產(chǎn)品約束體系對檢具開發(fā)和產(chǎn)品尺寸檢測的影響

劉慶上

(南京塔塔汽車零部件系統(tǒng)有限公司,江蘇南京 211102)

0 引言

在汽車車身、飾件的開發(fā)中，產(chǎn)品的尺寸檢測是非常重要的一環(huán)。產(chǎn)品開發(fā)時所有與尺寸的有關(guān)要素都涉及檢具。例如在開發(fā)流程上有尺寸認可報告，這是開發(fā)供應(yīng)商提供給客戶的關(guān)鍵文件。在實際開發(fā)時，檢具更是產(chǎn)品的尺寸檢驗的一把特殊的尺子，工程師要用它對產(chǎn)品進行測量以便對產(chǎn)品進行改進。在生產(chǎn)中，更是質(zhì)量控制的重要手段之一。所以檢具的設(shè)計與開發(fā)是產(chǎn)品尺寸檢測的前置開發(fā)內(nèi)容之一。

但是對于這樣重要的工具，在實際開發(fā)中，由于對產(chǎn)品的約束體系不能正確把握而導(dǎo)致檢具開發(fā)(甚至要追溯到產(chǎn)品的開發(fā)體系)出問題的情形時有發(fā)生。主要有以下表現(xiàn)：

(1)產(chǎn)品缺少定位，導(dǎo)致檢具開發(fā)無所適從。

(2)檢具開發(fā)不能較好模擬產(chǎn)品的連接和緊固形式。

產(chǎn)品在檢具的安裝狀態(tài)(即后文所說的產(chǎn)品檢具狀態(tài))有兩個極端表現(xiàn)：檢具開發(fā)過度使用約束導(dǎo)致產(chǎn)品的檢具狀態(tài)過于“優(yōu)秀”，約束不足則導(dǎo)致產(chǎn)品不合格。

(3)拋開檢具而過分強調(diào)產(chǎn)品的自由狀態(tài)。

以上的3條既有產(chǎn)品開發(fā)者的問題，也有檢具開發(fā)者理解產(chǎn)品約束不徹底所導(dǎo)致的問題。

1 檢具與測量介紹

1.1 檢具的基本構(gòu)成

在討論產(chǎn)品與檢具的影響前，先對要涉及的檢具稍作介紹。圖1為檢具示意圖。檢具大致包括檢具的支撐部分與檢測模塊，還有一些其他輔助結(jié)構(gòu)以及必要的附件。

圖1 檢具示意

檢具底板是屬于檢具自身的支撐構(gòu)件，如圖2和圖3所示，是整個檢具的支撐底座，是檢具的安裝基礎(chǔ)，也是檢具加工的基準。

檢具檢測基準(小型的檢具一般3～4個)屬于檢測模塊，其作用是產(chǎn)品測量時用于三坐標設(shè)備找正或識別檢具的車身三坐標體系，在檢具交付使用時的尺寸檢驗也用到此基準。

檢具模擬塊屬于檢測模塊，如圖2和圖3所示，是對產(chǎn)品的輪廓或外形的模擬，用以檢測產(chǎn)品的輪廓尺寸，而負責(zé)孔位置度檢測的有位置度銷(分為主基準與子基準)如圖3所示。

圖2 檢具剖面示意

夾鉗負責(zé)固定產(chǎn)品，在檢具中代表對產(chǎn)品約束的模擬，夾鉗只是諸多形式之一。

除了以上所說這些，還有模擬產(chǎn)品安裝的其他構(gòu)件(屬于產(chǎn)品的支撐與安裝構(gòu)件)。如產(chǎn)品基準銷的安裝孔(圖2)。在檢具上還有負責(zé)移動的吊環(huán)、汽車整車坐標的百位線等其他機構(gòu)或標識，與文中關(guān)系不大，從略。

