基于關(guān)鍵特性的數(shù)字化容差分配技術(shù)分析

史新權(quán)

中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司 陜西 西安 710089

引言

在科學(xué)技術(shù)日新月異的背景下，航空產(chǎn)品也呈現(xiàn)出多樣化發(fā)展趨勢(shì)，飛機(jī)柔性裝配綜合應(yīng)用了數(shù)字化裝配、裝配工藝改良、智能定位和控制技術(shù)等，在確保零部件裝配高精準(zhǔn)度的基礎(chǔ)上，顯著提升了裝配效率，縮短了航空產(chǎn)品的裝配周期，較好地滿足了多種航空產(chǎn)品的現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)需求。航空產(chǎn)品類型繁多、數(shù)量龐大，實(shí)際裝配中很難一一控制各個(gè)質(zhì)量特性，需要探尋出對(duì)產(chǎn)品綜合質(zhì)量產(chǎn)生重要影響的關(guān)鍵特性進(jìn)行管控。可以嘗試運(yùn)用數(shù)字化協(xié)調(diào)技術(shù)把關(guān)鍵特性分解傳遞至實(shí)體零件與工藝流程，針對(duì)各時(shí)段關(guān)鍵特性進(jìn)行科學(xué)的容差分配，最大限度地提升控制效率，使航空產(chǎn)品裝配工作質(zhì)效得到更大保障。

1 關(guān)鍵特性的分類與辨別

1.1 分類

1.1.1 產(chǎn)品關(guān)鍵特性。指的是高度約束的產(chǎn)品特征的集合，若忽視加工制造能力帶來的影響，這些特征和標(biāo)準(zhǔn)值之間形成微小出入均可能影響產(chǎn)品外觀形態(tài)與使用功能，以上偏差多在產(chǎn)品裝配環(huán)節(jié)生成的。如果面對(duì)的是要進(jìn)行設(shè)計(jì)分解的產(chǎn)品，客戶需求是影響產(chǎn)品關(guān)鍵特性的唯一因素，其是固定不變的。

1.1.2 裝配工序關(guān)鍵特性。對(duì)于確定的產(chǎn)品設(shè)計(jì)分解流程與裝配工法，裝配工序的關(guān)鍵特性同樣是不可改變的。比如蒙皮上定位孔方位的精準(zhǔn)度影響著后期蒙皮的裝配效果，故而可以把定位孔的方位確定成裝配工序的關(guān)鍵特性，另外模具或夾具之上的曲面、孔或定位面也為隱匿的關(guān)鍵特性[1]。

1.1.3 制造工序關(guān)鍵特性。對(duì)于在零件特征層，對(duì)達(dá)成產(chǎn)品或裝配工序關(guān)鍵特性形成影響的機(jī)床或設(shè)備生產(chǎn)工序參數(shù)或夾具自身屬性。比如在制造軸時(shí)，刀具的切線速度與轉(zhuǎn)動(dòng)偏差均可能使軸直徑跑偏，故而要嚴(yán)控刀具的切削深度和旋轉(zhuǎn)速度以迎合客戶的質(zhì)量需求。

1.2 辨識(shí)

對(duì)于并行項(xiàng)目的概念設(shè)計(jì)時(shí)段，需要在飛機(jī)綜合屬性之上定義關(guān)鍵特性，在這樣的工況下，關(guān)鍵特性屬于產(chǎn)品級(jí)范疇，伴隨并行設(shè)計(jì)工作的深入突進(jìn)，進(jìn)入到工藝規(guī)劃階段時(shí)，通過搭建制造樹，將產(chǎn)品級(jí)的關(guān)鍵特性分解傳遞至實(shí)體零件與工藝流程上。制造樹創(chuàng)建環(huán)節(jié)中，需要以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與既有制造資源為基礎(chǔ)，涉及數(shù)字化調(diào)控與裝配次序各自的要求，進(jìn)而更加便捷地傳遞關(guān)鍵特性。傳遞關(guān)鍵特性即于產(chǎn)品的所有特性內(nèi)探尋到對(duì)產(chǎn)品整體質(zhì)量產(chǎn)生最大影響的、并且能夠沿著制造樹逐級(jí)分解傳遞，最終能構(gòu)造出關(guān)鍵特性樹。關(guān)鍵特性樹能精準(zhǔn)、直觀的呈現(xiàn)出關(guān)鍵特性的誤差累積情況，并且將其作為憑據(jù)檢測(cè)檢驗(yàn)不同階段的關(guān)鍵特性，確保其始終處于可控狀態(tài)下。依照航空制造過程多級(jí)式裝配的特征，可以依照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解傳遞關(guān)鍵特性，創(chuàng)建出由產(chǎn)品級(jí)、部件級(jí)、組件級(jí)、零件級(jí)不同層次構(gòu)成的特性樹。

