Tolerance analysis of a wiper blade using the probabilistic approach

Engineers are aware that uncertainties in the dimension of manufactured products cannot be avoided, i.e. mechanical components manufactured using the same tools and the same raw materials have slightly different shapes; and their dimensions are also different from the designer's request. Tolerance analysis offers a rational framework to study such uncertainties, and allows guaranteeing that the quality associated with the production remains acceptable. This quality is quantified by estimating the defect probability, which is often expressed in parts per million. In this contribution, the probabilistic approach is used, and the dimensions of the components are modeled using random variables. A reliability analysis is then performed to estimate the probability of manufacturing a component which does not meet its functional requirement. The procedure described previously is applied to an industrial problem; the method is developed in collaboration with Valeo Wiper Systems

Tolerance Analysis of Mechanical Parts

The determination of tolerances has a huge impact on the price and quality of products. The objective of tolerance analysis is to provide the widest possible tolerance range of parts, without disturbing the functionality of the assembly. Tolerance analysis should be performed during the design process because then there is still the possibility for change. For the purpose of carrying out the analysis, three methods will be used: Worst Case method, Root Sum Square method and Monte Carlo Simulation. Methods are explained through simple examples and applied on the one-way clutch

Statistical tolerance analysis of a mechanism with gaps based on system reliability methods

One of the aim of statistical tolerance analysis is to evaluate a predicted quality level in the design stage. A method consists in computing the defect probability D P expressed in parts per million (ppm). It represents the probability that a functional requirement will not be satisfied in mass production. This paper focuses on the statistical tolerance analysis of over-constrained mechanism with gaps. In this case, the values of the functional characteristics depend on the gap situations, and are not explicitly formulated as a function of part deviations. To compute D P , two different methodologies will be presented and confronted. The first one is based on an optimization algorithm and Monte Carlo simulations. The second methodology uses system reliability methods. The whole approach is illustrated on a basic academic problem inspired by industrial interests

Statistical tolerance analysis of over-constrained mechanisms with gaps using system reliability methods

One of the aims of statistical tolerance analysis is to evaluate a predicted quality level at the design stage. One method consists of computing the defect probability PD expressed in parts per million (ppm). It represents the probability that a functional requirement will not be satisfied in mass production. This paper focuses on the statistical tolerance analysis of over-constrained mechanisms containing gaps. In this case, the values of the functional characteristics depend on the gap situations and are not explicitly formulated with respect to part deviations. To compute PD, an innovative methodology using system reliability methods is presented. This new approach is compared with an existing one based on an optimization algorithm and Monte Carlo simulations. The whole approach is illustrated using two industrial mechanisms: one inspired by a producer of coaxial connectors and one prismatic pair. Its major advantage is to considerably reduce computation time

Set-based design of mechanical systems with design robustness integrated

This paper presents a method for parameter design of mechanical products based on a set-based approach. Set-based concurrent engineering emphasises on designing in a multi-stakeholder environment with concurrent involvement of the stakeholders in the design process. It also encourages flexibility in design through communication in terms of ranges instead of fixed point values and subsequent alternative solutions resulting from intersection of these ranges. These alternative solutions can then be refined and selected according to the designers’ preferences and clients’ needs. This paper presents a model and tools for integrated flexible design that take into account the manufacturing variations as well as the design objectives for finding inherently robust solutions using QCSP transformation through interval analysis. In order to demonstrate the approach, an example of design of rigid flange coupling with a variable number of bolts and a choice of bolts from ISO M standard has been resolved and demonstrated

A precision analysis method for the kinematic assembly of complex products based on equivalence of deviation source

Purpose: The assembly quality of complex products is pivotal to their lifecycle performance. Assembly precision analysis (APA) is an effective method used to check the feasibility and quality of assembly. However, there is still a need for a systematic approach to be developed for APA of kinematic mechanisms. To achieve more accurate analysis of kinematic assembly, this paper aims to propose a precision analysis method based on equivalence of the deviation source. Design/methodology/approach: A unified deviation vector representation model is adopted by considering dimension deviation, geometric deviation, joint clearance and assembly deformation. Then, vector loops and vector equations are constructed, according to joint type and deviation propagation path. A combined method, using deviation accumulation and sensitivity modeling, is applied to solve the kinematic APA of complex products. Findings: When using the presented method, geometric form deviation, joint clearance and assembly deformation are considered selectively during tolerance modeling. In particular, the proposed virtual link model and its orientation angle are developed to determine joint deviation. Finally, vector loops and vector equations are modeled to express deviation accumulation. Originality/value: The proposed method provides a new means for the APA of complex products, considering joint clearance and assembly deformation while improving the accuracy of APA, as much as possible.Natural Science Basic Research Project of Shaanxi Province, China (Grant Nos. 2019JM-435 and 2019JM-073), the China Postdoctoral Science Foundation (Grant No. 2018M633439) and the Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment (Chang’an University), MOE (Grant No. 300102258506)

