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面向产品研制全过程的产品研制公差管理 |
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作者：姜南 于立明 李险峰 |
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在复杂机械产品的整个制造周期中，公差的设计与控制是决定最终质量的关键因素之一，而构成产品的众多零件的公差设计是否合理便成为其质量控制的源头。特别是军工产品(如卫星、雷达的高精度变速跟踪伺服系统等)，对零部组件设计和加工能力提出了非常高的要求。
众所周知，产品制造的基本要求是质量好、成本低。产品的公差是由设计人员确定的，但其要求是否合理?减少零部件参数的公差会提高质量，减少系统功能波动的损失，但其缺点是要增加成本，而放宽零件参数的公差又不敢保证满足产品功能性能的要求。目前很多产品的设计是凭借经验或者继承老产品来制订技术要求，重视产品设计经验而忽视设计的合理性和和工艺性的现象比较严重。
工艺设计对于实现产品的公差设计要求非常重要。低精度的零件无法装配出高质量的产品，但如果装配时采用必要的调整和补充，也可以装配出好的产品。装配工艺流程设计得不合理，也可能造成高精度零件装配不出好的产品。同时，对于一些要求并不高的尺寸，如果工艺设计不合理，在工序加工误差的累积效应下，甚至应用精确的数控加工中心仍不能有效地保证质量。
另一方面，真实产品的公差是由生产过程保证的，生产过程是否稳定决定了产品是否有能力进行批次性投产，决定了产品的生产成本能否降低，生产过程的数据如何实时反馈给产品设计人员和工艺设计人员，如何能够快速地对生产过程的波动和不合格予以响应，都是产品研制过程不容忽视的问题。
因此，公差的设计与控制是一项面向产品研制全过程的系统性的任务，如何实现公差设计合理、公差要求可实现和公差得以严格正确的控制是复杂产品研制需要迫切解决的问题。
一、 公差管理中存在的不足
1.制造成本高
从事公差设计的人员一般是设计人员和工艺人员。设计人员在图样上定义公差，但CAD中的公差仅仅是尺寸形位的要求，不可能提供任何公差波动、装配顺序和配合条件的信息。因此，在工程中，传统的做法是操作人员根据缺乏信息支持的图样和工艺文件来加工试验件，用实际的装配来检验设计和工艺是否合理，其成本非常之高。同时，试验件本身也存在着很多偶然因素，并不能反映真实的小批量或批量加工的状态。
2.生产过程波动无法预计
生产过程的主体是操作人员和检验人员，操作人员按照设计文件和工艺文件的要求生产产品，由检验人员根据检验要求来对设置的检验点进行检验，并记录检验数据。无论检验数据是人工采集还是自动采集，对于质量控制而言，都要解决这样的问题：①产品实物是否满足设计的公差要求?②如何获知生产过程的波动，以及偏离的趋势?是否有必要采取措施控制波动?
传统的做法是检验人员来比对检验数据和要求数据，从而获知其是否在公差控制的范围内，这种手工做法不仅费时费力，而且不能了解数据波动，也就不能及时采取有效的预防措施。
3.难以支持设计的持续改进
公差范围是由设计人员设计的，他们最关心的是自己所设计的产品公差定义是否得以满足，是否需要改进。而设计往往与生产现场剥离，一般设计人员在获取真实生产环境下采集的海量数据后，总感觉到无从下手。
公差控制由工艺人员设计，同时工艺人员也需要了解现场数据与设计数据之间的偏离是否能够通过工艺来校正。但在现实工作中，由于专业的限制、任务的不同往往会造成信息共享和处理的不及时，从而延误改进的时机。
二、 产品研制全过程的公差管理
1.简介
要解决以上不足，必须将产品的公差管理扩展为面向产品研制全过程的公差管理，才能保证设计人员、工艺人员和生产操作人员协同工作，提高产品的设计质量和生产质量。
一套完整的公差管理解决方案应体现全面质量管理的思想——全员参与和全过程管理，能够反映PDCA(Plan、Do、Check和Act)的方法——设计人员定义公差，工艺人员定义实现公差控制的方法(P);生产操作人员加工产品(D);检验人员对产品进行检验检测(C);设计人员和工艺人员要对实测数据进行判读，采取有效的改进措施(A)。
因此，面向产品研制过程的公差管理方案的构成如图1所示。
公差管理方案的构成
2.公差设计与分析
公差设计与分析主要是来解答以下这些问题：①在真实的加工环境下，设计的公差范围和装配顺序能不能制造出满足设计要求的产品?②所设计的公差是否合理——放宽某些公差范围降低成本是否可行，或是否需要对关键尺寸加严要求?③在可以综合考虑设计指标和设计工艺性的情况下，哪些特性将成为产品的关键特性，需要在工艺设计和生产过程中特别关注?