在圖2和圖3中給了其剖面圖。在該圖中展示了產(chǎn)品安裝在檢具上的狀態(tài)。

1.2 產(chǎn)品的測量要素

產(chǎn)品固定在檢具上之后，要實現(xiàn)的測量無非是產(chǎn)品的形位公差。在汽車的車身或者內(nèi)外飾的塑料件中，最常用的主要有輪廓度和位置度兩種。在飾件專業(yè)所發(fā)布的圖紙中，集成度比較高的主機廠關(guān)心的是間隙和面差，如圖2所示。這在檢具上主要是靠檢具的模擬塊來實現(xiàn)的。檢具模擬塊給相關(guān)人員以直接的視覺顯示，給出來的是尺寸鏈累積下的最終結(jié)果。如果想知道具體的測量值，可以通過間隙測量而測得，也可以通過三坐標設(shè)備工具進行測量。最終間隙與面差體現(xiàn)在產(chǎn)品上基本都是輪廓度。對于位置度，檢具上也可以用位置度(孔、銷特征)等進行模擬測量，如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品位置度檢測示意

1.3 檢具復(fù)雜度

有一類簡易檢具，只提供產(chǎn)品必要的固定、約束，沒有復(fù)雜的模擬塊，這種檢具大多只能配合三坐標設(shè)備進行測量，優(yōu)點是制作成本比較低，這種檢具常被習(xí)慣地稱為測量支架。若想讓檢具發(fā)揮更大的作用，常常要帶模擬塊和其他位置度檢測銷等機構(gòu)或構(gòu)件。

對于容易拆分且自身約束健全的零部件，都可以做檢具。在檢具初期可以制定相應(yīng)的清單和方案，以達到檢具數(shù)量較少而作用比較大的情形。這就需要前期就進行一定的規(guī)劃。

2 檢具開發(fā)的基本原則

檢具制作的基本原則是檢具設(shè)計應(yīng)盡可能地模擬產(chǎn)品的真實安裝環(huán)境。這一條原則是從產(chǎn)品的使用角度對檢具設(shè)計提出的基本要求。應(yīng)與純粹的檢具自身的設(shè)計原則進行區(qū)分。比如檢具應(yīng)便于移動等等，不是文中要討論的內(nèi)容。

2.1 產(chǎn)品約束體系對檢具開發(fā)的影響

(1)檢具給產(chǎn)品提供的定位應(yīng)拷貝或參考原設(shè)計關(guān)系

在不對檢具設(shè)計方案造成重大影響的情況下，應(yīng)盡可能地用原產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)系。在圖2中，與產(chǎn)品的定位銷配合的孔特征本來屬于周邊零件(圖4)，在檢具中其孔的特征被檢具繼承(圖4中只體現(xiàn)了一個產(chǎn)品定位銷，關(guān)于產(chǎn)品體系的知識，可參考相關(guān)文獻 [1]，若是完全嚴格拷貝，以圖4中產(chǎn)品的定位銷為例，檢具的模擬定位銷的金屬塊也應(yīng)將周邊件鈑金孔的厚度考慮進去，很顯然，圖2并不是這樣的，由于塑料產(chǎn)品常常有拔模，所以圖2所示的檢具結(jié)構(gòu)也是允許的，這是一種檢具的方便處理)。同時檢具的孔徑也應(yīng)嚴肅地對待。

圖4 實際產(chǎn)品與周邊件的關(guān)系

在檢具設(shè)計中，檢具的孔徑有自己的算法。在特殊情形下，產(chǎn)品工程師、檢具工程師應(yīng)與檢具設(shè)計開發(fā)者商討其技術(shù)細節(jié)，以適應(yīng)后期的產(chǎn)品開發(fā)、檢測工作(產(chǎn)品開發(fā)中，定位銷有可能會做微調(diào))。

(2)檢具給產(chǎn)品提供的約束安裝應(yīng)盡可能參考原設(shè)計

對于同一樣產(chǎn)品來說，不同的約束系統(tǒng)，其表現(xiàn)可能完全不同。這些有性能的表現(xiàn)，如安裝與固定點增多，可以提高產(chǎn)品整體模態(tài)；有產(chǎn)品尺寸方面的表現(xiàn)，如產(chǎn)品固定點多，安裝尺寸更容易保證。當(dāng)然，無形中有可能(不是一定)也增加了成本。那種不考慮安裝狀態(tài)的想法是比較危險的。這個情形的一個極端便是過度考慮產(chǎn)品的自由狀態(tài)(畢竟，沒有約束也是一種安裝狀態(tài))，在文中會進行解釋。

