裝焊車門Y向尺寸穩(wěn)定性研究及優(yōu)化

郭東棟 田劍英 趙建哲 范崇帥

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

1 前言

車門在整車中占有十分重要的地位，也是外覆蓋件中開關(guān)頻率最高的零件，車門質(zhì)量直接關(guān)乎汽車外觀質(zhì)量。如果車門尺寸不穩(wěn)定，不僅會增加裝配調(diào)整的難度，影響生產(chǎn)節(jié)拍，嚴(yán)重的還會帶來諸如關(guān)門力、風(fēng)噪等功能性問題。車門生產(chǎn)工序步驟多，影響因素也很多,尤其是存在人工工位的車門制造，車門Y向尺寸穩(wěn)定性控制是一個難題。

2 車門尺寸穩(wěn)定性現(xiàn)狀

某車型車門區(qū)域是人工及自動化混合生產(chǎn)模式，生產(chǎn)中使用了激光焊接、人工電阻點焊、人工涂膠、機器人涂膠、機器人滾邊、單邊焊等工藝。工藝流程如圖1 所示：I 島手工區(qū)通過人工涂膠和點焊方式將車門內(nèi)板、鉸鏈加強板和門鎖加強件進行連接，激光房將內(nèi)板總成和門框進行激光焊接；II 島手工區(qū)通過人工涂膠和點焊方式將一島分總成與車門加強梁進行連接，自動區(qū)通過機器人涂膠、滾邊和單邊焊等工藝將內(nèi)板與外板進行連接，其中車門使用的零件大部分為自制沖壓件，沖壓件從沖壓車間轉(zhuǎn)運到裝焊車間需要使用特制的物流料框，焊裝車間內(nèi)板手工工位間零件轉(zhuǎn)移靠中轉(zhuǎn)小車完成。

圖1 某車門工藝流程

在線三坐標(biāo)測量系統(tǒng)能夠?qū)崟r在線監(jiān)控制造零件的尺寸狀態(tài)，在線測量結(jié)果的示意圖上顯示的顏色結(jié)果表示選定的當(dāng)前車輛的測量結(jié)果。根據(jù)在線三坐標(biāo)測量系統(tǒng)的公差設(shè)定，超差點分為3種類型：黃色，表示測點超過一級公差但不超二級公差（即1.3 倍基本公差）；紅色點表示測量點處于二級公差和三級公差內(nèi)（即1.5倍基本公差）；粉色點表示超過三級公差。因此，粉色點是超差最嚴(yán)重的情況。

根據(jù)右前門在線測量數(shù)據(jù)顯示：該車型右前門Y向尺寸不穩(wěn)定，不穩(wěn)定點集中在車門上框和B柱下角位置，如圖2a 中的深色點和淺色點，由于這些不穩(wěn)定點波動趨勢是一致的，故選取圖2a 中波動最大的點，即下底邊的淺色點為研究點，由該點代表整個車門Y向尺寸狀態(tài)。該車型右前門Y向尺寸波動σ達到0.45，存在明顯的班次差別，給后續(xù)裝配工序帶來了很大的問題，使裝配線和調(diào)整線工作量增加，降低了生產(chǎn)節(jié)拍。

圖2 右前門Y向尺寸白夜班差異問題

3 車門尺寸穩(wěn)定性研究方法和工具

本文主要是利用在線三坐標(biāo)測量系統(tǒng)及三坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)過程中的各環(huán)節(jié)進行分析，找出造成尺寸不穩(wěn)定的關(guān)鍵工位，找出對車門Y向尺寸影響最大的因素并進行優(yōu)化，最終解決車門Y向尺寸班次差別的問題。

在線三坐標(biāo)測量系統(tǒng)是一種基于激光的三角測量法工作的在線檢測設(shè)備，其工作的原理如圖3 所示。

圖3 三角測量物距示意

激光器LD 向被測物體發(fā)出一束激光，隨后激光被物體反射回來，經(jīng)過鏡頭在成像屏幕（Charge Coupled Device，CCD）上成像，由三角形相似計算得到被測距離z為：

