论文部分内容阅读
【摘 要】零部件装配挡孔问题是整车装配中的常见问题之一，文章以某车型摆臂横梁装配挡孔问题为例，提出了分析并解决该问题的思路。一方面通过均方根及蒙特卡洛尺寸统计分析方法，分析影响摆臂横梁总成装配挡孔的主要因素，并对摆臂横梁总成的装配尺寸及公差进行优化，另一方面结合实际制造情况，对零件定位方案进行调整，并通过优化工装，提升了车身摆臂横梁的安装点位置精度，从而解决了某车型摆臂横梁总成安装挡孔的问题。
【关键词】定位策略；摆臂横梁总成安装；尺寸优化设计
【中图分类号】U466 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）06-0054-04
0 前言
在汽车制造过程中，由于零部件尺寸偏差及工艺、工装等制造技术水平的限制，车身普遍存在制造偏差，从而影响整车的装配性。如何对现有装配工艺、工装进行优化和调整，提升车身精度和满足整车装配性，以及如何合理设计零部件定位策略、装配尺寸及公差就显得尤为重要。工艺、工装的优化可以通过使用检具、三坐标测量机（Coordinate Measuring Machine，CMM）[1]等工具，分析零部件及车身的尺寸偏差，并结合焊接过程进行具体分析和优化调整。零部件装配尺寸及公差合理性通过容差分配方法进行分析，目前常用的容差分配方法主要有均方根及蒙特卡洛尺寸统计分析方法。容差分配是新车型开发的关键核心技术之一，它根据车身装配的特点，期望满足完全互换，综合考虑制造工艺性，即组成部件的零件结构及成型或焊装的复杂程度，从而确认每个零组件制造时允许偏差的过程[2]。容差分析不仅适用于分析后期造车问题，在产品设计初期也可以使用该方法进行分析，优化产品设计，从而有效地避免后期制造问题的出现，大大缩减后期整改成本及时间。
1 问题背景
某车型摆臂横梁总成存在与白车身挡孔问题，严重影响装配，增加了返修成本，影响了整车质量。摆臂横梁总成通过孔B、C、D1～D4装配到白车身，如图1所示。B为主定位孔，孔径大小为φ12.5 mm，尺寸公差为0～+0.1 mm，位置度为0；C为次定位，Y方向为长孔，尺寸大小为13.5 mm×15.5 mm，尺寸公差为0～+0.1 mm，位置度为±0.025 mm；D1孔为φ16 mm的安装过孔；D2孔为φ14 mm的安装过孔；D3孔为16 mm×17.5 mm的安装过孔；D4孔为13.5 mm×15.5 mm的安装过孔；D3、D4为Y方向长孔，D1～D4孔尺寸公差均为0～+0.2 mm，位置度为±0.75 mm。摆臂横梁焊合总成装配到白车身上的顺序为B→C→D，B、C、D2、D4安装螺栓均为M12，D1、D3安装螺栓均为M14。摆臂横梁焊合总成上对应的安装螺母位置度为±0.75 mm，白车身上相应安装螺母位置度为±1.2 mm。在操作人员完全按照装配工艺操作的情况下，摆臂横梁焊合总成安装仍然出现挡孔和无法装配的问题。因此，需要对以上设计及制造过程进行分析，确定其设计是否合理及零件、白车身尺寸精度是否达到设计要求并制定提升措施（本文仅对B、C、D2、D4安装孔及车身对应的安装点进行分析，D1、D3原理相同）。
2 问题分析方法阐述
2.1 零件尺寸精度检测
根据摆臂横梁尺寸公差（Global Dimensioning and Tolerancing，GD&T）图纸要求和白车身尺寸控制图，分析摆臂横梁总成安装孔在检具上的检测数据、白车身摆臂横梁总成安装螺母孔的CMM测量数据。检测各总成位置精度包括摆臂横梁总成安装孔位置精度、白车身摆臂横梁总成安装螺母孔位置精度。
2.1.1 擺臂横梁总成安装孔位置精度