Probabilistic-based approach using Kernel Density Estimation for gap modeling in a statistical tolerance analysis

The statistical tolerance analysis has become a key element used in the design stage to reduce the manufacturing cost, the rejection rate and to have high quality products. One of the frequently used methods is the Monte Carlo simulation, employed to compute the non-conformity rate due to its efficiency in handling the tolerance analysis of over-constrained mechanical systems. However, this simulation technique requires excessive numerical efforts. The goal of this paper is to improve this method by proposing a probabilistic model of gaps in fixed and sliding contacts and involved in the tolerance analysis of an assembly. The probabilistic model is carried out on the clearance components of the sliding and fixed contacts for their assembly feasibility considering all the imperfections on the surfaces. The kernel density estimation method is used to deal with the probabilistic model. The proposed method is applied to an over-constrained mechanical system and compared to the classical method regarding their computation time

Tuotemallien tarkistuksen metriikan kehitys ja automaatio

A lot of interest and research has been focused on product quality and it is recognized as a crucial aspect of engineering. The quality of product models can also be seen as essential in engineering workflow especially in systems based on downstream data. Model quality effects not only the models accuracy and modifiability but also the agility of the whole engineering systems. Careful and thorough verification plays an important part in effecting product model quality. Verifying product models and designs manually can be laborious and time-consuming process. By automating parts of the verification process, benefits can be seen in the time frame and end results of the verification. The goal of the thesis is to develop metrics and automation for product model verification. Development of metrics is executed by researching literature for model quality metrics and construct a set of metrics for the company. Furthermore, the possibilities of product model verification automation are studied and a working automated model verification tool shall be created based on the metrics. The tool is intended be used in the current modeling environment. The outcomes of this thesis are a list of product quality dimensions with their corresponding metrics and a customized PTC ModelCHECK check that can automatically identify issues in product models. Quality dimensions were identified based on company needs and literature research. ModelCHECK platform was chosen for verification tool development as the software is readily available for the company which means it is a cost-effective way of utilizing automated product model verification in current design environment.Tuotteiden laatuun on jo pidemmän aikaa kiinnitetty paljon huomiota insinööriprosesseissa ja tutkimuksessa. Myös tuotemallien laatu voidaan nähdä insinöörityön kannalta elintärkeässä asemassa, erityisesti systeemeissä jotka perustuvat alaspäin virtaavaan tietoon. Mallien laatu vaikuttaa muun muassa sen tarkkuuteen ja muokattavuuteen sekä koko mallinnus- ja suunnittelujärjestelmän ketteryyteen. Huolellinen ja läpikotainen tarkistus on tärkeä osa tuotemallien laadun kehittämistä. Mallien manuaalinen tarkastaminen voi olla työlästä ja aikaavievää. Käyttämällä automaatiota tarkistuksen apuna, voidaan saavuttaa etuja tarkistuksen nopeudessa ja lopputuloksessa. Tämän diplomityön tavoitteena on kehittää tuotemallien tarkastuksen metriikkaa ja automaatiota. Metriikan kehitys perustuu kirjallisuustutkimukseen sekä muun muassa haastatteluissa kartoitettuihin yrityksen tarpeisiin. Tavoitteena on luoda tuotemalleille metriikkaa, joita vasten niiden ominaisuuksia voidaan arvioida. Myös tarkistuksen automaatiota tutkitaan ja tavoitteena on luoda automaattinen työkalu, jota voidaan käyttää yrityksen tämän hetkisessä suunnittelujärjestelmässä. Tutkimuksen lopputuloksena syntyi lista tuotemallien laadun ulottuvuuksista niihin liitetyillä metriikoilla ja metriikan mukainen PTC ModelCHECK tarkistuspohja 3D-malleille, joka löytyy automaattisesti virheitä malleista. ModelCHECK valittiin työkaluksi, koska se on valmiiksi saatavilla yrityksen nykyisessä mallinnusjärjestelmässä, joilloin automatisointi on erittäin kustannustehokasta

