弱標(biāo)準(zhǔn)化云協(xié)同制造

涂成生，潘家芳

（1.廣東華中科技大學(xué)工業(yè)技術(shù)研究院，廣東 東莞523808；2.東莞新吉凱氏測量技術(shù)有限公司，廣東 東莞523000；3.桂林理工大學(xué) 機械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林541001）

0 引言

標(biāo)準(zhǔn)化制造是現(xiàn)代化大生產(chǎn)的必要條件，標(biāo)準(zhǔn)化促進了相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的相互協(xié)調(diào)和配合。特別是復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)，往往涉及很多企業(yè)或部門，協(xié)作點遍布世界各地。標(biāo)準(zhǔn)化讓復(fù)雜產(chǎn)品的制造得以有條不紊地進行，標(biāo)準(zhǔn)化制造大幅降低了批量生產(chǎn)的成本并提升了生產(chǎn)效率。

隨著人們對產(chǎn)品品質(zhì)要求的提升，對批量制造零部件的合格標(biāo)準(zhǔn)或精度等級的要求越來越高[1]，企業(yè)主要通過對零部件生產(chǎn)合格標(biāo)準(zhǔn)要求的提高（我們稱之為“強標(biāo)準(zhǔn)化”）來實現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)、穩(wěn)定性和可靠性的提升。強標(biāo)準(zhǔn)化制造模式在機械制造領(lǐng)域具體體現(xiàn)為零部件制造尺寸公差越來越小。強標(biāo)準(zhǔn)化制造模式導(dǎo)致對制造設(shè)備、人員、工藝等要求的不斷提升和相對成本的不斷提升。

1 弱標(biāo)準(zhǔn)化概念

“弱標(biāo)準(zhǔn)”，英文Soften-standard即“軟標(biāo)準(zhǔn)”（相對于“硬性”的合格標(biāo)準(zhǔn)），也稱Least No-Go或LNG（即“最低不合格率”）。“弱標(biāo)準(zhǔn)化”制造是一種創(chuàng)新制造模式，是指通過技術(shù)手段弱化（降低）制造過程中對產(chǎn)品零件合格標(biāo)準(zhǔn)或精度等級的要求，從而降低制造成本，提高零部件合格率，提升產(chǎn)品品質(zhì)。狹義的“弱標(biāo)準(zhǔn)化”概念特指其在機械制造行業(yè)中的應(yīng)用，以下將通過舉例說明此概念的具體含義。

眾所周知，在機械制造行業(yè)中，有配合關(guān)系的零件制造（如軸與套/座）均是基于互換性的生產(chǎn)原則將零件的制造尺寸偏差控制在一定的范圍（即零件的尺寸公差）之內(nèi)，從而控制這些零件在裝配之后所形成的配合誤差能夠始終處于滿足裝配體使用要求的合理范圍（即裝配體的配合公差）之內(nèi)。在大批量的生產(chǎn)組織形式下，目前廣泛地采用標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)模式，即運用標(biāo)準(zhǔn)化的手段把產(chǎn)品生產(chǎn)的加工要求、工藝過程及操作方法等進行統(tǒng)一并實施有效控制。這種現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)化制造模式是利用標(biāo)準(zhǔn)化的手段通過控制零件的加工尺寸偏差來實現(xiàn)裝配體的配合誤差始終在允許的配合公差范圍之內(nèi)。簡而言之，即是通過控制過程要素以期得到合格的結(jié)果。而本文提出的“弱標(biāo)準(zhǔn)化”理念，則是基于結(jié)果導(dǎo)向?qū)^程要素的標(biāo)準(zhǔn)公差通過“分區(qū)控制+優(yōu)化匹配”的手段，實現(xiàn)零件加工的合格標(biāo)準(zhǔn)或精度等級的實質(zhì)性降低，從而實現(xiàn)在不降低裝配體的配合精度的前提下，有效地降低零件加工的制造成本，同時大幅度減少零件加工的廢品率，提升裝配體的品質(zhì)。

