基于尺寸工程的產(chǎn)品質(zhì)量控制

胡順波　馬艷艷　韋海菊

摘 要：從產(chǎn)品開發(fā)的角度看，尺寸工程以DTS為目標(biāo)，基于當(dāng)前的生產(chǎn)技術(shù)水平、工藝設(shè)計及制造精度，覆蓋從產(chǎn)品造型設(shè)計、零件結(jié)構(gòu)、工裝/工藝設(shè)計及零部件制造和裝配全過程的概念。尺寸工程在項目啟動時，制定產(chǎn)品開發(fā)的尺寸控制目標(biāo)和控制策略，通過尺寸鏈的公差分析，確定零部件尺寸公差及設(shè)計容差，從理論上確保整車質(zhì)量目標(biāo)。項目研發(fā)期間，分階段通過造車過程進(jìn)行尺寸評估及驗證，最終達(dá)到整車尺寸滿足設(shè)計目標(biāo)的過程。

關(guān)鍵詞：DTS 基準(zhǔn)一致性 三維偏差分析 功能評估

1 前言

當(dāng)前，中國汽車市場發(fā)展日趨成熟，消費者對汽車的要求已不在單純的停留在代步，人們對于汽車外型的要求也在提升，甚至整車外觀已經(jīng)成為購車者的首選考慮因素之一。而汽車外觀質(zhì)量的好壞直接反應(yīng)整車的制造水平，國內(nèi)外汽車生產(chǎn)廠已在產(chǎn)品開發(fā)中全面開展尺寸工程，并逐漸完善尺寸工程管理。

汽車制造是一個系統(tǒng)集成工程，汽車廠正在經(jīng)歷結(jié)構(gòu)設(shè)計向性能設(shè)計和車身控制的轉(zhuǎn)變，而上述兩種控制很大程度都是精度控制。汽車尺寸工程是從產(chǎn)品造型設(shè)計、零部件產(chǎn)品設(shè)計、制造工裝/工藝設(shè)計到產(chǎn)品制造及驗證精益生產(chǎn)控制全過程的概念。[1]

2 尺寸偏差的來源

乘用車由一萬多個零部件組成，整個制造過程生產(chǎn)裝配環(huán)節(jié)多。尺寸偏差的來源通常有設(shè)計偏差、零件制造偏差、裝配過程偏差和質(zhì)量檢測偏差幾個方面，尺寸偏差在制造過程中經(jīng)過傳遞和偏差累積，導(dǎo)致最終整車尺寸質(zhì)量不能滿足設(shè)計要求。尺寸公差控制和管理需要貫穿整車質(zhì)量管理全過程。[3]

尺寸偏差的來源有很多，如圖1：

3 尺寸工程在汽車開發(fā)中的應(yīng)用

尺寸工程的工作開展通常需要十個步驟：尺寸管理計劃→DTS→零部件定位策略→公差分析與優(yōu)化→GD&T圖紙→測量系統(tǒng)→測量點→功能評估→數(shù)據(jù)收集與分析→質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)。

3.1 尺寸管理計劃（DMP）：

在項目立項初期，需要定義該項目的尺寸目標(biāo)，尺寸工程的交付物內(nèi)容以及各項交付物的開發(fā)完成計劃。與項目主節(jié)點結(jié)合，整體計劃應(yīng)該確保尺寸工程交付物的按時完成。

3.2 DTS：

DTS全稱是Dimension Tolerance Specification，即整車外觀尺寸公差規(guī)范，是對整車內(nèi)外飾配合區(qū)域間隙面差的尺寸控制要求。[1]DTS是用以驅(qū)動產(chǎn)品設(shè)計、工藝過程及零件驗收等與尺寸相關(guān)的各個過程共同努力而達(dá)到和滿足客戶需求的技術(shù)要求。

DTS的設(shè)計依據(jù)：

A、對標(biāo)車數(shù)據(jù)采集對比分析

B、造型或效果圖

C、GCA

D、當(dāng)前最佳水平

E、偏差分析_設(shè)計可行性

F、歷史經(jīng)驗

G、制造水平&設(shè)備工藝投入

H、車型定位

3.3 零部件定位策略（CDLS）：

汽車零部件的裝配工序多，除零件間拼焊的公差累積外，基準(zhǔn)不統(tǒng)一導(dǎo)致的定位誤差也是尺寸偏差的重要因素之一。我們需統(tǒng)籌產(chǎn)品開發(fā)及制造工裝工藝設(shè)計上的尺寸定位，避免因設(shè)計、沖壓、焊接、工裝及檢測設(shè)備等定位基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生誤差累積，這就是零部件定位策略，又稱CDLS（Common Datum Locating Strategy）。

