韓彥博，張浩，段宏艷，李博，劉妍

（華晨汽車工程研究院尺寸工程室，遼寧 沈陽 110141）

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尺寸工程技術(shù)在控制車身精度方面的應(yīng)用與分析

韓彥博，張浩，段宏艷，李博，劉妍

（華晨汽車工程研究院尺寸工程室，遼寧 沈陽 110141）

摘 要：白車身精度是影響整車外觀美學(xué)及可裝配性的重要指標，如何利用尺寸工程技術(shù)提高我國自主品牌車型的競爭力，是目前國內(nèi)尺寸工程師面臨的重要問題。合理的運用尺寸工程技術(shù)可以有效提高產(chǎn)品精度、縮短開發(fā)周期、滿足造型提出的外觀要求。尺寸工程貫穿于整個開發(fā)過程，從指定尺寸目標開始介入直至工業(yè)化階段的尺寸控制。通過制定零部件的基準系建立定位系統(tǒng)、編制GD&T圖紙、分析優(yōu)化尺寸鏈以提供合理的公差尺寸；在工業(yè)化階段，應(yīng)運用統(tǒng)計學(xué)的方法制定工藝穩(wěn)定性監(jiān)控計劃，可以通過分析實測結(jié)果的波動趨勢，對尺寸缺陷迅速應(yīng)對給出解決方案。關(guān)鍵詞：白車身精度；尺寸工程；公差分析；定位系統(tǒng)

中圖分類號：U467.3

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)02-70-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.033

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-70-03

前言

尺寸工程在國外發(fā)展已有歷史，在近幾年才被引入國內(nèi)，在國內(nèi)仍是一個新興行業(yè)。在汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展的今天，國內(nèi)自主品牌已經(jīng)迅速崛起，也打破了合資品牌一家獨大的局面。隨著行業(yè)間的競爭確日趨激烈，尺寸工程專業(yè)被引入中國，其在產(chǎn)品開發(fā)中的優(yōu)勢和作用被業(yè)內(nèi)迅速認知，它包括整個車身的設(shè)計過程、零部件制造及焊接裝、匹配全過程，因此，尺寸技術(shù)的能力會直接影響到產(chǎn)品的開發(fā)周期及成本。

白車身主要由梁、支柱及加強板及車身覆蓋件組合而成，包括頂蓋、左右側(cè)圍、發(fā)蓋、發(fā)艙、下車身及行李箱蓋等部件，整個白車身是內(nèi)外裝件及電子設(shè)備等的裝載基體，是尺寸精度要求較高的總成。車身成本占整車的40%～60%，由500多個具有復(fù)雜曲面的沖壓件焊接制成，包括裝具及定位點1700～2000個，焊點更是多達4000～5000個[1]，而白車身復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)涉及各種因素造成的偏差[2,3]，這些偏差會影響車身的精度質(zhì)量，進而影響整車的外觀、性能等，甚至容易引發(fā)安全事故。因此，如何正確的分析、設(shè)計、解決車身制造過程中的各種偏差，保證整車精度已成為各品牌提高自身競爭力首要任務(wù)。

1、影響車身尺寸精度的因素

幾何尺寸公差與白車身的制造過程密切相關(guān)。在以往的產(chǎn)品開發(fā)過程中，設(shè)計人員很難正確把握公差設(shè)計，對于公差的確定、分析及取值存在較大誤差，直接影響后期匹配階段單件或部件的裝配精度，往往在量產(chǎn)后出現(xiàn)大量的返修，導(dǎo)致成本提高，延長產(chǎn)品開發(fā)周期。車身開發(fā)過程中，影響車身精度的因素很多，具體如圖1所示。

圖1 影響車身質(zhì)量精度的因素

影響因素囊括了“人、機、料、法、環(huán)、測”六大因素[4]。其中，利用尺寸工程技術(shù)能夠根據(jù)數(shù)模、目標DTS分析，設(shè)計和審核RPS，通過尺寸鏈計算、仿真分析、統(tǒng)計學(xué)分析等控制尺寸精度在后期匹配過程中加以調(diào)整，可以在很大程度上避免如設(shè)計偏差、公差分配不合理、裝配偏差、模具設(shè)計不合理、零件偏差等對車身精度的影響因素，從而有效的降低開發(fā)成本、縮短周期、提高車身精度控制[5]。

