技術(shù)

　　在復(fù)雜機械產(chǎn)品的整個制造周期中，公差的設(shè)計與控制是決定最終質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，而構(gòu)成產(chǎn)品的眾多零件的公差設(shè)計是否合理便成為其質(zhì)量控制的源頭。特別是軍工產(chǎn)品(如衛(wèi)星、雷達的高精度變速跟蹤伺服系統(tǒng)等)，對零部組件設(shè)計和加工能力提出了非常高的要求。

　　眾所周知，產(chǎn)品制造的基本要求是質(zhì)量好、成本低。產(chǎn)品的公差是由設(shè)計人員確定的，但其要求是否合理?減少零部件參數(shù)的公差會提高質(zhì)量，減少系統(tǒng)功能波動的損失，但其缺點是要增加成本，而放寬零件參數(shù)的公差又不敢保證滿足產(chǎn)品功能性能的要求。目前很多產(chǎn)品的設(shè)計是憑借經(jīng)驗或者繼承老產(chǎn)品來制訂技術(shù)要求，重視產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗而忽視設(shè)計的合理性和和工藝性的現(xiàn)象比較嚴重。

　　工藝設(shè)計對于實現(xiàn)產(chǎn)品的公差設(shè)計要求非常重要。低精度的零件無法裝配出高質(zhì)量的產(chǎn)品，但如果裝配時采用必要的調(diào)整和補充，也可以裝配出好的產(chǎn)品。裝配工藝流程設(shè)計得不合理，也可能造成高精度零件裝配不出好的產(chǎn)品。同時，對于一些要求并不高的尺寸，如果工藝設(shè)計不合理，在工序加工誤差的累積效應(yīng)下，甚至應(yīng)用精確的數(shù)控加工中心仍不能有效地保證質(zhì)量。

　　另一方面，真實產(chǎn)品的公差是由生產(chǎn)過程保證的，生產(chǎn)過程是否穩(wěn)定決定了產(chǎn)品是否有能力進行批次性投產(chǎn)，決定了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本能否降低，生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)如何實時反饋給產(chǎn)品設(shè)計人員和工藝設(shè)計人員，如何能夠快速地對生產(chǎn)過程的波動和不合格予以響應(yīng)，都是產(chǎn)品研制過程不容忽視的問題。

　　因此，公差的設(shè)計與控制是一項面向產(chǎn)品研制全過程的系統(tǒng)性的任務(wù)，如何實現(xiàn)公差設(shè)計合理、公差要求可實現(xiàn)和公差得以嚴格正確的控制是復(fù)雜產(chǎn)品研制需要迫切解決的問題。

　　一、 公差管理中存在的不足

　　1.制造成本高

　　從事公差設(shè)計的人員一般是設(shè)計人員和工藝人員。設(shè)計人員在圖樣上定義公差，但CAD中的公差僅僅是尺寸形位的要求，不可能提供任何公差波動、裝配順序和配合條件的信息。因此，在工程中，傳統(tǒng)的做法是操作人員根據(jù)缺乏信息支持的圖樣和工藝文件來加工試驗件，用實際的裝配來檢驗設(shè)計和工藝是否合理，其成本非常之高。同時，試驗件本身也存在著很多偶然因素，并不能反映真實的小批量或批量加工的狀態(tài)。

　　2.生產(chǎn)過程波動無法預(yù)計

　　生產(chǎn)過程的主體是操作人員和檢驗人員，操作人員按照設(shè)計文件和工藝文件的要求生產(chǎn)產(chǎn)品，由檢驗人員根據(jù)檢驗要求來對設(shè)置的檢驗點進行檢驗，并記錄檢驗數(shù)據(jù)。無論檢驗數(shù)據(jù)是人工采集還是自動采集，對于質(zhì)量控制而言，都要解決這樣的問題：①產(chǎn)品實物是否滿足設(shè)計的公差要求?②如何獲知生產(chǎn)過程的波動，以及偏離的趨勢?是否有必要采取措施控制波動?

