崔慶泉

(北汽福田汽車股份有限公司 乘用車設(shè)計(jì)院， 北京 102206)

1 引 言

轎車車身制造和整車裝配是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，涉及到薄板沖壓、塑性成形、鑄造機(jī)加等各類零件，以及焊接、緊固和粘接等多種裝配方式。一款全新車型影響到尺寸功能分解的零部件最少在400個(gè)以上，一旦某個(gè)環(huán)節(jié)的尺寸波動(dòng)超出設(shè)計(jì)允許量，整車的裝配、外觀、密封甚至碰撞安全等主客觀指標(biāo)將降低。目前各公司對(duì)整車部件配合的精致度控制日趨嚴(yán)格，這對(duì)整個(gè)開發(fā)過程的尺寸設(shè)計(jì)和質(zhì)量保證能力提出了很高的要求。

20世紀(jì)80年代后期開始車身尺寸精度控制成為汽車工業(yè)和學(xué)術(shù)界關(guān)注的重要課題。最典型的案例是由美國聯(lián)邦政府科研基金資助、北美三大汽車公司聯(lián)合密歇根大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究中心實(shí)施的2 mm工程項(xiàng)目，以持續(xù)改進(jìn)CII指標(biāo)為目標(biāo)，綜合運(yùn)用了最新的測(cè)量設(shè)備、測(cè)量方法、實(shí)驗(yàn)方法、統(tǒng)計(jì)分析和故障診斷技術(shù)，從根本上改善了美系車在密封和外觀配合精致度上落后于日系車的局面，其理念和經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)推廣到整個(gè)的工業(yè)制造領(lǐng)域。

當(dāng)今，廣義的尺寸工程已經(jīng)由單純地面向制造過程質(zhì)量控制向整車開發(fā)的前期延伸，覆蓋從造型選擇、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)直到零部件制造匹配認(rèn)可的整個(gè)過程，并且更加注重產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的尺寸可行性和穩(wěn)健性研究。筆者主要從公差分析和尺寸工程管理流程兩方面，概括地闡述工程凍結(jié)前尺寸工程同步開發(fā)中的理論研究和實(shí)際應(yīng)用。

2 公差分析和優(yōu)化的理論研究

白車身作為下游車間裝配載體是整車制造中最先需要保證精度的系統(tǒng)，其焊接過程的尺寸波動(dòng)機(jī)制和偏差控制已經(jīng)得到了廣泛深入的研究。而產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的偏差風(fēng)險(xiǎn)正是來源于焊接過程中潛在或?qū)嶋H的零件干涉、搭接方式不合理、公差分配不合理和基準(zhǔn)定位設(shè)計(jì)錯(cuò)誤等結(jié)構(gòu)性問題。公差分析是通過分析裝配環(huán)節(jié)上零部件的尺寸分布和公差，考慮偏差的累積和傳播，來計(jì)算裝配體的尺寸分布和總成公差，實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段對(duì)結(jié)構(gòu)方案的尺寸質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。常用的基于剛體誤差累計(jì)理論的方法如表1所列，經(jīng)常被尺寸工程部門用來做平面尺寸鏈或線性尺寸鏈的計(jì)算。如果某個(gè)鏈環(huán)存在中值偏移情況，其中六西格瑪模型中的k值可以由蒙特卡洛法模擬計(jì)算，也可以設(shè)置為常數(shù)0.25來估測(cè)[1]。

