Cubing在汽車零件匹配分析中的應(yīng)用

米富爭(zhēng)，王永濤，劉 攀，田 浩

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

引言

目前，很多汽車廠家新車型投產(chǎn)之前，都具備新車型的Cubing模型，為了驗(yàn)證零件的生產(chǎn)狀態(tài)，確定零件改進(jìn)方向，以及零件實(shí)際裝車效果，整車廠都會(huì)要求零件供應(yīng)商，在試生產(chǎn)階段，集中所有的內(nèi)外飾件進(jìn)行零件匹配的Cubing workshop，經(jīng)過多次的匹配試裝，達(dá)到提升零件質(zhì)量的效果。所以Cubing在車型投產(chǎn)初期的應(yīng)用尤為重要，Cubing的應(yīng)用縮短了零件優(yōu)化的周期，為零件優(yōu)化提供準(zhǔn)確的方向，驗(yàn)證了零件裝車狀態(tài)，對(duì)于汽車零部件的匹配來說，是不可缺少的一部分。汽車零件出現(xiàn)問題，第一要找的就是問題出在哪里，是自己的問題，還是對(duì)手件問題。分析問題需要借助標(biāo)準(zhǔn)樣件，而Cubing的應(yīng)用就是要解決零件之間的相互匹配問題，所以Cubing在汽車廠已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

1 Cubing定義

Cubing是根據(jù)車身數(shù)模按照“零”偏差制作的綜合檢具，精度高，模塊化，易于拆卸，對(duì)于零件匹配安裝有高度模擬性，Cubing是用來發(fā)現(xiàn)車身本身的制造偏差和零件本身的匹配情況，從而達(dá)到精確匹配測(cè)量的效果。

2 Cubing的應(yīng)用

Cubing早期主要應(yīng)用于零件的匹配試裝，零件優(yōu)化，矯正設(shè)計(jì)缺陷，前期的工藝調(diào)整，工裝調(diào)試等。用標(biāo)準(zhǔn)來檢驗(yàn)生產(chǎn)加工中出現(xiàn)的零件偏差，這就是標(biāo)準(zhǔn)車身的作用，Cubing的出現(xiàn)就是為了實(shí)現(xiàn)零件的實(shí)際匹配狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)給出零件偏差方向，對(duì)零件的初期修改起到很大幫助。零件優(yōu)化完成后模具也定了，對(duì)于零部件供應(yīng)來說降低了成本，提高了效率[1]。

2.1 精準(zhǔn)裝配

因目前生產(chǎn)線上有些裝配還是手動(dòng)安裝，雖然安裝工藝是一樣的，但是與人員培訓(xùn)效果，熟練程度有關(guān)，這就涉及每個(gè)人的安裝手法，對(duì)零件裝車質(zhì)量有一定要求，也相當(dāng)于解決人、機(jī)、料、法、環(huán)中的人，由于操作人員的安裝手法導(dǎo)致的平順度和間隙問題，是我們要控制的。如流水槽蓋板，在車身上會(huì)有與前端翼子板間隙大，左右流水槽蓋板與側(cè)圍平順度高低不一致，與后風(fēng)擋玻璃間隙不一致等問題。經(jīng)過與安裝人員了解，發(fā)現(xiàn)當(dāng)加工人安裝零件時(shí)，都是后面先對(duì)齊，在往前按壓安裝，由于流水槽蓋板是個(gè)比較長(zhǎng)的零件，在按壓過程中發(fā)現(xiàn)會(huì)有竄動(dòng)的情況，這是導(dǎo)致流水槽蓋板與后風(fēng)擋間隙不一致的原因。因?yàn)檐嚿砩习惭b零件找不到定位的點(diǎn)，我們可以借助Cubing和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，達(dá)到精準(zhǔn)安裝的效果，對(duì)熟練性安裝進(jìn)行測(cè)量調(diào)整，安排安裝人多次安裝，多次測(cè)量，記點(diǎn)安裝，直到安裝操作人員能熟練安裝到合適的位置，安裝零件到公差范圍內(nèi)，這也是側(cè)面培訓(xùn)操作人員的方法。

2.2 驗(yàn)證零件 Cubing workshop

零件驗(yàn)證目前已經(jīng)不是簡(jiǎn)單的安裝上，然后查看狀態(tài)，要有對(duì)零件的安裝過程可行性，靈活性驗(yàn)證過程。主要模仿在線零件安裝過程，在安裝過程中發(fā)現(xiàn)問題，找到問題，解決問題，降低零件供應(yīng)商的優(yōu)化成本。

新車型投產(chǎn)前期，會(huì)分幾個(gè)階段，如：BF，WF，ET，Lot1，Lot2，Lot3，PT1，PT2，PT3，SOP等。零件驗(yàn)證是早期完成，也就是LOT1—3階段。因?yàn)橐诹慵哪＞叱尚椭鞍蚜慵湍＞叨家{(diào)整好，避免后期調(diào)整模具帶來巨大損失。

