基于裝配過程的關(guān)鍵特性識(shí)別與控制方法研究*

趙 爽，謝石林，鄧正平，黃 翔

（1.中航工業(yè)洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，南昌 330024；2.南京航空航天大學(xué)，南京 210016）

趙 爽

高級(jí)工程師，研究方向：制造業(yè)信息化。

在制造過程中，零部件質(zhì)量特性的波動(dòng)都會(huì)不同程度地影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量，而且導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降、成本增加?；陉P(guān)鍵特性的質(zhì)量穩(wěn)定性控制技術(shù)通過選擇那些對產(chǎn)品質(zhì)量影響嚴(yán)重的特性進(jìn)行監(jiān)控，間接地保證產(chǎn)品質(zhì)量，從而達(dá)到以有限的資源最大地提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

國外對關(guān)鍵特性的研究比較早，現(xiàn)已形成成熟的理論和整套的識(shí)別控制方法，如波音公司的先進(jìn)質(zhì)量體系（AQS）和通用公司的關(guān)鍵特性制定系統(tǒng)（KCDS）。這些系統(tǒng)的使用不僅大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量，而且還提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

國內(nèi)對關(guān)鍵特性的研究起步雖晚，但也做了大量工作。魏麗[1]提出在產(chǎn)品概要工藝規(guī)劃階段對關(guān)鍵特性進(jìn)行研究，并采用風(fēng)險(xiǎn)分析法識(shí)別關(guān)鍵特性。唐文斌等[2]基于質(zhì)量損失函數(shù)引入損失靈敏度，定義了備選特性對上層關(guān)鍵特性的影響度，最終依據(jù)影響度的大小定量識(shí)別關(guān)鍵特性。國內(nèi)的研究主要集中在關(guān)鍵特性的分解傳遞和識(shí)別兩方面，缺乏統(tǒng)一的關(guān)鍵特性識(shí)別和控制平臺(tái)，影響基于關(guān)鍵特性質(zhì)量控制技術(shù)的實(shí)施和推廣。

本文在研究關(guān)鍵特性識(shí)別方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合統(tǒng)計(jì)過程控制法，開發(fā)了關(guān)鍵特性識(shí)別與控制系統(tǒng)軟件。該系統(tǒng)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵特性的可視化創(chuàng)建和識(shí)別、測量數(shù)據(jù)的管理和分析，為基于關(guān)鍵特性的質(zhì)量控制技術(shù)提供一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。

基于關(guān)鍵特性的質(zhì)量控制實(shí)施流程

基于關(guān)鍵特性的質(zhì)量控制技術(shù)一般分兩步實(shí)施，即關(guān)鍵特性識(shí)別和關(guān)鍵特性統(tǒng)計(jì)過程控制，具體的流程如圖1所示。關(guān)鍵特性的識(shí)別一般分兩步，即先定性分析，進(jìn)行粗略篩選；然后定量分析，準(zhǔn)確確定。在關(guān)鍵特性識(shí)別之前必須先創(chuàng)建特性，獲取相關(guān)特性的信息，而特性的創(chuàng)建依據(jù)產(chǎn)品的裝配尺寸鏈，所以整個(gè)流程的第一步就是獲取裝配尺寸鏈。識(shí)別后制定測量計(jì)劃，對關(guān)鍵特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)過程控制，主要包括控制圖分析和工藝能力分析。

1 裝配尺寸鏈提取

下層特性的誤差通過向上傳遞，最終將積累在頂層關(guān)鍵特性上，而頂層關(guān)鍵特性則直接反映產(chǎn)品的質(zhì)量。由此可知，要識(shí)別關(guān)鍵特性，首先就是要弄清楚特性之間的誤差積累傳遞關(guān)系，獲取裝配尺寸鏈。特性誤差的這種傳遞積累過程主要通過裝配時(shí)零部件之間的相互定位作用實(shí)現(xiàn)，可以說，裝配過程中的定位路線就是特性誤差的積累傳遞路線。

特性的誤差積累傳遞關(guān)系可以采用裝配有向圖[3]進(jìn)行分析。如圖2所示為一裝配體的裝配有向圖。圖中零件1沒有受到其他零件定位，說明這是裝配中的定位基準(zhǔn)件。在有向圖中，從定位基準(zhǔn)件開始，沿著定位方向畫出一條指向產(chǎn)品關(guān)鍵特性的箭頭曲線，這就是特性誤差的積累傳遞路線，路線中所有的零件特性都是對該產(chǎn)品關(guān)鍵特性有影響的相關(guān)特性。分析時(shí)，頂層關(guān)鍵特性是裝配自然形成的，是封閉環(huán)，而誤差積累傳遞鏈中的相關(guān)特性就是尺寸鏈的組成環(huán)。