參考意味著實際中會有變通。在這一點上定點與緊固是共通的。實際中的螺栓點在檢具設(shè)計時可以用夾鉗或其他類似的結(jié)構(gòu)來代替，這倒不是說螺栓的鎖緊值與夾鉗的固定力分毫不差，而是因為它們對產(chǎn)品的約束效果來說都足夠了，也就意味著檢具可以用某一個機構(gòu)代替產(chǎn)品的約束，畢竟檢具也要考慮使用方便與經(jīng)濟性，檢具只是給產(chǎn)品提供了一個模擬的環(huán)境。在圖4中，產(chǎn)品用螺栓固定，此螺栓的固定方法在檢具中可由不同的類型的強力固定裝置代替，最好的方式是檢具中也用類似的螺栓擰緊。

2.2 檢具設(shè)計所需的產(chǎn)品信息技術(shù)輸入

在不對檢具設(shè)計方案造成重大影響的情況下，應(yīng)盡可能地用原產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)系。這就表明2D圖紙是檢具開發(fā)早期的必要前置輸入的技術(shù)文檔之一。但這常常還不夠，在進行檢具設(shè)計時，無論是為了幫助檢具開發(fā)者理解圖紙，還是為了方便檢具的設(shè)計，給檢具開發(fā)者提供必要的周邊3D數(shù)據(jù)是必要的。這常常是主機廠工程師所不能理解的地方——為什么在一個純制造項目中，該產(chǎn)品的制造商常常要索取其所制造零件或系統(tǒng)的周邊數(shù)據(jù)。文中當(dāng)然不能排除，在一些情況下，一張完善的2D圖紙就足夠了。

3 產(chǎn)品約束的重要性以及對檢具開發(fā)的意義

對產(chǎn)品約束體系的重要性無論如何強調(diào)都不算過分，除了其中產(chǎn)品裝配的作用，對于檢具開發(fā)的作用也意義重大。這里不妨從相反的方面探討一下，這是工作開發(fā)中常遇到的問題，出現(xiàn)頻次較高且影響較大。

3.1 產(chǎn)品定位不合理

由于產(chǎn)品圖紙已經(jīng)有了較為完善的基準，所以檢具設(shè)計只需要抽取相應(yīng)技術(shù)信息，做出定位結(jié)構(gòu)即可，但工作中并非如此簡單。有許多設(shè)計公司錯誤地使用了定位概念，導(dǎo)致產(chǎn)品無基準可用，于是檢具設(shè)計就陷入了兩難境地。由于原產(chǎn)品定位不足[2-3]，若是按照產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)檢具，產(chǎn)品放在檢具上，將會出現(xiàn)竄動情況(這和裝在車上的趨勢是一樣的)，這樣對于高精度測量必定無法滿足。若是檢具設(shè)計工程師自己找一個基準體系進行檢具設(shè)計，這樣對于產(chǎn)品的檢測是可以進行的，但是這樣做的結(jié)果是不能反映實際無基準的情況。避免此問題最佳的手段，就是產(chǎn)品上要有合理的基準，而不是隨便指定一個基準。如果不懂得定位體系，這樣既無法設(shè)計出合格的裝配產(chǎn)品系統(tǒng)，對夾具等加工過程中出現(xiàn)的工裝問題也必然無法理解，當(dāng)然也談不上正確地開發(fā)設(shè)計。這就是前文提到的缺少基準，讓人無所適從的問題。

檢具工程師也會犯同樣的錯誤，沒有遵循檢具開發(fā)的基本原則。一個完善的產(chǎn)品卻設(shè)計出來一個不好用的檢具，不能起到應(yīng)有的檢測作用。常常會導(dǎo)致產(chǎn)品在裝車時并沒有問題，而在檢具上的檢測卻是不合格的。

由于更改會涉及產(chǎn)品體系以及產(chǎn)品的模具和檢具的更改，這會產(chǎn)生經(jīng)濟及時間成本，若多次進行更改而無效的話，產(chǎn)品開發(fā)的隱性成本將變得極大。

3.2 檢具設(shè)計的連接點設(shè)計不當(dāng)