　　傳統(tǒng)的做法是檢驗人員來比對檢驗數(shù)據(jù)和要求數(shù)據(jù)，從而獲知其是否在公差控制的范圍內(nèi)，這種手工做法不僅費時費力，而且不能了解數(shù)據(jù)波動，也就不能及時采取有效的預(yù)防措施。

　　3.難以支持設(shè)計的持續(xù)改進

　　公差范圍是由設(shè)計人員設(shè)計的，他們最關(guān)心的是自己所設(shè)計的產(chǎn)品公差定義是否得以滿足，是否需要改進。而設(shè)計往往與生產(chǎn)現(xiàn)場剝離，一般設(shè)計人員在獲取真實生產(chǎn)環(huán)境下采集的海量數(shù)據(jù)后，總感覺到無從下手。

　　公差控制由工藝人員設(shè)計，同時工藝人員也需要了解現(xiàn)場數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)之間的偏離是否能夠通過工藝來校正。但在現(xiàn)實工作中，由于專業(yè)的限制、任務(wù)的不同往往會造成信息共享和處理的不及時，從而延誤改進的時機。

　　二、 產(chǎn)品研制全過程的公差管理

　　1.簡介

　　要解決以上不足，必須將產(chǎn)品的公差管理擴展為面向產(chǎn)品研制全過程的公差管理，才能保證設(shè)計人員、工藝人員和生產(chǎn)操作人員協(xié)同工作，提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和生產(chǎn)質(zhì)量。

　　一套完整的公差管理解決方案應(yīng)體現(xiàn)全面質(zhì)量管理的思想——全員參與和全過程管理，能夠反映PDCA(Plan、Do、Check和Act)的方法——設(shè)計人員定義公差，工藝人員定義實現(xiàn)公差控制的方法(P);生產(chǎn)操作人員加工產(chǎn)品(D);檢驗人員對產(chǎn)品進行檢驗檢測(C);設(shè)計人員和工藝人員要對實測數(shù)據(jù)進行判讀，采取有效的改進措施(A)。

　　因此，面向產(chǎn)品研制過程的公差管理方案的構(gòu)成如圖1所示。

　　2.公差設(shè)計與分析

　　公差設(shè)計與分析主要是來解答以下這些問題：①在真實的加工環(huán)境下，設(shè)計的公差范圍和裝配順序能不能制造出滿足設(shè)計要求的產(chǎn)品?②所設(shè)計的公差是否合理——放寬某些公差范圍降低成本是否可行，或是否需要對關(guān)鍵尺寸加嚴要求?③在可以綜合考慮設(shè)計指標和設(shè)計工藝性的情況下，哪些特性將成為產(chǎn)品的關(guān)鍵特性，需要在工藝設(shè)計和生產(chǎn)過程中特別關(guān)注?

　　公差設(shè)計 (Tolerance Design) 一般應(yīng)在完成系統(tǒng)設(shè)計和 參數(shù)設(shè)計后進行。公差設(shè)計的輸出結(jié)果就是在參數(shù)設(shè)計階段 確定的最佳條件基礎(chǔ)上，確定各個參數(shù)合適的公差。其指導(dǎo) 思想是：根據(jù)各參數(shù)的波動對產(chǎn)品質(zhì)量特性貢獻 (影響) 的 大小，從技術(shù)的可實現(xiàn)性和經(jīng)濟性角度考慮有無必要對影響 大的參數(shù)給予較小的公差。

　　比較常見的公差設(shè)計的實現(xiàn)途徑有三類：極值分析法、統(tǒng)計平方公差法和蒙特卡洛仿真技術(shù)。

　　(1)極值分析法。極值分析法由于操作簡單而被設(shè)計人員廣泛使用。在這種方法中，零部件都設(shè)計為標稱值，然后假定公差完全向一個或另一個方向積累。這種方法主要考慮設(shè)計的線性極值，雖然確保零件的所有組合，但是由于其采用了真實加工過程中不可能出現(xiàn)的局面而使得結(jié)果過于保守，分析精度較差。

　　(2)統(tǒng)計平方公差法。統(tǒng)計平方公差法基于零件公差范圍呈正態(tài)概率分布的假設(shè)進行公差分析，可以防止過于保守的設(shè)計，避免過于精細的公差設(shè)計，適當擴展了零件的允許公差范圍。但其缺點是：如果正態(tài)分布的假設(shè)不成立，或者裝配與零件公差非線性相關(guān)，統(tǒng)計平法公差方法所得公差分析與現(xiàn)實偏離較遠。

