楊國(guó)策崔小勇吳鏑

（1.上海第二工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心，上海 201209；2.賽科利（南京）汽車模具技術(shù)應(yīng)用有限公司，南京2 10028）

汽車覆蓋件檢具的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

楊國(guó)策1崔小勇2吳鏑1

（1.上海第二工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心，上海 201209；2.賽科利（南京）汽車模具技術(shù)應(yīng)用有限公司，南京2 10028）

闡述了檢具的基本構(gòu)成及其檢測(cè)原理，結(jié)合應(yīng)用實(shí)例提出了汽車覆蓋件檢具設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一般方案及各功能部件的設(shè)計(jì)方法和相關(guān)要求，為檢具的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了參考依據(jù)，對(duì)適應(yīng)快速發(fā)展的汽車市場(chǎng)需求具有重要意義，同時(shí)對(duì)于一般夾具的設(shè)計(jì)也有一定的參考價(jià)值。

汽車覆蓋 件檢具 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

引言

汽車覆蓋件，是指構(gòu)成汽車車身或駕駛室、覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)及底盤的異形體表面和內(nèi)部的汽車零件。它既是外觀裝飾性的零件，又是封閉薄殼狀的受力零件，其制造質(zhì)量對(duì)整車質(zhì)量影響很大，因此對(duì)其質(zhì)量的檢測(cè)成為汽車生產(chǎn)廠商必不可少的工作。汽車覆蓋件的檢測(cè)，是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，而傳統(tǒng)的檢測(cè)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不能適應(yīng)大批量產(chǎn)品生產(chǎn)的檢測(cè)要求。汽車覆蓋件在線檢測(cè)檢驗(yàn)夾具（簡(jiǎn)稱汽車檢具），是一種按需方特定要求專門制造的檢測(cè)工具，具有直觀、迅速、準(zhǔn)確、方便等優(yōu)點(diǎn)，尤其適于大批量生產(chǎn)的需要。汽車檢具雖沒(méi)有刻度，不能檢測(cè)出被測(cè)零件的具體尺寸、形狀大小和相互位置，但能判斷出被測(cè)要素是否在制造公差范圍內(nèi)[1]。近年來(lái)，隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車覆蓋件的檢具在汽車行業(yè)的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，國(guó)家經(jīng)貿(mào)委已將檢具的生產(chǎn)能力列在車輛企業(yè)生產(chǎn)條件考核程序中[2]。因此，設(shè)計(jì)和制造出操作方便且檢測(cè)精度高的專用檢具，已成為眾多汽車生產(chǎn)廠商亟待解決的問(wèn)題。

1 汽車檢具的檢測(cè)原理

在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)汽車檢具對(duì)汽車覆蓋件實(shí)施在線監(jiān)測(cè)，只需將零件準(zhǔn)確的固定在檢具上，通過(guò)檢測(cè)銷、劃線銷、通止規(guī)、卡尺、間隙尺、目測(cè)等對(duì)零件上不同形狀的孔、型面、周邊尺寸以及零件與零件之間的連接位置進(jìn)行檢查，從而保證零件在試生產(chǎn)或起步生產(chǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)零件質(zhì)量狀態(tài)的快速判斷。

汽車覆蓋件檢具是根據(jù)覆蓋件檢測(cè)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)制作的，主要由底板總成、檢具體、夾緊裝置、定位銷、檢測(cè)銷、斷面檢測(cè)樣板、EDC檢測(cè)裝置等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 覆蓋件檢具結(jié)構(gòu)示意圖

2 汽車檢具的方案設(shè)計(jì)

在檢具設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)之初，就應(yīng)該考慮到其完整性、人機(jī)工程、穩(wěn)定性、成本等主要問(wèn)題[3]。

（1）完整性。仔細(xì)閱讀客戶提供的幾何尺寸和公差圖紙(GD&T)、數(shù)模以及檢具技術(shù)協(xié)議等文檔，了解產(chǎn)品的所有定位、檢測(cè)信息。