式中，b為激光器光軸與接收鏡頭光軸之間的距離；f為接收鏡頭的焦距；x為接收像點到鏡頭光軸的距離。

其中，b和f已知，則只要測出x的值就可以求出距離z。一般來說，x的測量利用高分辨率線陣CCD 來完成，精確度很高。

為了表征車門尺寸的穩(wěn)定性，采用標(biāo)準(zhǔn)差作為評價指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)差σ即離均差平方的算術(shù)平均數(shù)的算術(shù)平方根。標(biāo)準(zhǔn)差能反映一個數(shù)據(jù)集的離散程度，即σ越小代表數(shù)據(jù)離散度越低，數(shù)據(jù)越穩(wěn)定，反之則波動越大。

標(biāo)準(zhǔn)差計算如下：

式中，x為樣本中每個樣本的數(shù)值；μ為所有樣本的平均值；N為總的樣本數(shù)。

由于問題復(fù)雜，影響因素眾多，為了更全面地分析該問題的根本原因，借助魚骨圖對人、機、料、法、環(huán)、測的影響因素進行逐一排查及分析，圖4 為該問題的魚骨圖。借助魚骨圖分析各種影響因素，初步判定人、機影響最大，主要體現(xiàn)在人工焊接焊點的位置以及關(guān)鍵工位工裝的保證能力。

圖4 前門Y向尺寸雙班不一致問題分析

4 車門尺寸穩(wěn)定性影響因素

4.1 關(guān)鍵焊點位置

車身焊接是汽車制造過程的重要環(huán)節(jié)，焊接精度直接影響到白車身的外觀質(zhì)量和裝配效率，同時影響汽車性能[1]。車身尺寸精度控制是以三坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的質(zhì)量控制方法，一般可以通過對車身三坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)進行分析來尋找偏差源，制定并實施糾正措施，保證車身尺寸精度及穩(wěn)定性[2]。

對于一般工件而言，其空間位置的不確定性可按一定的直角坐標(biāo)系分為6 個獨立的自由度：沿X、Y、Z軸的平移和繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動。通過不在同一直線上的定位基準(zhǔn)Z1、Z2、Z3 限制工件沿3 個自由度（沿Z軸的平移、繞X、Y軸的轉(zhuǎn)動），通過定位基準(zhǔn)Y1、Y2 限制2 個自由度（沿Y軸的平移、繞Z軸的轉(zhuǎn)動），通過定位基準(zhǔn)X1 限制1 個自由度（沿X軸的平移），因此工件6 個自由度都得到了控制，即3-2-1 定位原則，如圖5 所示，任意一個自由度出現(xiàn)問題都會影響工件空間位置，對于測量來說即尺寸變化。

圖5 零件定位示意及Y向測量基準(zhǔn)

基準(zhǔn)點系統(tǒng)（Reference Point System，RPS）是車身零部件正確定位和焊接的基礎(chǔ)，RPS設(shè)計是否合理準(zhǔn)確將直接影響到車身焊裝精度和產(chǎn)品質(zhì)量[3]。對于車門而言，Y向基準(zhǔn)設(shè)計在零件外板表面，如此設(shè)計為了裝配車門時更好地利用RPS 點進行調(diào)整，方便控制車門裝配尺寸和分析問題。對于車門尺寸控制而言，Y向的尺寸控制相對X和Z向尺寸來說更困難，因此，車門焊接時最需要加強控制的是Y向尺寸，測量時車門Y向基準(zhǔn)點有3 個，如圖5 所示，其中Y2 點（即2 點）對整個車門Y向尺寸的影響最大，若Y2 點有波動，則車門窗框及下底邊上所有測量點會同時發(fā)生變化，且窗框與下底邊的變化方向相反。因此，在生產(chǎn)過程中控制好車門Y向基準(zhǔn)點尤其是Y2 點的穩(wěn)定性對于車門尺寸穩(wěn)定性控制至關(guān)重要。根據(jù)RPS 點對整體零件尺寸影響的這個原理，利用在線三坐標(biāo)測量系統(tǒng)對車門底邊紅色框Y0 區(qū)域的尺寸進行監(jiān)控便可反映出Y2 基準(zhǔn)點的穩(wěn)定性情況。

