基于Taguchi正交試驗(yàn)的側(cè)圍外板定位布局穩(wěn)健設(shè)計(jì)?

夏玉峰，王天宇，楊 棟，姜 來，趙 佳，龍 帥

(重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044)

前言

提高B柱裝配質(zhì)量已成為當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)急需解決的熱點(diǎn)問題。對車身B柱而言，過大的裝配偏差會嚴(yán)重影響汽車的耐撞性和行駛安全性。當(dāng)前車身的裝配主要依靠經(jīng)驗(yàn)，并沒有具體的方法可循，導(dǎo)致零件制造偏差和夾具定位偏差等在裝配過程中過度累積，造成裝配質(zhì)量問題，使生產(chǎn)成本增加，生產(chǎn)效率降低。B柱裝配質(zhì)量主要受裝配順序、零件公差和裝配定位布局的影響，隨著越來越多的裝配質(zhì)量問題的存在，穩(wěn)健性設(shè)計(jì)作為一種低成本、高效益的質(zhì)量工程方法越來越受到關(guān)注，它的目的在于找到一組對噪聲因素不敏感的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，使所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、波動小[1]。

關(guān)于質(zhì)量穩(wěn)健性設(shè)計(jì)國內(nèi)外已有不少研究。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]針對公差設(shè)計(jì)較少考慮噪聲因素的影響，提出穩(wěn)健公差設(shè)計(jì)這一概念，并探討了應(yīng)用模糊質(zhì)量損失模型實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健設(shè)計(jì)的兩種方法。文獻(xiàn)[3]中采用連續(xù)的空間填充方法對多工位裝配過程的夾具定位布局進(jìn)行穩(wěn)健性研究。文獻(xiàn)[4]中采用數(shù)論網(wǎng)格方法對公差進(jìn)行采樣，提出一種基于偏差傳遞的二維多工位裝配夾具系統(tǒng)公差可行穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法。上述研究大都是針對前期的公差分配進(jìn)行穩(wěn)健設(shè)計(jì)，改變公差必然涉及到模具的調(diào)整和技術(shù)的更新，導(dǎo)致成本的提高。

據(jù)此，本文中提出一種低成本的設(shè)計(jì)方法來提高B柱的裝配質(zhì)量，即對零件的定位布局進(jìn)行穩(wěn)健設(shè)計(jì)。以側(cè)圍外板為例，首先建立各定位塊坐標(biāo)與測點(diǎn)偏差的影響曲線，確定合理的坐標(biāo)取值范圍，在此基礎(chǔ)上結(jié)合Taguchi正交試驗(yàn)與3DCS軟件確定穩(wěn)健設(shè)計(jì)方案，最終得到裝配質(zhì)量較好的B柱總成，為后續(xù)實(shí)際生產(chǎn)提供了一定的指導(dǎo)作用。

1 裝配定位原理

在板殼類零件的裝配過程中，常用3-2-1定位原理進(jìn)行裝配，如圖1(a)所示，它包括2個定位銷和3個接觸塊[5]。兩個定位銷約束平面中的3個自由度，其中，四向定位銷控制零件沿X和Z2個方向的運(yùn)動，兩向定位銷僅限制Z方向的運(yùn)動，3個接觸塊限制工件其他的自由度。對于大而剛度不足的零件，在保障3-2-1定位的前提下，還需要附加定位點(diǎn)來保證零件的平衡狀態(tài)，故采用N-2-1(N≥3)的定位原則進(jìn)行約束[6]，如圖1(b)所示。

B柱的三維結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，側(cè)圍外板是柔性薄板件，采用一面兩銷4-2-1夾具方式定位，在3DCS中可用Autobend命令模擬4-2-1裝配。L1～L4分別是側(cè)圍外板上4個定位塊的原始設(shè)計(jì)位置，P1和P2是兩個定位銷的位置，Pr是測點(diǎn)。本文中主要是針對4個定位塊的布局進(jìn)行穩(wěn)健設(shè)計(jì)。

2 Taguchi正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 定位塊坐標(biāo)取值分析

圖1 定位原理簡介

圖2 B柱三維裝配模型

為得到側(cè)圍外板定位塊L1～L4的合理坐標(biāo)取值范圍，分別將各定位塊坐標(biāo)視為自變量，測點(diǎn)Pr沿不同方向的偏差視為因變量，在3DCS中進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬得到的數(shù)據(jù)利用ORIGIN軟件繪制出兩者的關(guān)系曲線圖[7]，如圖3所示，其中Lab表示定位塊a的b方向坐標(biāo)，ΔPr表示測點(diǎn)偏差。據(jù)此確定各定位塊坐標(biāo)的合適取值范圍。