（2）人機(jī)工程。根據(jù)定位及檢測(cè)的要求，再結(jié)合生產(chǎn)要素（人、機(jī)、料、法、環(huán)）特點(diǎn)，選擇合適的檢具擺放位置（被檢零件放置于檢具上的位置，原則上必須與其在車身坐標(biāo)系中的位置相一致，必要時(shí)可按90°的增量倍數(shù)旋轉(zhuǎn)放置；為了便于檢具的使用和管理，對(duì)稱件、左右件只要外形尺寸允許，應(yīng)盡可能將其布置于一個(gè)底板上）。

（3）穩(wěn)定性。檢具在設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮自身的重力、使用環(huán)境、變形、磨損等因素影響，從材料和結(jié)構(gòu)上保證其精度、性能穩(wěn)定性及使用壽命。

（4）成本。根據(jù)車型特點(diǎn)、產(chǎn)量多少等因素，在保證精度及穩(wěn)定性的情況下，使用材料盡量少，結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，以節(jié)約成本。

另外，在方案設(shè)計(jì)階段，還應(yīng)該與客戶溝通重要零件的材料選用、外購(gòu)件的選型、檢具的制造及驗(yàn)收等內(nèi)容，以提高設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)效率，增加客戶滿意度。

3 汽車檢具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于汽車覆蓋件，其檢測(cè)要素為零件的外形（輪廓和曲面形狀等）以及孔、凸緣等為特征的位置，尤其以曲面形狀為主，所以檢具體是檢具結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的部分。檢具體設(shè)計(jì)完成后，根據(jù)檢具體確定底板總成的大小和位置，再配以?shī)A緊裝置、定位銷、檢測(cè)銷等其它輔助部分，并在需要檢測(cè)的關(guān)鍵截面設(shè)置斷面檢測(cè)樣板，在需要檢測(cè)的關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置EDC檢測(cè)裝置。

3.1 檢具體的設(shè)計(jì)

檢具體的設(shè)計(jì)建模是整個(gè)檢具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它將直接影響到整個(gè)檢具最終檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。檢具體的型面有的作為零件的定位基準(zhǔn)，有的作為零件的檢測(cè)基準(zhǔn)，這就要求檢具體型面與零件型面之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其分布主要有五種情況[4]，如圖2所示：圖2（a）中，檢具定位基準(zhǔn)面②與零件表面①之間的偏移距離3mm，其間安裝定位塊使得零件表面①與定位塊表面③貼合；圖2（b）中，檢具檢測(cè)基準(zhǔn)面②與零件表面①之間的偏移距離3mm；圖2（c）中，檢具檢測(cè)基準(zhǔn)面②與零件表面①之間的偏移距離3mm，檢測(cè)基準(zhǔn)面④與零件邊緣線③相對(duì)于零件表面①的法向?qū)R；圖2（d）中，檢具檢測(cè)基準(zhǔn)面②與零件表面①對(duì)齊，檢測(cè)基準(zhǔn)面④與零件邊緣線③相對(duì)于零件表面①的切向偏移距離3mm；圖2（e）中，檢具檢測(cè)基準(zhǔn)面②與零件表面①之間的偏移距離3mm，檢測(cè)基準(zhǔn)面④與零件表面③對(duì)齊。

