基于關(guān)鍵特性的數(shù)字化容差分配技術(shù)研究

◎張睿切 王國輝 韋超

一、基于關(guān)鍵特性的數(shù)字化容差分配技術(shù)概述

當(dāng)今的制造業(yè)企業(yè)都在全球化、相互聯(lián)系和多變的市場環(huán)境中努力提高自己的業(yè)績。專用生產(chǎn)線的傳統(tǒng)方法雖然仍在使用/實(shí)踐中，但無法應(yīng)對與市場有關(guān)的變化，例如：產(chǎn)品需求的增加、產(chǎn)品變化（例如在生產(chǎn)線上引入新產(chǎn)品）以及系統(tǒng)故障（例如機(jī)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(yè)中，在數(shù)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(shù)，使生產(chǎn)系統(tǒng)更加靈活，能夠應(yīng)對不穩(wěn)定的市場需求，產(chǎn)品流動也更加混雜。在航空航天部門，特別是在屬于供應(yīng)鏈第一層及以下的制造企業(yè)，產(chǎn)品數(shù)量的規(guī)模不允許引進(jìn)自動化，如機(jī)器人。此外，航空航天產(chǎn)品的高度復(fù)雜性要求操作高度靈活，這使得自動化更具挑戰(zhàn)性，并要求操作人員具備高技能以及技術(shù)和實(shí)踐知識?？芍貥?gòu)制造系統(tǒng)作為介于專用生產(chǎn)線和柔性制造系統(tǒng)之間的一類新型生產(chǎn)系統(tǒng)，在90年代中期被引入。機(jī)器和系統(tǒng)可修改性的概念以及關(guān)鍵操作功能和部件的模塊化是可重構(gòu)制造系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和批量生產(chǎn)的前提條件。

在產(chǎn)品生命周期中，容差對機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和成本有重要影響。本文提出了一種新的收費(fèi)分配方法。提出的方法允許在CAD模型中進(jìn)行容差集成，同時在數(shù)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(jī)輔助設(shè)計模型中進(jìn)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(tǒng)計法（RSS）和公差計算法。不符合率（RNC）可用于表達(dá)質(zhì)量要求。對于公差綜合，即所謂的公差分配，需要設(shè)計、制造和質(zhì)量之間的耦合。使用公差分配工具，設(shè)計人員可以將適當(dāng)?shù)墓罘峙浣o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(quán)衡。在二十世紀(jì)早期，各種各樣的制造成本收費(fèi)模型被提出。公差要求是指對產(chǎn)品所用的機(jī)械加工工藝、刀具和夾具的選擇、所需的操作者技能水平、設(shè)置成本、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)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(guān)鍵特性的容差分解傳遞以及建模分析

1.飛機(jī)關(guān)鍵特性的容差分解傳遞過程。

在機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計中，公差是一個關(guān)鍵性的任務(wù)，因?yàn)樗诒ＷC機(jī)械系統(tǒng)功能和質(zhì)量的同時，優(yōu)化生產(chǎn)成本，尊重加工工具。公差是設(shè)計、制造和控制各個階段之間的溝通支持。產(chǎn)品生命周期的這個關(guān)鍵階段是一個吸引越來越多實(shí)業(yè)家和研究人員的主題。公差是設(shè)計、制造和裝配產(chǎn)品階段最重要的要求。在實(shí)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(jù)功能需求確定公差（分析、綜合和規(guī)格說明）。第二種是根據(jù)工藝計劃計算出的制造工序公差的分布。

2.飛機(jī)關(guān)鍵特性建模分析。

一般的機(jī)械加工尺寸分配方法的主要缺點(diǎn)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(jī)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(jìn)，提出了一種基于權(quán)重因子——難度系數(shù)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(jìn)行評價。

數(shù)字化容差分配技術(shù)仿真通常用于制造業(yè)，用于評估生產(chǎn)系統(tǒng)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(shè)情景。使用仿真的一個主要挑戰(zhàn)是需要頻繁地更新仿真模型。工藝時間，產(chǎn)品路線和資源配置的變化應(yīng)該在仿真模型中相應(yīng)地更新，以描述現(xiàn)實(shí)和支持工程師采取知情決策。就更新模型的準(zhǔn)確性和頻率而言，手工數(shù)據(jù)收集過程是不夠的。這也是一種相當(dāng)昂貴的數(shù)據(jù)捕獲方法。數(shù)據(jù)集的最終形式如下圖所示：

圖1數(shù)字裝配數(shù)據(jù)集示意圖

三、結(jié)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(shù)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(jī)構(gòu)尺寸鏈。利用CAD模型確定了模型的類型和難度級別。實(shí)例（略）分析表明，該方法考慮了產(chǎn)品生命周期早期階段的制造過程，以擴(kuò)大制造難度較大的尺寸公差。在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮裝配質(zhì)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(guān)于CAD集成與制造尺寸難度量化之間的容差分配耦合問題。