產(chǎn)品連接點有很多類型：塑料卡扣、螺栓等。檢具可以對一些對手件進行模擬，而另一些則不易模擬。檢具的實質(zhì)是盡量模擬安裝環(huán)境，暴露出開發(fā)中的問題，所以有幾個固定點，在檢具上就會出現(xiàn)相應(yīng)的固定點，作用只要和實際相當(dāng)即可。大多數(shù)情況下，這是沒有問題的。不過在特殊情況下，就要小心了。比如實際中使用的是與產(chǎn)品注塑一體化的卡扣(SNAP)結(jié)構(gòu)[4]。檢具設(shè)計以夾鉗代替這種卡扣，會使得產(chǎn)品在檢具上的表現(xiàn)大大優(yōu)于實際。在實車上裝配產(chǎn)品，卡扣的固定力比較小，固定不住產(chǎn)品，產(chǎn)品出現(xiàn)翹起情況，而檢具上卻由于夾鉗力很大，將產(chǎn)品強行固定住，測量結(jié)果是合格的，這就出現(xiàn)了差異，影響了對產(chǎn)品實際情況的判斷。對這種差異要小心評估。

實際中檢具的過度約束常常會被濫用，也就是說檢具上存在著大量產(chǎn)品上的不存在的約束(若有特殊原因除外)。

4 產(chǎn)品的安裝狀態(tài)探討

為了進一步闡明產(chǎn)品的約束作用以及與檢具在檢測工作中的作用，這里補充說明兩個概念：產(chǎn)品的檢具狀態(tài)與自由狀態(tài)。

在工程開發(fā)中，有許多工程師對于產(chǎn)品的自由狀態(tài)的變形極為在意，這本身沒有太大的問題，但有一些開發(fā)者走向了極端，過度關(guān)注自由狀態(tài)，甚至到了脫離產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境而單純地追求自由狀態(tài)，對產(chǎn)品的認可造成了很多困惑。

如果工藝能將產(chǎn)品做到幾乎沒有變形，那么產(chǎn)品開發(fā)任務(wù)就相當(dāng)簡單了。因為如果這樣，無論如何設(shè)計，工藝能力都將極為富余，所以不會因為產(chǎn)品變形的問題而增加不必要的約束點，但這是一個不太可能的事實。在當(dāng)前競爭極為殘酷的情形下，工藝能力往往都是不足的(這也意味著合理的約束設(shè)計是降低了工藝難度的)。最關(guān)鍵的一個事實是，對于柔性相當(dāng)大的塑料產(chǎn)品，其自由狀態(tài)其實也不存在，只存在于想象之中。對于一個剛性較好的產(chǎn)品，將產(chǎn)品放置在工作臺上，變形可以忽略不計。即使沒有檢具，如果有較好的特征存在(如平面)，也可以以此為基準，在三坐標下進行測量(由于這種測量方式不在檢具上，測量精度也是打折扣的)。因為三坐標是可以進行臨時的基準模擬的。但是一個柔性的大產(chǎn)品，如儀表板、保險杠放在地上，會由于自重引起變形而導(dǎo)致尺寸不再準確。那么準確的產(chǎn)品何在？

4.1 產(chǎn)品的檢具安裝狀態(tài)

產(chǎn)品在檢具上定位安裝好以后，稱之為產(chǎn)品的檢具狀態(tài)。如果檢具的設(shè)計較為合理，那么產(chǎn)品在檢具上的狀態(tài)基本上可以認為是在車身安裝好的狀態(tài)最好的反映。不過，車身狀態(tài)下用的件都是實際產(chǎn)品，所以會導(dǎo)致偏差出現(xiàn)。為了找出到底誰對問題貢獻度比較大而制作了檢具，這也是檢具存在的意義之一。通常認為，產(chǎn)品在檢具上合格，此產(chǎn)品也就達到了事前定義的設(shè)計狀態(tài)。但有時即使達到了檢具上的測量要求，實際總成仍然存在著尺寸問題。造成這種情況的原因有很多，比如有時候是由于檢測者提出更嚴格的要求，屬于偏主觀的現(xiàn)象;有時候是由于事前開發(fā)定義的尺寸不夠合理。由于產(chǎn)品的復(fù)雜性，即使很有經(jīng)驗的工程師也無法事前杜絕這種現(xiàn)象。從做一個合格產(chǎn)品的大目標來說，在實際中大都會選擇進一步調(diào)整使得產(chǎn)品合格，這可能意味著新的精力與經(jīng)濟投入，這已經(jīng)不屬于文中的探討范圍。

