（光学工程专业论文）车身制造质量与定义设计数据的研究分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 汽车产品在国内外市场中竞争力的强弱，在很大程度上取决于产品的质量 ( 本文主要研究的是车身制造中的尺寸精度) ，而产品的质量又在很大程度上取决 于产品的设计，它对产品的设计质量赋予了至关重要的本质特性。轿车车身是 整个轿车的重要组成部分，其制造成本和重量约占整车的4 0 - 5 0 ，轿车车身 的制造质量在很大程度上决定着轿车的整体性能。轿车车身制造过程是融合了 薄板冲压、自动装配、焊接及检测、质量控制与管理等多领域的复杂过程，轿 车车身制造质量能够在一定程度上反映出一个国家工业的技术水平和制造能 力。车身制造偏差是在全球汽车制造企业普遍存在的质量问题，它将直接影响 到轿车噪声、密封性、外观、行驶平顺性、轿车的制造成本和新产品投放周期。 控制轿车车身制造质量是保持其市场竞争力的必要条件。 公差设计对保证产品质量起着重要的作用。进行公差设计在保证产品质量 的同时，也对制造成本和开发周期也起着决定性的作用。在产品开发的设计阶 段就应该进行自上而下的公差设计，对车身制造质量在初期就加以约束。本文 把车身冲压件的公差作为车身制造质量的约束因素，在产品开发的设计阶段进 行公差设计。 本文在产品结构设计技术基础上，通过研究汽车产品车身设计、公差设计 以及车身制造过程，探索公差设计的一般规律。对公差设计的内容、意义和研 究方法做了简单概述，并根据该车型进行了车身制造尺寸链的定义和说明。根 据实际成本公差收集数据来进行基于成本公差设计，还研究了缺乏实际数据条 件下的权值评判法公差分配，并对公差分配结果进行装配分析。最后综合公差 分配和公差分析的结果，对公差分配进行优化，进而对车身制造质量进行约束。 在一定的程度上进行并行设计，从设计的源头开始考虑车身制造质量，并把公 差因素作为产品设计的一个推动因素，用来约束车身的制造质量。目的是深化 m c 6 3 2 0 a 产品创新开发系统的研制工作，作为推进该产品开发技术的有力工具， 具有较高的科学意义和经济价值，对创新理论与实践的指导、制造业信息化技 术都有一定的影响和推动作用。 关键词：车身质量；公差设计；尺寸链；公差分析；并行设计 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m o t i v ep r o d u c t s c o m p e t i t i v es t r e n g t hi nt h ed o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a l m a r k e t sd e p e n d sl a r g e l yo nt h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t ( t h i sa r t i c l ei sm a i n l yt h e p r e c i s i o nm a n u f a c t u r i n gr e q u i r e m e n t so fb o d y ) ，w h i l ep r o d u c tq u a l i t yh a sal a r g e e x t e n td e p e n d so nt h ep r o d u c td e s i g n ，t h eq u a l i t yo fi t sp r o d u c td e s i g ni se s s e n t i a l g i v e nt h en a t u r eo fp r o p e r t i e s c a rb o d yi s a ni m p o r t a n tp a r to ft h ec a r , i t s m a n u f a c t u r i n gc o s ta n dv e h i c l ew e i g h to fa b o u t4 0 t o5 0 ，c a rb o d ym a n u f a c t u r i n g q u a l i t yc a r sd e t e r m i n e sc a r sp e r f o r m a n c e c a rb o d ym a n u f a c t u r i n gp r o c e s si st h e c o m b i n a t i o no fs h e e tm e t a lf o r m i n g ，a u t o m a t i ca s s e m b l y , w e l d i n ga n di n s p e c t i o n , q u a l i t yc o n t r o la n dm a n a g e m e n to fc o m p l e xp r o c e s so fm u l t i - f i e l d s ，c a rb o d y m a n u f a c t u r i n gq u a l i t yt os o m ee x t e n