下面以一個常用的齒輪孔與傳動軸的配合加工為例，進一步說明弱標(biāo)準(zhǔn)化的含義及其應(yīng)用價值。

假設(shè)齒輪孔與軸的配合公差φ50H7/k6可滿足齒輪與軸裝配之后的使用要求，則該配合公差即成為齒輪孔與軸的理論設(shè)計配合公差，如表1所示。在這個配合公差中，φ50表示齒輪孔與軸的公稱直徑；H7表示齒輪孔的公差帶為H、公差等級為IT7級；k6表示軸的公差帶為k、公差等級為IT6級；φ50H7表示齒輪孔的直徑尺寸公差為0～0.025 mm，即齒輪孔的直徑尺寸加工允許范圍為50～50.025 mm；同理，對于軸而言，φ50k6表示軸的直徑尺寸公差為0.002 ～0.018 mm，即軸的直徑尺寸加工允許范圍為50.002～50.018 mm；φ50H7/k6表示齒輪孔與軸這兩個零件裝配之后的配合公差，其允許的配合間隙（或過盈）范圍為-0.018～0.023 mm（注：這是一種過渡配合）。在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)中，就是通過控制齒輪孔與軸的加工精度來確保兩者之間的裝配精度，即只要確保2個零件的加工精度均在其允許的尺寸公差范圍之內(nèi)，則兩者的裝配精度就一定會保證在其允許的配合公差范圍之內(nèi)。這種標(biāo)準(zhǔn)化控制的方式，無論是齒輪孔還是軸的直徑尺寸公差帶都存在較多的冗余公差未能得到充分利用，這就決定了這種傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)組織形式并不是最經(jīng)濟、最優(yōu)化的生產(chǎn)方式，可以通過模式重構(gòu)與創(chuàng)新優(yōu)化來實現(xiàn)生產(chǎn)效能上的大幅提升，這種重構(gòu)創(chuàng)新的生產(chǎn)組織模式即為“弱標(biāo)準(zhǔn)化”的生產(chǎn)模式。具體做法如下：將齒輪孔的標(biāo)準(zhǔn)公差等級從IT7級降低一個等級至IT8級（公差等級越低，制造成本就越低），將軸的標(biāo)準(zhǔn)公差等級從IT6級降低2個等級至IT8級，同時對齒輪與軸這兩組零件的實際加工公差進行實測并各自分成5個等級，每個等級的尺寸偏差范圍均為標(biāo)準(zhǔn)公差帶的1/5且呈逐級遞增，在裝配時需確保同等級的零件才能進行配對裝配，如表2所示。

表1 齒輪孔與軸的理論設(shè)計配合公差示例

表2 傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化與弱標(biāo)準(zhǔn)化的制造公差控制示例

如表2所示，采用實質(zhì)上公差降低之后的配合公差φ50H8/k8，不僅依然可以滿足原理論設(shè)計的φ50H7/k6中的裝配精度要求，而且裝配體的配合公差從-0.018～0.023 mm范圍大幅度縮小到了-0.008～0.008 mm范圍，即配合精度得到了超過2倍的提高。而這種生產(chǎn)效能的提升并沒有增加任何加工條件或者提高生產(chǎn)控制工藝。由于加工公差等級的降低，可以使得零件的加工生產(chǎn)成本得以大幅降低。

綜上所述，在傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化制造模式下，低要求的配合尺寸允許公差大（合格標(biāo)準(zhǔn)要求降低）、高要求的配合尺寸允許公差?。ê细駱?biāo)準(zhǔn)要求提高）。通常，公差小的產(chǎn)品需要采用精度更高的設(shè)備、技術(shù)更熟練的人員，以及更多的加工工序和更嚴(yán)格的工藝等方可達(dá)成，從而導(dǎo)致了精密產(chǎn)品制造成本的快速上升。而弱標(biāo)準(zhǔn)化制造則在不改變公稱值（理論值）的前提下，允許以更大的公差進行生產(chǎn)。軸加工方通過對每根軸進行標(biāo)記、采用精密測量手段對每根軸的配合參數(shù)（軸的外形和直徑）進行實測并記錄、上傳至云平臺存儲供用戶使用；套加工方采用類似的技術(shù)手段，對每個套進行標(biāo)記、實測套內(nèi)徑并記錄；軸套組件裝配時，通過自動分選系統(tǒng)識別工件上的標(biāo)記，從云數(shù)據(jù)庫獲得軸和套的實測直徑，自動完成軸和套的優(yōu)化匹配選擇，實現(xiàn)最佳匹配（必要時可結(jié)合智能倉庫），且每個軸套組件都實現(xiàn)了最小間隙裝配，從而提升軸套組件產(chǎn)品的質(zhì)量。

