基于关键特性的数字化容差分配技术分析

史新权

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西 西安 710089

引言

在科学技术日新月异的背景下，航空产品也呈现出多样化发展趋势，飞机柔性装配综合应用了数字化装配、装配工艺改良、智能定位和控制技术等，在确保零部件装配高精准度的基础上，显著提升了装配效率，缩短了航空产品的装配周期，较好地满足了多种航空产品的现实生产需求。航空产品类型繁多、数量庞大，实际装配中很难一一控制各个质量特性，需要探寻出对产品综合质量产生重要影响的关键特性进行管控。可以尝试运用数字化协调技术把关键特性分解传递至实体零件与工艺流程，针对各时段关键特性进行科学的容差分配，最大限度地提升控制效率，使航空产品装配工作质效得到更大保障。

1 关键特性的分类与辨别

1.1 分类

1.1.1 产品关键特性。指的是高度约束的产品特征的集合，若忽视加工制造能力带来的影响，这些特征和标准值之间形成微小出入均可能影响产品外观形态与使用功能，以上偏差多在产品装配环节生成的。如果面对的是要进行设计分解的产品，客户需求是影响产品关键特性的唯一因素，其是固定不变的。

1.1.2 装配工序关键特性。对于确定的产品设计分解流程与装配工法，装配工序的关键特性同样是不可改变的。比如蒙皮上定位孔方位的精准度影响着后期蒙皮的装配效果，故而可以把定位孔的方位确定成装配工序的关键特性，另外模具或夹具之上的曲面、孔或定位面也为隐匿的关键特性[1]。

1.1.3 制造工序关键特性。对于在零件特征层，对达成产品或装配工序关键特性形成影响的机床或设备生产工序参数或夹具自身属性。比如在制造轴时，刀具的切线速度与转动偏差均可能使轴直径跑偏，故而要严控刀具的切削深度和旋转速度以迎合客户的质量需求。

1.2 辨识

对于并行项目的概念设计时段，需要在飞机综合属性之上定义关键特性，在这样的工况下，关键特性属于产品级范畴，伴随并行设计工作的深入突进，进入到工艺规划阶段时，通过搭建制造树，将产品级的关键特性分解传递至实体零件与工艺流程上。制造树创建环节中，需要以产品结构与既有制造资源为基础，涉及数字化调控与装配次序各自的要求，进而更加便捷地传递关键特性。传递关键特性即于产品的所有特性内探寻到对产品整体质量产生最大影响的、并且能够沿着制造树逐级分解传递，最终能构造出关键特性树。关键特性树能精准、直观的呈现出关键特性的误差累积情况，并且将其作为凭据检测检验不同阶段的关键特性，确保其始终处于可控状态下。依照航空制造过程多级式装配的特征，可以依照产品结构分解传递关键特性，创建出由产品级、部件级、组件级、零件级不同层次构成的特性树。

2 关键特性的分解传递

2.1 创建制造树

合理分解航空产品的结构，并且综合加工制造企业内制造资源的存储状况创建制造树。制造树上的各个节点均表示单个零部件的装配，最顶级为飞机产品，最末一级表示的是零部件的生产及工艺流程。上级节点将基准与需求精准的提供给下级节点，下级节点不仅要对上级节点负责，也要把节点的基准与需求传递到下一级节点。创建的制造树能清晰地呈现出航空零部件的先后装配顺序，可以将其分解传递关键特性的重要依据[2]。

2.2 初步确定关键特性

参照制造树内容初步选出关键特性，经常会把协调部位定义成关键特性，依照可测量性、可控制性相关要求决定是否沿着制造树继续向下传递，若实际中有传递的需求，则可以将其直接传送至可测量的实体零件或工序参数以上。

2.3 确定误差累积路线

参照设计的误差累积路线，精准探寻到航空产品生产制造与装配期间误差积累量最大的流程，判断是否可以将其作为隐匿型关键特性并加强管控。因为差异化装配方案下不同零件的定位关系有差别，所以实际装配误差的累积方向也不尽相同。以航空产品结构与定位形式建立基准传递链，科学阐述装配实践中的定位、连接形式，据此就能确定最为科学的装配误差累积路线。而关于零件的制造协调误差大小，协调路线的选用情况是主要的影响因素，遵照制造原则构建尺寸传递链，精准阐述航空产品制造过程中的加工定位与主要工艺参数，进一步提升制造误差累积路线的清晰度[3]。

