企業(yè)提升高端裝備核心零部件裝配精度方法初探

楊成

摘要：我國制造業(yè)規(guī)模居世界第一位，但大而不強，能力過剩和結(jié)構(gòu)性短缺反差強烈，高端裝備的核心、關鍵零部件受制于人，成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級瓶頸。國內(nèi)大部分企業(yè)以傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式已達到極限水平，難以滿足高端裝備對核心、關鍵零部件的精密、小體積、高靠性等要求。信息技術與制造業(yè)協(xié)同創(chuàng)新、深度融合正在引領制造業(yè)向智能制造變革。本文以提高零部件的裝配精度為切入點，探索在現(xiàn)有加工設備的條件下，利用成熟的精密測量、數(shù)據(jù)存儲和計算機軟硬件等技術，以傳統(tǒng)選配工藝和全零件測量數(shù)據(jù)為基礎，解決傳統(tǒng)選配方案憑經(jīng)驗和判斷性測量，難以確定本企業(yè)最優(yōu)分組數(shù)和最佳裝配精度，實現(xiàn)企業(yè)的制造工藝向擁有核心靈魂的原始創(chuàng)新跨越，突破高端裝備核心、關鍵零部件的制造瓶頸。

關鍵詞：高端裝備核心零部件 ；性能 ；裝配精度 ；集成創(chuàng)新

1裝備制造轉(zhuǎn)型升級的瓶頸和機遇

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。經(jīng)過幾十年快速發(fā)展，我國制造業(yè)規(guī)模躍居世界第一位，但制造業(yè)大而不強，總體仍處于國際分工和產(chǎn)業(yè)鏈的中低端，尤其在經(jīng)濟增速放緩以及市場需求下降的今天，高端裝備核心、關鍵零部件為發(fā)達國家所掌控，受制于人的矛盾會愈發(fā)突出，能力過剩和結(jié)構(gòu)性短缺反差強烈，加劇了產(chǎn)業(yè)“國退洋進”風險，嚴重制約了制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，是制造業(yè)“由大變強”的瓶頸。如挖掘機的液壓系統(tǒng)和發(fā)動機兩項組成的核心零部件就占成本的42%，工業(yè)機器人三大核心零部件減速器、控制器和伺服電機占成本的75%，市場份額占據(jù)了國內(nèi)70% 以上，且外商憑借市場壟斷制定了大量“霸王條款”，要求國內(nèi)企業(yè)提前訂貨期，甚至延長訂單交貨期等，嚴重影響了行業(yè)正常生產(chǎn)秩序。

當前，新一代信息技術與制造業(yè)深度融合，正在引發(fā)影響深遠的產(chǎn)業(yè)變革?；谛畔⑾到y(tǒng)的智能裝備、數(shù)字車間和智能工廠等智能制造正在引領制造方式變革?？珙I域、跨行業(yè)協(xié)同創(chuàng)新，為高端核心、關鍵零部件等重點領域關鍵共性技術的突破提供了新的路徑。本文以提高零部件裝配精度為切入點，將現(xiàn)代精密測量、大數(shù)據(jù)存儲計算與傳統(tǒng)的選配工藝融合，探索跨領域跨行業(yè)協(xié)同創(chuàng)新的新路徑。

2改善零部件裝配精度的理論思考

高端裝備的核心、關鍵零部件結(jié)構(gòu)復雜、精密度高，且要求體積小、重量輕、噪音低、振動小、可靠性高、運行平穩(wěn)和壽命長。隨著相關產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對產(chǎn)品的性能指標提出了越來越高的要求。在制造上，業(yè)內(nèi)基本是提高零件的加工精度或裝配精度來解決。作為本身精密度要求極高的產(chǎn)品，大部分零件的加工精度己經(jīng)達到了當前生產(chǎn)設備的極限水平。如果再提高零件的加工精度，勢必要對加工設備更新?lián)Q代，這將使生產(chǎn)成本以指數(shù)級增加，如沒有批量和高技術工人保障，不具有可行性。在現(xiàn)有的生產(chǎn)設備的條件下，調(diào)整裝配工藝是可行的途徑。

對傳統(tǒng)手工模式而言，調(diào)整精密產(chǎn)品的裝配工藝難度極高。一方面，精密產(chǎn)品零件數(shù)量多、精度高，且零件間配合關系復雜，任何細微差錯都會體現(xiàn)在產(chǎn)品的最終性能上；另一方面，調(diào)整選配方案，無論是方案設計、驗證工作量，還是執(zhí)行過程中的測量、保管、運輸和分組等工作量都將呈指數(shù)倍增加。隨著高精度檢測、計算機和存儲技術的發(fā)展，網(wǎng)絡化、數(shù)字化和智能化閉環(huán)制造系統(tǒng)成為高端制造的發(fā)展方向，制約選配方案優(yōu)化的零件檢測量、檢測精度、人工分組計算驗證工作量和生產(chǎn)成本等制約因素得到了很大改善。