2 關(guān)鍵特性識(shí)別方法

2.1 關(guān)鍵特性預(yù)識(shí)別

定性分析只是一個(gè)粗略選取的過程，所以具體的方法大多依賴于人的經(jīng)驗(yàn)，沒有定量分析方法那么復(fù)雜嚴(yán)格。關(guān)鍵特性預(yù)識(shí)別就是這樣一種定性分析方法，主要是為了剔除大量無關(guān)緊要的特性，縮小特性范圍，減少定量分析的工作量。

頂層關(guān)鍵特性的誤差Δyi與影響它的零件特性誤差Δxj之間存在以下關(guān)系：

式中，kij是誤差傳遞系數(shù)。由式（1）可知頂層關(guān)鍵特性的誤差Δyi由零件特性誤差Δxj和誤差傳遞系數(shù)kij綜合決定。在沒有具體測量數(shù)據(jù)的情況下，零件特性的誤差Δxj可以定性地用其設(shè)計(jì)公差tj和工藝能力指數(shù)cj的商表示：

式（2）可理解為零件特性的誤差與其設(shè)計(jì)公差正相關(guān)，設(shè)計(jì)公差大，實(shí)際誤差就大；設(shè)計(jì)公差小，實(shí)際誤差就小。特性的誤差與其工藝能力反相關(guān)，工藝能力指數(shù)大，實(shí)際誤差??；工藝能力指數(shù)小，實(shí)際誤差大。

由于沒有具體的測量數(shù)據(jù)，自然也就不知道特性的工藝能力，但可用相似特性的歷史工藝能力指數(shù)估計(jì)現(xiàn)有特性的工藝能力指數(shù)cj。則式（2）變?yōu)椋?/p>

考慮到特性誤差Δxj和誤差傳遞系數(shù)kij的綜合作用，定義特性傳遞誤差

由于選擇歷史相似特性需要依賴于人的經(jīng)驗(yàn)，而且公式（2）本來就是一個(gè)估計(jì)算法，所以只能通過傳遞誤差Eij的大小對相關(guān)特性進(jìn)行粗略的篩選。

圖1 關(guān)鍵特性識(shí)別和控制流程Fig.1 Identification and control process of key characteristics

圖2 裝配有向圖Fig.2 Assembly oriented graph

2.2 備選特性風(fēng)險(xiǎn)分析

風(fēng)險(xiǎn)分析法是一種簡便而又全面的定量分析方法。風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)，把每一個(gè)備選特性都看作是影響頂層關(guān)鍵特性的一個(gè)危險(xiǎn)因子，用風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)（Risk Priority Number,RPN）定量評(píng)估各備選特性超差的風(fēng)險(xiǎn)大小。風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)的計(jì)算公式如下[4]：

式中，SR為特性超差影響系數(shù)，表示特性超差所引起問題的嚴(yán)重性；OR為特性超差頻率系數(shù)，表示特性超差發(fā)生的頻繁性；DR為特性隱超差系數(shù)，表示特性超差而又沒有檢測到的概率。SR、OR和DR的取值都是從1～10，數(shù)值越大表示后果越嚴(yán)重，風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)RPN的值也就越大，說明該特性對產(chǎn)品質(zhì)量的影響大，應(yīng)該定義為關(guān)鍵特性。

風(fēng)險(xiǎn)分析中最大的難點(diǎn)就是對3個(gè)系數(shù)進(jìn)行定量評(píng)定。事實(shí)上，3個(gè)系數(shù)分別反映了3個(gè)方面。特性超差頻率系數(shù)反映了特性的工藝能力，特性的工藝能力好，超差的頻率自然就低，所以，可以根據(jù)特性的工藝能力指數(shù)大小評(píng)估OR的取值。特性超差影響系數(shù)反映了零件特性對頂層關(guān)鍵特性的影響程度，這種影響關(guān)系最直觀的反映就是誤差傳遞系數(shù)，所以，可以根據(jù)誤差傳遞系數(shù)的大小來評(píng)估SR的取值。特性隱超差系數(shù)反映的是特性的檢測能力，如果不考慮檢測過程中的方法、環(huán)境和人員所引起的誤差，則特性的檢測能力由檢測工具的檢測精度決定，所以可以根據(jù)特性檢測工具的檢測精度評(píng)估DR的取值。