由于各定位塊在Y方向的坐標(biāo)變化很小，故自變量僅考慮X和Z方向，同時，由“4-2-1”定位原理可知，定位塊不限制零件Z方向的運(yùn)動，故因變量僅考慮測點(diǎn)沿X和Y方向的偏差變化。

由圖可見：不同定位塊不同方向的坐標(biāo)值變化對測點(diǎn)偏差的影響不同；L1和L2的Z方向坐標(biāo)值變化對測點(diǎn)的偏差影響較大，X方向的影響則不明顯；L3和L4的X和Z方向坐標(biāo)變化對測點(diǎn)各方向偏差均有較大影響。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時，對裝配偏差有顯著影響的定位塊，其坐標(biāo)取值水平應(yīng)靠近裝配偏差對坐標(biāo)值變化敏感的區(qū)域，對裝配偏差影響不明顯的區(qū)域應(yīng)不取值或者少取值。

圖3 測點(diǎn)Pr偏差與坐標(biāo)的關(guān)系圖

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖3，在定位塊L1和L2的Z方向各取3個值，在L3和L4的X和Z方向分別各取2個值，其他方向不取。結(jié)合各因素原始設(shè)計(jì)方案，確定側(cè)圍外板各定位塊坐標(biāo)取值水平(見表1)，其中各因素的水平1為原始設(shè)計(jì)方案，側(cè)圍外板定位布局設(shè)計(jì)的空間位置如圖4所示。

影響汽車B柱裝配質(zhì)量的主要因素為定位塊的定位偏差與制造偏差[8-9]，作為噪聲因素考慮。側(cè)圍外板的裝配存在8個噪聲因素，分別為4個定位塊的制造偏差與定位偏差，分別用F1～F8表示。各噪聲因素取2水平且水平值一致見表2，各偏差源服從正態(tài)分布。本文中定位布局參數(shù)為4因素3水平，偏差源噪聲因素為8因素2水平，因此內(nèi)表選擇L9(34)(見表3)，外表選擇L12(211)(見表4)。

表1 側(cè)圍外板定位布局參數(shù)水平設(shè)計(jì)

圖4 側(cè)圍外板定位塊的空間布局

表2 噪聲因素的水平取值

表3 側(cè)圍外板定位布局正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表4 側(cè)圍外板噪聲因素正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3 數(shù)值結(jié)果分析與驗(yàn)證

3.1 信噪比計(jì)算

穩(wěn)健性是指因素狀況發(fā)生微小變化對因變量影響的不敏感性。信噪比是穩(wěn)健性設(shè)計(jì)中用以度量產(chǎn)品質(zhì)量特性的穩(wěn)健性指標(biāo)，它是信號量與噪聲的比率，信噪比越大表示產(chǎn)品越穩(wěn)健[10]。穩(wěn)健性評價函數(shù)和質(zhì)量特性函數(shù)一樣，都是連續(xù)且不為負(fù)，而且愈小愈好，這樣的函數(shù)稱為望小特性函數(shù)[11]。對于質(zhì)量特性服從Y～N(μ，σ2)分布的產(chǎn)品，可將信噪比定義為η′＝μ2/σ2，為了使η′更加接近正態(tài)分布，可將η′化成分貝值，即SNR＝10lgη′。

對于本次裝配，B柱裝配質(zhì)量的衡量指標(biāo)為側(cè)圍外板與立柱加強(qiáng)板的間隙值，如圖5所示，對應(yīng)測點(diǎn)Pr，在側(cè)圍外板與中立柱加強(qiáng)板之間取間隙測量值d0，為了進(jìn)一步衡量裝配結(jié)果的準(zhǔn)確性，另取兩對間隙測量值d1和d2，其名義值均為0。對于表1中9種定位布局方案，對應(yīng)12種偏差源方案，共需進(jìn)行108次偏差仿真試驗(yàn)，利用3DCS的Analyst模塊進(jìn)行分析，得出3對測點(diǎn)統(tǒng)計(jì)特性的均值與方差。建立裝配質(zhì)量穩(wěn)健性評價函數(shù)為