3關聯(lián)技術的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1傳統(tǒng)的裝配工藝

（1）機械裝配。

按照設計的技術要求，實現(xiàn)機械零件或部件的連接，組合成機器。機械裝配是機器制造的重要環(huán)節(jié)，裝配工作的好壞對機器的效能、修理的工期、工作的勞力和成本等都起著非常重要的作用。零件的裝配有互換、選配、修配和調(diào)整 4種配合方法，批量生產(chǎn)主要是互換法和選配法。

（2）互換法。

裝配的同一種零件能互換裝入。零件加工公差要求嚴格，它與配合件公差之和應符合裝配精度要求，裝配質(zhì)量穩(wěn)定可靠，裝配過程簡單，裝配效率高，易于實現(xiàn)自動裝配 ，便于組織流水作業(yè)，產(chǎn)品維修方便，主要適用于生產(chǎn)批量大的產(chǎn)品。但是對設備精度要求較高，尤其組成環(huán)數(shù)較多時，組成環(huán)的制造公差規(guī)定得嚴，零件制造困難，加工成本高。

（3）選配法。

對于組成環(huán)數(shù)少而裝配精度又要求特別高的機器結(jié)構(gòu)，為了提高加工經(jīng)濟性，將精度高的零件的加工公差放寬 ，然后按照實際尺寸的大小分成若干組 ，使各對應的組內(nèi)相互配合的零件仍能按配合要求實現(xiàn)互換裝配。特點：①零件的制造精度不高，卻可獲得很高的裝配精度；②組內(nèi)零件可以互換，裝配效率高；③憑經(jīng)驗和判斷性測量來分組，在很大程度上取決于人的技術水平，不易準確控制裝配精度；④零件的分組數(shù)不宜太多，否則會因零件測量、分類、保管和運輸工作量的增大而使生產(chǎn)組織工作變得相當復雜；⑤難以控制各組零件數(shù)完全匹配，多余零部件浪費大。

3.2數(shù)字化精密量具的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

數(shù)字化測量是高端制造的關鍵技術。高環(huán)境適應性、亞微米、納米級測量儀器從計量室進入生產(chǎn)現(xiàn)場，為高端制造網(wǎng)絡化、數(shù)字化和智能化奠定了的基礎。

（1）數(shù)字化量具發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。

在生產(chǎn)實踐中，根據(jù)普通的工件精度要求，一般使用直尺、游標卡尺和千分尺等測量工具數(shù)字顯示已基本普及，位移傳感器的測量精度從微米量級向納米量級提升已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。Heindenhain、日本三豐及 SONY等國外公司近年來都相繼推出精度達到納米級的光柵式長度計，北京標普公司采用了有自主知識產(chǎn)權(quán)開發(fā)的 SGG-01型 0.1納米測長儀 ，分辨力達0.1nm，示值誤差±（3+0.03L）nm。量具基本都有數(shù)據(jù)通訊接口，但這些測量手段的準確率和效率往往與操作者的經(jīng)驗和工作態(tài)度有關，難以滿足一些現(xiàn)代化生產(chǎn)制造場合的高效的在線 100%檢測要求，同時測量的數(shù)據(jù)極少在線存儲。

（2）機器視覺引領高精度尺寸測量。

基于機器視覺的檢測技術，以其自動化、非接觸、高可靠性和多工件多尺寸（長度、距離、角度、形狀和位置）高精度測量，不受操作者的疲勞度、責任心和經(jīng)驗等因素影響的特點，在國內(nèi)外制造業(yè)得到了深入研究和廣泛應用。測量儀從檢驗室進入車間、對生產(chǎn)現(xiàn)場零部件 100%檢測成為發(fā)展趨勢。目前機器視覺測量精度已經(jīng)達到亞微米級以上，能夠滿足絕大部分高精度零部件的檢測要求。德國 MAHR公司、瑞士 TESA公司和日本三豐公司等三維視像測量系統(tǒng)，儀器分辨力 0.01μm，測量精度 XY軸（0.3+L/1000）μm，Z軸（1+2L/1000）μm。國內(nèi)西安愛德華、東莞萬濠、蘇州怡信、深圳鑫磊以及北京天地宇等公司也有類似產(chǎn)品，貴陽新天光電公司的儀器測量精度達到（1.0+L/100）μm。