公差设计 (Tolerance Design) 一般应在完成系统设计和 参数设计后进行。公差设计的输出结果就是在参数设计阶段 确定的最佳条件基础上，确定各个参数合适的公差。其指导 思想是：根据各参数的波动对产品质量特性贡献 (影响) 的 大小，从技术的可实现性和经济性角度考虑有无必要对影响 大的参数给予较小的公差。
比较常见的公差设计的实现途径有三类：极值分析法、统计平方公差法和蒙特卡洛仿真技术。
(1)极值分析法。极值分析法由于操作简单而被设计人员广泛使用。在这种方法中，零部件都设计为标称值，然后假定公差完全向一个或另一个方向积累。这种方法主要考虑设计的线性极值，虽然确保零件的所有组合，但是由于其采用了真实加工过程中不可能出现的局面而使得结果过于保守，分析精度较差。
(2)统计平方公差法。统计平方公差法基于零件公差范围呈正态概率分布的假设进行公差分析，可以防止过于保守的设计，避免过于精细的公差设计，适当扩展了零件的允许公差范围。但其缺点是：如果正态分布的假设不成立，或者装配与零件公差非线性相关，统计平法公差方法所得公差分析与现实偏离较远。
(3)蒙特卡洛仿真技术。蒙特卡洛仿真是一种先进的通过设定随机变量以及相互之间的关系建立系统模型，并对模型进行试验以获得对产品制造公差分布预先认识的过程。蒙特卡洛仿真对零件的公差分布和模型的线性要求较低，仿真精度较高，与现实情况一致性更好。尤其是随着计算机技术的普及，使得蒙特卡洛仿真算法可以嵌入到CAD模型中，直接读取CAD的设计数据和装配顺序，仿真时设定其假定分布、种子数和仿真次数即可拟实地表现真实加工环境中产品的公差分布。
3.生产过程的公差控制
在生产过程中，不仅要对产品的特征数据进行符合与否的确认，而且要通过质量控制工具来监视、测量公差的波动，最常用的工具就是控制图。
控制图是对过程进行控制的工具。针对公差设计与分析中所得的需要关注的质量特性，在生产过程中对实测数据进行采集，以上下公差为上、下控制线，绘制控制图分析生产过程是否处于稳定状态。如果稳定且质量满足指标要求，可以继续生产。如果过程出现异常趋势，即使未出现不合格品，也需要停止生产、调查原因并采取措施防止其出现制品的不合格。
4.产品数据的逆向反馈
在产品的检验测量过程中，由于三坐标测量机以及采用激光测量和机器视觉系统进行图像扫描的光学非接触测量已经在生产中得到了广泛应用，测量路径已得到预先定义，使得三维坐标数据的采集成为可能。通过对零部件的精确测量，对测量得到的离散点坐标数据进行三维重构，生成精确的CAD产品模型，并将其反馈给原有的设计。这就是利用反求工程原理的产品数据逆向反馈机制。
设计人员和工艺人员可以在CAD系统中直接观察实测数据形成的图样与设计图样之间的偏差，避免盲目地做出返工、返修或报废的决定，并积极寻找改进的可能。
三、计算机辅助公差管理解决方案
当前，许多先进的 CAD 工具都嵌入了公差管理技术。以 Siemens 公司的产品为例，设计人员利用嵌入在CAD软件中的Vis VSA 解决方案，不仅可以读取 CAD 图样的特征信息，还可以由工艺人员构建其装配顺序，应用蒙特卡洛仿真技术对其进行基于统计的仿真，在做试验件之前便可充分获知真实加工状态下的公差分布，以及对产品质量影响因素最大的尺寸公差，如图 2 所示。
Vis VSA解决方案将质量控制中常用的 SPC 工具集成在质量检验模块中，从而可以实现在线实时数据采集和分析，了解生产过程的波动，有效地控制公差。典型的一个运行图如图 3 所示。
四、结束语
面向产品研制过程的公差管理是一项系统性工作，本文所述公差设计分析、公差控制和公差数据的反馈是公差管理的几项主要内容。在先进制造企业(如波音公司等)，公差作为质量控制的重要内容，其分析结果还与FMEA和风险控制等工作紧密相连，信息得以彼此共享和支持。在生产现场，三坐标测量机往往是获得检验数据的重要设备，如何“软”驱动测量设备以获得实时的符合数据标准的数据、减少人工的干预也是研究和应用的重点，需要我们在工作中不断摸索和大胆尝试。(end)
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(4/23/2011) |
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