風(fēng)險(xiǎn)分析中需要同時(shí)考慮特性的工藝能力、特性對頂層關(guān)鍵特性的影響關(guān)系和特性的檢測能力，同時(shí)各系數(shù)的評(píng)估簡單明了，所以說風(fēng)險(xiǎn)分析法是一種簡便而又全面的定量分析方法。

3 關(guān)鍵特性控制

關(guān)鍵特性識(shí)別工作完成后便針對關(guān)鍵特性具體情況制定測量控制計(jì)劃。關(guān)鍵特性的統(tǒng)計(jì)過程控制主要分析工藝過程狀態(tài)的穩(wěn)定性。

過程狀態(tài)的穩(wěn)定性可分為統(tǒng)計(jì)穩(wěn)態(tài)和技術(shù)穩(wěn)態(tài)兩類。若一個(gè)過程的控制圖中的點(diǎn)處于上下控制線之間且呈隨機(jī)分布，則稱過程處于統(tǒng)計(jì)穩(wěn)態(tài)；若過程滿足過程一定的能力要求，比如Cpk>1.33，則稱過程處于技術(shù)穩(wěn)態(tài)。

當(dāng)關(guān)鍵特性控制圖中的點(diǎn)波動(dòng)異常時(shí)，或者工藝過程能力偏低時(shí)，說明工藝過程失穩(wěn)，應(yīng)該立即查明原因，并采取適當(dāng)?shù)拇胧┫▌?dòng)，使過程重新回到穩(wěn)態(tài)。關(guān)鍵特性控制應(yīng)保證關(guān)鍵特性的工藝過程同時(shí)處于統(tǒng)計(jì)穩(wěn)態(tài)和技術(shù)穩(wěn)態(tài)。

關(guān)鍵特性識(shí)別與控制系統(tǒng)開發(fā)

1 軟件模塊劃分

在理論研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了關(guān)鍵特性識(shí)別與控制系統(tǒng)軟件。為了開發(fā)方便，依據(jù)容易實(shí)現(xiàn)、功能單一的原則將系統(tǒng)軟件劃分為5個(gè)模塊。

（1）特性可視化創(chuàng)建模塊。主要用來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品三維數(shù)模導(dǎo)入，生成產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)樹。在裝配誤差積累傳遞分析的基礎(chǔ)上提取特征信息，并可視化創(chuàng)建特性，把特性參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫。

（2）關(guān)鍵特性預(yù)識(shí)別模塊。根據(jù)相似特性的歷史工藝數(shù)據(jù)，結(jié)合特性的設(shè)計(jì)公差和誤差傳遞系數(shù)預(yù)估特性的傳遞誤差，并用柱狀圖顯示，依據(jù)貢獻(xiàn)誤差的大小對特性進(jìn)行粗略篩選。

（3）備選特性風(fēng)險(xiǎn)分析模塊。對預(yù)識(shí)別得到的備選特性進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，用特性工藝能力指數(shù)評(píng)定超差頻率系數(shù)，用特性的誤差傳遞系數(shù)評(píng)定超差影響系數(shù)，用特性檢測工具精度評(píng)定隱超差系數(shù)，最后依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)識(shí)別關(guān)鍵特性，并保存分析結(jié)果。

（4）關(guān)鍵特性控制圖模塊。實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入，繪制測量數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的曲線圖，通過曲線的波動(dòng)情況分析特性工藝過程的統(tǒng)計(jì)穩(wěn)態(tài)。

（5）關(guān)鍵特性工藝分析模塊。繪制測量數(shù)據(jù)的頻數(shù)分布圖和正態(tài)擬合曲線，求解特性的工藝數(shù)據(jù)，并保存在特性工藝數(shù)據(jù)庫中。

