尺寸鏈在批量車身尺寸精度控制中的應(yīng)用

金麗玖　龍凌　朱衛(wèi)光　殷智利　蔣斌斌　崔坦

摘 要：如何對汽車車身尺寸精度進(jìn)行精準(zhǔn)控制和問題精準(zhǔn)解決，是一項比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，也是提升汽車競爭力的根本。本文主要把尺寸鏈應(yīng)用到批量車身尺寸精度控制中，提出了尺寸系數(shù)、計算公差帶、CS置信度概念，通過尺寸鏈計算得出在現(xiàn)有條件下的尺寸要素控制標(biāo)準(zhǔn)，通過數(shù)字化手段實時監(jiān)控，實現(xiàn)車身尺寸精準(zhǔn)控制及問題解決。

關(guān)鍵詞：尺寸鏈 批量整車生產(chǎn) 車身尺寸CS穩(wěn)定性 過程控制

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，汽車行業(yè)進(jìn)入了井噴式的發(fā)展階段，廣大消費者對汽車的外觀、性能要求越來越高。尤其是整車裝配及外觀匹配等質(zhì)量方面[1]。而白車身尺寸精度是保證整車零件裝配的基礎(chǔ)，白車身制造技術(shù)水平已經(jīng)成為衡量汽車企業(yè)制造水平的重要標(biāo)志。

2 車身尺寸質(zhì)量控制的意義

白車身是整車的主體框架，是由上千個形狀復(fù)雜的薄板沖壓件組成，約有250套工裝夾具，在100個左右的工位上焊接而成。白車身尺寸精度直接影響到汽車的外觀及性能。若有質(zhì)量問題會影響到汽車使用者的體驗，會影響汽車企業(yè)及品牌的可持續(xù)發(fā)展[2]。如何對汽車車身尺寸精度進(jìn)行精準(zhǔn)控制和問題精準(zhǔn)解決，是一項比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，也是提升汽車競爭力的根本。

3 尺寸鏈的定義及分類

在一個零件或一臺機(jī)器的結(jié)構(gòu)中，總有一些相互關(guān)聯(lián)的尺寸，這些相互關(guān)聯(lián)的尺寸按一定順序連接成一個封閉的尺寸組，形成尺寸鏈[3]，如圖一所示。尺寸鏈具有二個基本特性：封閉性，即組成尺寸鏈的各個尺寸按一定順序構(gòu)成一個封閉系統(tǒng)；相關(guān)性（函數(shù)性），即其中一個尺寸變動將影響到其他尺寸變動，彼此之間有一定的函數(shù)關(guān)系。

尺寸鏈按應(yīng)用范圍分為工藝尺寸鏈和裝配尺寸鏈; 尺寸鏈按構(gòu)成尺寸鏈各環(huán)的空間位置分為線性尺寸鏈、平面尺寸鏈和空間尺寸鏈。

4 尺寸鏈在批量生產(chǎn)中的應(yīng)用

批量生產(chǎn)中的各生產(chǎn)要素按照設(shè)計尺寸鏈要求已經(jīng)固化，比如夾具設(shè)計公差、零件設(shè)計公差、工藝要求等要素。但是由于定位銷的磨損，零件的制造公差，各要素又形成新的波動范圍，也就形成了新的尺寸鏈。新尺寸鏈計算出的公差帶即為在現(xiàn)有批量生產(chǎn)條件下的車身實際波動范圍，稱作計算公差帶。新的尺寸鏈定義要素有零件制造公差、定位銷磨損、孔銷或者面面設(shè)計理論間隙。零件制造公差5量份測量取平均值作為中值，用CP程序計算出零件實際波動公差；夾具定位銷位置度偏差為中值，磨損量為波動公差；零件孔銷定位，零件面面定位的設(shè)計公差。以上要素形成新的尺寸鏈要素，直接影響車身尺寸穩(wěn)定性。

5 尺寸鏈方法論

通常情況下評價車身尺寸是否穩(wěn)定，能否滿足需求用車身功能尺寸FM和尺寸穩(wěn)定性CS來評價。那么我們就需要建立計算公差帶、理論公差帶與尺寸穩(wěn)定性CS的關(guān)系。這里提出了尺寸系數(shù)和CS置信度，借助尺寸系數(shù)構(gòu)造計算公差帶與CS置信度的關(guān)聯(lián)。