按照DTS要求，從尺寸角度出發(fā)，提出縮短尺寸鏈的方案，設(shè)計制定白車身工裝定位方案，門蓋工裝及調(diào)整線工具的定位等。基準(zhǔn)設(shè)計要從精度控制目標(biāo)出發(fā)，從白車身定位延續(xù)到分總成，再從分總成延續(xù)到零部件，逐層分解保證定位的一致性?；鶞?zhǔn)一致性包含了產(chǎn)品、工藝、制造、檢測全過程。

3.4 公差分析與優(yōu)化：

通過尺寸公差鏈的計算與分析，對零件及總成進(jìn)行公差驗證，改善公差設(shè)定，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和焊接、裝配工藝，以確保產(chǎn)品質(zhì)量目標(biāo)（DTS等）的實現(xiàn)。

3.4.1 尺寸鏈的計算方法：

尺寸公差的計算方法有一維偏差分析法和三維偏差分析法。在裝配關(guān)系中，總有一些相互關(guān)聯(lián)的尺寸，這些尺寸組成環(huán)連接成一個封閉尺寸環(huán)，稱為尺寸鏈。通過尺寸鏈環(huán)的計算方法是一維偏差分析方法。對于整車來說，影響整車尺寸偏差的因素多、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一維尺寸偏差分析法不能滿足整車偏差分析需求，需要通過三維偏差分析法計算，以概率統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)的數(shù)值計算方法，虛擬裝配過程并測量裝配后的尺寸。

3.4.1.1 一維偏差分析方法：

A、極值法（Limit Stacks）：

極值法又叫極大值極小值解法，通過尺寸鏈組成的封閉環(huán)，計算封閉環(huán)各增環(huán)的最大極限尺寸和各減環(huán)的最小極限尺寸的方法。極值法計算方法簡單，體現(xiàn)了組成環(huán)的極限尺寸，零部件可實現(xiàn)完全互換性。[4]

TT=T1+T2+T3….Tn

TT-Total Variation

T1，T2，T3，Tn，-Individual Component Variation

Example-pin-hole size，critical interface that affects safety

B、均方根法（RSS Root Sum Squared）：

根據(jù)概率學(xué)理念，零件的尺寸分布符合正態(tài)分布均方根法。制造生產(chǎn)不要求產(chǎn)品100%符合精度要求，允許有部分失效，從而降低制造成本。因此，以統(tǒng)計學(xué)為基礎(chǔ)的均方根法更適用于生產(chǎn)。均方根法顧名思義，就是把尺寸鏈中的各個尺寸公差求平均和，再開根號的計算方法。[4]

一維偏差分析方法一次只能計算單一方向以及線性尺寸鏈，對于空間尺寸鏈及非線性尺寸鏈無法處理。

TT-Total Variation

T1，T2，T3，Tn，Individual Component Variation

Examples--Gap and flush calculation

3.4.1.2 三維偏差分析方法：

三維偏差分析方法：采用Monte carlo方法模擬單個零件的制造。蒙特卡洛法是以概率統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)的數(shù)值計算方法，蒙特卡洛法是一種用于模擬隨機抽樣統(tǒng)計來評估計算結(jié)果的方法，體現(xiàn)了裝配的隨機性。計算結(jié)果的精確度取決與取樣的數(shù)量，取樣數(shù)量越大越具有科學(xué)性。對比一維偏差分析方法，三維偏差分析法更能處理各種復(fù)雜的情況，能通過模擬操作更真實的反映問題的原因。[4]

常用的三維偏差分析軟件有3DCS和VSA。VSA是根據(jù)零部件裝配的工藝順序，建立三維尺寸模型，并將零部件的尺寸公差輸入到尺寸模型里，通過三維仿真分析及模擬計算，反饋出尺寸偏差中的貢獻(xiàn)因子。我們經(jīng)過對貢獻(xiàn)因子的尺寸公差、工藝順序調(diào)整等方法，從理論上優(yōu)化裝配系統(tǒng)的尺寸偏差和定位方案。

3.5 GD&T圖紙：

GD&T是Geometric Dimensioning and Tolerancing 的縮寫，即“形狀與位置公差”。[1]它一種在國際上被廣泛使用的符號性工程語言，幾何地描述了產(chǎn)品的設(shè)計意圖以及為產(chǎn)品的質(zhì)量控制提供一個文件化的基礎(chǔ)。

