公差設(shè)計及制造成本

1、公差設(shè)計與制造成本楊穎 汪勁松 郁鼎文【論文摘要】并行工程要求在進行產(chǎn)品設(shè)計的同時，就要考慮其制造加工過程的可行性與成本問題。對設(shè)計公差與制造成本的關(guān)系進行建模，無疑是進行公差優(yōu)化中的基礎(chǔ)工作。本文分析了公差成本曲線的特征及意義，對傳統(tǒng)的曲線擬合方法進行了分析比較，提出了對設(shè)計公差與制造成本關(guān)系的建模方法。 Tolerance Design vs Manufacturing Cost YANG Ying Abstracts：The optimization of tolerance design, concerning minimizing cost as its target, serves

2、 significantly in product design. In all the items of the total cost, the manufacturing cost is the most direct and necessary one. Therefore, to estimate the manufacturing cost is a prime problem in modeling the relationship of tolerance and cost. In this paper, a method to model the relationship of

3、 tolerance and manufacturing cost is developed based on the analysis and comparison of the traditional models. Examples to illustrate the method and its neccessity and rationality is presented. Key Words：Tolerance, Cost, Manufacturing System 1 簡介 公差設(shè)計應(yīng)在使用要求及加工能力的約束下以成本最低作為目標函數(shù)。此成本應(yīng)是包含了產(chǎn)品生命期中多項成本因素的綜

4、合的總成本，其中包括制造成本、質(zhì)量損失成本、廢次品損失成本、庫存成本及機會損失成本等。制造成本是指產(chǎn)品在制造過程中發(fā)生的各種損耗的總和，是各種成本因素中最直接、最必不可少的成本因素6。因此，對公差與制造成本進行建模是公差優(yōu)化中的基礎(chǔ)問題。 在很多情況下，設(shè)計師手中并未掌握有效的成本信息，其設(shè)計公差僅僅是從滿足使用要求的角度來考慮的。任何設(shè)計均要通過制造過程來實現(xiàn)，在該過程中必然要造成成本損耗，而成本的多寡作為反饋信息將促使設(shè)計師調(diào)整其設(shè)計方案。通過多次實踐調(diào)整最終達到以成本最低為目標的最優(yōu)設(shè)計方案。顯然，這種優(yōu)化過程必然是以大量的成本浪費作為代價的。解決此問題的關(guān)鍵應(yīng)在于使設(shè)計師掌握制造過程中

5、的成本信息，使其在設(shè)計的同時就能進行基于成本的優(yōu)化。對公差與制造成本的關(guān)系進行建模，即是為設(shè)計師提供此優(yōu)化的依據(jù)。 虛擬制造要求對整個制造系統(tǒng)進行建模，使設(shè)計師在得出某一設(shè)計方案的同時就能擬合出實現(xiàn)該方案的整個制造過程，從而對設(shè)計方案進行評價和修改。并行工程要求在進行產(chǎn)品設(shè)計的同時，就要考慮其制造加工過程的可行性與成本問題。因此，對公差與制造成本關(guān)系進行建模，是符合先進制造的整體思想的，該模型也將成為虛擬制造與并行工程中的基礎(chǔ)模型之一。 對設(shè)計公差與成本關(guān)系的建模方法應(yīng)根據(jù)設(shè)計師所掌握的制造系統(tǒng)信息的不同而有所不同。在很多情況下，公差設(shè)計師不能獲取制造系統(tǒng)的詳細資料，不能確定設(shè)計公差所對應(yīng)的工

6、藝方法以及制造過程中的各種損耗，因此不能直接計算設(shè)計公差所對應(yīng)的制造成本。但設(shè)計師能夠獲得一組經(jīng)驗公差成本數(shù)據(jù)，即某些公差值所對應(yīng)的成本數(shù)據(jù)。這些公差值是間斷的，而設(shè)計師往往需要掌握各種精度范圍內(nèi)的公差成本數(shù)據(jù)。也就是說，設(shè)計師需要掌握一條連續(xù)、完整的公差成本關(guān)系曲線，而我們所已知的只是曲線上的一些離散點。此時即可利用曲線擬合法進行建模，在這些已知數(shù)據(jù)點的基礎(chǔ)上擬合出一條完整的公差成本曲線，從而為設(shè)計師提供任意精度范圍內(nèi)的公差成本關(guān)系。 曲線擬合法即是將已有的公差成本數(shù)據(jù)作依據(jù)，以某一曲線來對上述數(shù)據(jù)進行擬合，從而得到連續(xù)的公差成本關(guān)系曲線，并以此作為今后設(shè)計的依據(jù)。應(yīng)該指出，曲線擬合法是以某