為進一步明確影響區(qū)域、關(guān)鍵工位和關(guān)鍵焊點，采用思維導(dǎo)圖方式進行分析，如圖6 所示。

圖6 雙班差異分析導(dǎo)圖

4.1.1 確定影響區(qū)域

試驗1：A 班次和B 班次都使用A 班次生產(chǎn)的I島內(nèi)板分總成，II 島各班次正常生產(chǎn)，對車門總成進行在線數(shù)據(jù)測量，結(jié)果顯示A 班次和B 班次的車門下角平順數(shù)據(jù)接近，相比非試驗數(shù)據(jù)雙班一致性改善很多，僅有少許差別。

試驗2：A 班次和B 班次分別正常使用各自I 島的內(nèi)板分總成，然后統(tǒng)一由A 班次將這些內(nèi)板分總成在II 島做成內(nèi)板總成，再交由A 班次和B 班次分別完成車門總成。結(jié)果顯示，班次差異比較明顯。

試驗結(jié)論表明，I 島手工區(qū)是引起班次差異的主要問題區(qū)域。

4.1.2 確定關(guān)鍵工位

明確影響區(qū)域后，接下來對I 島手工工位采取了如上的方法進行循環(huán)試驗，最終排查結(jié)果顯示：I 島FA65-ST020 手工工位的焊點位置的班次差異最終造成車門總成Y向尺寸的雙班差異。

4.1.3 確定關(guān)鍵焊點

FA65-ST020 工位一共有8 個焊點，其中包含4個定位（Geometry Point，GP）點以及4 個特殊功能（Special Point，SP）點，根據(jù)經(jīng)驗，一般GP 點對尺寸影響比較大。因此對FA65-ST020 工位4 個GP 焊點使用上述相同的方法進行逐一試驗排查，最終得出結(jié)論：前門內(nèi)板和鉸鏈加強板的最下部焊點（72000710GP）對尺寸影響最大，即為關(guān)鍵焊點。

該焊點靠近車門總成的Y2 基準(zhǔn)點，在人工焊接過程中，由于焊點位置雙班不一致，會導(dǎo)致Y2 點Y向尺寸雙班不一致，從而影響了車門總成的雙班一致性，如圖7 所示。

圖7 右前門內(nèi)板FA65-ST020工位關(guān)鍵點示意

4.1.4 關(guān)鍵焊點位置優(yōu)化

針對FA65-ST020 工位72000710GP 焊點位置雙班不一致的問題，設(shè)計了一套焊鉗導(dǎo)向機構(gòu)，幫助操作人員在焊接過程中準(zhǔn)確找到焊點位置，保證2 個班次焊點位置一致。同時導(dǎo)向機構(gòu)的圓錐形設(shè)計也能夠保證焊接時焊鉗角度垂直于工件表面，避免了馬蹄點的產(chǎn)生，如圖8 所示。

圖8 焊鉗導(dǎo)向定位塊

通過添加導(dǎo)向機構(gòu)，2 個班次的72000710GP焊點位置度及焊點平整度相比之前大幅提高，車門的Y向尺寸也得到明顯改善，雙班的一致性顯著提高。

4.2 單邊焊工裝

單邊焊是僅在焊件的一面用電極加壓完成點焊的方法，是電阻點焊的一種特殊形式，如圖9 所示。單邊焊的負極通過線管連接到內(nèi)板上，焊接時電流從正極經(jīng)過零件（內(nèi)板）流向負極，在外板包裹的法蘭邊上與內(nèi)板間形成焊點，而外板外露面上沒有焊點。

