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工业4.0实战：装备制造业数字化之道 [:1704005752]
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工业4.0实战：装备制造业数字化之道 8.2 解决方案
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尺寸管理（Dimensional Management，简称DM）是一种结合三维尺寸链仿真优化和数字化检测分析两项关键技术进行产品开发全过程质量控制的工程方法和手段，通过偏差波动控制和“稳健设计”（Robust Design）来提升产品尺寸质量，降低生产成本，是MBD/MBE范畴中的重要内容。在传统设计中，产品工程师在图纸发放之前凭经验、猜测或简单的公差迭算在图纸上标注好单件公差和容差配合要求，再交由后续工艺和制造工程师进行协调。
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受益于信息化支撑，经历技术融合、产品融合、业务融合以及业务衍生创新，先进的虚拟制造仿真技术、数字化检测分析技术、车间智能质量控制技术与PMI语言的逐步推广应用，使得全生命周期质量管理（Quality Lifecycle Management，简称QLM）的解决方案日益成熟。QLM是一个以设计预防为主、测量反馈为控制手段的闭环尺寸同步工程，通过确保MBD/MBE中所有与产品相关的零部件、工艺、规划、工装以及质保人员之间密切协同，有效地管理和跟踪质量控制过程中的各项内容和信息。在设计阶段对PMI中的装配定位特征、基准策略和公差设计进行仿真优化，在工艺阶段致力于设计出能够尽量吸收装配偏差的装配协调方法，力求通过装配仿真和虚拟现实技术等数字化手段在研制过程中尽早完成大多数的设计验证和优化工作，并对制造全过程进行有效的质量监控和管理，确保PMI得到满足。QLM旨在确保产品满足功能、装配和外观设计要求。
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针对产品全生命周期质量管理，西门子公司提出了Tecnomatix VATM、NX CMM、Tecnomatix DPV组合的基于模型的解决方案。
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在产品设计阶段，VATM直接从MBD模型中提取数模和GD&T（PMI）进行尺寸建模，通过仿真产品的制造和装配过程来预测产品的尺寸质量和偏差源贡献因子，实现MBD模型中公差分配的优化，提高产品设计质量。
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在工艺规划阶段，NX CMM基于实体模型三维PMI标注驱动的智能化离线编程与虚拟仿真，借助基于模型的PMI信息重用，可有效准确地传递尺寸设计信息，从而确保数字化测量路径规划与虚拟仿真验证结果的可靠性与唯一性，为输出高质量零缺陷的CMM执行程序提供有力支持。
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在产品生产阶段，DPV通过对实时生产质量信息进行跟踪、分析和发布，帮助用户及时发现生产过程中的质量问题，通过对制造数据的深度关联分析，寻求问题的根本解决方案，从而提高产品的最终质量，同时提高生产效率并降低生产成本。DPV还可将产品开发过程中的制造质量和设计质量挂钩，形成企业质量管理的闭环。
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8.2.1 Tecnomatix VATM
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容差分析有时也称为公差分析、偏差分析、尺寸链分析等，是设计阶段QLM的一个重要工具和手段。容差分析通过数理统计的计算方法来分析和评估装配尺寸链中零部件的制造偏差及工艺偏差如何影响产品的各种“关键产品特性”（Key Product Characteristics，简称KPC，如汽车前大灯周边区域的间隙面差配合、移动数字娱乐设备的外壳接缝、运动机构锁止状态的搭接面、核电设备零部件的装配间隙、舱门和机身之间的阶差和缝隙等），从而建立起KPC和影响KPC的各种产品特征（Product Feature，简称PF）的转换函数：KPC=f（PF1，PF2，…，PFn，APV），也称作尺寸链装配函数。容差分析可帮助产品和工艺设计人员分析和评估某个零部件、工艺和工装是否满足既定设计目标，从而通过优化设计和工艺来确保最终的产品制造质量。传统的容差分析方法（见图8-2）有若干种尺寸链公差叠加计算，其缺点是手工计算繁杂、无法考虑三维空间因素、计算结果准确度差，而如今先进的计算机辅助三维容差仿真分析技术（Variation Simulation Analysis，简称VSA）通过仿真产品的制造和装配过程来预测产品的尺寸质量和偏差源贡献因子，从而判断某一阶段的PMI设计是否能够满足尺寸设计要求并给出可能的整改方案，很好地弥补了传统计算方法的不足，有效地支持了设计面向制造和装配（Design for Manufacturing and Assembly，简称DFMA）理念在实际产品研制中的应用。