tr e f l e c t st h el e v e lo fac o u n t r y t si n d u s t r i a l t e c h n o l o g ya n dm a n u f a c t u r i n gc a p a b i l i t y a u t o m o t i v eb o d ym a n u f a c t u r i n gv a r i a t i o n s i sw i d e s p r e a dp r o b l e m si nt h eg l o b a la u t o m o t i v em a n u f a c t u r e r , i tw i l ld i r e c t l ya f f e c t t h ec a rn o i s e ，s e a l i n g , a p p e a r a n c e ，r i d ec o m f o r t ，c o s to fc a rm a n u f a c t u r i n ga n dn e w p r o d u c tl a u n c hc y c l e ，m a ye v e na f f e c tr e p u t a t i o n a u t o m o t i v eb o d yq u a l i t yc o n t r o li s an e c e s s a r yc o n d i t i o nt om a i n t a i ni t sm a r k e tc o m p e t i t i v e n e s s 。 t o l e r a n c ed e s i g np l a y sa ni m p o r t a n c er o l ei nt h ep r o d u c t i o np r o c e s st oe n s u r e p r o d u c tq u a l i t y w h e nt o l e r a n c ed e s i g ne n s u r i n gp r o d u c tq u a l i t y , p l a y sad e c i s i v er o l e t op r o d u c tc o s ta n dp r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l ea tt h es a m et i m e p r o c e e du p - d o w n t o l e r a n c ed e s i g ni np r o d u c td e v e l o p m e n t ，t or e s t r a i n ta u t o m o t i v eb o d yq u a l i t y t h i s a r t i c l et h i n kc a rb o d yt o l e r a n c ea saf a c t o ro fa u t o m o t i v eb o d yq u a l i t y , d e s i g n t o l e r a n c ei np r o d u c td e v e l o p m e n ts t a g e t h i sp a p e re x p l o r ea u t o m o t i v ep r o d u c t sg e n e r a lr u l e so ft o l e r a n c ed e s i g nt h r o u g h t h eb o d yo ft h ed e s i g np r o c e s s ，t h ep r o c e s so ft o l e r a n c ed e s i g na n dv e h i c l e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s m a k eab r i e fo ft o l e r a n c ed e s i g nc o n c e n t ，r e s e a r c hm e t h o da n d m e a n i n g , d e f i n ea n de x p l a i nt h es i z eo f t h ec h a i na c c o r d i n gt ot h em o d e l t o l e r a n c e s i na c c o r d a n c ew i t ht h ea c t u a lc o s to fc o l l e c t i n gd a t af o rt h ed e s i g nb a s e do nc o s ta n d d i s t r i b u t i o nt h e o r yr e s e a r c ha n dt o l e r a n c ea n a l y s i sw h e nl a c ko ft h ea c t u a ld a t a , j u d g e st o l e r a