面向產品研製全過程的公差管理

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

工藝設計對於實現產品的公差設計要求非常重要。低精度的零件無法裝配出高質量的產品，但如果裝配時採用必要的調整和補充，也可以裝配出好的產品。裝配工藝流程設計得不合理，也可能造成高精度零件裝配不出好的產品。同時，對於一些要求並不高的尺寸，如果工藝設計不合理，在工序加工誤差的累積效應下，甚至應用精確的數控加工中心仍不能有效地保證質量。

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

因此，公差的設計與控制是一項面向產品研製全過程的系統性的任務，如何實現公差設計合理、公差要求可實現和公差得以嚴格正確的控制是複雜產品研製需要迫切解決的問題。

一、公差管理中存在的不足

1.製造成本高

從事公差設計的人員一般是設計人員和工藝人員。設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，傳統的做法是操作人員根據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，並不能反映真實的小批量或批量加工的狀態。

2.生產過程波動無法預計

生產過程的主體是操作人員和檢驗人員，操作人員按照設計文件和工藝文件的要求生產產品，由檢驗人員根據檢驗要求來對設置的檢驗點進行檢驗，並記錄檢驗數據。無論檢驗數據是人工採集還是自動採集，對於質量控制而言，都要解決這樣的問題：①產品實物是否滿足設計的公差要求?②如何獲知生產過程的波動，以及偏離的趨勢?是否有必要採取措施控制波動?

傳統的做法是檢驗人員來比對檢驗數據和要求數據，從而獲知其是否在公差控制的範圍內，這種手工做法不僅費時費力，而且不能了解數據波動，也就不能及時採取有效的預防措施。

3.難以支持設計的持續改進

公差範圍是由設計人員設計的，他們最關心的是自己所設計的產品公差定義是否得以滿足，是否需要改進。而設計往往與生產現場剝離，一般設計人員在獲取真實生產環境下採集的海量數據后，總感覺到無從下手。

公差控制由工藝人員設計，同時工藝人員也需要了解現場數據與設計數據之間的偏離是否能夠通過工藝來校正。但在現實工作中，由於專業的限制、任務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、產品研製全過程的公差管理

1.簡介

要解決以上不足，必須將產品的公差管理擴展為面向產品研製全過程的公差管理，才能保證設計人員、工藝人員和生產操作人員協同工作，提高產品的設計質量和生產質量。

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

因此，面向產品研製過程的公差管理方案的構成如圖1所示。

2.公差設計與分析

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

公差設計 (Tolerance Design) 一般應在完成系統設計和參數設計後進行。公差設計的輸出結果就是在參數設計階段確定的最佳條件基礎上，確定各個參數合適的公差。其指導思想是：根據各參數的波動對產品質量特性貢獻 (影響) 的大小，從技術的可實現性和經濟性角度考慮有無必要對影響大的參數給予較小的公差。

比較常見的公差設計的實現途徑有三類：極值分析法、統計平方公差法和蒙特卡洛模擬技術。

(1)極值分析法。極值分析法由於操作簡單而被設計人員廣泛使用。在這種方法中，零部件都設計為標稱值，然後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計的線性極值，雖然確保零件的所有組合，但是由於其採用了真實加工過程中不可能出現的局面而使得結果過於保守，分析精度較差。

(2)統計平方公差法。統計平方公差法基於零件公差範圍呈正態概率分佈的假設進行公差分析，可以防止過於保守的設計，避免過於精細的公差設計，適當擴展了零件的允許公差範圍。但其缺點是：如果正態分佈的假設不成立，或者裝配與零件公差非線性相關，統計平法公差方法所得公差分析與現實偏離較遠。

(3)蒙特卡洛模擬技術。蒙特卡洛模擬是一種先進的通過設定隨機變數以及相互之間的關係建立系統模型，並對模型進行試驗以獲得對產品製造公差分佈預先認識的過程。蒙特卡洛模擬對零件的公差分佈和模型的線性要求較低，模擬精度較高，與現實情況一致性更好。尤其是隨著計算機技術的普及，使得蒙特卡洛模擬演演算法可以嵌入到CAD模型中，直接讀取CAD的設計數據和裝配順序，模擬時設定其假定分佈、種子數和模擬次數即可擬實地表現真實加工環境中產品的公差分佈。

3.生產過程的公差控制

在生產過程中，不僅要對產品的特徵數據進行符合與否的確認，而且要通過質量控制工具來監視、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。針對公差設計與分析中所得的需要關注的質量特性，在生產過程中對實測數據進行採集，以上下公差為上、下控制線，繪製控制圖分析生產過程是否處於穩定狀態。如果穩定且質量滿足指標要求，可以繼續生產。如果過程出現異常趨勢，即使未出現不合格品，也需要停止生產、調查原因並採取措施防止其出現製品的不合格。

4.產品數據的逆向反饋

在產品的檢驗測量過程中，由於三坐標測量機以及採用激光測量和機器視覺系統進行圖像掃描的光學非接觸測量已經在生產中得到了廣泛應用，測量路徑已得到預先定義，使得三維坐標數據的採集成為可能。通過對零部件的精確測量，對測量得到的離散點坐標數據進行三維重構，生成精確的CAD產品模型，並將其反饋給原有的設計。這就是利用反求工程原理的產品數據逆向反饋機制。

設計人員和工藝人員可以在CAD系統中直接觀察實測數據形成的圖樣與設計圖樣之間的偏差，避免盲目地做出返工、返修或報廢的決定，並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。以 Siemens 公司的產品為例，設計人員利用嵌入在CAD軟體中的Vis VSA 解決方案，不僅可以讀取 CAD 圖樣的特徵信息，還可以由工藝人員構建其裝配順序，應用蒙特卡洛模擬技術對其進行基於統計的模擬，在做試驗件之前便可充分獲知真實加工狀態下的公差分佈，以及對產品質量影響因素最大的尺寸公差，如圖 2 所示。

Vis VSA解決方案將質量控制中常用的 SPC 工具集成在質量檢驗模塊中，從而可以實現在線實時數據採集和分析，了解生產過程的波動，有效地控制公差。典型的一個運行圖如圖 3 所示。

四、結束語

面向產品研製過程的公差管理是一項系統性工作，本文所述公差設計分析、公差控制和公差數據的反饋是公差管理的幾項主要內容。在先進位造企業(如波音公司等)，公差作為質量控制的重要內容，其分析結果還與FMEA和風險控制等工作緊密相連，信息得以彼此共享和支持。在生產現場，三坐標測量機往往是獲得檢驗數據的重要設備，如何「軟」驅動測量設備以獲得實時的符合數據標準的數據、減少人工的干預也是研究和應用的重點，需要我們在工作中不斷摸索和大膽嘗試。