圖2 檢具體型面和零件型面之間的關(guān)系示意圖

從圖2可以看出，檢具體型面除了用于定位的型面與零件表面相貼合以外（見(jiàn)圖2（a）），其他檢測(cè)用型面一般是零件表面的法向偏移面、法向或切向延長(zhǎng)面，以實(shí)現(xiàn)檢具對(duì)零件自由曲面或外輪廓（或者兩者結(jié)合）的檢測(cè)。為實(shí)現(xiàn)檢具對(duì)零件自由曲面的檢測(cè)，一般使檢具體表面與零件內(nèi)表面保持3mm（或5mm，見(jiàn)技術(shù)協(xié)議，本文以3mm為例）的常數(shù)間隙，數(shù)控加工機(jī)床能按所設(shè)計(jì)的型面數(shù)模進(jìn)行加工達(dá)到較高精度的要求，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)通過(guò)檢具型面配合專用的量具（通止規(guī)、楔形尺、塞尺等）往復(fù)移動(dòng)即可檢測(cè)出零件自由曲面的偏差。設(shè)計(jì)時(shí)，先選擇所需的零件表面（可根據(jù)需要同時(shí)選擇多個(gè)連續(xù)的曲面），然后通過(guò)偏置曲面的方法得到檢具體的型面。零件外輪廓的檢測(cè)方式主要有兩種，如圖2（c）和圖2（d）所示，設(shè)計(jì)相應(yīng)的檢具體時(shí)有兩種方法：①檢具體型面的邊緣線沿零件外輪廓切向延伸30mm左右；②沿零件外輪廓的法向方向向下延伸30mm左右。在通用的三維建模軟件（如UG、Pro/E）中，首先將待測(cè)零件表面向內(nèi)偏置3mm距離，接著把生成曲面的外緣線沿零件外輪廓切向或法向延伸一定距離，得到檢具體的檢測(cè)基準(zhǔn)面，再向零件基準(zhǔn)面拉伸一定距離即得到檢具體的三維模型。由于汽車覆蓋件大多具有復(fù)雜的空間曲面和較多局部特征，在生成檢具體檢測(cè)面時(shí)大多需要上述兩種方法的結(jié)合，而對(duì)于一些特殊的空間型面，上述方法仍然難以滿足要求，需要根據(jù)檢具原理的理解和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行處理[4]。同時(shí)檢具型面的設(shè)計(jì)還要考慮覆蓋件的檢測(cè)要求和加工能力以及檢測(cè)的可靠性等要求。

為了減輕檢具的整體重量，小型檢具可將整塊材料加工成檢具體，以提高加工效率和裝配精度；大型檢具在保證檢測(cè)功能和保留零件原有基本形狀下，檢具體通常采用分段式結(jié)構(gòu)，即每200～250mm長(zhǎng)度上切割不大于2mm寬度的伸縮縫，用數(shù)段小型面拼接成整個(gè)型面，為了省料通常還會(huì)做適當(dāng)掏空。

3.2 底板總成的設(shè)計(jì)

在檢具體的上表面沿基準(zhǔn)面方向拉伸一定距離，使其最低點(diǎn)超過(guò)100mm的厚度，以保證檢具體有足夠的測(cè)量空間，同時(shí)盡量讓檢具體底面，即底板總成的上表面，在車身坐標(biāo)系的整數(shù)位置上。檢具的底板總成一般由底板、支架、基準(zhǔn)塊、吊耳、叉車槽、腳輪、可調(diào)支腳等組成，如圖3所示。底板總成作為承載其它檢具結(jié)構(gòu)的載體，對(duì)整個(gè)檢具的穩(wěn)定性起著十分重要的作用，設(shè)計(jì)時(shí)可考慮以下幾個(gè)方面：①成本允許的情況下，優(yōu)先選用鋁質(zhì)底板（小型檢具可選用鋼板）；②選用鋼板和槽鋼進(jìn)行焊接，目前常采用十字和米字兩種結(jié)構(gòu)；③底板的大小，以檢具的每個(gè)部件在其任何活動(dòng)位置上，均不超出底板為宜；④重量超過(guò)20kg的檢具底板上要設(shè)計(jì)吊耳及叉車槽。吊耳的設(shè)計(jì)要考慮最大承載力和起吊時(shí)吊繩不影響檢具各部件，且起吊時(shí)能保持平衡。叉車槽的設(shè)計(jì)要考慮最大承載力及普通叉車的規(guī)格。重量小于20kg的小型檢具需配置搬運(yùn)把手；⑤底板上表面需刻100mm間隔的百位線及相應(yīng)坐標(biāo)值。當(dāng)?shù)装逵蓹z具體固定好后，其它各部件可根據(jù)實(shí)際情況選用標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)。

圖3 底板總成結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 定位與夾緊裝置的設(shè)計(jì)

定位裝置的作業(yè)，就是使被測(cè)零件的測(cè)量基準(zhǔn)面、孔與測(cè)量裝置保持一定的相對(duì)位置，從而保證測(cè)量的合理與穩(wěn)定。覆蓋件在檢具上的定位主要有以下兩種方式：

（1）將面定位塊與零件的自由曲面貼合，再以零件上的兩個(gè)孔作為主、副定位孔，共同完成定位。其中，主定位孔能在兩個(gè)方向限位，可采用錐形定位銷（用于圓孔）或菱形定位銷（用于腰孔）定位；副定位孔則只能限定一個(gè)方向的自由度，可采用菱形銷、圓銷（用于圓孔）或削邊銷（用于腰孔）定位，定位銷設(shè)計(jì)時(shí)要注意考慮零件的公差和孔位相干性[1]。