n c e sa s s i g nf o rd i s t r i b u t i o nt ot h ea s s e m b l y f i n a l l y , c o m p r e h e n s i v eo f t o l e r a n c ea s s i g na n dt o l e r a n c ea n a l y s i s ，o p t i m i z ed i s t r i b u t i o no ft o l e r a n c e ，t h e n i l r e s 仃a i n ta u t o m o t i v eb o d yq u a l i t y t os o m e e x t e n tp a r a l l e ld e s i g i l ，c o n s i d e r t h es o u r c e o t 廿l eb o d yd e s i g na n dm a n u f a c t u r eq u a l i t y , t h i n kt 0 1 e r a n c e f a c t o ra u sad r i v e ro f p r o d u c td e s l g nt oe n s u r et h eb o d y sm a n u f a c t u r i n gq u a l i t y p u r p o s e i st od e 印e i l m c 6 3 2 0 a p r o d u c td e v e l o p m e n ts y s t e ma sp a r to ft h ed e v e l o p m t o fm et e c h n o l o g y t 0p m m o t et h ep r o d u c ta p o w e r f u lt o o lw h i c hw i t has t r o n gs c i e n t i f i cs i 鲥f i 咖c e 觚d e c 0 。n o m l c v a l u e ， h a v es o m ei n f l u e n c e a n dp r o m o t ee 胁 i n m a n u f a c t u r i n g i 1 1 f 0 珊a t i o nt e c h n o l o g ya n di 彻o v a t i o n t h c o 眄a l l dt e c l l i l o l o g y 。 k e y w o r d s ：b o d yq u a l i t y ；t o l e r a n c ed e s i g n ； s i z ec h a i n ； t o i 咖1 c ea n a l y s i s ： c o n c u r r e n td e s i g n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 期：啦岁i t 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研窖鼽训碑墨一形 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 轿车车身制造质量控制的意义 轿车白车身质量的控制是一个复杂的系统工程，涉及到冲压工艺分析、冲 压件检具、焊接工艺分析、焊接夹具设计、车身冲压件公差的合理分配等方面。 综合运用冲压、焊接工艺知识与检测技术，切实做好白车身在开发与制造过程 中的质量控制，能够缩短车身的研发周期、降低制造成本、保证白车身的稳定 生产。在全球经济环境下，各大汽车公司努力提高自己车身制造方面的实力口1 。 轿车车身一般由3 0 0 4 0 0 个薄板冲压件焊接而成n 1 ，有严格的装配精度要求， 车身焊接的一般顺序为：冲压件一组件_ 合件专分总成一大总成一白车身。 图1 - 1 车身制造流程 武汉理工大学硕士学位论文 图卜2 白车身 轿车车身作为汽车零配件的载体，轿车车身的制造质量直接关系到整车装 配和轿车各种基本性能。轿车车身制造不可避免地都存在车身制造偏差质量问 题。车身制造有偏差将对车身噪声、密封、操作稳定性等功能造成影响，同时 影响轿车的制造成本和开艟周期。有时甚至会影响到公司在业界的地位。例如 车门门缝的制造偏差过大会影响关门的方便性，整车的噪声、漏水和美观等质 量问题，为了克服制造偏差而进行的返修、打磨、调试等工作，将会使制造成 本增加、工位生产节拍耗时、增加生产压力；在新产品开发的试生产阶段为了 寻找和克服制造偏差还可能产生由于上市时间滞后而导致的前期投入成本增 加。轿车甫4 造企业要保证市场竞争力就必须提高车身制造质量”1 。 轿车车身的质量指标分为：尺寸精度、外观质量、制造工艺。其中尺寸精 度包括冲压件尺寸精度、焊接总成尺寸精度和装配总成间隙精度。车身制造的 尺寸精度关系到整车制造能否达到产品设计概念，也影响着整车的使用性能、 制造成本和生产节奏。车身制造的偏差主要来自阻下两个方面：冲压过程中的 偏差，主要指零件在冲压过程中因为人为、模具磨损和模具工艺设计中产生的 偏差；装配过程中的偏差，主要指焊接过程中由于人为、焊点和夹具引起的制 造偏差。