基于关键特性的数字化容差分配技术研究

◎张睿切 王国辉 韦超

一、基于关键特性的数字化容差分配技术概述

当今的制造业企业都在全球化、相互联系和多变的市场环境中努力提高自己的业绩。专用生产线的传统方法虽然仍在使用/实践中，但无法应对与市场有关的变化，例如：产品需求的增加、产品变化（例如在生产线上引入新产品）以及系统故障（例如机器故障）以成本效益高或及时的方式。在汽车等大批量制造业中，在数字制造工具的支持下，车间采用了自动化及信息和通信技术，使生产系统更加灵活，能够应对不稳定的市场需求，产品流动也更加混杂。在航空航天部门，特别是在属于供应链第一层及以下的制造企业，产品数量的规模不允许引进自动化，如机器人。此外，航空航天产品的高度复杂性要求操作高度灵活，这使得自动化更具挑战性，并要求操作人员具备高技能以及技术和实践知识。可重构制造系统作为介于专用生产线和柔性制造系统之间的一类新型生产系统，在90年代中期被引入。机器和系统可修改性的概念以及关键操作功能和部件的模块化是可重构制造系统的重要组成部分，是实现产品和批量生产的前提条件。

在产品生命周期中，容差对机构的质量和成本有重要影响。本文提出了一种新的收费分配方法。提出的方法允许在CAD模型中进行容差集成，同时在数字模型的早期阶段考虑功能和制造要求。这种方法可以在计算机辅助设计模型中进行容差集成。

公差计算主要有三种方法，即最差公差法（WC）、根和平方统计法（RSS）和公差计算法。不符合率（RNC）可用于表达质量要求。对于公差综合，即所谓的公差分配，需要设计、制造和质量之间的耦合。使用公差分配工具，设计人员可以将适当的公差分配给零件或装配。最佳公差定位是功能需求与制造成本之间的权衡。在二十世纪早期，各种各样的制造成本收费模型被提出。公差要求是指对产品所用的机械加工工艺、刀具和夹具的选择、所需的操作者技能水平、设置成本、检验标准和返工。公差分配研究可以定位为两个主题：（a）考虑制造过程的公差分配方法和（b）考虑公差的CAD模型。

二关键特性的容差分解传递以及建模分析

1.飞机关键特性的容差分解传递过程。

在机械系统的设计中，公差是一个关键性的任务，因为它在保证机械系统功能和质量的同时，优化生产成本，尊重加工工具。公差是设计、制造和控制各个阶段之间的沟通支持。产品生命周期的这个关键阶段是一个吸引越来越多实业家和研究人员的主题。公差是设计、制造和装配产品阶段最重要的要求。在实践中，对上述两个要求的考虑依次分为两个步骤：第一步根据功能需求确定公差（分析、综合和规格说明）。第二种是根据工艺计划计算出的制造工序公差的分布。

2.飞机关键特性建模分析。

一般的机械加工尺寸分配方法的主要缺点是忽略了制造过程中反映加工操作障碍的难度成本，一方面忽略了获取机械加工尺寸的难度成本，另一方面又忽略了未集成到CAD模型中。以前考虑公差的CAD模型的局限性在于忽略了制造过程。针对上述方法的不足和改进，提出了一种基于权重因子——难度系数β的公差分配方法。提出了一种基于容差集成的制造过程（CADTM）方法，之后对制造过程的可行性进行评价。

数字化容差分配技术仿真通常用于制造业，用于评估生产系统的备选配置，或用于不同的计划策略，一般来说，用于评估假设情景。使用仿真的一个主要挑战是需要频繁地更新仿真模型。工艺时间，产品路线和资源配置的变化应该在仿真模型中相应地更新，以描述现实和支持工程师采取知情决策。就更新模型的准确性和频率而言，手工数据收集过程是不够的。这也是一种相当昂贵的数据捕获方法。数据集的最终形式如下图所示：

图1数字装配数据集示意图

三、结束语

本文提出了一个考虑制造过程的原始CAT模型。提出的CADTM模型解决了公差分配问题中的尺寸难度问题。后者用FMECA方法计算难度系数来定量。利用图形工具和尺寸矢量化方法，在CAD模型中自动获取功能需求的机构尺寸链。利用CAD模型确定了模型的类型和难度级别。实例（略）分析表明，该方法考虑了产品生命周期早期阶段的制造过程，以扩大制造难度较大的尺寸公差。在分析结果的基础上，考虑装配质量损失的情况下，采用加载模型的公差分配降低了总装配成本。最终，CADTM模型是关于CAD集成与制造尺寸难度量化之间的容差分配耦合问题。