統(tǒng)計(jì)公差技術(shù)在航空制造中的應(yīng)用

黃寧　徐智峰　張?！⊙υ食伞“桌^鵬

摘要：統(tǒng)計(jì)公差應(yīng)用是采用統(tǒng)計(jì)方法處理公差與誤差的問題，其內(nèi)容包含尺寸鏈與運(yùn)動鏈的誤差與公差的計(jì)算，并在一定程度上涉及誤差理論、質(zhì)量控制、工件的統(tǒng)計(jì)測量和檢驗(yàn)。航空制造領(lǐng)域應(yīng)用統(tǒng)計(jì)公差及其技術(shù)可以有效解決容差分配過程中關(guān)鍵變量無法確認(rèn)，合格率無法判斷的問題，提高飛機(jī)設(shè)計(jì)和裝配方案的魯棒性，是航空制造正向設(shè)計(jì)不可或缺的核心工具。

關(guān)鍵詞：容差;尺寸鏈;裝配

1 統(tǒng)計(jì)公差技術(shù)

產(chǎn)品的物理性能主要由材料和幾何尺寸決定，其中幾何尺寸在制造裝配環(huán)節(jié)產(chǎn)生，是飛機(jī)裝配的主要工作。幾何尺寸的設(shè)計(jì)和制造依據(jù)產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（簡稱GPS）執(zhí)行，GPS是一套完整的幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。它不僅是為達(dá)到產(chǎn)品功能要求所必須遵守的技術(shù)依據(jù)和產(chǎn)品信息傳遞與交換的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，而且是進(jìn)行產(chǎn)品合格評定和技術(shù)交流的重要工具，也是簽訂生產(chǎn)合約、承諾質(zhì)量保證的重要基礎(chǔ)。統(tǒng)計(jì)公差是產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范的一個重要組成部分，其在傳統(tǒng)公差概念基礎(chǔ)上增加了分布的概念，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理在生產(chǎn)過程中應(yīng)用統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)（SPC），獲取樣本數(shù)據(jù)計(jì)算制造過程能力指數(shù)，用于產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測，同時能及時發(fā)現(xiàn)質(zhì)量異常波動，消除質(zhì)量隱患，節(jié)約生產(chǎn)成本。

統(tǒng)計(jì)公差的概念可以從廣義和狹義兩個方面做出解釋：“廣義的統(tǒng)計(jì)公差是指出統(tǒng)計(jì)方法處理公差與誤差的問題，其內(nèi)容包含尺寸鏈與運(yùn)動鏈的誤差與公差的計(jì)算，并在一定程度上涉及誤差理論、質(zhì)量控制、工件的統(tǒng)計(jì)測量和檢驗(yàn)。狹義的統(tǒng)計(jì)公差是指同統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算尺寸公差，其內(nèi)容主要是尺寸鏈公差的計(jì)算”。本文主要站在工程技術(shù)人員的角度從狹義概念開展討論統(tǒng)計(jì)公差技術(shù)在航空制造中應(yīng)用的必要性、關(guān)鍵流程和案例分享。

2? 必要性分析

在執(zhí)行尺寸鏈計(jì)算過程中，有2種不同的基本分析方法預(yù)測裝配體上的偏差： 極值分析方法和統(tǒng)計(jì)分析方法。 下文從兩種方法的適應(yīng)范圍來論證統(tǒng)計(jì)公差應(yīng)用的必要性。

2.1極值公差分析

極值公差分析是傳統(tǒng)類型的公差分析方法，單個尺寸或特征在他們允許公差的極限位置，這樣使測量尺寸值盡可能處于最大狀態(tài)或最小狀態(tài)。極值公差模型不考慮單個尺寸的分布，而是那些尺寸不超出他們各自定義的公差極限，即預(yù)測了測量尺寸的最大偏差值。極值公差分析保證了零件100%的滿足裝配系統(tǒng)和性能的要求，并沒有考慮實(shí)際零件尺寸的偏差和總體的關(guān)系，主要缺點(diǎn)是每個零件有非常緊的公差分配，導(dǎo)致昂貴的加工成本和檢查成本，產(chǎn)生很高的零件廢品率。僅適用于完全互換部位，如翼面交點(diǎn)、成品裝配孔等。