此外，车身结构设计不合理会导致车身自重变形造成的偏差。车身制 造质量的控制一般分为生产过程控制和设计过程控制两类。 白车身制造质量控制的一般路线是：设计制造一检测评价控制。 生产过程控制以制造部门为主，通过对车身制造尺寸进行测量、分析，对 生产工艺进行调整和优化。 。n 武汉理工大学硕士学位论文 设计过程控制以设计部门为主，即通过车身设计和公差设计的并行工程提 高产品生产的稳定性和一致性。 车身制造质量尺寸精度的测量一般分为：样架测量、三坐标测量和光学测 量。一般倾向于使用样架测量和三坐标测量。测量为制造过程控制提供可靠的 实际生产数据，从而使制造工艺的不断改进，最终实现车身工艺过程稳定性控 制、装配功能控制。车身测量点根据其功能不同，可以分为以下三种：主要定 位基准检测点、关键产品特征检测点、关键控制特征检测点心。 主要定位基准测点是必须首先保证的一类检测点，需要有最高的测量可靠 性。 关键产品特征检测点是由产品设计决定的。这类测点将极大地影响产品对 安全或制造标准的符合程度，还会影响顾客对产品的满意度。 关键控制特征点是由产品设计与工艺共同决定的，关键控制特征点是关键 产品特征点的必要保证。 设计人员在布置质量控制检测点时，应优先考虑选取的检测点能否体现车 身的设计性能和造型，还要体现制造工艺性以便进行制造故障诊断，要充分考 虑尺寸、定位、功能与装配之间的关系。 轿车车身制造质量控制主要有两个目标：稳定轿车车身制造质量和提高车 身制造质量，其中以稳定制造质量为主。车身在稳定一致的基础上，才有提高 制造质量意义，质量稳定是质量提高的前提条件。 制造质量的稳定是车身制造尺寸的实际检测数据对原始设计数据的离散程 度。车身制造尺寸的离散程度从概率统计学的角度可以用某时问内车身尺寸检 测数据的6 倍均方差( 3 仃标准) 表示。得到的6 倍均方差越大，说明其离散 程度越高，偏离出示设计值越远，可以认为该检测点的制造质量不稳定，将该 区域标记为后续阶段车身制造质量控制工作的重点对象。然后通过循环的验证、 改进，逐渐将车身6 仃值降低，从而使车身的制造质量不断稳定。 1 2 车身制造质量评价方法 在汽车产业发展的过程中，人们在大量的研究和实验基础上提出了很多的 质量评价方法来评价和管理车身的制造质量。目f j 常用的主要方法有6 仃指标、 工序能力指数( c p ( c 肚) ) 、通过率( p a s sr a t e ) 、质量持续改进指数( c l i ) 、 武汉理1 = 大学硕士学位论文 a u d i t 打分。 1 2 1 工序能力指数 质量管理学中，工序( p r o c e s s ) 是制造检验原材料与产品的具体阶段，也 就是指人员、方法、环境条件、测量手段、设备、材料六项质量因素( 一般简称 5 m 1 e ) 对产品制造质量的综合影响过程，是生产过程中的最基本的组成单位。 工序能力是指生产出质量符合要求的产品的能力。工序能力指数的测定是 在大批量生产条件下进行的，测量的结果主要反映产品质量是否稳定、产品质 量精度是否满足设计要求。工序能力满足制造精度要求的条件下，用产品质量 特性值的波动来表示工序能力：工序能力越高，该产品质量特征值的波动幅度 就越小；工序能力越低，则该产品质量特征值的波动幅度就越大。工序能力指 数的值越大，说明工序加工能力越能满足产品设计要求，产品质量就越有保证。 工序能力指数的计算需要下列条件： ( 1 ) 工序处于稳定状态； ( 2 ) 所有测量值服从同一分布； ( 3 ) 设计标准的上、下限是基于客户的要求； ( 4 ) 测量工具和方法能充分反应实际状态。 车身制造过程中，尺寸检测是为了提高车身制造质量的环节，所有尺寸的测 量值都服从j 下态分布。一般采用o c m i 在线检测和c m m 离线检测进行测量，这种 测量方法的精度很高且测量系统能力充分，满足上述工序能力指数计算需要的 条件。工序能力指数能够直观得反映制造水平，在轿车制造行业受到很高的重 视，如德国大众汽车公司就用c 。( c 。) 来评价车身制造质量。 进行工序能力的分析有重要的意义： ( 1 ) 是现场质量管理工作的基础，能够有效控制产品质量； ( 2 ) 可以有效地调高工序能力； ( 3 ) 为设计人员提供产品质量改进的依据。 然而在车身制造过程中，加工工序非常繁琐，一般采用小样本检测，在该 工序的车身零件上选若干具有重要意义的尺寸进行测量，然后计算各检测尺寸 的c ，( c 融) 值来评价该道工序的能力。用c ，( c 础) 来评价车身制造工序的能力实 际上是反映车身检测点的工序能力。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2p a s sr a t e 通过率( p a s sr a t e ) 的评价原理简单，用合格率来反映轿车车身的制造质 量水平。判断产品是否合格的准则是：在轿车车身制造尺寸的c m m 检测中，用 各检测尺寸的测量数据与其数模上的理论设计值进行比较。 通过率的评价方法用以下三种表达方式： ( 1 ) 单个检测点的通过率：检测点的通过率在指某一检测时间段内，某检测 点质量合格的台数所占改时间段内通过的总台数的比值。 ( 2 ) 整车的通过率：整车的通过率试制在某一检测时间段内，质量合格整车 的台数与通过的整车总台数的比值。 ( 3 ) 单台整车的通过率：单台整车的通过率是指一台白车身上所有检测点中 合格的检测点数量与检测点总数的比值。 通过率的评价方法简单实用，它是即时性评价指标，在某种程度上避免了 其他评价指标为了收集一定的数据样本造成质量评价上的延时。它直接利用原 始测量数据来进行评价，数据处理比较简单。 通过率评价法也有明显的缺陷，它把公差带作为判断车身制造尺寸是否合 格的标准，测量值落在公差带区间内的为合格产品。车身生产线经过一段时间 的生产运行，车身某些尺寸会产生一定程度的均值漂移，在后期的车身制造过 程中，最初的理论设计值就不再是最佳的装配切合点，需要根据收集的实际生 产数据来修j 下车身尺寸的公差带。 1 2 36 仃指标 实践证明轿车车身制造尺寸的检测数据基本服从具有其自身特征值的正态 分布n ( z ，仃2 ) 。理想的焊装线不存在央具磨损、装备调整、人员调换等影响因 素，因此也就不存在均值漂移现象，产品的尺寸波动将会表现出纯粹的波动， 是正态分布、平稳的随机过程。 在大规模加工制造的质量管理和质量评价中经常用到正态分布，不论z 与 仃取值，只要产品质量特性值都落在l - 一3 0 r , + 3 a l 区间内，其概率就达到 9 9 7 3 。产品质量特性值落在此范围外的概率仅为0 2 7 。正是基于正态分布的 这一特性，一般把6 盯作为产品质量特性的重要评价指标，可以根据6 仃的大小 来评价产品的质量特性：得到的6 仃值较大，说明该产品质量特性的稳定性较差， 武汉理工大学硕士学位论文 质量波动较大；得到的6 0 - 值较小，说明该产品质量特性的稳定性较好，质量波 动较小。 图i - 3 正态分布的3 0 原则描述： 图卜3 正态分布图 在车身制造尺寸质量评价中，6 0 - 是车身尺寸质量( 尺寸波动水平) 的重要 指标。车身制造尺寸波动对后续的车身装配有重要的影响，对汽车总装也有一 定的影响。6 0 从概率统计学的角度精确的描述了车身制造尺寸的波动性。生产 车间的质量控制技术员可以根据得到的6 0 - 值，对车身尺寸波动较大的部位进行 合理有效的调整与控制，避免后续的车身装配和总装受到过多影响。 1 2 4 质量持续改进系数( cl i ) c i i ( c o n t i n u o u si m p r o v e m e n ti n d e x ) ，即可持续改进指数，它是美国“2 m m 工程 中为了促进车身制造质量持续改进而提出的车身制造质量评价指数。它 的基本思想符合6 0 指标的评价思想。当确定某一段时间内轿车车身的可持续改 进指数后，就可以认为超过规定值的6 0 - 所对应的车身尺寸所在部位的制造质量 不合格，将该部位标记为下一阶段改进制造质量工作的优先区域。制造质量稳 定工作结束后，重新核算轿车车身的可持续改进指数，找到其他制造质量不稳 6 武汉理工大学硕士学位论文 定的区域，针对这些制造质量不稳定区域展开质量稳定工作。通过“检测一改善 一再检n - 再改善”的反复循环，使轿车车身尺寸的6 0 r 值逐渐得到降低，达到轿 车车身制造质量的稳定性不断加强的目的。c 1 1 分析的主要目的是发现轿车车身 制造质量的不稳定区域，进行阶段性地改进，在一个质量稳定工作周期内优先 解决主要问题。该方法以车身制造尺寸中6 r y 最大的5 作为解决的目标，目的就 是使主要的制造质量波动问题成为主要矛盾，得到优先解决。 最初c l i 被用来改进汽车车身制造质量，随着“2 m m 工程”在实际生产中显 示的优势，工作人员在轿车车身制造质量控制工作中逐渐把c i i 作为轿车车身 制造质量稳定性的评价指标，用它来评价轿车车身制造质量的稳定性并进行质 量改进。 1 2 5 白车身a u d it 打分 a u d i t 打分不以实际车身制造尺寸的检测数据为基础，轿车生产企业在某些 质量评价中经常使用该方法。不同企业可能采用不同的评分标准对车身制造质 量进行检验，发现缺陷，进行预防和改进，对于有严重缺陷的产品，可以要求 返工。通过这种方式，建立与车间工作相配套的奖惩管理机制，以此来监控轿 车车身的制造质量，最终达到稳定车身制造质量的目的。根据检验标准，由工 作人员选取一台白车身通过眼看、触摸等方式对车身外表面配合、车身防腐蚀 性及性能状况等缺陷进行定量扣分，车身外表面可以用油石拉磨的方法检查缺 陷。在打分之前先把白车身分成3 个区，同时把车身缺陷也分成a 类、b 类、c 类，每一类缺陷都有一个分值和它相对应。由于白车身被分成三个不同的区域， 同一类缺陷在不同的区域其划分等级是不同的，根据每种缺陷所对应的扣分数 计算总的缺陷扣分大小，最后把总分转换成车身总质量等级。 a u d i t 打分方法常用于整车的外观效果和整车性能评价。通过对白车身上各 类缺陷进行扣分，给上游工序的生产制造施加压力，督促车身制造工作人员严 格根据制造工艺卡片的要求认真完成工序的工作量，另外a u d i t 打分后可以在 短时间内对发现的缺陷部位进行分析、改造，对提高车身制造质量有积极的促 进作用。 虽然a u d i t 打分有严格的评分标准，由于它脱离了实际检测数据环节，是 一种依赖于工作人员经验感觉的评价方法，具有一定的主观性，使得对于同一 种缺陷，不同的人得到的评价结果会有一定区别。 