制造誤差統(tǒng)計呈現(xiàn)正態(tài)分布，如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)化制造模式下，產(chǎn)品質(zhì)量的提升表現(xiàn)為制造公差（偏離理想值）越來越?。ň鹊燃壴絹碓礁撸?。更窄的公差帶要求合格產(chǎn)品與理想值偏差更小。在傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化制造模式下，這種允許誤差的減少即是合格產(chǎn)品精度等級的提高或合格標(biāo)準(zhǔn)的提高。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，對加工設(shè)備、人員、工藝等各個方面的要求也都會提高，成本也自然相應(yīng)地上升。

圖1 制造誤差呈現(xiàn)正態(tài)分布

而弱標(biāo)準(zhǔn)化制造模式下，將公差帶按高精度要求的標(biāo)準(zhǔn)分成若干段。如表2所示，可將軸按照公差值級差等分為5等分，通過高精度的測量設(shè)備，把產(chǎn)品按實測直徑值分類并加標(biāo)記A、B、C、D、E；同理，以同樣方式處理與該軸配套的孔，孔也按實測內(nèi)徑值分類并加標(biāo)記A、B、C、D、E。裝配時，通過標(biāo)記對產(chǎn)品進行分選、配對，確保A類的軸與A類的孔裝配、B類的軸與B類的孔裝配，依此類推，最終由軸和孔裝配起來的部件“軸+齒輪”的配合公差都滿足-0.018～0.023 mm的要求，從而在不改變已有產(chǎn)品加工模式的狀況下，通過“弱標(biāo)準(zhǔn)化”技術(shù)手段，生產(chǎn)出滿足更高精度標(biāo)準(zhǔn)要求的“軸+齒輪”產(chǎn)品。進一步地，不必對公差值分級，而通過對配套零件的配合尺寸的無級優(yōu)選匹配完成協(xié)同制造，實現(xiàn)更加理想的組件生產(chǎn)。

弱標(biāo)準(zhǔn)化與個性化或非標(biāo)定制不同。非標(biāo)制造情況下，每件產(chǎn)品都可能不一樣，比如衣服的個性化制造。弱標(biāo)準(zhǔn)化制造則是公稱值（理論值）不變的前提下，通過技術(shù)手段弱化了對零件合格標(biāo)準(zhǔn)或精度等級的要求，從而使傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)下不合格的加工超差零件也能組裝出合格甚至質(zhì)量更高的部件產(chǎn)品。

弱標(biāo)準(zhǔn)化制造模式的直接好處是：1）大幅降低對零件制造裝備、人員、工藝等的要求；2）大幅減少零件的廢品率；3）大幅提升部件的品質(zhì)及其穩(wěn)定性；4）強化對產(chǎn)品制造過程的監(jiān)控和流通過程中的追溯體系；5）提升產(chǎn)品生產(chǎn)供應(yīng)鏈上下游之間的黏性。

2 弱標(biāo)準(zhǔn)化制造的實現(xiàn)

弱標(biāo)準(zhǔn)化制造涉及的主要技術(shù)包括：1）工業(yè)標(biāo)記技術(shù)；2）檢測技術(shù)；3）自動選配技術(shù)（云測量、工業(yè)大數(shù)據(jù)、自動分選、智能立庫等）。弱標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)是：在標(biāo)準(zhǔn)化制造過程中，對每一個工件進行標(biāo)記，對其配合尺寸進行測量，將測量結(jié)果上傳至云平臺，依據(jù)測量結(jié)果對產(chǎn)品進行分類（儲存或包裝）；在使用工件前，通過掃描產(chǎn)品標(biāo)記從云平臺獲得工件的配合尺寸、建議配套產(chǎn)品的型號和子類等信息。通過信息共享、廠內(nèi)物流、智能立庫等自動將匹配的配套產(chǎn)品按要求準(zhǔn)確提供到裝配工位，完成最優(yōu)匹配工件的裝配。