7、些公差成本數(shù)據(jù)來推知其它公差所對應(yīng)的成本，因此其基本假設(shè)是所有公差所對應(yīng)的成本均是在同一制造系統(tǒng)中產(chǎn)生的，即制造系統(tǒng)的狀態(tài)未發(fā)生改變。如制造系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生了改變，根據(jù)已知的數(shù)據(jù)點是無法推測其它公差所對應(yīng)的成本的。此時使用曲線擬合法必然帶來較大的系統(tǒng)誤差。 在此研究領(lǐng)域，Speckhart1提出了指數(shù)模型，Spotts2提出了倒數(shù)平方模型，Dong & Hu3提出了多項式模型，S.H.Yeo等4提出了自然樣條模型。本文對以上傳統(tǒng)的曲線擬合法進行了深入的研究對比，對公差成本曲線進行了較詳細的分析，在此基礎(chǔ)上，提出了對公差成本曲線進行分段擬合的建模方法。 2 公差成本曲線 設(shè)計公差在制造系統(tǒng)中

8、的實現(xiàn)總是通過一定的工藝序列完成的，如加工80h7軸的工藝序列為粗車半精車精車。一定的工藝序列有其一定的加工能力范圍，當(dāng)公差變化到一定程序時會引起工藝序列的變化，如粗車半精車粗磨精磨。實驗證明，同一工藝序列的公差成本曲線與工藝序列變化時的曲線有不同的特征。 考慮圖1所示的公差成本曲線5，其中為公差，c為成本，可看作是公差的函數(shù)，記為c()。同一工藝序列公差成本曲線的特征可歸納如下： .曲線位于第一象限，且單調(diào)遞減(不嚴格) .當(dāng)0時，c +且c()- .當(dāng)+時，c B0(常數(shù))且c()0 .曲線呈現(xiàn)凸函數(shù)曲線特征，無拐點 圖1公差成本曲線工藝序列變化時的公差成本曲線是由多條同一工藝序列的曲線按

9、照成本最低原則組合而成，其局部特點保留了同一工藝序列曲線的特征，曲線具有明顯的分段性。 在設(shè)計師獲取的經(jīng)驗數(shù)據(jù)中，特別是公差跨度范圍較大的數(shù)據(jù)中，不同公差的實現(xiàn)往往采用了不同的工藝方法，因此我們擬合的對象應(yīng)是工藝序列變化時的公差成本曲線。 3 公差成本曲線的分段擬合法 為了對經(jīng)驗成本公差數(shù)據(jù)進行曲線擬合，Speckhart1提出了指數(shù)模型，Spotts2提出了倒數(shù)平方模型，Dong & Hu3提出了多項式模型，S.H.Yeo等4提出了自然樣條模型。其中指數(shù)模型及倒數(shù)平方模型以及其它類似模型對數(shù)據(jù)點進行整體擬合，其曲線符合同一工藝序列公差成本曲線的特征，即“合理”，但當(dāng)數(shù)據(jù)組中包含工藝序

10、列的變化時，在曲線中段的擬合精度不理想。多項式模型力圖使擬合曲線在數(shù)據(jù)點上做到完全精確，但由于其振動問題(龍格現(xiàn)象)，使整體曲線不符合公差成本曲線的基本特征，出現(xiàn)遞增段，甚至出現(xiàn)成本負值，即曲線不合理。自然樣條法假設(shè)相鄰數(shù)據(jù)點間的曲線為三次多項式，且要求整個曲線的一階、二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，以至于出現(xiàn)與多項式模型同樣的問題。因此，曲線擬合法的關(guān)鍵在于對數(shù)據(jù)點進行正確的分段，并在各段采用符合單工序曲線特征的函數(shù)來進行擬合。 對多工序公差成本曲線進行擬合的首要問題在于對數(shù)據(jù)點的正確分段。利用單工序曲線的凸函數(shù)特征，本文提出了斜率判斷法：設(shè)ki為數(shù)據(jù)點(xi,yi)與(xi+1,yi+1)間連線的斜率，應(yīng)有