上述公差分析方法需要輔以工程經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)需求應(yīng)用簡便快捷，但在系統(tǒng)優(yōu)化方面存在理論缺陷。目前公差設(shè)計(jì)和尺寸目標(biāo)優(yōu)化理論的流行方向是將公差設(shè)計(jì)簡化為非線性規(guī)劃或線性近似，以及提出各種形式的公差——成本函數(shù)以解決成本控制和質(zhì)量的平衡問題。Parkinson把概率性的公差優(yōu)化簡化為確定性的非線性規(guī)劃問題[3]。Shiu等人基于等效梁模型提出用于三維柔性薄板裝配的公差分配法[4]，該模型在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念階段就在KPC和KCC之間建立約束關(guān)系矩陣，并應(yīng)用非線性規(guī)劃和投影理論量化分配公差。Chase提出了基于公差成本的定量估計(jì)法[5]，用拉格朗日乘數(shù)解決多工藝方案的自動(dòng)評(píng)價(jià)和選定問題。Chase等人還基于線性矢量裝配模型，建立了圖形化的2D、3D 尺寸偏差預(yù)測(cè)系統(tǒng)CATS[6]。Liu和Hu通過有限元計(jì)算過程中形成的剛度矩陣來確定金屬薄板件的裝配公差[7]，并采用改進(jìn)的影響系數(shù)法，克服了蒙特卡洛模擬算法收斂速度低的問題。國內(nèi)的林忠欽等人在改進(jìn)了Nied提出的1/4模型[8]的基礎(chǔ)上，提出了1/2軸對(duì)稱模型[9]，通過有限元的過程模擬得出零件變形主要受電極力和初始間隙而非電阻焊過程中熱效應(yīng)的影響。

面向裝配的設(shè)計(jì)(DFA，Design For Assembly)和(QFD，Quality Function Deployment)是并行質(zhì)量工程學(xué)中很重要的兩個(gè)概念，如果能夠做到完全并行并且克服過度簡化設(shè)計(jì)目標(biāo)的缺陷則可以擴(kuò)展尺寸工程開發(fā)中的分析與預(yù)測(cè)手段[10-11]，DFA的最少零件策略和模塊化設(shè)計(jì)策略[11]對(duì)尺寸設(shè)計(jì)過程尤其具有指導(dǎo)意義，但目前在國內(nèi)制造領(lǐng)域特別是在汽車開發(fā)中的尺寸工程方面系統(tǒng)地應(yīng)用實(shí)施的例子還很少。

表1 總成公差的累計(jì)計(jì)算方法

3 三維公差仿真

1978年英國的Hillyard RC博士和丹麥的Bjorke O.教授提出了CAT(CAT，Computer Aided Tolerancing)的概念，發(fā)展至今CAT軟件的公差描述模型和公差累計(jì)理論的應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟，逐漸成為尺寸公差輔助設(shè)計(jì)的主流工具。

表2中列出了目前工業(yè)應(yīng)用比較廣泛的三款商用化CAT軟件：VisVSA、CETOL 6σ和3DCS，它們都能夠輸入不同類型的公差、基準(zhǔn)和裝配順序，對(duì)功能尺寸或其他目標(biāo)尺寸進(jìn)行公差累計(jì)程度和鏈環(huán)的影響因子或敏感度系數(shù)進(jìn)行分析，并且把統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果進(jìn)行圖形化顯示。

表2 CATS軟件功能比較

汽車裝配是縱橫交錯(cuò)的遞進(jìn)過程。單以白車身的下車體總成為例，其焊接裝配“縱深”至少為7層，不包括螺柱焊和補(bǔ)焊就涉及近30個(gè)工位，尺寸鏈冗長。CAT軟件使得在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期對(duì)約束方式和焊裝操作的虛擬模擬和驗(yàn)證變得簡單而清晰，它的功能圖如圖1所示，可以定義多種約束方式和焊裝操作，輸出各鏈環(huán)的影響因子分析報(bào)告，可以說CAT使得尺寸同步工程設(shè)計(jì)真正實(shí)現(xiàn)“3D設(shè)計(jì)”——DFM+DFA+DVA(Dimensional Variation Analysis)變成了可能。目前幾乎所有的乘用車整車廠都在使用CAT軟件，并且大部分的應(yīng)用范圍在工程發(fā)布之前。