2 關(guān)鍵特性的分解傳遞

2.1 創(chuàng)建制造樹

合理分解航空產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，并且綜合加工制造企業(yè)內(nèi)制造資源的存儲(chǔ)狀況創(chuàng)建制造樹。制造樹上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)均表示單個(gè)零部件的裝配，最頂級(jí)為飛機(jī)產(chǎn)品，最末一級(jí)表示的是零部件的生產(chǎn)及工藝流程。上級(jí)節(jié)點(diǎn)將基準(zhǔn)與需求精準(zhǔn)的提供給下級(jí)節(jié)點(diǎn)，下級(jí)節(jié)點(diǎn)不僅要對(duì)上級(jí)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)，也要把節(jié)點(diǎn)的基準(zhǔn)與需求傳遞到下一級(jí)節(jié)點(diǎn)。創(chuàng)建的制造樹能清晰地呈現(xiàn)出航空零部件的先后裝配順序，可以將其分解傳遞關(guān)鍵特性的重要依據(jù)[2]。

2.2 初步確定關(guān)鍵特性

參照制造樹內(nèi)容初步選出關(guān)鍵特性，經(jīng)常會(huì)把協(xié)調(diào)部位定義成關(guān)鍵特性，依照可測(cè)量性、可控制性相關(guān)要求決定是否沿著制造樹繼續(xù)向下傳遞，若實(shí)際中有傳遞的需求，則可以將其直接傳送至可測(cè)量的實(shí)體零件或工序參數(shù)以上。

2.3 確定誤差累積路線

參照設(shè)計(jì)的誤差累積路線，精準(zhǔn)探尋到航空產(chǎn)品生產(chǎn)制造與裝配期間誤差積累量最大的流程，判斷是否可以將其作為隱匿型關(guān)鍵特性并加強(qiáng)管控。因?yàn)椴町惢b配方案下不同零件的定位關(guān)系有差別，所以實(shí)際裝配誤差的累積方向也不盡相同。以航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與定位形式建立基準(zhǔn)傳遞鏈，科學(xué)闡述裝配實(shí)踐中的定位、連接形式，據(jù)此就能確定最為科學(xué)的裝配誤差累積路線。而關(guān)于零件的制造協(xié)調(diào)誤差大小，協(xié)調(diào)路線的選用情況是主要的影響因素，遵照制造原則構(gòu)建尺寸傳遞鏈，精準(zhǔn)闡述航空產(chǎn)品制造過程中的加工定位與主要工藝參數(shù)，進(jìn)一步提升制造誤差累積路線的清晰度[3]。

2.4 分析判斷關(guān)鍵特性

參照誤差積累路線的設(shè)計(jì)情況，運(yùn)用定性方法，實(shí)質(zhì)上就是組織技術(shù)人員分析誤差累積過程，去除引起微小制造、裝配問題的誤差累積流程，或?qū)Ρ阮愋头桨竷?nèi)出現(xiàn)的問題，篩選出問題高發(fā)的環(huán)節(jié)，借此方式縮小分析判斷的范疇。運(yùn)用定量方法，等同于參照既往形成的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，預(yù)估各流程的誤差積累的偏差，最后確給產(chǎn)品質(zhì)量特性造成較大影響的隱匿性關(guān)鍵特性并進(jìn)行控制。

整體分析關(guān)鍵特性的分解傳遞過程，解讀誤差累積路線的運(yùn)作形式，通過管理控制下級(jí)關(guān)鍵特性的方法能使上級(jí)關(guān)鍵特性得到一定保障，能夠?qū)崿F(xiàn)最后控制頂級(jí)關(guān)鍵特性的目標(biāo)。

