整車匹配檢具的設(shè)計(jì)開發(fā)

王 浩

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

整車匹配檢具即TAC檢具（Totally Assembly Checking Fixture），見圖1，是根據(jù)整車產(chǎn)品數(shù)模進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的一臺包含白車身及相關(guān)總裝零件的標(biāo)準(zhǔn)車身，通過以實(shí)際零件裝配工藝方式安裝零件，用以綜合評估零件或者功能模塊在標(biāo)準(zhǔn)整車狀態(tài)下尺寸匹配關(guān)系的檢查工具。TAC檢具作為一臺標(biāo)準(zhǔn)的車身，能滿足門蓋總成零件及95%以上的內(nèi)外飾零件的安裝，通過TAC上的模擬塊與零件尺寸匹配狀態(tài)的分析及零件與零件之間尺寸匹配狀態(tài)的分析，最終辨析出是零件質(zhì)量問題還是車身尺寸問題。TAC檢具起源于德國，近年來國內(nèi)各大汽車企業(yè)逐步使用。它伴隨合資企業(yè)的車型引進(jìn)而引進(jìn)，在開始時(shí)這些TAC檢具都是由國外的供應(yīng)商設(shè)計(jì)制造的，價(jià)格相當(dāng)昂貴，國內(nèi)的一般汽車廠根本無法承受[1]。通過不斷的努力學(xué)習(xí)和創(chuàng)新，現(xiàn)在國內(nèi)供應(yīng)商基本能夠自行設(shè)計(jì)，材料使用穩(wěn)定，加工工藝成熟，調(diào)整水平熟練，技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了從模仿到自行設(shè)計(jì)的發(fā)展過程，大大降低了開發(fā)成本，使得TAC檢具在國內(nèi)逐步推廣使用，大大提高了我國汽車制造業(yè)的匹配質(zhì)量。本文從設(shè)計(jì)、加工、檢測等方面論述TAC檢具的設(shè)計(jì)開發(fā)過程。

圖1 整車匹配檢具

1 TA C檢具的結(jié)構(gòu)形式

TAC檢具結(jié)構(gòu)形式可分為一體式和分開式，一體式即將整車所有內(nèi)外飾零件、模塊檢測功能集成于一套TAC檢具上，一套檢具實(shí)現(xiàn)所有檢測功能。分體式是將整車零件、模塊按照內(nèi)飾、外飾或者前部、后部分開制作，由2套或者以上TAC檢具來實(shí)現(xiàn)整車所有檢測功能，表1簡要分析了各自的特點(diǎn)。

表1 檢具結(jié)構(gòu)形式對比

從表1中可見一體式相對于分開式的優(yōu)勢在于占用空間小，劣勢在于費(fèi)用相對較高（設(shè)計(jì)和加工難度大），制作周期略長。需結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際需求，選取TAC檢具結(jié)構(gòu)形式。TAC檢具本體的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 TA C檢具總成圖

2 TA C檢具的設(shè)計(jì)考慮因素

2.1 TA C檢具的設(shè)計(jì)輸入內(nèi)容

TAC檢具設(shè)計(jì)主要依據(jù)是產(chǎn)品3D數(shù)模、尺寸技術(shù)規(guī)范（DTS）、GD&T圖紙及整車測點(diǎn)圖。整車TAC檢具上所有車身、內(nèi)外飾模塊間的間隙、段差值按照DTS要求設(shè)計(jì)。DTS上未體現(xiàn)的配合面按照帶GD&T信息的產(chǎn)品3D數(shù)模設(shè)計(jì)。所有需安裝到實(shí)車上的車身、內(nèi)外飾模塊的定位基準(zhǔn)、安裝基準(zhǔn)按照GD&T圖紙信息進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證基準(zhǔn)的統(tǒng)一性。產(chǎn)品零件在車體模塊上安裝時(shí)的定位孔、定位面等應(yīng)與車身實(shí)際狀況一致[2]。

2.2 TA C檢具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮因素

（1）滿足互換驗(yàn)證。互換驗(yàn)證主要是主檢具模塊和實(shí)物之間的相互交換安裝，可以驗(yàn)證所有匹配安裝的安裝信息、功能實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容。