圖1 公差仿真軟件功能示意圖

對(duì)尺寸工程部門而言，一個(gè)好的三維公差仿真系統(tǒng)應(yīng)該具備以下特性：

(1) 提供足夠的手段以最大限度的模擬各種制造過程及其精度定義；

(2) 方便進(jìn)行二維和三維尺寸鏈計(jì)算和展示；

(3) 可以進(jìn)行建模操作和輸出報(bào)告的定制，建模便捷，算法執(zhí)行高效；

(4) 完美支持ISO GPS標(biāo)準(zhǔn)體系和ASME Y14.5標(biāo)準(zhǔn)；

(5) 人機(jī)界面友好，可以無縫集成在CAD系統(tǒng)中，并能夠讀寫CAD數(shù)據(jù)中符合ISO 1101標(biāo)注規(guī)范的PMI信息(Product and Manufacturing Information)；

CAT商用軟件基本上可以為尺寸工程提供設(shè)計(jì)和優(yōu)化支持，但還缺乏面向分析支持的專家系統(tǒng)，不能很好地考慮制造工藝會(huì)產(chǎn)生的各種幾何變形和干涉，仿真計(jì)算結(jié)果的精度也受到循環(huán)次數(shù)的影響(尤其對(duì)于精度要求高的機(jī)械運(yùn)動(dòng)副)，因此在某種程度上限制了CAT軟件在尺寸同步過程階段的應(yīng)用。

4 尺寸同步工程

尺寸工程的設(shè)計(jì)全面考慮功能要求、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和制造加工等約束，并且在同步工程的框架下牽頭解決其中的尺寸可行性問題，目的是減少設(shè)計(jì)更改和生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)啟動(dòng)周期、提高和改善整車質(zhì)量和裝配精度。故有必要在開始就建立一個(gè)跨部門的同步小組，由尺寸工程牽頭，來自產(chǎn)品工程、造型設(shè)計(jì)和制造工程、質(zhì)量工程4個(gè)專業(yè)部門的主管人員組成，以便對(duì)主要的輸入物和交付物進(jìn)行評(píng)審，并推進(jìn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和問題優(yōu)先級(jí)的決策。同步小組應(yīng)該在一個(gè)統(tǒng)一流程框架下工作，圖2為適用于全新車型開發(fā)的尺寸同步工程的一個(gè)基本流程。可看出，尺寸工程開始于整車開發(fā)的概念規(guī)劃階段，隨著造型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品工程的成熟進(jìn)行多次的驗(yàn)證分析，在工程凍結(jié)前完成大部分交付物包括整車目標(biāo)定義、功能分析、零部件基準(zhǔn)公差和功能尺寸的制定。根據(jù)實(shí)際制造部門的經(jīng)驗(yàn)反饋，工程試制過程中會(huì)對(duì)前期的尺寸鏈和功能尺寸進(jìn)行必要的調(diào)整。

圖2 尺寸同步工程基本流程

整車尺寸目標(biāo)DTS(Dimensional Technical Specification)是車型的外觀配合尺寸要求，根據(jù)車型的市場(chǎng)定位、項(xiàng)目投入、制造能力制定某車型的質(zhì)量目標(biāo)，量化車身、內(nèi)外飾零部件之間的間隙、面差及其一致性、對(duì)稱性、造型特征線的對(duì)齊甚至配合圓角的尺寸和公差要求。DTS是造型A面分縫線定義的依據(jù)，車身及內(nèi)外飾綜合匹配的尺寸質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，及整車奧迪特評(píng)審依據(jù)，是產(chǎn)品規(guī)劃和工程設(shè)計(jì)階段重要的技術(shù)文件。