7 武汉理工大学硕士学位论文 上述评价方法中，除了a u d i t 打分依赖主观经验外，其他评价方法都以实 际生产过程中的检测数据为依据来进行处理、分析。这些评价方法都有其实用 性。 目前国内汽车公司主要采用的评价方法有：工序能力指数、质量持续改进 指数和a u d i t 打分。 1 3 国内外轿车车身制造质量现状 2 0 0 9 年受金融危机的影响，世界汽车市场处于低迷状态，而中国的年产销 量均超过1 3 0 0 万辆。轿车制造企业都通过提高其轿车车身的制造质量水平来增 加自身产品在市场中的竞争力的筹码。提高轿车的制造质量水平就必须对制造 过程中产生的的质量问题进行诊断、分析和改进，质量水平的准确评价能够明 确后续质量改进工作的方向，可以有力地保证质量改进的效率。质量的评价结 果还是判断产品质量水平的依据，根据评价结果对生产工艺进行必要的调整。 准确的质量评价对保证产品的质量发挥着关键作用。 上世纪9 0 年代初期，美国的汽车制造水平低于同本和德国等，车身制造的 精度尤为明显，当时r 本最好的汽车公司控制在l m m ，欧洲车身制造偏差最高 水平的在1 2 5 m m ，美国汽车制造偏差在2 m m 以上，美国本土的三大汽车公司 损失了大量国内轿车市场份额。密歇根大学的教授提出了旨在降低车身综合制 造偏差的“2 m m 工程计划，3 年过后美国汽车车身制造质量有明显改观，逐步 抢回失去的市场份额。汽车产品2 m m 工程是从系统工程观念出发用车身制造综 合误差指数( c i i ，即“6 盯理论”) 来控制车身制造质量，从而实现低制造成本 的整体质量改善。通用、福特和克莱斯勒都对此计划表示支持，其内容涵盖了 车身装配在线检测、零部件装配公差综合分析、制造偏差的减小方法、车身制 造信息管理等涉及车身制造的领域。 刚进入2 l 世纪的时候，我国车身制造偏差在3 m m 以上，严峻的国内外市场 形势要求企业必须提高车身的制造水平，美国“2 m m ”工程依靠在线检测设备获 取装配过程的尺寸测量信息，而鉴于国内当前制造行业整体制造水平不高的现 状，先进的车身装配线投资额过大，不适合多车型、中小批量的生产模式。工 程界认为在线检测的性价比较低。车身焊接是影响2 m m 工程的主要因素之一， 车身焊接精度超过规定值，就会影响整车制造质量、生产节拍和生产成本。汽 武汉理t 大学硕士学位论文 车车身匹配误差主要涉及到产品设计、冲压件制造精度和车身匹配焊接变形三 方面的原因。国内的合资汽车公司，沿用国外的已有车身设计与制造技术，应 用车身零部件公差理论；国内汽车企业在车身零部件公差设计的研究和应用方 面才刚刚起步，车身冲压件公差设计很多依赖于主观经验值。 轿车车身设计包括c a d 、c a e 、c a t ( c o m p u t e ra i d e dt o l e r a n c i n g ，计算机 辅助公差设计) ，c a t 是被用来辅助车身制造质量控制的手段之一。当前的c a d 、 c a e 计算机辅助工具超过c a t 辅助工具的发展，计算机辅助公差设计的系统发展 只有十几年的历史。为了使车身制造质量尽量提高，国外的汽车公司二十年前 就开始研究车身公差设计方法，进而解决由于车身制造质量不合格引起的返修、 报废造成的成本损失。我国汽车公司起步较晚，计算机辅助公差设计在汽车设 计中的广泛使用也比国外汽车公司滞后近十年，而且理论和实际相结合的差距 太大。 1 4 本文的主要研究内容 本文主要以科研项目中某车型为对象，以控制车身制造质量为目的，分析 研究车身设计和公差设计的并行工程，公差设计与车身制造质量的关系，以及 优化车身冲压件、分总成的公差分配方案。本文的主要研究内容有： ( 1 ) 公差理论在车身制造中的研究。 ( 2 ) 合理的公差设计对车身制造质量的作用。 ( 3 ) 对车身焊接总成进行公差分配和公差分析，并优化分配结果。 本文在研究了公差设计函数的方法后，主要对产品部分总成进行多种公差 分配方法，并对其结果进行公差分析，目的是在进行车身数据定义设计时对车 身制造质量加以约束。基于制造质量损失总成本综合最小的公差优化分配模 型，它可以对装配尺寸链中的组成环的公差进行定量化分配，从而使各组成环 根据车身设计公差进行加工时，其制造成本和质量损失成本的总和最小。这种 方法需要有足够的成一公差统计数据和质量损失统计数据。缺乏实际统计数据 时，可以采用另一种公差优化分配方法一权值评判优化分配方法。这种方法采 用综合加工难度系数评判法对影响公差分配的各模糊因素进行定量化的分析与 计算，从而确定出各组成环的公差。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章公差设计概述 2 1 公差设计的意义与现状 互换性是现代汽车制造业进行专业化生产的前提条件。只有汽车零件具有 互换性，才可能将一辆汽车中的数万零件进行高效率的、分散的专业化生产， 然后集中起来进行装配。它不仅能显著地提高生产效率，而且能有效地保证产 品质量，降低生产成本。 完全互换法：完全互换是指在产品装配时对零件不需要挑选、不需要调整、 改变其大小或位置，装配后即能达到使用要求的公差要求( 标准件基本都属于 这个范畴) 。