3 關(guān)鍵特性的容差建模和分析

3.1 容差建模

尺寸鏈在容差模型中起到可靠的支撐作用，航空產(chǎn)品關(guān)鍵特性的容差建模，可以理解成依照制造數(shù)的結(jié)構(gòu)特征，全面解讀關(guān)鍵特性的誤差構(gòu)成環(huán)與累積路線，以此為據(jù)搭建出以關(guān)鍵特性的誤差作為封閉環(huán)的尺寸鏈構(gòu)造。在航空產(chǎn)品裝配實(shí)踐中通常是把構(gòu)件外部形態(tài)精準(zhǔn)度設(shè)定為關(guān)鍵特性加以管理控制，這就意味著需要?jiǎng)?chuàng)建出以構(gòu)造外形精準(zhǔn)度作為封閉環(huán)的裝配式尺寸鏈。事實(shí)上，產(chǎn)品裝配尺寸鏈和裝配執(zhí)行方案之間存在密切關(guān)聯(lián)性，后者主要由定位基準(zhǔn)與裝配操作次序等構(gòu)成。提取制造樹內(nèi)的部分信息，能夠明確各級(jí)關(guān)鍵特性零件之間形成的定位關(guān)系及定位基準(zhǔn)。制造樹自身的結(jié)構(gòu)也能呈現(xiàn)出產(chǎn)品裝配次序，故而運(yùn)用制造樹能較為直接的分析處對(duì)產(chǎn)品關(guān)鍵特性產(chǎn)生影響的誤差構(gòu)成環(huán)及累積路線。由制造樹內(nèi)提取不同零部件之間的全部約束關(guān)系是裝配尺寸鏈創(chuàng)建的基礎(chǔ)，以上提取過程中也要捕獲零件的部分尺寸信息，利用其建設(shè)出相配套的幾何約束網(wǎng)絡(luò)，搜查到其內(nèi)最短小路徑去生成。飛機(jī)外形誤差的尺寸鏈方程常規(guī)形式是[4]：

本文這里選擇飛機(jī)機(jī)翼的外形誤差作為實(shí)例加以分析，如果把骨架作為裝配基礎(chǔ)，那么其外形誤差對(duì)應(yīng)的尺寸鏈可以用下式表示：

如果將蒙皮作為零部件的裝配基準(zhǔn)，那么其外形誤差對(duì)應(yīng)的尺寸鏈?zhǔn)牵?/p>

3.2 容差分析

3.3 應(yīng)用案例

應(yīng)把某個(gè)型號(hào)飛機(jī)機(jī)翼的翼肋長(zhǎng)度作為關(guān)鍵特性加以控制。已知裝配時(shí)要求將封閉環(huán)的公差控制在2mm之內(nèi)，以為組裝、修理及調(diào)配等創(chuàng)造便利條件，其內(nèi)的尺寸鏈信息主要有：是封閉環(huán)，基本尺寸大小是870mm；均是增環(huán)，尺寸容差分別是假定以上各個(gè)構(gòu)成環(huán)均服從正態(tài)分布規(guī)律，其對(duì)應(yīng)的容差設(shè)計(jì)函數(shù)是：

運(yùn)用蒙特卡洛模擬法運(yùn)算尺寸鏈方程，設(shè)計(jì)模擬次數(shù)100000次，運(yùn)用計(jì)算機(jī)測(cè)算出封閉環(huán)的一階、二階中心距依次是：

因?yàn)橐陨细鱾€(gè)構(gòu)成環(huán)均服從正態(tài)分布規(guī)律，那么可以將封閉環(huán)的容差表示為代表的是封閉環(huán)的二階中心距?；诿商乜迥M方法，配合MATLAB編程軟件進(jìn)行容差分析，獲得相應(yīng)的容差分析仿真結(jié)果（如圖1）。航空產(chǎn)品工藝人員可以把以上生成的容差分析結(jié)果作為整改與完善容差的憑據(jù)，歷經(jīng)科學(xué)的分析模擬后，封閉環(huán)的尺寸容差大小是尺寸最大、最小分別是870mm、867mm，綜合以上分析所得結(jié)果可以判定封閉環(huán)容差符合質(zhì)量控制要求。如果封閉環(huán)容差和質(zhì)控要求之間存在較大出入時(shí)，則可以依照各個(gè)構(gòu)成環(huán)給封閉環(huán)提供的貢獻(xiàn)程度對(duì)其尺寸大小進(jìn)行微調(diào)整，貢獻(xiàn)率的運(yùn)算公式是：

圖1 容差分析的仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

以產(chǎn)品關(guān)鍵特性開發(fā)的數(shù)字化協(xié)調(diào)技術(shù)順暢地將關(guān)鍵特性信息分解并傳輸至實(shí)體零部件與工藝過程，為不同階段的關(guān)鍵特性進(jìn)行容差配置，將模擬仿真結(jié)果反饋到設(shè)計(jì)、加工生產(chǎn)及裝配等諸多部門，進(jìn)而更科學(xué)的調(diào)整與優(yōu)化工藝方案與措施，此時(shí)就能較有效的執(zhí)行產(chǎn)品數(shù)據(jù)集的相關(guān)內(nèi)容，提升航空產(chǎn)品質(zhì)量的控制效果，為我國(guó)航天航空事業(yè)壯大發(fā)展做出一定貢獻(xiàn)。