（2）操作方便性。操作方便性除了考慮模塊、部件拆裝時(shí)的便利性，還要考慮到其自身重量、大小，這也是設(shè)計(jì)前期必須考慮的因素，因?yàn)榇蟛糠值牟僮鲀?nèi)容必須由操作人員來完成，所以其重量設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選取都必須經(jīng)過充分考慮。

（3）其他考慮因素：檢具標(biāo)示其車身坐標(biāo)理論位置，便于三坐標(biāo)測量作為基準(zhǔn)進(jìn)行矯正補(bǔ)償。每一部分獨(dú)立的TAC檢具整體要配置移動輪、吊裝裝置以及叉車孔。外觀匹配表面須畫有整百坐標(biāo)線，并在相應(yīng)部位標(biāo)示出標(biāo)準(zhǔn)的間隙、面差值。

2.3 TA C檢具的材料選取

歐美車型TAC檢具主要采用鋁材，而日韓車型通常會采用樹脂材料，目前國產(chǎn)車型采用鋁材較多，各種材料優(yōu)缺點(diǎn)對比如表2所示。

表2 TA C檢具各材料優(yōu)缺點(diǎn)對比

使用鋁材的TAC檢具中，小模塊件采用航空鋁材料6061板材制作，大型模塊件采用6061鑄造鋁合金代替，保證氣孔、熱處理、強(qiáng)度等質(zhì)量。如有特殊要求，大型模塊件也可以按照規(guī)定采用7075板材制作。

2.4 結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)

內(nèi)外功能TAC檢具的主要結(jié)構(gòu)為基座、載體模型、可拆卸標(biāo)準(zhǔn)模塊、聯(lián)接件等組成[3]。

2.4.1基座設(shè)計(jì)

基座功能為承載框架、模塊和模塊接頭，確定整車坐標(biāo)系位置。基座主要由底板、運(yùn)輸裝置（叉車槽，吊棒等）、調(diào)水平機(jī)構(gòu)、基準(zhǔn)（4-6個(gè)基準(zhǔn)球）等組成，此外，底板上應(yīng)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)臂檢測的安裝座，預(yù)留使用CMM設(shè)備（FARO）的基準(zhǔn)平面及操作空間?；囊话阈问饺鐖D3所示。

圖3 基座的一般形式

2.4.2載體模型設(shè)計(jì)

載體模型：通過銷子定位，以螺栓為緊固方式進(jìn)行安裝，用于構(gòu)成完整的車身內(nèi)外表面和零部件安裝孔等裝配特征。

載體模型的結(jié)構(gòu)要求包括：

1）模塊需有獨(dú)立的定位基準(zhǔn)可供測量。

2）模塊的安裝必須定位可靠，安全鎖緊。

3）部分模塊可設(shè)計(jì)成活動式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不用拆卸模塊即可對內(nèi)外飾零件進(jìn)行匹配。

4）考慮到同一零件的不同配置在結(jié)構(gòu)和安裝方式上的差異，可根據(jù)需要將模塊設(shè)計(jì)成局部區(qū)域替換或相互獨(dú)立的形式。

5）可拆卸模塊上需配置把手便于零件的反復(fù)拆裝，可拆卸模塊的鎖緊裝置需方便擰緊。

載體模型的分塊以設(shè)計(jì)狀態(tài)的白車身、白車身閉合件的分塊方式為基礎(chǔ)進(jìn)行。當(dāng)所有載體模型的模塊在基座上拼裝完成后，應(yīng)當(dāng)可以形成一個(gè)有相當(dāng)剛度，自承載的拼裝整體，如圖4所示。一般來說，載體模型應(yīng)當(dāng)包含主要功能模塊有：前車身模塊、前壁板模塊、上車體前部模塊、前地板及門檻模塊、中地板模塊、上車體中部模塊、后地板及后門檻模塊、車尾/行李箱模塊、上車體后部模塊等。

圖4 某車型TA C檢具載體模型框架

2.4.3可拆卸標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)

可拆卸標(biāo)準(zhǔn)模塊包括四門兩蓋總成、翼子板總成、前后組合大燈、前后保險(xiǎn)杠、儀表臺、副儀表臺等，見圖5。該模塊具有互換性，既可以安裝在載體模型上檢查與周邊件的配合情況，又可以直接安裝在實(shí)車上檢查車身的焊接質(zhì)量。