该方法一般采用极值公差公式计算或高精度的公差设计标准。 不完全互换法( 大数互换法) ：在绝大多数产品中，装配时各组成环不需 挑选或改变其大小或位置，装配后即能达到产品使用的公差要求。该方法采用 统计公差公式计算啪1 。 加工误差与公差的区别： 加工误差是指在零件的加工过程中，由于各种因素的影响，零件的实际几何 参数不可能做得绝对准确，与理想设计参数不完全一致。两者的差异称为加工 误差。加工误差主要有：尺寸误差、形状误差、位置误差和表面粗糙度。 公差是允许零件尺寸、形状等变动的范围，用以限制加工误差，也就是加工 过程中允许的最大误差。加工零件的误差在公差范围内，为合格产品，超出公 差范围的就是不合格产品。 误差是在零件的加工过程中产生的，而公差是设计的结果。公差反映了对零 件制造精度的要求，并在一定程度上体现了加工的难易程度n 引。 最初的公差设计以支持设计者的功能需求为主，后来的公差用于满足大规 模生产要求和客户需要的功能。随着生产技术的改善以及生活水平的提高，产 品讲究品质，同时因为大批量生产模式的普遍，公差设计重点则在于支持大批 量生产零件的互换性，公差被用于管理产品品质与零件之间的互换性。随着计 算机技术的发展，2 0 世纪8 0 年代国外提出了各种表达尺寸和公差的方法。9 0 年代以后，公差设计被广泛在关注，出现了一些具有公差分析功能的应用计算 机软件，可进行装配公差和灵敏度的分析工作，软件的功能都有待进一步完善。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 国内做了很多此相关方面的研究，这些工作对计算机辅助公差设计有着很大的 推动作用。国内的公差研究主要集中在高等院校，计算机辅助公差设计技术的 进展与国外研究情况相比还存在较大的差距。 计算机技术应用在制造行业中迅速推广，使计算机集成制造系统( c i m s ) 逐 渐成为制造业的主要研究对象。c i m 是在新的经济环境下形成的一种新型生产模 式，是企业管理及生产的新理念。c i m s 可以大幅度提高生产效率，缩短产品开 发和生产周期，显著提升产品质量和降低制造成本，使企业适应市场经济条件 下的竞争，同时创造更高的经济效益。c i m s 成为2 1 世纪占主导地位的生产方式， 我国已把它列为高技术研究发展计划。计算机辅助公差设计( c a t ) 作为机械产 品设计和制造过程中的重要环节，落后于c a d c a m 集成和c i m s 的发展。c a d c a m 信息集成中的公差信息集成是先进制造技术的重要组成部分，没有先进的c a t 技术，计算机辅助制造集成就难以在真正意义上实现。c a t 发展的滞后是c a d c a m 研究和应用的瓶颈，是实现计算机集成制造要优先解决的问题。在c a d 系统中 引入智能公差分析与公差综合概念可以提高设计效率，缩短产品周期。此外， 并行工程概念也要求实现产品设计和公差设计的集成。 公差是在产品的整个生命周期中都要用到的技术信息。公差设计在产品的 设计阶段对制造质量的稳定性加以约束，对产品的市场竞争力( 体现在时间、 质量、价格和创新的竞争能力) 有很大的影响。产品要有竞争力，就必须具有 较高的综合水平，牺牲其中任何一项都会降低产品的竞争力，若只为提高产品 质量，忽视其他因素，对零件公差设计提出过高的要求，会导致制造成本居高 不下，造成产品在研发、上市的时间的滞后，影响价格和时间竞争力；只考虑 成本因素，零件按照经济精度要求的公差来设计和加工，会损害产品质量和降 低装配成功率，最终失去产品的竞争力。合理地设计公差就需要在成本、质量 和装配成功率等因素之间找到一个平衡点。公差设计的最理想结果是在保证质 量的前提下保证产品装配效率和生命周期总成本最低。表2 2 是公差研究的主 要发展历程。 武汉理t 大学硕七学位论文 表2 - 2 国际公差研究发展历程 时间学者组织主题 1 9 7 8 英国剑桥大学，h i l l y a r d提出用计算机对公差辅助设计 1 9 8 3 r e q u i c h a 提出漂移公差带理论 1 9 8 8 以色列，w e i l l提出面向功能的公差设计 1 9 9 1 1 9 9 5 c l e m e n t提出t t r s 理论 1 9 9 7n e s s e f 研究计算机辅助形位公差设计 1 9 9 9s a l o m o n s 二维公差分析 国内首届公差专题会议浙江大 2 0 0 0 计算机辅助公差设计 学 2 0 0 1国际公差会议 制定产品的几何技术规范 2 0 0 3 国际公差会议产品几何技术不确定性管理 2 0 0 5 国际公差会议设计制造中的计算机辅助模型 2 0 0 7 国际公差会议c a t 系统巾的自动控制技术软件实现 在国内，公差设计的研究工作也陆续展开，但仍然是根据流传的经验和手 册，使用类比和查表的方法。当前流行的c a t i a 和p r o e 三维设计软件也仅能实 现公差的标注和进行简单的公差分配和公差分析，还没有真正实现智能设计， 不能满足生产要求。在设计过程中，零件的公差会随时进行校核、计算与修改， 继续使用人工方法不能适应大规模生产的要求。进行计算机辅助公差设计的研 究和软件开发是计算机辅助制造集成和并行设计中的一项重要任务。 