3.3數(shù)據(jù)存儲發(fā)展現(xiàn)狀與演變趨勢

數(shù)據(jù)存儲是增長最快的半導體技術。每 12到 18個月，存儲能力就會提升一倍。如今，臺式機硬盤存儲容量最高可達 4TB，這意味著能裝下 1萬張照片或 562個小時的高清視頻。硬盤制造商希捷表示，到 2020年，熱輔助磁記錄技術將給世界帶來 60TB臺式機硬盤，足夠存儲 12萬張照片或 6，750小時高清視頻。

與有著 60年悠久歷史的硬盤驅(qū)動器技術不同，NAND閃存技術還很年輕，有很大的發(fā)展提升空間。如今，NAND閃存的存儲能力以每年 175%的速度增長。MicroSD NAND存儲卡的體積比指甲還小，存儲容量卻超過 100億字節(jié)。

大數(shù)據(jù)時代，云存儲 （CloudStorage）應運而生。與傳統(tǒng)存儲設備相比，云存儲不再僅是一個硬件，而是一個由網(wǎng)絡設備、存儲設備和應用軟件等多個部分組成的復雜系統(tǒng)?！霸拼鎯深嵏泊疟P陣列所代表的傳統(tǒng)存儲需求?！被?x86服務器的分布式存儲系統(tǒng)、虛擬化技術和閃存的廣泛普及，以及軟件定義的存儲技術等，都使云存儲能夠以更低的成本快速向前發(fā)展。數(shù)據(jù)量的大小由 TB級增長至 PB級，云環(huán)境下的大數(shù)據(jù)存儲成為未來的發(fā)展趨勢。

4大數(shù)據(jù)環(huán)境下的選配工藝技術實現(xiàn)

4.1前期準備

（1）建立機器視覺檢測線或利用現(xiàn)有數(shù)字化量具100%測量加工零件精度，并在線存儲，建立全部零件加工精度數(shù)據(jù)庫，積累海量的零部件精度數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，找到各零件基本尺寸、公差和偏差穩(wěn)定的分布概率。

（2）制定產(chǎn)品精度提升的目標，確定組成環(huán)零件組的基本尺寸、偏差和配合公差，按照產(chǎn)品裝配圖進行數(shù)字裝配，仿真運行，檢查、驗證驗證各組成環(huán)精度可行性；并根據(jù)裝配合格率、零件剩余率和生產(chǎn)效率，建立優(yōu)化模型，經(jīng)反復優(yōu)化，確定加工零件分組數(shù)和選配公差。

（3）預測投入產(chǎn)出，確定建立數(shù)字化檢測線和自動分揀生產(chǎn)線的可行性。

4.2過程優(yōu)化

（1）建立數(shù)字化檢測線和自動分揀生產(chǎn)線，保證零件加工精度 100%的記錄和存儲。

（2）實施基于物聯(lián)網(wǎng)的庫房庫位管理，對全部零部件可識別分類包裝。庫管人員只需將生產(chǎn)指令、數(shù)量輸入電腦，系統(tǒng)會自動匹配各組別零件的庫存數(shù)量，選擇最佳的組別，并將所需零部件從庫位上取出，送往裝配車間。

（3）詳細記錄每個產(chǎn)品的出廠質(zhì)量，建立產(chǎn)品可追溯檔案；盡可能多地收集客戶對產(chǎn)品的滿意度，對客戶返廠產(chǎn)品進行質(zhì)量分析和記錄。

（4）按照裝配合格率、零件剩余率、生產(chǎn)效率、客戶滿意度和返廠產(chǎn)品質(zhì)量等因素，準確及時掌握工藝系統(tǒng)的工作狀態(tài)和誤差變化趨勢，持續(xù)完善優(yōu)化模型、優(yōu)化加工零件選配公差和分組數(shù)

（5）產(chǎn)品升級。利用國家的扶持政策，充分發(fā)揮科研機構(gòu)理論研究優(yōu)勢，構(gòu)建經(jīng)實踐驗證的產(chǎn)品全生命周期的大數(shù)據(jù)平臺，研究全生命周期數(shù)據(jù)統(tǒng)一模型及現(xiàn)場運行過程檢測技術、面向故障與效率的數(shù)據(jù)關聯(lián)分析技術，形成面向產(chǎn)品的海量實踐數(shù)據(jù)和理論研究深度融合的產(chǎn)學研合作，實現(xiàn)產(chǎn)品從模仿設計向擁有核心靈魂的原始創(chuàng)新跨越。