計算公差帶：根據(jù)實際生產(chǎn)要素條件計算出的批量車身尺寸所達(dá)到的波動范圍，稱作計算公差帶，計算公差帶通過表一計算。

首先確認(rèn)尺寸要素，將尺寸要素分為幾類，零件等制造類符合正態(tài)分布，用TN表示；定位銷磨損屬于均勻分布，用TU表示；設(shè)計間隙屬于極值分布，用TC表示。通過公式計算出計算公差帶。這個新的尺寸鏈不同于設(shè)計尺寸鏈，區(qū)別在于存在中值，所有要素的中值矢量方向加減，公式T=T1+T2+…+Tn。得出尺寸鏈計算結(jié)論T±?T/2，中值±計算公差帶/2（符合正態(tài)分布）。

尺寸系數(shù)：等于理論公差帶/計算公差帶，就是說在理論公差帶一定的情況下，尺寸系數(shù)與計算公差帶成反比例變化。

CS置信度：在車身尺寸穩(wěn)定性評價中CS≥1.0視為CS 合格。所以在計算公差帶內(nèi)隨機(jī)生成若干組數(shù)據(jù)，輸入理論公差帶為前提，計算CS≥1.0的百分比，稱為CS置信度。圖二Python程序模擬1000組數(shù)據(jù)，計算公差帶±1.04，理論公差帶±2，CS≥1.0的百分比為85.51%，即CS置信度為85.51%。

Python程序模擬得出計算公差帶與CS置信度是一一對應(yīng)關(guān)系，計算公差帶與尺寸系數(shù)也是一一對應(yīng)關(guān)系，間接得出尺寸系數(shù)與CS置信度是一一對應(yīng)關(guān)系。如表２所示，尺寸系數(shù)1.90與CS置信度90%對應(yīng)，尺寸系數(shù)1.60與CS置信度85%對應(yīng)。

當(dāng)我們定義CS置信度85%為尺寸CS穩(wěn)定性合格或者說CS置信度85%是我們的控制標(biāo)準(zhǔn)，那么尺寸系數(shù)≥1.60就可以實現(xiàn)目標(biāo)。當(dāng)CS置信度≤85%時，即不滿足尺寸穩(wěn)定需求，所以通過優(yōu)化尺寸鏈要素實現(xiàn)計算公差帶達(dá)標(biāo)。理論公差帶、計算公差帶、尺寸系數(shù)、CS置信度及尺寸鏈要素存在如圖3所示的尺寸鏈關(guān)系圖。

尺寸鏈計算結(jié)果評價，尺寸鏈計算結(jié)果=中值±計算公差帶/2。計算公差帶的判定，如前文所述CS置信度≥85%，計算公差帶合格。

中值的判定需要借助Python程序驗證，中值在理論公差帶范圍內(nèi)移動，只要保證計算公差帶正態(tài)分布圖不超出理論公差帶范圍就不會影響正態(tài)分布圖結(jié)果，等同于不影響CS置信度。結(jié)論是中值的絕對值≤理論公差帶/2-計算公差帶/2，則CS置信度合格，如圖４所示。

6 通過控制尺寸鏈要素實現(xiàn)尺寸CS穩(wěn)定

如圖5所示尺寸鏈分析流程圖。關(guān)鍵三點：尺寸鏈計算前提、計算公差帶判定、中值判定。尺寸鏈計算前提非常重要，直接決定了尺寸鏈計算是否成立。計算公差帶及中值判定決定了尺寸鏈要素計算結(jié)果是否合格，合格則確定了尺寸鏈要素的評價標(biāo)準(zhǔn)；不合格則證明需要優(yōu)化尺寸鏈要素來實現(xiàn)中值與計算公差帶合格。

尺寸鏈計算前提，首先確定尺寸鏈類型、是銷孔定位還是面面定位，本文以孔銷定位為例演示。其次確認(rèn)現(xiàn)場實際狀態(tài)，如果現(xiàn)場有零件變形、干涉、卡銷等現(xiàn)象必須先分析原因，解決后才能用尺寸鏈方法計算。

文中定義了CS置信度85%是整車匹配需求標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)的尺寸系數(shù)是1.6。比如：對于一個理論公差為±2的尺寸，尺寸系數(shù)為1.6時，CS置信度85%滿足需求，計算公差±1.25，|中值|≤0.75時滿足要求，反之需要優(yōu)化尺寸鏈要素以達(dá)到車身尺寸穩(wěn)定。尺寸鏈計算確定的尺寸鏈要素控制標(biāo)準(zhǔn)可以作為日常監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)事前過程控制，降低優(yōu)化成本，提高整車質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉德昭.車身制造尺寸質(zhì)量的控制方法[J].裝配制造技術(shù)，2013.（6）：155-160.

[2]劉培，黃玲，石小明，王燦紅.基于三坐標(biāo)測量機(jī)的白車身質(zhì)量控制[J].汽車零部件，2013（5）：45-47.

[3]曹渡，劉永清.汽車尺寸工程技術(shù).汽車技術(shù)創(chuàng)新與研發(fā)系列叢書，2017（2）：70-90.