客戶在車型選購的時(shí)候?qū)ν庥^配合的精度要求可以說愈加苛刻，很多公司在DTS設(shè)計(jì)方面還停留在公差分析層面，而DTS設(shè)計(jì)的最終目的則是實(shí)現(xiàn)整車最佳的外觀感知質(zhì)量，這對(duì)于尺寸設(shè)計(jì)而言是新的課題。目前造型設(shè)計(jì)階段的虛擬評(píng)審只能評(píng)價(jià)理論狀態(tài)下的外觀感知質(zhì)量，造型凍結(jié)前的全尺寸實(shí)物模型也無法體現(xiàn)制造匹配階段的極端偏差狀態(tài)。以圖3側(cè)圍和尾燈的配合為例，假設(shè)客戶以一個(gè)固定的視角沿此處縫隙觀察的實(shí)車匹配情況，除了感知到間隙的大小、面差的高低外，還看到的是尾燈的邊界p1p2的在長度和角度上的變化，而且注塑件尾燈殼體的圓角r1和沖壓件側(cè)圍的圓角和r2，又存在約±0.2左右的尺寸公差，這些因素的綜合很有可能導(dǎo)致客戶對(duì)該縫隙的尺寸感知給一個(gè)缺陷的評(píng)價(jià)。也就是說，DTS的制定既需要評(píng)審造型A面和工程數(shù)據(jù)的和諧一致性，也需要考慮制造波動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的設(shè)計(jì)，而當(dāng)前如何在設(shè)計(jì)階段考慮零件尺寸和裝配的偏差對(duì)實(shí)車部件間搭接的協(xié)調(diào)性、特征線的連貫性和分縫合理性等感官因素進(jìn)行評(píng)價(jià)還需要理論研究和計(jì)算機(jī)輔助工具的支持，尺寸同步工程小組需要一個(gè)有效的發(fā)布和評(píng)審平臺(tái)。

圖3 DTS定義與造型的感知評(píng)價(jià)

基準(zhǔn)用來保證汽車零部件尺寸穩(wěn)定性和零部件功能，在裝配過程中它是誤差傳遞和累積的中介，貫穿汽車設(shè)計(jì)和制造全過程?；鶞?zhǔn)定位是零部件本身被最先定義的尺寸屬性，且通常在較早期階段從下車體件開始。對(duì)于需要限制6個(gè)自由度的剛性件通常都采用“3-2-1”的定位原則，而一般的薄板沖壓件和大部分的塑料件則通常增加若干的輔助基準(zhǔn)，因此整車上的基準(zhǔn)普遍采用的是“N-2-1”的形式?；鶞?zhǔn)目標(biāo)通常選在穩(wěn)定性好、精度有保證且局部剛度相對(duì)較高的位置，所有的方案都應(yīng)該在尺寸同步工程小組內(nèi)充分討論，并且與模具、檢具和夾具設(shè)計(jì)的定位甚至夾持點(diǎn)保持一致，避免基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的偏差累積。

公差是對(duì)零件尺寸、幾何形狀和位置公差的綜合要求，它決定了制造環(huán)節(jié)中沖焊工藝設(shè)計(jì)、模具精度和成型方式，是供應(yīng)商加工能力和整車廠制造能力的體現(xiàn)。好的產(chǎn)品圖紙應(yīng)該定義正確、合理的公差，福田乘用車研究院已經(jīng)結(jié)合集團(tuán)多年整車開發(fā)制造的經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)，建立起一套較完整的基礎(chǔ)公差庫，這套公差庫上是保證在基準(zhǔn)設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行前期的DTS論證和后面的功能分析及尺寸鏈分析優(yōu)化的關(guān)鍵。

功能尺寸分析和定義的是白車身總成上那些影響關(guān)鍵質(zhì)量質(zhì)量特性的尺寸和位置公差，涉及到裝配尺寸、輪廓尺寸、密封間隙和運(yùn)動(dòng)間隙等。在制造過程中必須控制功能尺寸的波動(dòng)并進(jìn)行常規(guī)監(jiān)控。功能尺寸的識(shí)別和分析通常在工程發(fā)布第一版車身數(shù)據(jù)時(shí)開始，在產(chǎn)品試制開始時(shí)面向下游部門發(fā)布，并且在試制甚至到后期匹配過程中進(jìn)行必要的調(diào)整和優(yōu)化。

上述工作進(jìn)行到某種程度時(shí)三維尺寸鏈建模、分析的工作應(yīng)即時(shí)開展。建模應(yīng)該完全按照尺寸同步小組評(píng)定或擬定的裝配順序、基準(zhǔn)定位約束和基礎(chǔ)公差進(jìn)行定義。模型一旦建立并調(diào)試通過，即應(yīng)該將所有的DTS和功能尺寸對(duì)應(yīng)的仿真分析結(jié)果進(jìn)行初步分析和匯總，建立前十項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)問題推進(jìn)機(jī)制，通過對(duì)比分析影響因子及其權(quán)重在CAT環(huán)境中對(duì)工藝、公差、采用不同的定位策略或?qū)Ξa(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，一旦重新驗(yàn)證通過，則應(yīng)即時(shí)地把具體的尺寸優(yōu)化方案以產(chǎn)品更改單的正式形式提交給相關(guān)部門。

