汽车尺寸工程中的公差分析技术

汽车尺寸工程中的公差分析技术周智汉，李彬，李明（1）（2）（3）（重庆长安汽车（集团）汽车工程研究院重庆401120）【摘要】：本文对长安汽车在尺寸工程中开展的工作情况进行介绍，其中重点对轿车车身尺寸公差分析机理进行说明，同时对车身尺寸公差分析的重要性及基本流程做了阐述。【关键词】：汽车自主品牌制造尺寸工程3DCS公差分析GD&TTechniqueOfToleranceAnalysisInAutomotiveDimensionEngineering【Abstract】：Thisarticleistheprogressreportaboutautomotivedimensionengineeringinchanganautomobileco.ltd.,andintroducethetechniqueoftoleranceanalysisforcarbody,thendescribetheimportanceandbasicflowoftoleranceanalysisforcarbody.【Keywords】：AutomobileNationalbrandManufactoryDimensionengineering3DCSToleranceanalysisGD&T前言长期以来，国内汽车自主品牌汽车企业的产品同合资汽车企业相比，车身制造精度差，给人感觉粗糙、档次低。这是一个综合的问题，具体体现在自主品牌在设计质量及制造水平上同合资企业的差距。在汽车设计及制造上，国外汽车巨头已经有几十上百年的历史，其经验沉淀及标准规范、流程上已经非常完善，而国内汽车企业还处在摸索起步阶段。同时由于国内自主汽车在品牌上的劣势，在同等质量条件下，不能达到同价，加上外资汽车企业全球研发、全球生产、全球销售，分摊到一辆车上的开发成本，国内自主汽车企业在研发成本上是不能做得这么低的。这些因素就决定了自主汽车企业不能在工装、生产质量控制等环节上采用与合资企业同样的标准（如采用全套进口工装、采用在线检测系统、大规模采用工业机器人等），否则就没有企业竞争力，企业就无法生存下去。而从国内自主汽车企业长远的发展趋势来看，自主汽车品牌必须要走出去，参与全球竞争，这要求我们要不断提升汽车的设计、制造质量，提升品质。本篇文章主要介绍长安自主品牌汽车在设计开发及生产制造上开展的尺寸工程工作，其中重点对车身公差分析技术进行了介绍。一、汽车尺寸工程汽车白车身由几百个薄板冲压件经过焊接而成。主要经历的工艺流程有：薄板冲压-中小分总成焊接-运输-焊接-车身。从制造过程来看，车身的公差主要由冲压件本身的公差、运输产生的公差、夹具定位公差、焊接造成的公差等构成。车身公差的情况直接导致车辆品质的好坏，车身公差是汽车尺寸工程重点解决的问题。目前国内大多整车厂对车身尺寸公差的控制仅限于在对生产制造过程中采取一些手段：对车身覆盖件及关重结构件采用进口模具制造，采用更为完善的质量控制手段：比如各种组合检具、匹配样架等。这些手段对于发现零部件及车身尺寸问题、指导整改调试非常有效，但是对于车身尺寸出现的无规律波动，无法从理论上予以解释、造成整改过程中往往补了东墙补西墙，不能根治。长安公司通过多个车型的自主研发及借鉴国外先进汽车公司的经验，逐渐构建了一套系统的汽车尺寸工程开发流程：贯穿于新车型开发项目全过程中的同步工程分析（SE）、工程化阶段的冲压CAE分析、尺寸公差仿真分析，以及在开发及生产制造过程中的全面质量管理。同步工程分析（SE）是借助于工艺设计人员的经验、企业的工艺标准、工艺能力，重点对汽车产品的工艺可行性进行分析、优化产品设计。冲压CAE分析主要对车身冲压件的成型性、工艺性进行校核和优化。尺寸公差仿真分析则是借助于三维分析软件对车身尺寸公差链进行计算和验证，验证及优化产品结构设计、公差设计及工艺设计。同时采用比较完善的生产过程尺寸控制手段（如各种检具、功能主模型CUBING、匹配夹具PCF等）来监测和指导整改实物零部件尺寸质量，最终保证整车的制造精度。