2、尺寸開發(fā)流程

尺寸專業(yè)工程師需全程控制車身精度，因此會貫穿于整個產(chǎn)品開發(fā)階段，包括制定尺寸目標、定位基準設(shè)計、設(shè)計公差、公差分析、目標檢查、制定測量點文件等[6]～[8]。具體流程如圖2所示。

圖2 尺寸開發(fā)流程

（1）制定尺寸目標即DTS，側(cè)重于研究尺寸配合公差、關(guān)鍵位置的間隙、面差、功能性要求等的制定，并依據(jù)現(xiàn)場實際工藝能力制定并審核目標公差。該文件為控制尺寸精度的目標，目標制定既要保證其工藝上的可行性又要使其具有競爭優(yōu)勢。

（2）定位基準及公差設(shè)計（GD&T），用于表達零件的形位公差[9]。該圖紙不僅對零件提出了設(shè)計要求，還決定了沖壓件的工序、模具精度、檢具、夾具方案等，車身是將數(shù)模、檢具、夾具串聯(lián)起來的載體。定位要嚴格遵循3+2+1的原則，即6點定位分別控制6個自由度，其中3點構(gòu)成的平面可控制1平移、2旋轉(zhuǎn)，2點構(gòu)成直線控制1平移、1旋轉(zhuǎn)，1點可約束1平移。以前司機們?yōu)槔?，如圖4所示，A孔為主基準孔，限制前門X、Z方向，B孔為輔基準孔，限制Z向，A1～A3確定主基準平面，限制前門Y向，此時前門定位準確，在實際安裝中能夠有效的控制其與左右側(cè)圍的間隙面差。

圖4 前門GD&T圖紙基準系頁

在建立基準面時，為了三維檢測系統(tǒng)建系更準確，要求建立的基準面應(yīng)覆蓋工件盡可能大的區(qū)域，主輔定位孔連線需貫穿整個零件的主體部分。如圖5所示，圖5a中基準面設(shè)置需覆蓋盡量大的面積不僅有利于保證三維測量的準確性，還利于提高零件定位的穩(wěn)定性；反之若如圖5b構(gòu)建基準系不合理，易導(dǎo)致測量結(jié)果失真或定位缺乏穩(wěn)定性，則會影響車身尺寸分析。

圖5 建立基準面及主輔定位孔位置選擇

（3）在配合三維仿真模型校核后，就可以試制并同時對檢查零部件生產(chǎn)的實際情況，但在試制及匹配階段必然會出現(xiàn)包括、沖壓、焊接、裝配等問題。因此，必須充分的運用尺寸分析手段，盡量避免量產(chǎn)階段與設(shè)計階段的差異。

3、尺寸分析方法的應(yīng)用

3.1 極值法

目前，尺寸工程中比較常用的分析技術(shù)有極值法（worst case，WC）和統(tǒng)計學(xué)法（root sum squares，RSS）[10]。前者主要指使用算數(shù)的方法計算公差，基本公式如（1）。

公式中：IT0為閉環(huán)公差；IT1、IT2、IT3為組成環(huán)公差。

該方法簡單高效，但如果結(jié)果過大會造成間隙過大或貼合不好，影響外觀美觀和車身性能，還易造成生產(chǎn)浪費。

3.2 統(tǒng)計學(xué)法

在汽車領(lǐng)域多使用統(tǒng)計學(xué)分析方法，該方法計算相比于極值方（去掉）法更適用于大批量汽車生產(chǎn)領(lǐng)域，運用統(tǒng)計學(xué)方法，能夠接受1350ppm的零件超差，但可以有效的控制車身精度，保證零件的尺寸在一個合理的范圍內(nèi)，既滿足功能要求，又節(jié)約一定的成本，使絕大多數(shù)零件復(fù)合正態(tài)分布[11]。

在分析尺寸鏈時，統(tǒng)計學(xué)公式如（2）。

公式中：IT0為閉環(huán)公差；ITi為尺寸鏈增環(huán)公差； n個尺寸鏈增環(huán)。

由公式可知，尺寸鏈的鏈環(huán)數(shù)越少，最后閉環(huán)的公差越小，也就是說當給出的閉環(huán)公差要求較高，可以有兩種方法來實現(xiàn)，一是提高加工精度；二是通過改善定位系統(tǒng)或裝配方案減少尺寸鏈的鏈環(huán)[12]～[14]。而在實際生產(chǎn)中前者是很難做到的，往往需要付出提高成本的代價，但是后者可以通過分析來實現(xiàn)，既可以為產(chǎn)品節(jié)約大量的成本也可以使產(chǎn)品的質(zhì)量精度滿足功能要求。