2 2 公差设计的内容 在机械设计与制造中，零件都有自己的公差，产品装配中有装配公差。零 件的公差设计对在一定程度上决定了装配成功率和生产成本，装配公差是零件 公差设计的基础。 公差是机械精度的一种表达方式，是允许零件的尺寸、形状、位置等要素 的最大变动量，是产品使用要求、装配要求与制造经济性三者优化组合的结果， 同时也是机械产品设计和制造的技术指标之一。 公差分为尺寸公差、位置公差、形状公差三大类。 公差设计包括尺寸精度、表面粗糙度和形位精度设计。产品几何精度设计 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 的一般规律是，尺寸公差 位置公差 形状公差 表面粗糙度，通常把尺寸公差、 形状公差、位置公差定义为同一等级。在产品设计时先设计尺寸公差，然后按 数值逐级递减和精度等级、功能、质量等方面的要求来进行形状、位置公差和 表面粗糙度的公差设计。形位精度设计和表面粗糙度设计是以尺寸精度设计为 基础来进行的。本文的研究主要针对尺寸精度设计n 1 。 尺寸公差：用来控制零件特征的尺寸大小( 如长度、角度和直径等) 。下图2 1 为发动机盖与翼子板间隙尺寸公差标注。 图2 一l 尺寸公差标注图例 形状公差：控制零件形状要素所允许的变动量。形状公差有直线度、平面度、 圆柱度、线轮廓度、面轮廓度、圆度。 位置公差：控制零件关联实际要素的位置对选定的基准所允许的变动量。位 置公差分为三类：定向公差( 倾斜度、垂直度、平行度) 、定位公差( 位置度、对 称度、同轴度) 和跳动公差( 全跳动、圆跳动) 。图2 2 是位置公差标注。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 形位公差标注图例 根据零件误差的累积对产品性能的影响进行公差设计，它包括两个内容：公 差分析和公差分配。 其计算过程可以总结为： ( 1 ) 确定与该尺寸相关的尺寸和公差，并把它们从其他的设计尺寸和公差中 分离出来。 ( 2 ) 按照公差分析或公差综合的方法，在已知条件下进行公差计算。 公差分析，又称为公差验证，是根据设计的各零件公差信息来计算装配组 成环公差累积的过程。公差分析根据组成环的公差信息分析装配后封闭环的公 差带，对设计的各组成环公差信息进行审核，判断是否能满足装配功能要求， 可以检验设计公差的有效性。 公差分析的意义主要有： ( 1 ) 确保装配精度和装配成功率。 ( 2 ) 减少修配时间，在设计过程中模拟装配，可以将设计不足及时纠正。 ( 3 ) 降低制造成本( 以互换性技术为基础) 。 公差分配，又称为公差综合，是按选取的准则把封闭环的公差分配到各组 成环零件的过程。公差分配是反求问题，根据封闭环的公差带和组成环的基本 尺寸信息，在满足装配成功率的条件下，根据优化模型使各组成环得到经济合 理的公差分配，最终根据总的技术要求来确定各组成环的公差和极限偏差。公 差分配要解决两个问题：根据选取的计算模型，确定各组成环的公差t ；得到公 差t 后，确定各组成环a i 的极限偏差。公差分配需要确定公差带的大小和位置。 图2 - 3 为公差设计流程。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 公差设计的分类 图2 - 3 公差设计流程图 公差设计按对象分为面向设计的公差设计和面向装配的公差设计。 2 3 1 面向设计的公差设计 世界经济逐渐一体化，汽车企业面临的竞争异常激烈，需要依靠敏锐的市 场反应速度和高性价比来抢占市场份额。产品质量和成本是企业生存和发展的 基础，产品设计阶段基本上可以决定产品的固有质量和成本，质量检验可以保 证产品技术条件和各项技术指标。一般来说，产品全生命周期成本的7 0 由前期 产品设计阶段的决策决定，生产过程中的控制很难弥补由于产品初期设计不足 而导致的产品质量下降和成本增加。提高产品质量，降低制造成本的工作需要 在产品的设计阶段开始进行。日本提出了“源流控制”理念，基本思想就是在 产品设计阶段加以约束，控制全生命周期的质量和成本。 产品设计是一个系统化的、符合逻辑规划的、严密的统一体，进行产品设 计时要建立整体设计意识和系统观念，每一个阶段的设计都承接前一道工序， 又是下一道工序的基础。为了避免设计失误，实现高质量、短周期、经济的设 计，就必须对下游工序优先考虑，防止返工和错误信息流入下游工序造成的损 失。 1 5 一 差一|l_模 公一 匪 右呷 助一 声 甫 一立一 一匕一 栅 回 酽 婵 匝 瑾 一 武汉理工大学硕士学位论文 表2 3 国标冲压件成形冲压件尺寸公差数值表1 ( 唧) 材料 公差等级 尺寸厚度 f t lf t 2f t 3f t 4f t 5f t 6f t 7f t 8f t 9f t l o 6 3 - o 5 1 0 0 7 o 1 2 o 1 9 o 3 0 0 4 8o 7 8 1 2 02 o o3 2 05 0 0 1 6 0 1 3o 1 0o 1 6o 2 6o 4 2o 6 81 1 01 8 02 8 04 4 07 0 0 1 6 0 0 5 1o 1 40 2 4o 3 8o 6 21 0 01 6 02 6 04 0 06 4 0 4 0 0 1 30 2