工業(yè)標(biāo)識技術(shù)如激光打標(biāo)在金屬工件上打上二維碼，二維碼包含了訪問云平臺的互聯(lián)網(wǎng)地址和該工件的唯一性編碼。掃描該二維碼，用戶可以登錄到云平臺獲得該工件的相關(guān)信息，包括但不限于零件編號、生產(chǎn)廠家、車間、批次、生產(chǎn)負(fù)責(zé)人、配合尺寸（或形狀檢測數(shù)據(jù)）、所屬類別、建議配套的型號和類別等等。需要包裝的工件（產(chǎn)品），也可以增加顏色標(biāo)記等方便用戶直觀識別該工件所屬的不同類別。

檢測技術(shù)是弱標(biāo)準(zhǔn)化的核心，通過檢測完成對零件配合尺寸誤差的記錄或等級分類。由于高標(biāo)準(zhǔn)的公差通常都比較小，所以對檢測精度的要求至少得是公差的1/3～1/5。例如，為了實現(xiàn)弱標(biāo)準(zhǔn)化制造，把軸加工公差放大到±0.05 mm或0～0.10 mm，再把這個公差帶分為5等分，每段為0.02 mm，為了精確測量0.02 mm的公差帶，測量精度需要至少達(dá)到0.006 mm或0.004 mm。

另外，工件的自動選配技術(shù)包括云測量、工業(yè)大數(shù)據(jù)、智能立庫等相關(guān)技術(shù)。云測量有助于在不同地點制造的產(chǎn)品的數(shù)據(jù)評價，如前例所述軸和套分別在不同工廠、車間制造，通過本地測量后在云端完成測量結(jié)果評估、最佳匹配等，實現(xiàn)協(xié)同制造，減少浪費。工業(yè)大數(shù)據(jù)則可基于云數(shù)據(jù)庫的測量數(shù)據(jù)和其它生產(chǎn)履歷數(shù)據(jù)，了解產(chǎn)品生產(chǎn)或流通情況，為企業(yè)生產(chǎn)、工藝改善、物流等提供支持。智能立庫可以自動將分選好的零件及時、準(zhǔn)確地送達(dá)指定位置，實現(xiàn)自動化裝配。

弱標(biāo)準(zhǔn)化在不同的行業(yè)會有不同的體現(xiàn)，機械零件制造的弱標(biāo)準(zhǔn)化通過自動標(biāo)記、尺寸檢測、云平臺、自動分選等得以實現(xiàn)。

3 弱標(biāo)準(zhǔn)化制造的應(yīng)用

如上文所述，弱標(biāo)準(zhǔn)化制造通過檢測技術(shù)將標(biāo)準(zhǔn)弱化（如機械制造尺寸公差放寬），基于檢測結(jié)果進行記錄或?qū)α慵M行標(biāo)記或分類（分級）；使用時識別、優(yōu)選配套件進行裝配，最終實現(xiàn)最佳品質(zhì)的部件生產(chǎn)。由于弱標(biāo)準(zhǔn)化制造模式解決的是簡單配合尺寸工件之間的裝配優(yōu)化問題，其主要應(yīng)用領(lǐng)域為配合尺寸單一或比較少的機械部件的云協(xié)同制造，比如軸承和軸承座、渦輪軸和渦輪盤、液壓傳動部件、精密導(dǎo)軌和滑塊等。對于有較多匹配參數(shù)的情況，可以基于匹配參數(shù)的權(quán)重進行最佳擬合（best-fit）匹配獲得優(yōu)選配合對象。