2.4 分析判断关键特性

参照误差积累路线的设计情况，运用定性方法，实质上就是组织技术人员分析误差累积过程，去除引起微小制造、装配问题的误差累积流程，或对比类型方案内出现的问题，筛选出问题高发的环节，借此方式缩小分析判断的范畴。运用定量方法，等同于参照既往形成的经验数据，预估各流程的误差积累的偏差，最后确给产品质量特性造成较大影响的隐匿性关键特性并进行控制。

整体分析关键特性的分解传递过程，解读误差累积路线的运作形式，通过管理控制下级关键特性的方法能使上级关键特性得到一定保障，能够实现最后控制顶级关键特性的目标。

3 关键特性的容差建模和分析

3.1 容差建模

尺寸链在容差模型中起到可靠的支撑作用，航空产品关键特性的容差建模，可以理解成依照制造数的结构特征，全面解读关键特性的误差构成环与累积路线，以此为据搭建出以关键特性的误差作为封闭环的尺寸链构造。在航空产品装配实践中通常是把构件外部形态精准度设定为关键特性加以管理控制，这就意味着需要创建出以构造外形精准度作为封闭环的装配式尺寸链。事实上，产品装配尺寸链和装配执行方案之间存在密切关联性，后者主要由定位基准与装配操作次序等构成。提取制造树内的部分信息，能够明确各级关键特性零件之间形成的定位关系及定位基准。制造树自身的结构也能呈现出产品装配次序，故而运用制造树能较为直接的分析处对产品关键特性产生影响的误差构成环及累积路线。由制造树内提取不同零部件之间的全部约束关系是装配尺寸链创建的基础，以上提取过程中也要捕获零件的部分尺寸信息，利用其建设出相配套的几何约束网络，搜查到其内最短小路径去生成。飞机外形误差的尺寸链方程常规形式是[4]：

本文这里选择飞机机翼的外形误差作为实例加以分析，如果把骨架作为装配基础，那么其外形误差对应的尺寸链可以用下式表示：

如果将蒙皮作为零部件的装配基准，那么其外形误差对应的尺寸链是：

3.2 容差分析

3.3 应用案例

应把某个型号飞机机翼的翼肋长度作为关键特性加以控制。已知装配时要求将封闭环的公差控制在2mm之内，以为组装、修理及调配等创造便利条件，其内的尺寸链信息主要有：是封闭环，基本尺寸大小是870mm；均是增环，尺寸容差分别是假定以上各个构成环均服从正态分布规律，其对应的容差设计函数是：

运用蒙特卡洛模拟法运算尺寸链方程，设计模拟次数100000次，运用计算机测算出封闭环的一阶、二阶中心距依次是：

因为以上各个构成环均服从正态分布规律，那么可以将封闭环的容差表示为代表的是封闭环的二阶中心距。基于蒙特卡洛模拟方法，配合MATLAB编程软件进行容差分析，获得相应的容差分析仿真结果（如图1）。航空产品工艺人员可以把以上生成的容差分析结果作为整改与完善容差的凭据，历经科学的分析模拟后，封闭环的尺寸容差大小是尺寸最大、最小分别是870mm、867mm，综合以上分析所得结果可以判定封闭环容差符合质量控制要求。如果封闭环容差和质控要求之间存在较大出入时，则可以依照各个构成环给封闭环提供的贡献程度对其尺寸大小进行微调整，贡献率的运算公式是：

图1 容差分析的仿真结果

4 结束语

以产品关键特性开发的数字化协调技术顺畅地将关键特性信息分解并传输至实体零部件与工艺过程，为不同阶段的关键特性进行容差配置，将模拟仿真结果反馈到设计、加工生产及装配等诸多部门，进而更科学的调整与优化工艺方案与措施，此时就能较有效的执行产品数据集的相关内容，提升航空产品质量的控制效果，为我国航天航空事业壮大发展做出一定贡献。