（2）將面定位塊與零件自由曲面貼合，再在零件輪廓邊緣上設(shè)置擋塊，共同完成定位。輪廓邊緣定位點(diǎn)通常設(shè)置三點(diǎn)，即在一個(gè)方向上設(shè)置兩點(diǎn)，另一方向上設(shè)置一點(diǎn)。

夾緊裝置是配合定位裝置，使覆蓋件在檢具和測(cè)量支架上處于確定的位置，并在檢具的使用過(guò)程中其位置不會(huì)發(fā)生變動(dòng)的裝置。夾緊方式主要有杠桿式夾頭夾緊和永久磁鐵夾緊兩種，還有些大的總成件檢具無(wú)需夾緊，依靠其自重即可夾緊。夾緊點(diǎn)必須設(shè)置在“0”間隙面（即支承面）上，夾緊力的方向應(yīng)該垂直于零件的主要定位基準(zhǔn)面（如圖4），以保證精度。隨著檢具在車身制造中的廣泛應(yīng)用，杠桿式活動(dòng)夾頭和永久磁鐵均有系列化的產(chǎn)品以供選購(gòu)，活動(dòng)夾頭還配有不同型式和尺寸的支架或托架[2]。設(shè)計(jì)時(shí)，需以產(chǎn)品圖紙中RPS信息為依據(jù)，在檢具體上的定位孔位置打孔（以放入定位銷對(duì)應(yīng)的襯套為準(zhǔn)），并給出定位孔的車身坐標(biāo)。同時(shí)，在夾緊點(diǎn)位置布置定位墊片和活動(dòng)夾，以保證零件的牢固定位，設(shè)計(jì)時(shí)要保證活動(dòng)夾頭工作時(shí)不與其他部件發(fā)生干涉，開(kāi)啟和壓緊在任何情況下都不能超出檢具的容積，還要考慮到工人的操作方便，并給出定位墊片上表面中心的車身坐標(biāo)[5]。對(duì)于中小覆蓋件檢具，如果沒(méi)有足夠的空間安裝夾頭可以采用永久磁鐵夾緊，其配置方式有兩種：①將永久磁鐵嵌入支承塊中；②將永久磁鐵對(duì)稱地嵌入支承塊兩側(cè)的型面內(nèi)（磁鐵上表面應(yīng)低于定位表面0.2～0.3mm）。大型覆蓋件的夾緊往往混合使用夾頭夾緊和磁鐵夾緊兩種方式，即零件周圍采用杠桿式夾頭夾緊，中間支承塊則采用永久磁鐵夾緊。

圖4 夾頭夾緊器夾緊示意圖

3.4 檢測(cè)銷的設(shè)計(jì)

檢測(cè)銷用于檢測(cè)零件上孔的孔徑及其位置度。對(duì)孔徑的檢測(cè)一般使用直插式的檢測(cè)銷，其結(jié)構(gòu)由導(dǎo)向、檢測(cè)及手柄三部分組成。在檢測(cè)孔內(nèi)，為保證檢測(cè)銷能順利進(jìn)行檢測(cè)，必須安裝導(dǎo)向襯套并與檢具體黏結(jié)，如圖5所示，其規(guī)格根據(jù)檢測(cè)孔的孔徑范圍來(lái)選取，已有相應(yīng)的參考系列，同時(shí)，軸套的上平面必須低于覆蓋件下表面。檢測(cè)銷檢測(cè)部分尺寸為：公稱尺寸+下偏差-位置度。位置度的檢測(cè)一般使用檢測(cè)銷及劃線銷，如圖6所示。檢測(cè)部分尺寸為：公稱尺寸+下偏差-位置度，劃線部分尺寸為：公稱尺寸+4mm（根據(jù)客戶要求而定），導(dǎo)向部分的設(shè)計(jì)與檢測(cè)銷相同。

為了使用方便及防止丟失，需在底板上設(shè)定置銷器，在非檢測(cè)狀態(tài)時(shí)使用，定位銷與檢具體之間還需用鏈或鋼索連接。

3.5 斷面檢測(cè)部件的設(shè)計(jì)