Cubing workshop是由多方面配合完成，邀請(qǐng)供應(yīng)商對(duì)零件進(jìn)行評(píng)價(jià)，零件投產(chǎn)前的手工樣件測(cè)試，三個(gè)階段的Cubing workshop 是一個(gè)零件逐步優(yōu)化提升的過程。我們要在每一個(gè)Cubing workshop后對(duì)零件狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，明確目的后再推動(dòng)跟蹤零件優(yōu)化進(jìn)度。

為了解決零件安裝上的問題，集中所有部門進(jìn)行零件的安裝與評(píng)價(jià)，根據(jù)零件本身的狀態(tài)，并重點(diǎn)對(duì)零件的自身尺寸狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，零件與零件之間的匹配間隙平順度，按照不同的區(qū)域和功能狀態(tài)進(jìn)行劃分，涉及A面的里零件評(píng)判要有針對(duì)性，質(zhì)量問題客觀評(píng)價(jià)，根據(jù)內(nèi)、外飾件劃分兩大部分，然后再分為四個(gè)程度，分別為：（1）buildability；（2）quality；（3）gap and flushness；（4）other risks。

在這四項(xiàng)的基礎(chǔ)上，對(duì)每項(xiàng)進(jìn)行紅色、黃色、綠色、評(píng)價(jià)。綠色項(xiàng)為合格項(xiàng)，黃色項(xiàng)為建議改進(jìn)項(xiàng)，紅色項(xiàng)為不合格項(xiàng)。在整個(gè)的workshop過程中要對(duì)70多個(gè)零件進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)完成后，還要對(duì)零件改進(jìn)狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，與供應(yīng)商工程師探討每個(gè)零件的具體優(yōu)化改進(jìn)方案，要從哪個(gè)區(qū)域改進(jìn)。敲定時(shí)間節(jié)點(diǎn)等。

圖1 零件狀態(tài)評(píng)價(jià)

2.3 深度解讀白車身測(cè)量報(bào)告模擬白車身狀態(tài)

以前白車身報(bào)告，查看報(bào)告只是指導(dǎo)裝焊工裝夾具調(diào)整，這只是初層次報(bào)告的應(yīng)用，我們從更深層次的去利用測(cè)量報(bào)告，以點(diǎn)看面，從分析問題角度也可以提前預(yù)警，可以分析出來如果這些點(diǎn)超差了會(huì)引起哪些件的變化，偏差多大后才能趨近危險(xiǎn)區(qū)域，這也是未來白車身報(bào)告預(yù)警的方向，研究好這些方向才能更好的做好質(zhì)量預(yù)防，質(zhì)量控制。

2.3.1 極限預(yù)警

目前整車零件安裝會(huì)發(fā)現(xiàn)有的零件在白車身報(bào)告中有偏差，但是在安裝Cubing上時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)有一定的容量，但是這各容量是多少時(shí)會(huì)對(duì)零件安裝有影響，這是零件安裝的極限值，這個(gè)極限值不是零件的公差范圍，所以在考慮零件安裝極限上對(duì)零件進(jìn)行偏差容量的限制。如圖2中，如果翼子板的安裝孔位置發(fā)生偏差，那么偏差多大會(huì)對(duì)安裝有影響，或者是零件的極限在哪，如果長(zhǎng)期這樣會(huì)造成怎么樣的后果，對(duì)于裝配會(huì)有多大的影響，導(dǎo)致什么樣的風(fēng)險(xiǎn)，這樣我們對(duì)零件安裝狀態(tài)有一定的了解，這是我們要解決的問題。也是問題預(yù)警的前提。

圖2 尺寸分析圖

翼子板孔位向里偏，導(dǎo)致翼子板與機(jī)蓋間隙大，無法調(diào)整回來，安裝過程中會(huì)有間隙偏大的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)總裝和裝焊不利，這就要求我們?cè)诳刂茊蝹€(gè)零件偏差時(shí)的最大偏差量是多少，也就是多少的偏差量是我們能容忍的，超過這個(gè)值就會(huì)有風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)類型是什么，這是我們預(yù)警所要做到的。因?yàn)檠b配是多個(gè)零件裝配在一起，偏差累計(jì)會(huì)導(dǎo)致裝配困難，或者調(diào)整無容量。

2.3.2 裝配間隙容量預(yù)警

零件安裝在Cubing上后多大的偏差會(huì)導(dǎo)致零件在車身上的風(fēng)險(xiǎn)。各個(gè)零件的控制量是多少，尺寸鏈的計(jì)算。反向基準(zhǔn)算出零件的活動(dòng)范圍。這就涉及到尺寸鏈的計(jì)算。