圖9 單邊焊原理

單邊焊外板變形是指在單面點焊接完成后，單面點背面外板處產(chǎn)生鼓包、凸點、壓痕等，嚴(yán)重影響了外表面件的外觀質(zhì)量，外板的變形主要分為熱變形和冷變形，其中熱變形主要是因為焊接電阻熱的影響使得焊件外表面產(chǎn)生熱應(yīng)力變形；冷變形是指由于電極與支撐相互之間擠壓導(dǎo)致外板表面的擠壓變形[4]。

影響單邊焊質(zhì)量的參數(shù)有電極壓力、焊接電流及焊接時間等，其中電極壓力和支撐塊是導(dǎo)致外板變形的主要原因。

該車型車門采用的是傀儡式單邊焊，零件上方為氣缸帶動的可動電極，零件下方是一個固定的銅塊作為外板外露面的支撐塊，支撐塊下方有一層絕緣層，避免電流從法向方向穿過零件。支撐塊在焊接時起到對外表面的支持作用，從而減少外表面的質(zhì)量缺陷。

完成I 島手工區(qū)的排查和優(yōu)化后，雙班一致性數(shù)據(jù)有了較大改善，但仍存在小的差異。為了徹底解決雙班不一致的問題，對II 島自動化區(qū)域進行了逐一排查，發(fā)現(xiàn)單邊焊工位下底邊位置支撐塊偏高，導(dǎo)致卡具壓緊時外板形變量過大，松開后回彈不足導(dǎo)致Y向尺寸變化；同時支撐塊與外板表面不隨形，無法做到完全貼合，加劇了外板變形量，造成零件Y向尺寸波動，其中影響最大的單邊焊點位于車門B柱下角靠近下底邊的位置，如圖10 所示。

圖10 單邊焊夾具工裝和墊塊

針對排查出的支撐塊的高度偏高和支撐面與外板不貼合問題，首先降低支撐塊的高度，釋放壓力，減少車門外板形變量，消除Y向尺寸的變化；同時對支撐面進行調(diào)整，使外板和支撐面完全貼合，消除坑、包問題，既滿足了尺寸要求又保證了外觀質(zhì)量，如圖11 所示。

圖11 單邊焊示意圖及結(jié)構(gòu)

5 車門尺寸穩(wěn)定性改善成果

通過對關(guān)鍵焊點增加焊鉗導(dǎo)向和優(yōu)化單邊傀儡焊支撐塊，右前門總成Y向尺寸得到極大改善，白夜班差異基本消除，Y向尺寸的σ由最高0.55 降低至0.28，相比之前降低了約49%，如圖12 所示。穩(wěn)定性的提高減少了裝配線及總裝車間車門的調(diào)整時間，節(jié)約了大量的人力成本，同時降低了車門E 型亮條與側(cè)圍平順度超差以及關(guān)門力不符合要求的風(fēng)險。

圖12 優(yōu)化后效果

6 結(jié)束語

通過對某車型車門尺寸穩(wěn)定性的研究，從生產(chǎn)過程中找到影響車門尺寸的主要因素，并得出結(jié)論：

a. 存在人工區(qū)域的車門生產(chǎn)線，焊點位置尤其是關(guān)鍵焊點的位置對尺寸影響較大，須固定關(guān)鍵人工工位的焊點位置以保證車門尺寸的穩(wěn)定。

b. 單邊焊作為車門生產(chǎn)的最后一道工序，其工位工裝對車門尺寸影響很大，在生產(chǎn)中需要加強注意。

c. 相比三坐標(biāo)離線測量排查，在線三坐標(biāo)測量系統(tǒng)Perceptron 極大提升了排查效率，適用于工藝過程復(fù)雜的研究過程。