圖5 某車型TA C檢具可拆卸標(biāo)準(zhǔn)模塊

可拆卸標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)與工件的重量有著直接聯(lián)系，對于不同重量的模塊設(shè)計(jì)要求也不一樣。當(dāng)工件的重量小于2 kg時(shí)，設(shè)置便于手持的挖空結(jié)構(gòu)。重量小于5 kg時(shí)，設(shè)置手柄等握持結(jié)構(gòu)。重量大于5 kg時(shí)，盡可能不采用裝拆結(jié)構(gòu)，設(shè)置成滑動或者翻轉(zhuǎn)式以便于操作。大于20 kg的會設(shè)計(jì)為起吊裝置或多人操作把手。

2.4.4聯(lián)接件設(shè)計(jì)

為了考慮通用性，螺栓、螺母外形大小一致，螺紋根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)大小而定。整個(gè)車體上與聯(lián)接件配合部分形狀大小相同。其它聯(lián)接件如鉸鏈等車身附件，根據(jù)三維數(shù)模保證一定精度銑制而成。

3 TA C檢具的加工

3.1 TA C檢具的加工方式

TAC檢具通常由數(shù)以百計(jì)的模塊組成，完成單個(gè)結(jié)構(gòu)模塊加工制造后再進(jìn)行整體組立。其中基座是由方鋼、槽鋼等焊接組成的框架，在加工完成后還需要進(jìn)行噴砂、油漆處理。載體模型和可拆卸標(biāo)準(zhǔn)模塊采用鍛鋁或鑄鋁加工，由于其對型面尺寸精度有著較高要求，主要采用CNC加工，部分復(fù)雜型面還要用到5軸加工設(shè)備。為保證加工精度，工序分為粗加工、半精加工、和精加工3道工序，后 4～5次翻面。在粗加工完后進(jìn)行消除應(yīng)力處理，其中包括人工時(shí)效處理和振動時(shí)效處理，在切削量上以少量多次為原則，減少加工過程中的應(yīng)力和變形。

3.2 TA C檢具的加工精度要求

TAC檢具不僅對單件精度有要求，而且在總裝配時(shí)，對整體裝配精度要求也十分嚴(yán)格。對于要求比較高的廠家，對A面的檢測也必須體現(xiàn)在TAC檢具測量計(jì)劃里。目前大部分精度要求如表3。

表3 TA C檢具精度要求

4 TA C檢具的檢測

4.1 精度檢測方法

TAC檢具精度主要通過三坐標(biāo)測量設(shè)備（CMM）測量相關(guān)測點(diǎn)，比較三維數(shù)模數(shù)據(jù)和實(shí)際測量數(shù)據(jù)，從而驗(yàn)證TAC檢具精度。因?yàn)闄z具在不斷的重復(fù)使用過程中，難免會因?yàn)槿藛T操作、操作環(huán)境等影響造成變差，所以對TAC檢具還需要進(jìn)行重復(fù)性和再現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)（即R&R試驗(yàn)）。

4.2 檢測內(nèi)容

TAC檢具的檢測包括單件檢測、總裝檢測和實(shí)物匹配檢測三項(xiàng)內(nèi)容。單件檢測是保證尺寸精度控制的關(guān)鍵，只有保證單件合格，才能夠保證總裝配的精度?？傃b檢測主要是測量DTS涉及的匹配面的間隙、段差?？傃b檢測時(shí)應(yīng)根據(jù)精度檢測值進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，合理分配公差以保證整體精度與間隙、面差精度的協(xié)調(diào)與合理。實(shí)物匹配是將模塊逐次更換成實(shí)物，檢查實(shí)物的裝配、定位，確認(rèn)干涉，以及實(shí)物與模塊制件的匹配，確認(rèn)功能面的問題。

5 結(jié)束語

縱觀整個(gè)汽車行業(yè)發(fā)展進(jìn)程，很多技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、尺寸工程工具都是有很大進(jìn)步的潛力。TAC檢具作為其中重要一環(huán)，有著更大的發(fā)展空間?，F(xiàn)有的TAC檢具在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用過程中仍然還面臨著某些方面的限制，例如總重大、高成本、自動化程度低等因素都限制著TAC檢具的高效開發(fā)和推廣使用。因此，我們在綜合匹配檢具的輕量化設(shè)計(jì)、成本控制、制造自動化以及使用方法創(chuàng)新等方面還有很長的路要走[4]。