　　(3)蒙特卡洛仿真技術(shù)。蒙特卡洛仿真是一種先進的通過設(shè)定隨機變量以及相互之間的關(guān)系建立系統(tǒng)模型，并對模型進行試驗以獲得對產(chǎn)品制造公差分布預(yù)先認識的過程。蒙特卡洛仿真對零件的公差分布和模型的線性要求較低，仿真精度較高，與現(xiàn)實情況一致性更好。尤其是隨著計算機技術(shù)的普及，使得蒙特卡洛仿真算法可以嵌入到CAD模型中，直接讀取CAD的設(shè)計數(shù)據(jù)和裝配順序，仿真時設(shè)定其假定分布、種子數(shù)和仿真次數(shù)即可擬實地表現(xiàn)真實加工環(huán)境中產(chǎn)品的公差分布。

　　3.生產(chǎn)過程的公差控制

　　在生產(chǎn)過程中，不僅要對產(chǎn)品的特征數(shù)據(jù)進行符合與否的確認，而且要通過質(zhì)量控制工具來監(jiān)視、測量公差的波動，最常用的工具就是控制圖。

　　控制圖是對過程進行控制的工具。針對公差設(shè)計與分析中所得的需要關(guān)注的質(zhì)量特性，在生產(chǎn)過程中對實測數(shù)據(jù)進行采集，以上下公差為上、下控制線，繪制控制圖分析生產(chǎn)過程是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果穩(wěn)定且質(zhì)量滿足指標要求，可以繼續(xù)生產(chǎn)。如果過程出現(xiàn)異常趨勢，即使未出現(xiàn)不合格品，也需要停止生產(chǎn)、調(diào)查原因并采取措施防止其出現(xiàn)制品的不合格。

　　4.產(chǎn)品數(shù)據(jù)的逆向反饋

　　在產(chǎn)品的檢驗測量過程中，由于三坐標測量機以及采用激光測量和機器視覺系統(tǒng)進行圖像掃描的光學非接觸測量已經(jīng)在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，測量路徑已得到預(yù)先定義，使得三維坐標數(shù)據(jù)的采集成為可能。通過對零部件的精確測量，對測量得到的離散點坐標數(shù)據(jù)進行三維重構(gòu)，生成精確的CAD產(chǎn)品模型，并將其反饋給原有的設(shè)計。這就是利用反求工程原理的產(chǎn)品數(shù)據(jù)逆向反饋機制。

　　設(shè)計人員和工藝人員可以在CAD系統(tǒng)中直接觀察實測數(shù)據(jù)形成的圖樣與設(shè)計圖樣之間的偏差，避免盲目地做出返工、返修或報廢的決定，并積極尋找改進的可能。

　　三、計算機輔助公差管理解決方案

　　當前，許多先進的 CAD 工具都嵌入了公差管理技術(shù)。以 Siemens 公司的產(chǎn)品為例，設(shè)計人員利用嵌入在CAD軟件中的Vis VSA 解決方案，不僅可以讀取 CAD 圖樣的特征信息，還可以由工藝人員構(gòu)建其裝配順序，應(yīng)用蒙特卡洛仿真技術(shù)對其進行基于統(tǒng)計的仿真，在做試驗件之前便可充分獲知真實加工狀態(tài)下的公差分布，以及對產(chǎn)品質(zhì)量影響因素最大的尺寸公差，如圖 2 所示。

　　Vis VSA解決方案將質(zhì)量控制中常用的 SPC 工具集成在質(zhì)量檢驗?zāi)K中，從而可以實現(xiàn)在線實時數(shù)據(jù)采集和分析，了解生產(chǎn)過程的波動，有效地控制公差。典型的一個運行圖如圖 3 所示。

　　四、結(jié)束語

　　面向產(chǎn)品研制過程的公差管理是一項系統(tǒng)性工作，本文所述公差設(shè)計分析、公差控制和公差數(shù)據(jù)的反饋是公差管理的幾項主要內(nèi)容。在先進制造企業(yè)(如波音公司等)，公差作為質(zhì)量控制的重要內(nèi)容，其分析結(jié)果還與FMEA和風險控制等工作緊密相連，信息得以彼此共享和支持。在生產(chǎn)現(xiàn)場，三坐標測量機往往是獲得檢驗數(shù)據(jù)的重要設(shè)備，如何“軟”驅(qū)動測量設(shè)備以獲得實時的符合數(shù)據(jù)標準的數(shù)據(jù)、減少人工的干預(yù)也是研究和應(yīng)用的重點，需要我們在工作中不斷摸索和大膽嘗試。