二、公差分析的重要性公差分析，顾名思义，即对车身尺寸公差系统进行计算与验证。为保证车身外观具有美观性、车身内外饰间隙配合的一致性，以及保证总装件具有可装配性，我们必须对车身的所有尺寸目标公差进行定义。正如衣服合体人穿起来才舒服一样。汽车白车身是所有装配件的载体，白车身安装点的尺寸公差须与装配件的公差匹配，才能保证整车尺寸公差在目标公差范围内。通过下面的例子我们可以知道公差分析的作用：①要求地板在宽度方向的公差控制在±1.0mm内（下图1）：图1②方案一，通过翻边定位：总成完成后的状态（下图2）：图2各个区域的公差给定（下图3）：图3总成公差源分布（下图4）：图4地板宽度方向的尺寸公差计算：2222224.14.14.14.14.14.1+++++=3.43=±1.72结论，方案一的产品及工艺设计不符合要求。③方案二，通过定位销定位：各个区域的公差给定（下图5）：图5总成的公差源分析（下图6）：图6地板宽度方向的尺寸公差计算：=+++++2222224.15.05.05.05.04.12.22=±1.11结论，方案二的产品及工艺设计基本符合要求。④方案三，通过翻边及定位销定位（下图7）：图7总成的公差源分析（下图8）：图8地板宽度方向的尺寸公差计算：22224.15.05.04.1+++=2.10=±1.05结论：对比方案一、二，方案三地板宽度方向上的尺寸公差最小，方案三的产品结构设计及定位方式最为合理。这个案例给我们的启示：在制造能力一定的情况下：产品的结构设计及零部件定位方式（工艺设计）不同，导致产品的目标尺寸公差差异很大。如果不对这几种产品结构进行公差分析，我们就无法对它们进行合理性评估，也不能对它们各自公差形成机理进行分解。拿方案一来说，每个单件实物零件的公差都符合设计要求，但总成宽度方向上尺寸超差，当出现这类问题时，我们就没有很好的解决办法。对于汽车白车身，其由几百个不规则的曲面薄板冲压件焊接而成，如何合理分配各零部件的制造公差，如何从制造公差角度来校核产品结构设计及工艺设计，如何在现有制造能力基础上进一步提高整车制造精度，这就是汽车尺寸工程要面临的问题。因此，尺寸工程中的公差分析就显得非常重要，它应该是作为汽车工程化设计中必需的环节，来检验产品及工艺设计，提高产品制造的理论公差水平。同时公差分析也是建立在实际生产制造基础之上，不能脱离于现实。目前国际大的汽车厂家主要有两种公差分析模式：欧美模式及日韩模式。欧美汽车厂家采用虚拟仿真分析手段，日韩汽车厂家则是根据工艺人员的经验对所有零部件公差进行分配定义。也就是说：欧美汽车厂家把所有的公差标注在产品2D图中（GD&T图纸）,日韩汽车厂家则是在工艺制造环节中优化零部件的公差。两种模式的共同目标是，在制造能力、制造成本允许下，合理地分配各个零部件的公差，最终保证车身的制造精度。长安公司借鉴欧美先进汽车企业的经验，引入了汽车设计三维公差分析软件3DCS,初步具备了在工程化设计中同步进行公差分析及设计能力。本文会对3DCS软件的机理做深入的介绍和说明。三、使用3DCS软件进行公差分析的机理公差分析过程是对车身尺寸公差进行仿真，在几何数量上进行三维叠加计算。公差分析宗旨是在成本、制造能力范围内合理分配零部件制造公差，使理论车身目标尺寸公差符合设计要求。并不是所有的目标尺寸公差都能符合要求，这时候要求从产品结构设计、工艺设计等方面找出影响因素，减少公差源，或者通过更改结构设计，将车身公差累积到非关重特征上（如不影响整车外观、整车性能等区域）。3DCS软件是一套基于产品、基于生产制造过程的三维公差分析软件，它按照实际生产能力、实际生产过程，在三维环境中对车身所有零部件进行装配，并通过公差驱动，实现车身的尺寸公差链的计算仿真。3DCS软件依据于下列基本假设：所有的零部件是刚体，不存在自身变形；除非特别给定，所有的特征点公差服从正态分布；不考虑夹模检具的磨损及热膨胀等影响。