11、ki0。如kiki+1，則在xi與xi+1之間，曲線分段。 對分段后的曲線，可分別采用具有單工序曲線特征的函數(shù)進行擬合?？紤]到指數(shù)模型能夠合理地體現(xiàn)單工序曲線的特征，并且運用較為成熟2，4，本文選用指數(shù)模型對各段曲線進行擬合。模型表達式為 c()=a0+a1e-a2(1) 現(xiàn)舉實例說明分段法的運用。下表為一組已知公差成本數(shù)據(jù)2。 公差1248163060120成本3.5132.481.241.241.200.4130.4130.372分別計算相鄰數(shù)據(jù)點連線的斜率為：-1.033、-0.62、0、-0.005、-0.056、0、0。根據(jù)斜率判斷法，在數(shù)據(jù)點(8，1.24)與(16，1.20)之間

12、進行分段。用指數(shù)模型進行擬合后，表達式與曲線如圖2所示。 圖2多工序公差成本曲線的分段擬合分段曲線擬合法所得出的公差成本曲線體現(xiàn)了產(chǎn)品加工的多工藝序列手段。曲線的分段體現(xiàn)了工藝序列的改變。在同一工藝序列，即同一段曲線上，制造成本隨公差要求的提高而增加。每一工藝序列都具有一定的加工能力范圍，即當(dāng)公差要求增加到某一值，成本趨于無窮大。每一工藝序列都具有基本成本，公差要求降低到一定程序，成本不再降低，即曲線趨于水平。工藝序列變化的曲線是由多條同一工藝序列曲線以成本最低為原則組合而成的。值得注意的是，工藝序列變化曲線中的各段曲線可拓展成多條獨立的同一工藝序列曲線，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)特殊狀態(tài)，如某一工序發(fā)生故障

13、，即可尋找其他替代工藝序列，而這種替代將是以成本增加作為代價的。 工藝序列變化的公差成本曲線不僅體現(xiàn)了成本隨公差變化的整體趨勢，同時也可反映出制造系統(tǒng)的加工水平。某國營中型企業(yè)近期進行了設(shè)備技術(shù)改造。原來主要加工方法為車削，主要加工工序為粗車半精車精車，隨著零件使用要求的逐步提高，公差要求逐漸嚴格，精車工序須采用復(fù)雜精密卡具及高技術(shù)，有經(jīng)驗的工人才能達到要求，制造成本明顯提高，而磨削工序由于機床數(shù)量少并且型號老化，開機成本較高，因此較少使用。經(jīng)過設(shè)備技術(shù)改造，引進了一批新型磨床，并進行了人員培訓(xùn)同時制定了有效的管理方法，大大降低了磨削工序的使用成本。改進后工廠的主要工序轉(zhuǎn)為粗車半精車粗磨半精磨，大幅度提高了加工能力及質(zhì)量。通過對該廠改造前后的公差制造成本數(shù)據(jù)進行擬合，得出曲線如圖3所示。可從以下幾個方面對該圖進行分析： 圖3制造系統(tǒng)改進前后的公差成本曲線.在常用公差段內(nèi)，曲線2在曲線1的下方，即實現(xiàn)相同公差值，改造后的制造系統(tǒng)所耗費的成本較少，從而體現(xiàn)了改造后系統(tǒng)的生產(chǎn)及管理水平高于改造前。 .曲線2在曲線1的左方，即改造后系統(tǒng)的加工能力范圍大于改造前系統(tǒng)，體現(xiàn)了系統(tǒng)技術(shù)水平的提高。 .曲線2中磨削加工與車削加工的交點比曲線1靠右，表明改造后系統(tǒng)更加大范圍地使用較高水平的加工方法，即高水平的加工方法更加成熟。 通過對公差制造成本曲線的分析可得出，改造