3.3 工業(yè)化階段統(tǒng)計學(xué)

在產(chǎn)品工業(yè)化生產(chǎn)階段，產(chǎn)量增大，因此必須運用統(tǒng)計學(xué)的方法配合圖表分析實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的波動情況，并根據(jù)波動進行分析，快速找出解決方法。波動分析是以測量點結(jié)果是否在公差帶范圍內(nèi)以正太的形式分布為前提的[15]。同一測量點多次測量結(jié)果符合正太分布，說明產(chǎn)品工藝穩(wěn)定，尺寸控制穩(wěn)定，通常汽車領(lǐng)域包括6δ的波動及1δ的對中偏移，共計8δ如圖7a所示。由圖a中即可衍生出判斷工業(yè)化階段車身穩(wěn)定性的分析方法。由圖b可知，當測量結(jié)果發(fā)生波動時，在該圖中可以很直觀的被體現(xiàn)出來，黑色折線為7臺分/周的測量結(jié)果，共3組，其中測量結(jié)果變化類型分別為：突變型、漂移型及中值偏移型。

圖7 正太分布圖及測量結(jié)果分析圖

通過圖7可以有效的分析出產(chǎn)品尺寸變化的趨勢，從而迅速做出反應(yīng)，但在實際中要注意一些問題才能使這種統(tǒng)計學(xué)的方法更加準確的反應(yīng)車身的真實情況以更有效的控制車身質(zhì)量精度。

可見，根據(jù)休哈特理論和統(tǒng)計學(xué)理念，計算δ跟樣本數(shù)量有關(guān)，樣本數(shù)量越多分析指標越準確，目前汽車行業(yè)常用數(shù)量一般為25組，5個/組，共125個樣本。而在實際應(yīng)用中，考慮到測量過程的誤差及樣本數(shù)量在統(tǒng)計學(xué)上的偏差，我們實際得到的工藝穩(wěn)定能力可接受及不可接受的極限值計算方法為：

3δ0=3×δ×C+0.25 （5）

4δ0=4×δ×C+0.25 （6）

其中c是根據(jù)樣本數(shù)量變化的參數(shù)，；預(yù)估測量誤差為0.25，即實際使用的上極限為3δ0、4δ0，下極限為-3δ0、-4δ0，當測量結(jié)果落入不可接受區(qū)域時應(yīng)當立即組織問題分析，查明原因及時調(diào)整，避免出現(xiàn)大批量的車身缺陷。

4、結(jié)束語

尺寸技術(shù)在車身開發(fā)中，可以解決大量相關(guān)外觀美學(xué)及裝配功能的問題，尺寸技術(shù)的介入可以使車身成本最優(yōu)化、開發(fā)周期最優(yōu)化、尺寸精度最優(yōu)化。前期通過編制RPS及GD&T圖紙，約束零部件定位、優(yōu)化尺寸鏈、優(yōu)化裝配方案，既能滿足現(xiàn)場實際工藝能力又能達到質(zhì)量特性的要求；后期按一定頻度抽取測量結(jié)果，制作工藝監(jiān)控計劃，隨時監(jiān)控生產(chǎn)中的工藝穩(wěn)定性，根據(jù)三種波動方式制定相應(yīng)的解決方案以保證尺寸波動在合理的范圍內(nèi)。所以，尺寸工程理念應(yīng)用到汽車領(lǐng)域的發(fā)展有重要的指導(dǎo)意義。

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汽車電子

Application and analysis of dimension engineering technology in controlling body precision

Han Yanbo, Zhang Hao, Duan Hongyan, Li Bo, Liu Yan
( The size of Engineering Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Abstract:The precision of body in white is an important indicator of auto appearance and assembly ability, how to improve our market competitive capability which is GD&T engineer have to face. So the main goal of GD&T engineer is to improve the product precision and shorten developing periods and meet the demands of automobile styling. GD&T engineer have to take part in the whole development process of BIW, from design phase to the stage of industrialization. First, during the design phase, we should provide range positioning system (RPS), design drawing of geometric dimensioning &tolerancing (GD&T) and reasonable dimension chain; in the stage of industrialization, we should use the method of statistical analysis to formulate the monitoring plan of process stability, which can be used to analyze the fluctuation trend of the measured results, based on the measured results we can give a solution to the size defects quickly.

Keywords:the precision of body in white; dimension engineering; GD&T; RPS

作者簡介：韓彥博，就職于華晨汽車工程研究院尺寸工程室。