當(dāng)被測(cè)零件的尺寸和形狀精度要求較高，僅依靠檢具型面及相應(yīng)結(jié)構(gòu)不足以實(shí)現(xiàn)精度控制時(shí)，可以在檢具周圍設(shè)置若干個(gè)斷面檢測(cè)樣板。圖7為斷面檢測(cè)樣板的檢測(cè)示例，其工作部分的型面與零件被測(cè)表面保持3mm的間隙，以便各種專用量具（如塞規(guī)）的檢測(cè)使用。斷面檢測(cè)樣板采用厚度為8±0.5mm左右的鋁合金或45鋼，結(jié)構(gòu)形式一般為旋轉(zhuǎn)式或拆卸式。樣板應(yīng)盡量安裝在沖壓件型面法向方向，其位置坐標(biāo)宜取整數(shù)，不得與定位銷、檢測(cè)銷、夾緊裝置等結(jié)構(gòu)相干涉，發(fā)生干涉時(shí)可以將其分段處理；樣板支架與底板的厚度應(yīng)大于10mm，支架高度大于15mm時(shí)需適當(dāng)增加料厚[2]?？傊O(shè)計(jì)時(shí)要保證斷面檢測(cè)結(jié)構(gòu)在檢具上穩(wěn)定牢固、旋轉(zhuǎn)自如、無(wú)干涉，且安放位置合適。

圖5 檢測(cè)銷檢測(cè)示意圖

圖6 劃線銷檢測(cè)示意圖

3.6 EDC檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

EDC，是一種電子數(shù)據(jù)采集裝置，可以快速、準(zhǔn)確地讀出零件被測(cè)表面上某點(diǎn)的尺寸數(shù)據(jù)。檢具體的邊、面上無(wú)法檢測(cè)且有裝配要求的地方或影響零件質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)，常用EDC檢測(cè)裝置進(jìn)行定量檢測(cè)，如果在誤差范圍內(nèi)，即為合格。其結(jié)構(gòu)一般采用旋轉(zhuǎn)式，如圖8所示，支座可根據(jù)放置高度選用相應(yīng)的I型支座。設(shè)計(jì)時(shí)，保證測(cè)頭軸線與零件表面在測(cè)點(diǎn)處垂直，且測(cè)頭下端面到測(cè)點(diǎn)的距離為31mm。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要闡述了汽車覆蓋件檢具的結(jié)構(gòu)及各功能部件的設(shè)計(jì)方法和相關(guān)要求，為檢具的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了參考依據(jù)，對(duì)適應(yīng)快速發(fā)展的汽車市場(chǎng)需求具有重要意義，同時(shí)對(duì)于其它零部件檢具的設(shè)計(jì)也有一定的參考價(jià)值。檢具的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，既要能實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的定位，又要保證檢測(cè)的精確度和穩(wěn)定性，還要考慮到操作時(shí)的方便和靈活性。因此，檢具設(shè)計(jì)人員必須在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中逐漸積累經(jīng)驗(yàn)，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法，才能提高檢具的開(kāi)發(fā)質(zhì)量和效率，減少開(kāi)發(fā)成本，最終設(shè)計(jì)出客戶滿意的產(chǎn)品。

[1]張興云.汽車沖壓零部件檢具設(shè)計(jì)制造技術(shù)研究[J].制造技術(shù)與實(shí)踐，2004（1）:40-42.

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Design and Development of Testing Fixtures for Covering Parts of Cars

YANG Guoce1,CUI Xiaoyong2,WU Di1
（1.Engineering Training Center,Shanghai Second Polytechnic University,Shanghai 201209;2.SKL（Nanjing）Automotive Mould Technology Co.,Ltd.,Nanjing 210028）

On the basis of elaborating the basic structure of testing fixtures for covering parts of cars and its detection principle,the general arrangements and the relevant requirements of the functional unit design for testing fixtures design are proposed,which offering a reference for testing fixtures development.It's of great significance to adapt to the rapid development of the automobile market demand,but also have a certain reference value for general fixture designing.

covering parts of cars，testing fixture，design and development

上海高校青年教師培養(yǎng)資助計(jì)劃（B50YQ13R003）;2013年度校級(jí)科研基金資助項(xiàng)目（A01GY13GX21）。