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图8-2 传统容差分析手工计算繁杂
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Tecnomatix VATM（简称VATM）是一款由西门子工业软件公司开发的应用较为广泛的三维VSA软件，已在诸多重大产品开发项目中表现出色，并在用户的要求和协助下开发出了一系列针对汽车、航空航天飞行器、运动机构、快速电子消费产品以及大型装备制造工艺特点的装配和计算功能，如适用于汽车薄板件的基于FEA输入的柔性件装配公差仿真计算、适用于运动机构的运动学装配公差仿真计算、适用于航空航天飞行器梁肋墙桁等结构的装配公差仿真计算、适用于新型飞机复合材料的厚度公差仿真计算等，已形成专业工具包。具体地讲，VATM软件通过建立产品和安装工艺的三维虚拟装配接触链模型来自动确立产品的尺寸链装配函数，通过统计仿真计算来分析和优化产品的容差方案和定位装配工艺，确认对产品KPC质量有重要影响的零部件几何特征，即偏差源贡献因子，作为在制造阶段必须重点监控保障的关键控制特性（Key Control Characteristics，简称KCC，如孔的尺寸公差）。VATM的输入包括：产品数据，如3D数模、定位基准方案和公差标注（GD&T）及材料特性等；工艺数据，如BOM（产品结构树/顺序）、BOP（工艺方法/操作）、BOR（制造资源和工装等）、KPC质量要求和工艺能力知识等。VATM的输出则包括KPC的仿真结果和KCC贡献因子报告，如图8-3所示。VATM模型可以在零部件和工装制造之前就预测出在后续的制造和装配阶段是否会出现尺寸容差问题。工程设计人员可以通过VATM模型的仿真结果和贡献因子排列在数字化产品和工艺并行设计阶段就对产品的设计、公差、工艺、和测量计划进行优化，帮助减少制造和装配偏差对产品质量的影响。
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图8-3 VA模型的输入和输出
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VATM可以直接从NX中提取数模和GD&T（PMI）进行尺寸建模，也可以通过JT转换软件从其他CAD文件中将数模和GD&T（如CATIA V5 FTA）提取至JT文件中进行尺寸建模，从而实现了PMI、三维数模和尺寸模型的自动相关联，有效地支持了MBD技术框架。
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作为目前市场上唯一能够真正用三维几何特征建模并严格根据GD&T标准来仿真计算三维公差带的VSA软件，VATM软件由于其先进的算法和功能性以及良好的使用性，在大型装备产品研制中已得到了广泛深入的应用，譬如在飞机制造中目前已存在的模型和分析应用包括飞机主要装配件对接仿真分析（机身断面对接、机翼与机身对接、驾驶舱、引擎安装对准、总装）、空气动力学需求分析（门组件与周边外蒙皮间的缝隙与阶差）、操控中的运动学系统分析（可移动的飞行控制面、门板锁系统运转间隙、起落架与轮胎功能及运转间隙）、子总成制造与应力需求分析（装配顺序优化、局部互换性单元安装、座椅运动轨道调节、机翼装配）、设计与制造两个环节的成本平衡研究（零部件之间的决定性装配和使用工装夹具装配的权衡、门控系统与调节、机械系统调节）等。此外，VATM软件还有两个非常显著的特点：一、其模型是基于ISO国际标准的轻量化三维数模JT格式，因此一方面具备多CAD平台的兼容性，另一方面可以在普通个人电脑设备上快速仿真运算诸如整个飞机的超大装配（见图8-4）；二、具备公差库插入功能（见图8-5），一方面可以实现尺寸模型的快速自动更新，另一方面便于根据企业标准和实践经验建立统一的公差库，积累形成核心的QLM知识。
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图8-4 VATM可以仿真超大装配
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图8-5 VATM的公差库功能
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案例说明：某公司一发动机原型样机在测试过程中发现多例过度震动问题，其中一例输油管路磨损导致漏油起火。工程师们认为过度震动是由于机轴和机箱之间存在轴心差。轴承的供应商同时也指出超过0.1mm的轴心差会导致轴承过早报废。通过VATM仿真分析发现根据当前的设计方案每制造8个发动机就将会有一个发动机的轴心差超过0.1mm，该项指标不合格率达12.5%，其中最大的贡献因子（40%）是左机箱轴承座公差。工程师因此做了三项建议：减小该公差，提高加工精度；修改设计将轴承座孔作为装配的B基准；修改工艺设计，在装配完成后再对该孔进行机加工。
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8.2.2 NX CMM
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NX CMM是西门子工业软件公司在现有NX CAM模块的基础上开发，基于实体模型三维PMI标注驱动的智能化离线编程与虚拟仿真模块，借助基于模型的PMI信息重用，可有效准确地传递尺寸设计信息，从而确保数字化测量路径规划与虚拟仿真验证结果的可靠性与唯一性，为输出高质量零缺陷的CMM执行程序提供有力支持。