基于關鍵特性的數字化容差分配技術研究

◎張睿切 王國輝 韋超

一、基于關鍵特性的數字化容差分配技術概述

當今的制造業企業都在全球化、相互聯系和多變的市場環境中努力提高自己的業績。專用生產線的傳統方法雖然仍在使用/實踐中，但無法應對與市場有關的變化，例如：產品需求的增加、產品變化（例如在生產線上引入新產品）以及系統故障（例如機器故障）以成本效益高或及時的方式。在汽車等大批量制造業中，在數字制造工具的支持下，車間采用了自動化及信息和通信技術，使生產系統更加靈活，能夠應對不穩定的市場需求，產品流動也更加混雜。在航空航天部門，特別是在屬于供應鏈第一層及以下的制造企業，產品數量的規模不允許引進自動化，如機器人。此外，航空航天產品的高度復雜性要求操作高度靈活，這使得自動化更具挑戰性，并要求操作人員具備高技能以及技術和實踐知識。可重構制造系統作為介于專用生產線和柔性制造系統之間的一類新型生產系統，在90年代中期被引入。機器和系統可修改性的概念以及關鍵操作功能和部件的模塊化是可重構制造系統的重要組成部分，是實現產品和批量生產的前提條件。

在產品生命周期中，容差對機構的質量和成本有重要影響。本文提出了一種新的收費分配方法。提出的方法允許在CAD模型中進行容差集成，同時在數字模型的早期階段考慮功能和制造要求。這種方法可以在計算機輔助設計模型中進行容差集成。

公差計算主要有三種方法，即最差公差法（WC）、根和平方統計法（RSS）和公差計算法。不符合率（RNC）可用于表達質量要求。對于公差綜合，即所謂的公差分配，需要設計、制造和質量之間的耦合。使用公差分配工具，設計人員可以將適當的公差分配給零件或裝配。最佳公差定位是功能需求與制造成本之間的權衡。在二十世紀早期，各種各樣的制造成本收費模型被提出。公差要求是指對產品所用的機械加工工藝、刀具和夾具的選擇、所需的操作者技能水平、設置成本、檢驗標準和返工。公差分配研究可以定位為兩個主題：（a）考慮制造過程的公差分配方法和（b）考慮公差的CAD模型。

二關鍵特性的容差分解傳遞以及建模分析

1.飛機關鍵特性的容差分解傳遞過程。

在機械系統的設計中，公差是一個關鍵性的任務，因為它在保證機械系統功能和質量的同時，優化生產成本，尊重加工工具。公差是設計、制造和控制各個階段之間的溝通支持。產品生命周期的這個關鍵階段是一個吸引越來越多實業家和研究人員的主題。公差是設計、制造和裝配產品階段最重要的要求。在實踐中，對上述兩個要求的考慮依次分為兩個步驟：第一步根據功能需求確定公差（分析、綜合和規格說明）。第二種是根據工藝計劃計算出的制造工序公差的分布。

2.飛機關鍵特性建模分析。

一般的機械加工尺寸分配方法的主要缺點是忽略了制造過程中反映加工操作障礙的難度成本，一方面忽略了獲取機械加工尺寸的難度成本，另一方面又忽略了未集成到CAD模型中。以前考慮公差的CAD模型的局限性在于忽略了制造過程。針對上述方法的不足和改進，提出了一種基于權重因子——難度系數β的公差分配方法。提出了一種基于容差集成的制造過程（CADTM）方法，之后對制造過程的可行性進行評價。

數字化容差分配技術仿真通常用于制造業，用于評估生產系統的備選配置，或用于不同的計劃策略，一般來說，用于評估假設情景。使用仿真的一個主要挑戰是需要頻繁地更新仿真模型。工藝時間，產品路線和資源配置的變化應該在仿真模型中相應地更新，以描述現實和支持工程師采取知情決策。就更新模型的準確性和頻率而言，手工數據收集過程是不夠的。這也是一種相當昂貴的數據捕獲方法。數據集的最終形式如下圖所示：

圖1數字裝配數據集示意圖

三、結束語

本文提出了一個考慮制造過程的原始CAT模型。提出的CADTM模型解決了公差分配問題中的尺寸難度問題。后者用FMECA方法計算難度系數來定量。利用圖形工具和尺寸矢量化方法，在CAD模型中自動獲取功能需求的機構尺寸鏈。利用CAD模型確定了模型的類型和難度級別。實例（略）分析表明，該方法考慮了產品生命周期早期階段的制造過程，以擴大制造難度較大的尺寸公差。在分析結果的基礎上，考慮裝配質量損失的情況下，采用加載模型的公差分配降低了總裝配成本。最終，CADTM模型是關于CAD集成與制造尺寸難度量化之間的容差分配耦合問題。