5大數(shù)據(jù)環(huán)境下的選配工藝的意義

5.1低投入、高產(chǎn)出，突破制造業(yè)“由大變強”的瓶頸

增加的檢測、工藝優(yōu)化和分揀設備的投入，相對研發(fā)試制高端裝備核心、關鍵零部件巨額的研發(fā)成本微不足道。零部件制造廠商轉(zhuǎn)換產(chǎn)品升級換代觀念，走從中低端向中高端的策略，即企業(yè)以現(xiàn)有滿足主機廠中低端產(chǎn)品，通過優(yōu)化裝配工藝，主動提高產(chǎn)品的性能指標，必然完全滿足主機廠中低端產(chǎn)品的要求，一方面使主機廠用戶在原機型無障礙采用，經(jīng)一段時間應用后，以“實效”樹立主機廠的信心，逐步推動主機廠在高端機型的核心、關鍵零部件上應用；另一方面，零部件制造廠商通過海量數(shù)據(jù)的積累，不斷優(yōu)化裝配工藝，形成具有真正靈魂的、穩(wěn)定的、難以模仿的工藝，保證產(chǎn)品的性能質(zhì)量，形成經(jīng)濟增長新動力，塑造國際競爭優(yōu)勢。

5.2效益驅(qū)動，推動零部件制造廠商智能工廠建設

通過零部件制造廠商將新一代信息技術與裝配過程融合，建立零部件加工精度和裝配過程的數(shù)字化——建設數(shù)字化裝配車間，形成的產(chǎn)學研合作經(jīng)驗，其成果可有效樹立企業(yè)兩化深度融合的信心，推動企業(yè)進一步推進信息技術與制造過程深度融合，建立從毛坯、粗加工、熱處理、精加工、毛刺和飛邊清理打磨等到零件加工全過程的數(shù)字化，并在海量數(shù)據(jù)積累的基礎上，持續(xù)優(yōu)化改造現(xiàn)有加工工藝流程，在有限的設備投入下，實現(xiàn)零件的加工精度或裝配精度雙向提高——建設智能工廠，全面提升企業(yè)的資源配置優(yōu)化、實時在線優(yōu)化、生產(chǎn)管理精細化和智能決策科學化水平，新一輪產(chǎn)業(yè)競爭中，搶占智能制造這一制高點。

5.3零件精度分組工藝不可復制，成功經(jīng)驗可推廣

基于企業(yè)個性化設備和人員加工出零部件海量精度數(shù)據(jù)的概率分布，并根據(jù)裝配合格率、零件剩余率、生產(chǎn)效率、客戶滿意度和返廠產(chǎn)品質(zhì)量等因素，確定組成環(huán)分組數(shù)，每組零件的基本尺寸、配合公差等工藝參數(shù)和優(yōu)化模型是企業(yè)產(chǎn)品的核心靈魂，同行企業(yè)簡單復制無效，也就是企業(yè)的核心知識沉淀不可復制，可以有效保護企業(yè)產(chǎn)品的競爭力。本文以提高裝配精度為切入點，技術創(chuàng)新上，需要將現(xiàn)代精密測量、大數(shù)據(jù)存儲計算與傳統(tǒng)的選配工藝融合，實施跨領域跨行業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新，企業(yè)可完成海量的數(shù)據(jù)采集和存儲，提出客戶的要求，大量的理論研究、數(shù)字仿真、模型提煉優(yōu)化等研究工作，企業(yè)不具優(yōu)勢，勢必要引進專業(yè)研究機構(gòu)，進行產(chǎn)學研合作。因此，通過項目實施，總結(jié)出的實施方法論，采用的檢測設備，數(shù)字仿真軟件、優(yōu)化模型規(guī)則的提煉方法等，以及形成的專家團隊，可在行業(yè)內(nèi)共享，推動行業(yè)內(nèi)企業(yè)從模仿設計向擁有核心靈魂的原始創(chuàng)新跨越。

6結(jié)語

我國經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài)，經(jīng)濟增速放緩，市場需求下降，資源和環(huán)境約束不斷強化，勞動力等生產(chǎn)要素成本不斷上升的環(huán)境下，整機生產(chǎn)企業(yè)在核心、關鍵零部件受制于人的背景下，難以繼續(xù)通過內(nèi)部挖潛以及產(chǎn)品提價等方式部分的轉(zhuǎn)嫁上游供貨商提高配件價格產(chǎn)生的高成本，維持較穩(wěn)定的盈利能力；而新一代信息技術與制造業(yè)深度融合，基于信息物理系統(tǒng)的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領制造方式變革。以市場需求為導向，利用相關領域的創(chuàng)新成果，通過創(chuàng)新鏈的資源配置，實施跨行業(yè)協(xié)同創(chuàng)新，建立以企業(yè)為主體，政產(chǎn)學研用相結(jié)合的制造業(yè)創(chuàng)新體系，是可以突破制造業(yè)核心、關鍵零部件的瓶頸，促進制造業(yè)數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化，走創(chuàng)新驅(qū)動的發(fā)展道路。