統計公差技術在航空制造中的應用

黃寧　徐智峰　張?！⊙υ食伞“桌^鵬

摘要：統計公差應用是采用統計方法處理公差與誤差的問題，其內容包含尺寸鏈與運動鏈的誤差與公差的計算，并在一定程度上涉及誤差理論、質量控制、工件的統計測量和檢驗。航空制造領域應用統計公差及其技術可以有效解決容差分配過程中關鍵變量無法確認，合格率無法判斷的問題，提高飛機設計和裝配方案的魯棒性，是航空制造正向設計不可或缺的核心工具。

關鍵詞：容差;尺寸鏈;裝配

1 統計公差技術

產品的物理性能主要由材料和幾何尺寸決定，其中幾何尺寸在制造裝配環節產生，是飛機裝配的主要工作。幾何尺寸的設計和制造依據產品幾何技術規范（簡稱GPS）執行，GPS是一套完整的幾何參數標準體系。它不僅是為達到產品功能要求所必須遵守的技術依據和產品信息傳遞與交換的基礎標準，而且是進行產品合格評定和技術交流的重要工具，也是簽訂生產合約、承諾質量保證的重要基礎。統計公差是產品幾何技術規范的一個重要組成部分，其在傳統公差概念基礎上增加了分布的概念，利用統計學原理在生產過程中應用統計過程控制技術（SPC），獲取樣本數據計算制造過程能力指數，用于產品質量預測，同時能及時發現質量異常波動，消除質量隱患，節約生產成本。

統計公差的概念可以從廣義和狹義兩個方面做出解釋：“廣義的統計公差是指出統計方法處理公差與誤差的問題，其內容包含尺寸鏈與運動鏈的誤差與公差的計算，并在一定程度上涉及誤差理論、質量控制、工件的統計測量和檢驗。狹義的統計公差是指同統計方法計算尺寸公差，其內容主要是尺寸鏈公差的計算”。本文主要站在工程技術人員的角度從狹義概念開展討論統計公差技術在航空制造中應用的必要性、關鍵流程和案例分享。

2? 必要性分析

在執行尺寸鏈計算過程中，有2種不同的基本分析方法預測裝配體上的偏差： 極值分析方法和統計分析方法。 下文從兩種方法的適應范圍來論證統計公差應用的必要性。

2.1極值公差分析

極值公差分析是傳統類型的公差分析方法，單個尺寸或特征在他們允許公差的極限位置，這樣使測量尺寸值盡可能處于最大狀態或最小狀態。極值公差模型不考慮單個尺寸的分布，而是那些尺寸不超出他們各自定義的公差極限，即預測了測量尺寸的最大偏差值。極值公差分析保證了零件100%的滿足裝配系統和性能的要求，并沒有考慮實際零件尺寸的偏差和總體的關系，主要缺點是每個零件有非常緊的公差分配，導致昂貴的加工成本和檢查成本，產生很高的零件廢品率。僅適用于完全互換部位，如翼面交點、成品裝配孔等。

2.2統計公差分析

隨著新一代飛機設計指標的逐步提高，對飛機制造技術水平也提出了更高的要求。設計指標的提高主要體現在對外形的型值、對縫階差和間隙上。當按極值法分配容差時，超出制造能力范圍，考慮到外形零件特征通常無需完全互換，在極值法不能滿足要求時，應用統計公差分析能保證適當地增加零件的公差，以較低的制造費用生產出可以接受的裝配產品合格率。統計偏差分析模型利用統計原理適當的放大公差分配，無需犧牲質量，當零件的偏差滿足統計分布，具備統計偏差信息時，用這些分布的疊加預測裝配體測量尺寸的分布.

因此，統計偏差技術應用的必要性體現在分析預測所要描述裝配偏差的分布，不是裝配偏差的極值，這個分析模型添加了設計靈活性，允許設計和工藝人員基于任何質量層次進行設計，而不是要保證每個零件100%地滿足要求。通過應用統計公差技術獲取經濟合理的容差分配方案，并利用SPC技術跟蹤實際公差分布情況，減少產品異常波動，控制成本的同時獲取較高的合格率，是新一代飛機外形控制容差分配的必備方法。

3? 統計公差技術的應用條件

統計公差技術在航空裝配制造中的應用與GB/Z24636系列標準規定的應用條件并不完全相同，相同點是：

1）配合精度要求高而按極值法分配給各組成環的公差過于苛刻甚至不可能實現;

2）希望各組成環公差可以比極值法分配更經濟;

3）組成環較多（≥4）;

4）基于廣義統計公差概念，統計公差技術為設計/制造/質量并行設計和綜合改進提供一個定量分析的平臺。

不同點是航空制造行業是非完全受控狀態下的少量生產，而一般制造業是在完全受控狀態下的批量生產中才應用統計公差，原因是統計公差的參數是從大量的可靠樣本中計算得來的。那么航空制造業要想應用統計公差技術，必然要解決樣本量的問題，該問題經過分析可從如下方面解決：

1）正向尺寸鏈仿真分析，確定敏感參數;

2）類比法獲取參考樣本，提高分布假設準確性;

3）基于數字化測量的過程能力參數采集，優化迭代分析準確度;

4）基于尺寸鏈模型的公差動態調整，即前饋控制。

5）加強生產過程管理，減少質量波動異常因素的產生，使質量特性符合正態分布。

4 結論

通過采用統計公差技術，在產品并行階段實現復雜尺寸鏈目標累積偏差的準確預測，并識別出對目標值影響大的公差和敏感度高的變量，可以有效采取改進和控制措施，提高裝配設計魯棒性。可以說統計偏差技術是航空制造業正向設計階段不可或缺的核心工具，也是飛機設計改進的依據之一。統計公差技術與數字化測量技術的結合，將實現整個裝配設計的閉環控制，可有效實現航空產品制造優化迭代，為智能制造和精益制造奠定基礎。

參考文獻

[1]張宇，統計公差標準分析、解讀和應用，2012.5