Current Sensor-less Battery Internal State Estimation Using Cell Voltage

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2016. 2. 조보형.배터리 관리 시스템(battery management system)은 배터리의 전압, 전류, 온도 정보를 이용하여 배터리의 잔존용량(SOC, state-of-charge), 노화 상태(SOH, state-of-health)를 추정하며, 배터리를 안전한 영역에서 동작할 수 있도록 감시, 보호하고 현재 상태를 외부에 제공한다. 그중에서도 배터리의 상태 추정 알고리즘을 통해서 얻은 정보는 효율적인 시스템 사용을 위한 배터리의 충방전 계획 수립 및 결정에 직접적으로 영향을 미치므로 정확한 추정 결과는 배터리 관리 시스템의 가장 중요한 요소 중 하나이다. 하지만 사용하는 기기의 특성에 따라 이러한 중요 요소의 우선순위는 달라질 수도 있다. 소수의 셀(cell)을 사용하는 휴대용 기기의 경우, 배터리에 상대적으로 단순한 충방전 부하 프로파일(load profile)이 인가되며, 전체 동작 시간 대비 실사용 시간이 대기(standby) 시간에 비해 짧다. 이러한 특징으로 인해 대기 시간 동안 내부 상태 추정 오차를 보정할 수 있으므로 배터리 상태 추정 알고리즘을 구현하는데 있어 아주 정확한 추정보다는 알고리즘의 간단성, 구현의 편의성, 적은 소모전력과 같은 목표가 상대적으로 중요하다. 반면, 다수의 셀을 직병렬 구조로 사용하는 기기는 대용량의 전력과 에너지를 처리하며 배터리의 교체가 쉽지 않기 때문에 보다 정밀한 상태 추정을 통한 지속적이면서도 안전한 배터리 사용이 필요하다. 하지만 정확도가 높은 배터리의 내부 상태 추정은 상당히 복잡한 배터리 모델과 알고리즘을 사용하기 때문에 전체 시스템의 계산량과 알고리즘 추정 성능 간의 타협이 필요하다. 본 논문에서는 배터리 전기 회로 모델 기반의 필터(electric circuit model-based filter)를 사용하여 추가적인 전류 정보 없이 배터리의 셀 단자 전압(terminal voltage)을 필터링하여 배터리에 인가된 전류 및 SOC 정보를 추정하는 알고리즘을 제안한다. 제안한 알고리즘을 실제 배터리에 적용하는 과정을 통해 알고리즘의 간단성 및 구현의 편의성에 대해서 논의한다. 또한, 제안한 셀 상태 추정 알고리즘은 배터리 팩의 각 셀에 적용하면 셀 간 편차에 관한 정보를 줄 수 있으므로, 배터리 팩의 상태 추정에 영향을 끼칠 수 있는 셀을 판별하여 배터리 팩의 상태 추정에서 불필요한 계산량을 줄여 주는 알고리즘으로도 사용할 수 있다. 이를 위해 배터리의 간단한 모델 구축, 파라미터 추출 방법 및 전체 구현 과정에 대해 논의하고 정전류(constant current) 프로파일 및 축소화된 하이브리드 자동차(HEV, hybrid electric vehicle) 프로파일을 이용하여 알고리즘의 추정 결과를 제시한다. 추가로 제안한 셀 상태 추정 방법의 확장성을 가늠하기 위해 다양한 조건에서 알고리즘의 성능을 분석하고 발생할 수 있는 문제점 파악 및 가능한 해결책을 제시한다. 먼저 배터리의 파라미터 허용오차(tolerance)로 인해 나타나는 파라미터 간극이 알고리즘의 성능 및 특성에 끼치는 영향을 통계 분석 도구인 몬테카를로 방법(Monte Carlo method)을 이용하여 확인한다. 두 번째로 온도, 배터리의 노화, SOC, 전류 크기에 따른 모델 파라미터의 변화를 실험을 통해 확인하고 추정 성능 향상을 위한 수정된 모델을 제시한다. 세 번째로 배터리의 전극 물질에 따른 특성 차이를 반영하기 위해 다양한 종류의 리튬 이온 배터리의 파라미터 추출 실험을 진행하고, 리튬 계열 배터리 중 가장 다른 특성을 보이는 리튬 인산철(LFP, lithium iron phosphate) 배터리에 알고리즘을 적용한다. 