使用3DCS对车身进行公差分析需由如下输入：车身三维数模（包含名义尺寸）、零部件特征点公差（即冲压件制造能力）、焊接工艺、定位点文件（MCP或称RPS）、焊接工艺流程（装配顺序）、工装公差等。3DCS的核心机理是按照实际生产能力初步给出零部件的公差，然后按照工艺规划的装配顺序，按照夹持点文件，按加工能力给定工装（夹具）的公差，按实际能力给出焊接变形公差，建立公差分析模型，根据定位系统及公差进行驱动，在三维空间内进行各个特征的公差叠加计算，根据零部件的几何形状在其自身公差及工装的定位公差作用下模拟出公差在三维空间中的传递、转换。3DCS三维公差叠加的原理：所有的特征点公差服从正态分布（及其他分布如平均分布等），按照蒙特卡罗规则，对所有特征点（零部件孔、面公差，夹具公差，焊接变形公差等）随机给出服从于正态分布的实际公差，然后按照零部件的装配关系，对所有的几何形状在三维空间中进行叠加计算，计算出所要关注特征的尺寸公差结果。可以简单的这样理解，在三维环境中，把每个零部件当实物零件看待，按蒙特卡罗规则给出的每一组公差，代表着实物零部件样本的生产制造实际公差，然后对所有的零部件按照现实中的工艺流程进行装配焊接，并尽可能真实得考虑到夹具定位、焊接变形带来的公差。车身公差分析模型构建完成后也就代表着实际生产的白车身，我们可以很容易地对车身上的每一个功能尺寸进行检测、评估，判断其是否符合设计要求。对车身上每一个零部件特征尺寸按照正态分布随机给出2000组公差，虚拟装配成白车身总成后各个功能尺寸对应有2000组公差值，对这2000组公差值进行统计过程控制（SPC），我们可以得到一系列的评价指标及参数：6σ、CPK等，根据它们我们可以评估车身尺寸状态。使用3DCS软件进行公差模拟分析，可以当成是对电子样车(DMU)的虚拟制造然后进行SPC的过程。对于所有的目标尺寸，3DCS会对它们的公差源进行敏感度分析，公差源包括：实物（零部件、工装夹具、焊接工艺等）的公差、几何因素（定位点位置、零部件自身的形状尺寸等）。通过对公差源的分析，可以帮助指导公差设计人员重新分配零部件公差，优化装配顺序，优化工艺流程，优化定位夹持方案以及产品形状结构设计。通过反复的计算验证之后，使所有零部件在符合供应商制造能力以及在成本允许下得到一个合理的公差分配，最终将车身尺寸控制在一个比较好的水平上。因此通过3DCS软件进行白车身公差分析、设计的流程如下（下图9）：定义MOVE(装配关系)定义公差MCP(RPS)夹持点文件焊接工艺流程焊接工艺冲焊件生产能力（零部件公差）工装夹具公差焊接公差车身特性点清单车身功能尺寸修正GD&T公差分析报告CAE模拟计算定义尺寸目标公差3维数模（DMU）公差偏小（能力过剩）公差偏大（能力不足）图9：3DCS软件公差分析流程图公差分析报告包含：调整MCP(RPS)夹持点文件，调整零部件公差，这两项内容通常整合在几何尺寸公差图纸(GD&T)中,对工艺设计优化的建议报告，对产品结构设计的建议报告，仿真分析公差数据库等。公差CAE分析后对白车身所有特征（定位孔、安装孔、安装面等特征尺寸及相关功能尺寸）的公差进行了计算并形成数据库。通过对公差数据库的管理，对车身上所有风险尺寸进行筛选，这部分特征尺寸是我们在试生产调试中要重点监控及保证的尺寸项目。对零部件也是如此，通过敏感度分析，我们可以对所有零部件的关重尺寸特征进行筛选，这些信息指导相关部门（采购、质量、STA等）在管理及控制零部件质量时有的放矢。总体来说，通过3DCS公差分析软件，基本上以90%左右的准确度预知白车身的公差情况，所以通过工程化阶段的公差分析，可以避免产品及工艺设计中可能存在的重大尺寸缺陷。汽车车身公差设计分析同CAE、SE（同步工程分析）一样，成为汽车工程化设计过程中不可缺少的环节。四、如何全面地开展汽车尺寸工程工作完整的汽车尺寸工程应该贯穿于新车型项目开发的全阶段以及包括在产车型的全过程尺寸管理。在模型阶段，尺寸工程参与整车外观质量目标制定工作。通过对制造体系能力评估及公差计算分析