复杂产品制造精度控制的数字化方法及其发展趋势

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Digital Methods of Complex Product M anufacturing PrecisionControl and Its Development TrendLIN Zhongqin LAI Xinmin JIN Sun WANG Hao ZHU Limin CHEN Guanlong(School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240)Abstract：The complex product manufacturing，e.g.，autobody and engine，usually need dozens or even hundreds of manufacturingprocesses.Blank deviations，machine tool erors，jig positioning erors and errors by operating environment caused have beentransfered，accumulated and formed product comprehensive deviation in the man ufacturing process，and ultimately afect the productperform an ce an d market competitiveness.On the one hand，the manufacturing process station layout an d process parameters aredeterm ined according to the product structure and quality requirements for technological design of the of-line quality control，on theother hand，the size deviation root caused an d taked coresponding process control measures are determined at the instance ofthe sizedeviation in the manufacturing process for on-line quality contro1.Both complements promote the ascension of the manufacturingquality.Digital method play a key role in improving product accuracy of manufacturing.According to the theoretical an d appliedresearches on the dimensional control of auto-boay an d engine，the scientific connotation and key techn iques of dimensional controlof complex products is explained.Th e general fram e·work of digital dimensional control methods for manufacturing complexproducts is proposed based on the stream of variation theory(SOY)，which describes the laws of generation，transmission，accumulation and absorption of variations in multi-station manufacturing processes.Th en，the two-stage dimensional control ofcomplex product is summarized.In the stage of product process development，the digital process design method is used to synthesizethe product an d tooling toleran ce.In the stage of product manufacturing，the data-driven process control method is used to improvethe proces stability.Some thoughts are given on the development and trend of quality control techniques for high-end eqmpment and20121205收到初稿，20130302收到修改稿机 械 工 程 学 报 第 49卷第 6期high performance products。

Key words：Digital process design Quality control Auto-body Automobile engine Complex product0 前言汽车车身、发动机等都是典型复杂产品，不仅产品结构复杂，而且要经历数十道乃至上百道加工工序，其制造精度影响着产品整体性能和市澈争力。20世纪90年代初，美国轿车车身综合尺寸误差在±2mln以上，显著高于日本车体的±l nlnl水平，为此丢掉了近30%的美国国内市常美国 2 rnnl工程”l借助于在线检测方法和数据驱动的质量控制方法，显著提高了车身装配质量监测和偏差源诊断能力，使美国三大汽车公司轿车车身制造质量赶上了国际先进水平，逐步夺回了被日本企业抢占的市场份额；中国 2 mmI程”也是异曲同工，不仅提高了离线检测条件下车身装配质量监测与偏差源诊断能力，而且改善了车身工艺设计，使我国汽车车身制造质量迅速达到国际先进水平，提高了国产轿车的市澈争力。

数字化方法是实现制造精度控制的关键。从本质上讲，尺寸偏差都是在制造过程中引入的，是零件毛坯偏差、机床误差、夹具定位误差以及操作、环境等因素引起的误差在制造过程中传递和累积的结果，如同纵横交错的溪流汇入江河，可以形象地用偏差流描述2 ]。基于偏差流理论，产品制造精度控制可归结为两类问题，-是面向工艺设计的，即根据偏差流正向传递规律，确定制造过程工位布置以及工艺参数；二是面向工艺过程控制的，即针对制造过程中所出现的尺寸偏差问题，采用偏差流逆向溯源方法，确定尺寸偏差根源并采取相应工艺控制措施。前者是属于线外质量控制范畴，后者属于线内质量控制范畴 J。制造精度控制的数字化是采用模拟手段揭示制造过程中偏差流的传递规律，用定量分析替代传统的经验比对，变革复杂产品制造工艺设计和工艺控制方法。

本文从设计和制造两个方面，阐述复杂制造过程精度控制的科学问题及技术体系，总结和归纳面向线外质量控制的复杂产品制造工艺数字化设计方法和面向线内质量控制的复杂产品制造工艺过程控制方法；结合国际上高端装备和高性能产品制造的迫切需求，思考和展望产品制造质量控制的发展趋势。

1 复杂产品制造精度控制数字化方法的总体框架复杂产品制造过程由-系列的零件加工及层次化的装配工序构成。经过冷、热、粗、精等加工工序的零件先装配成部件，该部件又变成下-层装配中的子部件，直至形成完整的产品。制造过程中偏差传递和累积规律十分复杂，如薄壁结构装配偏差累积与湮没现象并存，零件装配后的偏差可以小于单个零件偏差，基于刚性累积理论的偏差分析方法难以刻画其传递过程。如何定量描述复杂产品制造过程偏差流，揭示误差的产生、传递、积累与湮没规律，是制造精度控制面临的关键科学问题。

制造工艺是连接装备系统和被加工产品的纽带，涉及装备精度及其动力学性能、工件材料属性及工具对工件作用的物理过程，决定着产品精度和物理性能。如图 l所示，以CAD/CAE产品数据管理(Product data management，PDM)为代表的产品数字化 ，提 高 了设计 效率和产 品性 能 ；以数控(Numerical control，NC)/柔性制造 系统(Flexiblemanufacturing system ， FMS)/企 业 资 源 计 划(Enterprise resource planning，ERa')为代表的制造装备及制造系统数字化，显著提高了产品生产效率；而以计算机辅助工艺设计(Computer aided processplanning， CAPP)/面 向 装 配 设 计 (Design forassembly，DFA)为代表的工艺数字化，为改善产品制造精度和物理性能提供了有效手段。

图 1 复杂产品开发过程的数字化从制造工艺学和工序控制论角度，产品制造精度控制数字化涵盖工艺设计和数据驱动的工序控制两个方面，是采用数学建模与仿真手段，对产品制l12 机 械 工 程 学 报 第49卷第 6期5 结论汽车车身、汽车发动机等复杂产品的尺寸精度直接影响到产品的整体性能，精度控制是这些产品质量控制的核心问题。精度控制的数字化是采用模拟手段揭示复杂制造过程中偏差的传递规律，使质量控制和改进决策从基于经验的试凑向基于科学的推理模式转变，从而变革产品制造工艺设计和过程控制方法。

基于偏差流理论，精度控制可归结为 面向线外质量控制的复杂产品制造工艺数字化设计方法”和 面向线内质量控制的复杂产品制造工艺过程控制方法”两类问题，前者属于线外质量控制范畴，后者属于线内质量控制范畴，两者相辅相成共同决定了复杂产品制造精度。掌握了复杂制造过程偏差流的产生、传递、积累与湮没规律，从工艺设计角度，可以预先设置工艺设计方案和工艺参数，在成本约束下使产品达到最高的精度水平；从工序控制角度，可以确定制造过程中误差源位置及其补偿(调整)策略，实现产品精度的持续改进。

理论分析和工程实践表明，以多工位制造偏差流模拟为基础的工艺数字化设计方法和以多工位制造过程偏差模式匹配为基础的制造工艺过程控制方法，形成了产品精度数字化控制的系统方法，为复杂产品质量控制提供了理论和技术基矗高端装备服役能力及工作品质的极端化，对复杂产品质量控制提出了更高的要求。复杂产品质量控制研究需要从精度驱动”向性能驱动”、从考虑力学效应为主 向 考虑力学与物理、化学效应融合”、从 开环监测”向 闭环反辣转变，探索复杂制造过程质量控制新原理新方法，突破现有制造技术的极限。