2.2統(tǒng)計(jì)公差分析

隨著新一代飛機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)的逐步提高，對飛機(jī)制造技術(shù)水平也提出了更高的要求。設(shè)計(jì)指標(biāo)的提高主要體現(xiàn)在對外形的型值、對縫階差和間隙上。當(dāng)按極值法分配容差時，超出制造能力范圍，考慮到外形零件特征通常無需完全互換，在極值法不能滿足要求時，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)公差分析能保證適當(dāng)?shù)卦黾恿慵墓?，以較低的制造費(fèi)用生產(chǎn)出可以接受的裝配產(chǎn)品合格率。統(tǒng)計(jì)偏差分析模型利用統(tǒng)計(jì)原理適當(dāng)?shù)姆糯蠊罘峙?，無需犧牲質(zhì)量，當(dāng)零件的偏差滿足統(tǒng)計(jì)分布，具備統(tǒng)計(jì)偏差信息時，用這些分布的疊加預(yù)測裝配體測量尺寸的分布.

因此，統(tǒng)計(jì)偏差技術(shù)應(yīng)用的必要性體現(xiàn)在分析預(yù)測所要描述裝配偏差的分布，不是裝配偏差的極值，這個分析模型添加了設(shè)計(jì)靈活性，允許設(shè)計(jì)和工藝人員基于任何質(zhì)量層次進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不是要保證每個零件100%地滿足要求。通過應(yīng)用統(tǒng)計(jì)公差技術(shù)獲取經(jīng)濟(jì)合理的容差分配方案，并利用SPC技術(shù)跟蹤實(shí)際公差分布情況，減少產(chǎn)品異常波動，控制成本的同時獲取較高的合格率，是新一代飛機(jī)外形控制容差分配的必備方法。

3? 統(tǒng)計(jì)公差技術(shù)的應(yīng)用條件

統(tǒng)計(jì)公差技術(shù)在航空裝配制造中的應(yīng)用與GB/Z24636系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的應(yīng)用條件并不完全相同，相同點(diǎn)是：

1）配合精度要求高而按極值法分配給各組成環(huán)的公差過于苛刻甚至不可能實(shí)現(xiàn);

2）希望各組成環(huán)公差可以比極值法分配更經(jīng)濟(jì);

3）組成環(huán)較多（≥4）;

4）基于廣義統(tǒng)計(jì)公差概念，統(tǒng)計(jì)公差技術(shù)為設(shè)計(jì)/制造/質(zhì)量并行設(shè)計(jì)和綜合改進(jìn)提供一個定量分析的平臺。

不同點(diǎn)是航空制造行業(yè)是非完全受控狀態(tài)下的少量生產(chǎn)，而一般制造業(yè)是在完全受控狀態(tài)下的批量生產(chǎn)中才應(yīng)用統(tǒng)計(jì)公差，原因是統(tǒng)計(jì)公差的參數(shù)是從大量的可靠樣本中計(jì)算得來的。那么航空制造業(yè)要想應(yīng)用統(tǒng)計(jì)公差技術(shù)，必然要解決樣本量的問題，該問題經(jīng)過分析可從如下方面解決：

1）正向尺寸鏈仿真分析，確定敏感參數(shù);

2）類比法獲取參考樣本，提高分布假設(shè)準(zhǔn)確性;

3）基于數(shù)字化測量的過程能力參數(shù)采集，優(yōu)化迭代分析準(zhǔn)確度;

4）基于尺寸鏈模型的公差動態(tài)調(diào)整，即前饋控制。

5）加強(qiáng)生產(chǎn)過程管理，減少質(zhì)量波動異常因素的產(chǎn)生，使質(zhì)量特性符合正態(tài)分布。

4 結(jié)論

通過采用統(tǒng)計(jì)公差技術(shù)，在產(chǎn)品并行階段實(shí)現(xiàn)復(fù)雜尺寸鏈目標(biāo)累積偏差的準(zhǔn)確預(yù)測，并識別出對目標(biāo)值影響大的公差和敏感度高的變量，可以有效采取改進(jìn)和控制措施，提高裝配設(shè)計(jì)魯棒性?？梢哉f統(tǒng)計(jì)偏差技術(shù)是航空制造業(yè)正向設(shè)計(jì)階段不可或缺的核心工具，也是飛機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)的依據(jù)之一。統(tǒng)計(jì)公差技術(shù)與數(shù)字化測量技術(shù)的結(jié)合，將實(shí)現(xiàn)整個裝配設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制，可有效實(shí)現(xiàn)航空產(chǎn)品制造優(yōu)化迭代，為智能制造和精益制造奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]張宇，統(tǒng)計(jì)公差標(biāo)準(zhǔn)分析、解讀和應(yīng)用，2012.5