廣義的弱標(biāo)準(zhǔn)化概念可以擴展到更廣泛的領(lǐng)域。比如輪胎生產(chǎn)的終檢確定輪胎是否合格，判定依據(jù)的“標(biāo)準(zhǔn)”是一量化指標(biāo)，如綜合打分0～100分，70分以上為合格品，70分以下為不合格，不合格品需要返修或報廢，合格品按統(tǒng)一價格銷售。也就是說，在（強）標(biāo)準(zhǔn)化模式下，產(chǎn)品只有“不合格”或“合格”，不合格產(chǎn)品只能報廢或返修，合格品只能按統(tǒng)一的價格比如500元一條在市場上銷售。而在弱標(biāo)準(zhǔn)化概念下，產(chǎn)品檢測綜合打分0～100分，50分以下列為必須報廢的不合格品，50～60分的產(chǎn)品等級為“標(biāo)準(zhǔn)-2”，60～70分產(chǎn)品等級為“標(biāo)準(zhǔn)-1”，70～80分產(chǎn)品等級為“標(biāo)準(zhǔn)”，80～90分產(chǎn)品等級為“標(biāo)準(zhǔn)+1”，90分以上產(chǎn)品等級為“標(biāo)準(zhǔn)+2”?！皹?biāo)準(zhǔn)”等級的產(chǎn)品，按原先的合格品價格銷售，比如每條500元（保用50 000 km）；而原先不合格品中比較好的“標(biāo)準(zhǔn)-1”等級的，可以賣每條400元（保用40 000 km）、“標(biāo)準(zhǔn)-2”等級的可以賣每條300元（保用30 000 km）；“標(biāo)準(zhǔn)”等級的產(chǎn)品依然可以賣每條500元（保用50 000 km）；而“標(biāo)準(zhǔn)”以上的等級如“標(biāo)準(zhǔn)+1”等級可以賣每條600元（保用60 000 km）、“標(biāo)準(zhǔn)+2”等級的可以賣每條700元（保用70 000 km）。如此，產(chǎn)品成品通過品質(zhì)檢測進行分級銷售，將單一標(biāo)準(zhǔn)型號的產(chǎn)品分為多個子類（等級），按實際產(chǎn)品質(zhì)量分級提供保用里程、分級定價銷售等，把原來的一些比標(biāo)準(zhǔn)的合格品稍差的產(chǎn)品也合理利用起來產(chǎn)生效益，減少了資源浪費、提升了企業(yè)效益。

另一個“廣義弱標(biāo)準(zhǔn)化”的案例（說明：本案例僅為說明“弱標(biāo)準(zhǔn)化”概念，數(shù)據(jù)未經(jīng)嚴(yán)格量化測試）：某公路大橋設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為“時速80 km/h、使用壽命50 a”；如果通行時速提升為100 km/h，則使用壽命約降低到40 a。但開通運行后，因為大橋上多處裝有測速雷達(dá)，司機們每次過橋前都要從100 km/h減速到80 km/h，導(dǎo)致大橋嚴(yán)重?fù)矶虑掖髽蛏铣錆M了走走停停的大小車，實際通行速度遠(yuǎn)不到80 km/h（橋梁所承受的動態(tài)和靜態(tài)負(fù)載都比預(yù)想的高很多）。有關(guān)部門經(jīng)過調(diào)研將通行速度調(diào)整為100 km/h后，大橋基本不堵車，不僅改善通行質(zhì)量，還大大減輕大橋?qū)嶋H的動態(tài)和靜態(tài)負(fù)載，通行效果和使用壽命都好于原有設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。通過在使用中弱化原有設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要求，取得了意想不到的效果。

4 結(jié)語

弱標(biāo)準(zhǔn)化是社會經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展的必然，也是人們對“合格標(biāo)準(zhǔn)”有更多的評判方法或條件所致。人們對品質(zhì)要求的提升，導(dǎo)致合格標(biāo)準(zhǔn)或制造精度的不斷提高，進而迫使企業(yè)不斷升級設(shè)備、人員、技術(shù)等要素。弱標(biāo)準(zhǔn)化制造模式的提出，有助于緩解企業(yè)對設(shè)備、人員、技術(shù)等的投資壓力、實現(xiàn)低成本、高品質(zhì)產(chǎn)品的生產(chǎn)。得益于檢測技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計算、自動分選、智能立庫等技術(shù)的快速發(fā)展和普及應(yīng)用，弱標(biāo)準(zhǔn)化制造模式可以以較低成本實現(xiàn)，弱標(biāo)準(zhǔn)化制造將逐步成為高品質(zhì)生產(chǎn)的一種極具競爭力的選擇。