圖4 行李箱蓋與后保險(xiǎn)杠間隙尺寸鏈?zhǔn)疽鈭D

在整個(gè)的過程中尺寸工程師應(yīng)該建立唯一的問題清單，負(fù)責(zé)驗(yàn)證和推進(jìn)各種解決方案，并且定期不定期地召開會(huì)議，向項(xiàng)目組合管理層匯報(bào)狀態(tài)和進(jìn)展。必要的時(shí)候隨時(shí)通過尺寸分析報(bào)告、虛擬評(píng)審、局部實(shí)物模型進(jìn)行問題或解決方案的展示。這樣既可以降低項(xiàng)目的后期時(shí)間損失和不可預(yù)見風(fēng)險(xiǎn)費(fèi)用，又可以使項(xiàng)目的參與人員對(duì)質(zhì)量的實(shí)際預(yù)期有更精確的預(yù)判。

5 結(jié) 語

零部件的幾何公差是影響和決定產(chǎn)品質(zhì)量、成本和使用性能的關(guān)鍵因素，必須考慮到設(shè)計(jì)開發(fā)、銷售和保修過程出現(xiàn)的問題，因此需要研究建立面向整車產(chǎn)品生命周期內(nèi)的公差設(shè)計(jì)理論和技術(shù)體系。尺寸同步工程需要密切有效地協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)、工藝、制造和各級(jí)供應(yīng)商的工作，設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)。尺寸設(shè)計(jì)既要依靠工程師的經(jīng)驗(yàn)來開展，也必須要借助CAT等手段來建立整車的尺寸可行性論證或評(píng)估體系。CAT軟件只有提高建模的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)與CAD系統(tǒng)的無縫集成，并且在公差和優(yōu)化模型中導(dǎo)入彈性變形甚至塑性變形的因素影響，才能對(duì)尺寸同步工程提供更佳的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] Hwaiyu Geng, Manufacturing Engineering Handbook[M].New York: McGraw-Hill, 2004.

[2] GB/T 5847-2004.尺寸鏈計(jì)算方法[S].

[3] Parkinson D B. Assessment and Optimization of Dimensional Tolerances[J]. Computer Aided Design,1985, 17(4):191-199.

[4] Boon W.Shiu. Modeling of an Automotive Body Assembly System for Dimensional Control[J]. University of Michigan, 1996(18):178-180.

[5] Chase Kenneth W. Least Cost Tolerance Allocation for Mechanical Assemblies with Automated Process Selection[J]. Manufacturing Review,1990,3(1):49-59.

[6] Chase Kenneth W. Spencer P Magleby. A Comprehensive System for Computer-Aided Tolerance Analysis of 2-D and 3-D Mechanical Assemblies[C]. Proceedings of the 5th International Seminar on Computer-Aided Tolerancing, Toronto, Canada, April , 1997.

[7] Liu S. Charles, Hu S. Jack. Variation Simulation for Deformable Sheet Metal Assemblies Using Finite Element Methods[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 1997,119(3):112-115.

[8] Nied H A. The Finite Element Modeling of the Residence Spot Welding process[J]. Welding Journal,1984,63(4):123-132.

[9] 林忠欽,胡 敏.轎車白車身點(diǎn)焊裝配過程有限元分析[J].焊接學(xué)報(bào),2001,22(1):36-40.

[10] Ceglarek D, Shi J. Design Evaluation of Sheet Metal Joints for Dimensional Integrity[J]. Transactions of the ASME,1998(120):452-460.

[11] 楊建國. 可裝配性設(shè)計(jì)——現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法[M].上海: 中國紡織大學(xué)出版社,1999.