마지막으로 부하 프로파일의 주파수 특성에 따라 배터리 모델의 한계점 유무를 이산 웨이블릿 변환(DWT, discrete wavelet transform)의 다해상도 분석(MRA, multi-resolution analysis)을 이용해 확인한다. 전류 센서리스 기반의 배터리 내부 상태 추정 알고리즘은 배터리의 외부, 내부 요인으로 인해 구동 범위가 제한되며 단독으로 사용 시 배터리의 특성 변화를 직접 알고리즘에 반영해줄 수 없다는 약점이 존재한다. 하지만 이러한 한계에도 불구하고 이 기법은 적은 계산량, 알고리즘의 간단성으로 인해 알고리즘을 탑재하는 공간의 제약이 존재하는 휴대용 기기 시스템, 정밀한 상태 추정을 위한 간단한 셀 간 편차 분석이 필요한 대용량 전기 자동차 시스템, 상대적으로 저렴한 가격이 목표인 소규모의 가정용 에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System)에 적용할 수 있다.제 1 장 서 론 1 1.1 연구의 배경 1 1.2 연구의 목적 및 범위 4 1.3 논문의 구성 8 제 2 장 배터리 관리 시스템 10 2.1 휴대용 기기의 배터리 관리 시스템 12 2.1.1 구성 요소 12 2.1.2 소수 셀용 배터리 관리 시스템의 목표 13 2.2 대용량 기기의 배터리 관리 시스템 15 2.2.1 구성 요소 및 배터리 관리 시스템 구조 15 2.2.2 직병렬 배터리 팩용 배터리 관리 시스템의 목표 17 2.2.3 직병렬 배터리 팩용 셀 진단 알고리즘의 의미 20 2.3 배터리 관리 시스템에서 간단한 알고리즘의 필요성 21 제 3 장 배터리 단자 전압 필터링을 통한 배터리 관리 시스템 22 3.1 배터리 등가 회로 모델 및 등가 파라미터 추출 22 3.1.1 배터리 용어 정리 22 3.1.2 배터리 등가 모델 25 3.1.3 배터리 파라미터 추출 27 3.2 배터리 단자 전압 필터링을 통한 배터리 셀 상태 추정 알고리즘 32 3.2.1 알고리즘 동작 설명 32 3.2.2 실험 세트 구성 및 실험 결과 분석 방법 40 3.2.3 검증 실험 프로파일 42 3.2.4 배터리 등가 모델 형태에 따른 특성 비교 48 3.3 배터리 팩 관리 장치용 셀 간 불균형 판단 알고리즘 50 3.3.1 셀 간 차이를 분석하는 불균형 판단 알고리즘 50 3.3.2 실험 세트 구성 및 실험 결과 분석 방법 58 3.3.3 검증 실험 프로파일 및 실험 과정 60 3.4 간단한 배터리 팩 상태 추정 알고리즘 74 3.4.1 배터리 OCV–SOC 구간 설정을 통한 배터리 팩 사용 범위 결정 74 3.4.2 배터리 팩의 SOC 추정 결과 76 제 4 장 배터리 모델 차이에 따른 제안한 배터리 관리 시스템의 성능 분석 79 4.1 모델 파라미터 허용 오차에 따른 성능 분석 80 4.2 배터리 모델 간략화에 따른 성능 분석 89 4.2.1 온도 변화에 따른 배터리 모델 90 4.2.2 노화시 배터리 모델 99 4.2.3 SOC 및 전류 크기에 따른 임피던스 변화 고려 110 4.3 배터리 종류에 따른 모델 및 알고리즘 고려 112 4.3.1 LFP 배터리 모델링 116 4.3.2 LFP 배터리에 배터리 단자 전압 필터링 알고리즘 고려 122 4.4 시스템의 부하 프로파일에 따른 성능 분석 123 4.4.1 부하 프로파일의 주파수 분석 과정 124 제 5 장 결 론 131 5.1 결론 131 5.2 향후 과제 133 참고문헌 135 부 록 145 A.1 배터리 랜들스 모델 및 모델 간략화 과정 [51] 145 A.2 배터리 OCV–SOC 테이블 정리 과정 148 A.2.1 OCV–SOC 관계의 hysteresis 점검 148 A.2.2 OCV–SOC 테이블 제작 과정 149 Abstract 151Docto