GD&T圖紙包含圖紙設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及依據(jù)、零件基準(zhǔn)定位系統(tǒng)設(shè)計、零件尺寸公差設(shè)計及零件匹配型面零件等信息，公差設(shè)計包括尺寸公差、形位公差。

3.6 測量系統(tǒng)規(guī)劃：

規(guī)劃滿足產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量要求的檢測工具及設(shè)備，開發(fā)和完善質(zhì)量監(jiān)控手段。

3.7 功能評估：

功能評估（FE）是在產(chǎn)品驗證過程中，通過尺寸同步工程驗證方法，以尺寸控制管理為目的，建立跨部門的聯(lián)合小組。FE聯(lián)合小組需要對對前期定義（包括基準(zhǔn)、公差、DTS、測點等信息）的驗證，解決新產(chǎn)品開發(fā)時零部件配合、生產(chǎn)線裝配、過程質(zhì)量重復(fù)性&再現(xiàn)性等問題，保證產(chǎn)品在批量生產(chǎn)前整車外觀匹配狀態(tài)滿足DTS要求，零部件互換滿足生產(chǎn)質(zhì)量要求的工作模式。

FE評估分為FE1、FE2、FE3三個階段。

FE1-1：FE1-1僅適用于白車身沖壓件?？稍谀＞吖?yīng)商處進(jìn)行。評估方式為：在沖壓件檢具上評估全工裝試模零件的可接受性。

FE1-2：FE1-2僅適用于分總成零件及白車身，可使用由模具供應(yīng)商或零部件供應(yīng)商FE1-1評估整改后的試模零件拼成的分總成及白車身。評估方式為：經(jīng)過FE1零件整改，評估分總成零件在檢具上的質(zhì)量表現(xiàn)及其可接受性，焊接成白車身的質(zhì)量表現(xiàn)及可接受性。

FE2：FE2適用于白車身以及外觀匹配的內(nèi)、外飾零件，需求零件為全工裝狀態(tài)。評估方式為：整車檢具評估的可接受性，零件拼成的整車的可接受性。

FE3適用于白車身及內(nèi)外飾零件。使用零件供應(yīng)商按正常生產(chǎn)設(shè)備、工藝、節(jié)拍、測量系統(tǒng)連續(xù)制造（25件）的零件。評估方式為：整車檢具評估的可接受性，零件拼成的整車的可接受性。

3.8 數(shù)據(jù)收集與分析：

數(shù)據(jù)采集的方法有很多，有零部件檢測數(shù)據(jù)，白光/藍(lán)光掃描數(shù)據(jù)，CMM測量數(shù)據(jù)，在線測量工具等。將各個渠道中獲得的偏差、波動數(shù)據(jù)電子化，并進(jìn)行統(tǒng)計分析，監(jiān)控整個制造過程，快速發(fā)現(xiàn)和控制質(zhì)量缺陷。

4 結(jié)語

本文闡述了尺寸工程在汽車開發(fā)中工作方法、流程等，尺寸工程在產(chǎn)品開發(fā)過程中扮演著很重要的角色，它貫穿整個產(chǎn)品開發(fā)過程，通過定位/基準(zhǔn)設(shè)計、尺寸鏈計算、模檢夾的設(shè)計、FE驗證、測量系統(tǒng)監(jiān)控計等，減少不必要的變更，降低開發(fā)成本。新產(chǎn)品開發(fā)，通過尺寸工程優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、收集并搭建尺寸偏差分析數(shù)據(jù)庫、制定尺寸測量控制系統(tǒng)，統(tǒng)籌控制從零部件到整車尺寸精度，提升整車制造水平。[1]

參考文獻(xiàn)：

[1]安珂，李金山，李彥賀，鮑磊.淺談尺寸工程在汽車開發(fā)中的應(yīng)用.工藝裝備，2018（08）：109-111.

[2]朱啟維，穴洪亮，吳貴新.尺寸工程在汽車內(nèi)外飾零件開發(fā)中的應(yīng)用.機電技術(shù)，2017（02）：114-115，120.

[3]楊鳳兵.簡析汽車白車身尺寸精度控制方法.時代汽車，2017（07）：99-101.

[4]張爭，曾心延，黃高翔.基于三維偏差分析技術(shù)的零件尺寸優(yōu)化.裝配制造技術(shù)，2017（06）：166-170.