（1）尺寸鏈的概念。

1）裝配尺寸鏈，在零件裝配過程中，零件與周圍相關(guān)零件之間間隙，公差的控制范圍。

2）封閉環(huán)，在零件裝配過程中，最后自然形成的尺寸，稱為封閉環(huán)。一個(gè)尺寸鏈只有一個(gè)封閉環(huán)，用A△、 B△、 C△表示。

3）組成環(huán)，尺寸鏈中除了封閉環(huán)外的其余尺寸，稱為組成環(huán)。同一尺寸鏈的組成環(huán)用同一字母表示。如A1、A2、A3或者B1、B2、B3等。

4）增環(huán)，在其他組成環(huán)不變的情況下，當(dāng)某組成環(huán)增大時(shí)，封閉環(huán)也隨之增大，那么該組成環(huán)為增環(huán)。

5）減環(huán)，在其他組成環(huán)不變的情況下，當(dāng)某組成環(huán)增大時(shí)，封閉環(huán)隨之減小，那么該組成環(huán)稱為減環(huán)。

在一個(gè)零件或一臺(tái)機(jī)器的結(jié)構(gòu)中，總有一些相互聯(lián)系的尺寸，這些尺寸按一定順序連接成一個(gè)封閉的尺寸組，稱為尺寸鏈。

尺寸鏈按應(yīng)用場(chǎng)合分為：裝配尺寸鏈，零件尺寸鏈，工藝尺寸鏈。

圖3 尺寸鏈計(jì)算

（2）確定封閉環(huán)。

裝配尺寸鏈的封閉環(huán)是在裝配之后形成的，往往Cubing上裝配要求的尺寸，Cubing上“零”偏差基準(zhǔn)，零件安裝后考慮零件在Cubing上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)間隙，也就是多大的間隙量是允許零件偏差范圍。

解算尺寸鏈的方法有以下兩種方法：1）完全互換法（極值法）[2]；2）不完全互換法（概率法）。

完全互換法是尺寸鏈計(jì)算中最基本的方法。概率法，不是在全部產(chǎn)品中，而是在絕大多數(shù)產(chǎn)品中，裝配時(shí)不需要挑選或修配，就能滿足封閉環(huán)的公差要求，即保證大多數(shù)互換。與完全互換法相比，在封閉環(huán)公差相等的情況下，不完全互換法可使用組成環(huán)的公差擴(kuò)大，從而獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，也比較科學(xué)合理，常用在大批量生產(chǎn)的情況。

完全互換法：

封閉環(huán)基本尺寸=所有增環(huán)基本尺寸之和-所有減環(huán)基本尺寸之和。

對(duì)于任何一個(gè)總數(shù)為N的獨(dú)立尺寸鏈，若其中增環(huán)數(shù)為m，由于其封閉環(huán)只有一個(gè)，則減環(huán)數(shù)n為n=N-m。

基本尺寸計(jì)算：

上式說明：尺寸鏈封閉環(huán)的基本尺寸，等于各增環(huán)基本尺寸之和，減去各減環(huán)基本尺寸之和。

（3）Cubing上零件裝配尺寸鏈的計(jì)算公式[3]。

An服從正態(tài)分布的尺寸鏈鏈環(huán)，常見的有：面輪廓度，孔位制度，直線度，平行度，孔銷直徑偏差，其他類型的尺寸公差。

Bn服從均勻分布的尺寸鏈鏈環(huán)，常見的有：工裝定位面輪廓度，定位銷的位置度。

Cn服從極值分布的尺寸鏈鏈環(huán)，常見的有：孔銷之間的間隙，焊接變形補(bǔ)償?shù)取?/p>

（4）三維公差分析的遵循條件

零件公差的設(shè)定應(yīng)遵循如下流程：

1）裝配順序嚴(yán)格服從于產(chǎn)品及工藝設(shè)計(jì)；

2）定位系統(tǒng)嚴(yán)格服從于定位設(shè)計(jì)及工裝設(shè)計(jì)；

3）各種公差設(shè)定嚴(yán)格服從于現(xiàn)有制造水平；

4）除非特別指出，零件的公差均服從正態(tài)分布；

5）大部分零件均被認(rèn)為是剛體不存在變形；

6）除非特別指出，重力變形的影響不考慮在內(nèi)；

7）單件在總成裝配中的磨損不考慮在內(nèi)；

8）裝配夾具和檢具的熱變形不考慮在內(nèi)；

9）焊接變形、搬運(yùn)變形，人工調(diào)整，過定位變形不考慮在內(nèi)。

（5）Cubing上裝配零件的尺寸分析步驟

1）區(qū)域確定，明確分析區(qū)域；

2）找準(zhǔn)目標(biāo)，找準(zhǔn)基準(zhǔn)；

3）系統(tǒng)邊界分析，要控制哪些區(qū)域；

4）定位分析，以誰為基準(zhǔn)，零部件到總成的定位可行性，穩(wěn)定性，正確性，統(tǒng)一性；

5）尺寸鏈分析，找出鏈環(huán)，優(yōu)化尺寸鏈；

6）公差計(jì)算，尺寸鏈分析進(jìn)行精確判斷；

7）預(yù)警機(jī)制，判斷超出公差零件，預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，可能出現(xiàn)的極端情況。