即使將來出現(xiàn)重新定義產(chǎn)品精度的情形，檢具依舊是最好的參考標準。

4.2 產(chǎn)品的自由狀態(tài)

產(chǎn)品的自由狀態(tài)是指產(chǎn)品在沒有安裝定位情形下的狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，產(chǎn)品呈現(xiàn)了自由的變形狀態(tài)。這種變形看起來似乎主要由工藝水平?jīng)Q定。實際是大的產(chǎn)品，其變形程度也和如何放置、支撐有一定的關(guān)系，如隨手擺在地上，每次的變形都不一樣，甚至相差相當(dāng)大。

但是基于產(chǎn)品的設(shè)計，正是基于各種真實產(chǎn)品的需要和可能出現(xiàn)的問題進行設(shè)計的。工藝可行性就是基本的考慮因素之一。有經(jīng)驗的設(shè)計工程師會根據(jù)經(jīng)驗對產(chǎn)品變形進行一定的預(yù)測，從而做出相應(yīng)的設(shè)計，所以設(shè)計可以彌補工藝的不足。在產(chǎn)品進行檢測時，是基于產(chǎn)品的檢具狀態(tài)做出測量。過分強調(diào)產(chǎn)品的自由狀態(tài)是沒有實際意義的。

(1)根本不存在所謂標準的自由狀態(tài)。對于大的塑料件產(chǎn)品，如儀表板、保險杠，擺放方式不同，在自身質(zhì)量的影響下，每種狀態(tài)下的產(chǎn)品狀態(tài)相差很大。在這種情況下，自由狀態(tài)的實際意義大打折扣。如假設(shè)下面一個所謂的數(shù)模設(shè)計狀態(tài)，如圖5(a)所示；豎直放置的變形，如圖5(b)所示；而橫放，其自重變形又如圖5(c)所示。其變形不但很大，而且變形趨勢不同。只有對于強度很高的零件，去測自由變形是有意義的。這里并不是完全否定自由狀態(tài)，這主要看目的是什么。有理由相信，如果沒有重力等外力因素影響，是存在一個所謂自由狀態(tài)，并且在這個“假想”的自由狀態(tài)下，產(chǎn)品做得越準確，越靠近3D數(shù)據(jù)，此時把產(chǎn)品放在檢具上，產(chǎn)品的外形尺寸也就越準確。

圖5 柔性塑料件在不同放置方式下的變形趨勢

(2)即使真要考慮自由狀態(tài)，將產(chǎn)品放置在檢具上，也是最佳的選擇。

因為產(chǎn)品在安裝情況下所展示的變形既是最真實的變形狀態(tài)之一，也是最靠近使用狀態(tài)的情形?？疾飚a(chǎn)品的變形時，將它置于產(chǎn)品的安裝狀態(tài)合情合理，符合工程實際。這時的自由變形由于接近實際狀態(tài)，對于變形評估也是最有意義的。

通過以上討論可知，不同的約束與放置類似于產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)發(fā)生了改變。

5 結(jié)束語

通過文中的討論，進一步深化對產(chǎn)品約束體系的了解。不同的約束將影響產(chǎn)品的性能，更影響產(chǎn)品的尺寸，也影響后期開發(fā)的產(chǎn)品檢測工作以及高質(zhì)量的交付能力，完善的約束體系減輕工藝壓力，提高了工藝窗口。約束體系的合理布局完全有可能在不增加成本的情況下進行，最終帶來的是產(chǎn)品開發(fā)的效率提高及隱性成本的極大降低。

這一部分知識同樣適用于檢具開發(fā)。如果不了解這些知識，對于工裝夾具等開發(fā)也會帶來很多問題。這不僅給開發(fā)帶來困擾，也給工程進度、開發(fā)成本帶來影響。