Zou, Z., Morse, E, 2001]. 

Most of the other tolerancing models have the restriction that the parts are in contact but the gap‐restriction that the parts are in contact but the gapspace model does not have this restriction

Dr. Tafesse Gebresenbet 46

Page 47: Tolerance Design and Analysis Part II

Tolerance AccumulationA t d S  T h iAugmented Space TechniqueThis method evaluates the assemblability of a product based on tolerances and adjustable displacements.j p

The propagations of tolerances are represented in terms of ellipsoids and are calculated using jacobiansterms of ellipsoids and are calculated using jacobiansand sweep operations (Minkowski addition). 

This means that in a multi loop assembly each and every loop is taken individually. 

The tolerance sweeps, and the clearance sweeps are plotted and the assemblability is calculated based on the intersection of both these sweepsthe intersection of both these sweeps.

Dr. Tafesse Gebresenbet 47