圖5 側(cè)圍外板與立柱加強(qiáng)板間隙

在側(cè)圍外板的定位布局穩(wěn)健設(shè)計(jì)中，由于Y的望小特性，總希望σ2和u2都越小越好。若y1，y2，…，yn為y的n個觀察值，則y2平均值的無偏估計(jì)為因此，裝配質(zhì)量穩(wěn)健性評價函數(shù)的信噪比計(jì)算公式，即SNR為

式中n為噪聲參數(shù)試驗(yàn)方案數(shù)，本文中取12。

3.2 結(jié)果分析

進(jìn)行一次公差仿真模擬運(yùn)算時，以裝配2 000次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，取其平均測量尺寸作為一次仿真測量結(jié)果。以公差在6σ范圍內(nèi)，即合格率要達(dá)到99.73%，仿真測量結(jié)果超差率低于5%的范圍作為裝配合格的標(biāo)準(zhǔn)，在3DCS中模擬得到測量值。

對各種方案下得到的測量值，計(jì)算其SNR結(jié)果見表3，并進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表5。表中K1，K2和K3分別表示9組試驗(yàn)方案下各因素不同水平的SNR之和，R為極差，K值越大，表示該水平下的裝配效果越好。用極差值確定不同因素對裝配質(zhì)量的影響程度，極差值R越大，表明定位塊的3個水平之間的差異越大，對噪聲因素越敏感。

表5 裝配質(zhì)量的極差分析結(jié)果

由表5可見：

(1)B柱側(cè)圍外板定位塊布局在L1的1水平、L2的1水平、L3的3水平、L4的2水平下的裝配效果最好，這是因?yàn)檫@些水平的組合使定位塊在側(cè)圍外板的分布更加均勻，對噪聲因素的敏感度降低；

(2)R1和R2分別達(dá)到0.214和0.385 6，遠(yuǎn)大于R3和R4的值，因此在實(shí)際生產(chǎn)中對定位塊L1和L2的偏差應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控。

3.3 實(shí)驗(yàn)方案模擬驗(yàn)證

采用3DCS軟件對此方案進(jìn)行模擬驗(yàn)證。在3DCS中對側(cè)圍外板的原始定位布局設(shè)計(jì)與穩(wěn)健設(shè)計(jì)分別進(jìn)行仿真模擬，每次模擬執(zhí)行2 000次隨機(jī)裝配，限于篇幅，取其中3組噪聲因素(表4中1～3組)下的裝配結(jié)果d0進(jìn)行比較，并將12組噪聲因素下的裝配結(jié)果平均值進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表6所示。

表6 原始設(shè)計(jì)與穩(wěn)健設(shè)計(jì)的數(shù)值結(jié)果對比

圖6中深色部分代表測量的超差率，即2 000次裝配結(jié)果中d0，d1和d2的值超過±0.5mm的部分，深色部分越小裝配結(jié)果越好。若超差率大于5%，則判定模擬結(jié)果不合格。

圖6 穩(wěn)健設(shè)計(jì)與原始設(shè)計(jì)裝配結(jié)果比較

從圖中可以看出，定位布局穩(wěn)健設(shè)計(jì)極大地提高了汽車B柱的裝配質(zhì)量。根據(jù)表6計(jì)算可知，原始設(shè)計(jì)方案裝配質(zhì)量波動為10.9%，而穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方案波動僅為3%。其中，側(cè)圍外板與中立柱加強(qiáng)板的間隙d0，d1和d2分別降低29%，25%和31.5%，整體平均測量值降低了27.9%；超差率相應(yīng)降低53.1%，53.6%和 55.1%，平均超差率降低了53.9%。

實(shí)際生產(chǎn)中采用該方案已經(jīng)顯著地提高了產(chǎn)品裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率。但由于公司的商業(yè)保密性，無法提供具體的實(shí)物生產(chǎn)驗(yàn)證結(jié)果。

4 結(jié)論

通過對某型汽車B柱的分析，研究了側(cè)圍外板不同定位布局對最終裝配結(jié)果的影響，得出如下結(jié)論：

(1)側(cè)圍外板上不同位置的定位塊對裝配結(jié)果的影響不同，定位塊L1和L2對裝配結(jié)果的影響比L3和L4大；

(2)B柱側(cè)圍外板定位塊布局在L1的1水平、L2的1水平、L3的3水平、L4的2水平下的裝配效果最好，質(zhì)量波動降低 7.9%，平均測量值減小27.9%，平均超差率降低53.9%，證明了該方法的可行性。

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