2 數(shù)據(jù)庫支持

數(shù)據(jù)庫使用Microsoft Access 2003數(shù)據(jù)庫文件，系統(tǒng)采用ADO建立與數(shù)據(jù)庫之間的連接。根據(jù)軟件運(yùn)行和軟件功能的需要，設(shè)計(jì)了兩種數(shù)據(jù)庫，即特性信息數(shù)據(jù)庫和特性工藝數(shù)據(jù)庫。特性信息數(shù)據(jù)庫是在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)生成的，因?yàn)閿?shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)既是上一階段的生成結(jié)果，同時(shí)又是下一階段的輸入條件，所以這些數(shù)據(jù)庫在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)主要起通信、交流的作用。特性工藝數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)特性的工藝信息，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對關(guān)鍵特性識(shí)別提供參考。由于特性的工藝數(shù)據(jù)很重要很寶貴，所以對每一批次的測量數(shù)據(jù)都要分析關(guān)鍵特性的工藝能力參數(shù)，并保存，這樣使特性工藝數(shù)據(jù)庫越來越豐富。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

在Visual Studio 2008集成開發(fā)環(huán)境下，結(jié)合Open CASCADE的可視化功能庫和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能庫，以及BCGControlBar擴(kuò)展庫的界面設(shè)計(jì)功能，開發(fā)關(guān)鍵特性識(shí)別與控制系統(tǒng)軟件。Visual Studio 2008是一款功能齊全的可視化軟件開發(fā)工具，適合用于Windows應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，是目前計(jì)算機(jī)上使用范圍最廣的應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境之一。Open CASCADE是一套開放原始代碼的功能強(qiáng)大的三維建模工具，其本質(zhì)上是一個(gè)面向?qū)ο蟮腃++類庫[5]。BCGControlBar是一個(gè)基于MFC的擴(kuò)展庫，包含了大約300多個(gè)經(jīng)過精心設(shè)計(jì)、測試和具有完備文檔的MFC擴(kuò)展類。關(guān)鍵特性識(shí)別與控制系統(tǒng)軟件已在某型號(hào)飛機(jī)的應(yīng)急門裝配準(zhǔn)確度分析中得到應(yīng)用。應(yīng)急門相關(guān)特性可視化創(chuàng)建的結(jié)果如圖3所示，關(guān)鍵特性預(yù)識(shí)別、備選風(fēng)險(xiǎn)分析、關(guān)鍵特性控制圖分析和關(guān)鍵特性工藝能力分析結(jié)果如圖4所示。

圖3 可視化創(chuàng)建特性Fig.3 Visually creating the characteristics

圖4 關(guān)鍵特性識(shí)別模塊與控制模塊Fig.4 Identification and control module of key characteristics

結(jié)束語

研究了關(guān)鍵特性預(yù)識(shí)別方法和備選特性風(fēng)險(xiǎn)分析方法，結(jié)合統(tǒng)計(jì)過程控制理論，在VisualStudio 2008平臺(tái)下，開發(fā)了關(guān)鍵特性識(shí)別與控制系統(tǒng)軟件。在某型號(hào)飛機(jī)的應(yīng)急門裝配準(zhǔn)確度分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵特性的可視化創(chuàng)建和識(shí)別、測量數(shù)據(jù)的管理和分析，為基于關(guān)鍵特性的質(zhì)量控制技術(shù)提供了一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)施平臺(tái)。該系統(tǒng)軟件的應(yīng)用能有效地提高產(chǎn)品的質(zhì)量，減少返工率，節(jié)約生產(chǎn)成本。

[1] 魏麗,鄭聯(lián)語. 概要工藝規(guī)劃中關(guān)鍵特性的識(shí)別過程及方法[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) ,2007,13(1)： 147-152.WEI Li, ZHENG Lianyu. Process and approaches of identifying key characteristics in conceptual process planning[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2007,13(1)：147-152.

[2] 唐文斌,余劍鋒,李原,等. 產(chǎn)品關(guān)鍵特性量化鑒別與分解方法應(yīng)用研究[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2011,17(11)：2383-2388.TANG Wenbin, YU Jianfeng, LI Yuan，et al. Application of quantitative identification and decomposition methods for product key characteristics. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2011,17(11)： 2383-2388.

[3] MATHIEU L,MARGUET B. Integrated design method to improve producibility based on product key characteristics and assembly sequences [J]. Annals of CIRP,2001,50(1)：85-88.

[4] Boeing Commercial Airplane Group.AQS guidelines- a guide to AQS continuous improvement expectations [EB/OL]. (2000-5-28)[2014-12-20].http：//www.boeing.com/Companyoffices/dimgbiz/supplier/index.html.

[5] 趙樂樂. 飛機(jī)大部件裝配數(shù)字化測量場構(gòu)建技術(shù)研究[D]. 南京： 南京航空航天大學(xué), 2013.ZHAO Lele. Research on constructing technology of digital measuring field for aircraft large component assembly[D]. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2013.