圖4 Audit 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.4 安裝基準(zhǔn)矯正測(cè)量基準(zhǔn)

在測(cè)量薄壁零件時(shí)，平時(shí)測(cè)量的零件是在支具上，對(duì)零件進(jìn)行夾持，對(duì)RPS點(diǎn)也進(jìn)行矯正，測(cè)量出來的結(jié)果是經(jīng)過矯正后的，如果零件取下來就會(huì)有回彈，這樣在安裝在車上時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，零件自然狀態(tài)下是超差的，因受安裝點(diǎn)的影響，零件安裝在車上會(huì)發(fā)生形變，與測(cè)量狀態(tài)不一樣，這樣就導(dǎo)致我們誤判零件的狀態(tài)，認(rèn)為是沒有問題的，結(jié)果裝車狀態(tài)又不好。

零件安裝在Cubing上后，經(jīng)過調(diào)整，原先在支具上的夾持點(diǎn)釋放，零件型面處于自由狀態(tài)，導(dǎo)致零件與周邊件間隙平順度超差的現(xiàn)象，這也是零件安裝在Cubing上反推其RPS點(diǎn)偏差的過程，如：鋁制翼子板件，我們?cè)谝巫影鍦y(cè)量報(bào)告中發(fā)現(xiàn)邊都在公差范圍內(nèi)，但是在Cubing上測(cè)量就會(huì)發(fā)現(xiàn)回彈變形。

圖5 翼子板支具和Cubing測(cè)量結(jié)果

3 Cubing模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 鑲嵌套的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在Cubing應(yīng)用過程中，也是對(duì)Cubing本體應(yīng)用不斷提高要求的過程，模塊逐漸精細(xì)化過程，不斷提高零件匹配的實(shí)用性。為了模擬車身鈑金厚度，Cubing上固定塑料卡扣的位置是安裝襯套的，這就要求鑲嵌的襯套壁厚，達(dá)到和車身鈑金一樣的厚度0.7 mm，要求襯套的強(qiáng)度和耐磨性高，襯套抗拉拽性能也要非常高，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，每次匹配后拆卸零件時(shí)都有襯套被零件一起帶下來，導(dǎo)致每次安裝后都要再次把襯套安裝重新定好，而且根據(jù)涂膠時(shí)效，等涂膠干了后再次使用，至少要兩小時(shí)后，或者更長(zhǎng)時(shí)間，不 能連續(xù)使用，這樣影響零件測(cè)量的精度和重復(fù)性，影響了零件匹配安裝效果。為了解決這一問題，對(duì)Cubing上鑲嵌的襯套進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，把原有的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改革，增加兩個(gè)固定頂針銷，這樣的加固作用要比之前的打膠粘貼固定要好很多，強(qiáng)度也有所增強(qiáng)，而且拆卸重復(fù)安裝也很方便。

圖6 鑲套固定方式轉(zhuǎn)變

3.2 活動(dòng)開合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在Cubing的使用過程中，零件的安裝與拆卸對(duì)Cubing的考驗(yàn)較大，尤其是易損件的拆卸，幾乎是破壞性的拆卸，每次都有報(bào)廢很多零件，增加了零件匹配的成本，為了減少零件安裝的破壞，對(duì)Cubing在使用過程中的不易拆卸部分進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，為了達(dá)到這一目的，要從根本上解決問題，把要拆卸區(qū)域設(shè)計(jì)成可滑動(dòng)機(jī)構(gòu)。

圖7 活動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4 結(jié)語

目前Cubing已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各大主機(jī)廠和零部件廠，主要為提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，矯正設(shè)計(jì)缺陷，模擬零件和車身匹配狀態(tài)，日常零件尺寸控制檢查，問題分析等。Cubing的模塊化設(shè)計(jì)讓零件安裝更方便快捷，查找問題零件更準(zhǔn)確。有利于白車身和零件的尺寸控制，尺寸風(fēng)險(xiǎn)提示，前期風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)警等，現(xiàn)階段北京奔馳每個(gè)車型都有一款Cubing車身，用于日常質(zhì)量監(jiān)測(cè)，查找問題點(diǎn)等。Cubing的靈活應(yīng)用提高了整車質(zhì)量。