摆臂横梁安装孔GD&T图纸要求位置精度为±0.75 mm，通过使用检具检测摆臂横梁总成安装孔的位置偏差，现场随机抽查20套零件，分别上检具检测，结果显示，零件安装孔及安装型面均在±0.5 mm范围内波动，满足设计要求。
2.1.2 白车身摆臂横梁总成安装螺母孔位置精度
白车身摆臂横梁总成安装螺母孔的位置精度要求为±1.2 mm，CMM测量数据如图2所示，序号12、25代表白车身摆臂横梁总成左、右共4处安装螺母的孔位偏差信息，从该数据可以确认白车身摆臂横梁总成安装螺母孔（序号12、25）位置Y方向偏差在±1.5 mm范围内波动，不符合设计要求。因此，我们可以确认白车身摆臂横梁总成安装螺母孔位置精度超差为装配挡孔原因之一，需要提升白车身摆臂横梁总成安装螺母孔位置精度。
白车身摆臂横梁总成安装螺母孔的位置精度影响因素有以下几点。
（1）前大梁总成焊接过程（焊接工艺或者工装）产生变异，导致安装螺母孔位置超差。前大梁焊合总成在检具上检测摆臂横梁总成安装螺母孔位置精度符合GD&T图纸要求（±0.75 mm）。
（2）前车体焊接过程（焊接工艺或者工装）产生变异，导致安装螺母孔位置超差。
（3）相关焊接零件不匹配，导致安装螺母孔位置超差。由上述因素可知，前大梁焊合总成在检具上检测摆臂横梁总成安装螺母孔位置精度合格，排除影响因素1和因素3中的单件不匹配问题。因此，重点分析前车体焊接过程中零件匹配和焊接工艺、工装的变异。结合现场造车，检查零件匹配状态、焊接工艺、工装，发现这个位置偏差是前车体2#工位焊接前隔板时引起的。至此，白车身摆臂横梁总成安装螺母孔位置Y方向偏差问题产生的原因明确。
2.2 设计方案分析
2.2.1 零件定位方案分析
由图2的白车身CMM数据可以看出，前大梁焊合总成上摆臂横梁焊合总成的定位螺母孔B、C（序号为25的左、右2处测点）比安装螺母孔D2、D4（序号为12的左、右2处测点）位置偏差大。原因在于前大梁A与中大梁及支撑板A都是Y方向的配合面，导致测点25（如图2所示）的尺寸链长。焊接过程中每个单件冲压件Y方向配合面的尺寸偏差都会影响螺母孔的位置精度。但是仅通过提升零件的位置精度满足装配要求，需要增加成本，而且影响效率。因此，我们可以通过调整零件定位系统，将精度相对更高、更容易控制的位置作为装配定位孔，从而降低装配挡孔的概率。 2.2.2 零件尺寸设计合理性分析
均方根法及蒙特卡洛统计分析方法是目前常用的两种容差分析方法。接下来分别通过这2种方法，分析摆臂横梁焊合总成安装孔尺寸设计的合理性并进行优化。
2.2.2.1 均方根法
均方根法，又称概率法，假设装配各组成环的尺寸公差均服从正态分布，该方法只能分析一维装配偏差，是单方向的公差累积尺寸链计算方法[3]。计算表达式如下：
x 其中，n为装配零件数，Ti为各装配零件偏差，TOL为最终装配偏差。通过尺寸链计算，判断尺寸链中各组成环尺寸的变动量对封闭环尺寸变动量的影响，也就是分析组成环尺寸的偏差累积是否超出规定的范围。该计算方法简单易行，能够快地速进行分析，是常用的分析方法之一。
摆臂横梁焊合总成安装孔主要是Y方向挡孔，因此通过均方根法计算Y方向的偏差累积是否能满足装配需求。摆臂横梁焊合总成与白车身安装孔Y方向孔位装配偏差的尺寸链如图3所示，其中A为装配偏差，1、2、3为该尺寸链组成环，白色圈表示摆臂横梁焊合总成安装过孔，黑色圈表示白车身上相应安装螺母。组成环1为白车身左前大梁安装螺母位置度（±1.2 mm）；组成环2为白车身右前大梁安装螺母位置度（±1.2 mm）；组成环3为摆臂横梁焊合总成安装孔位置度（±0.75 mm）。
根据均方根的计算方法，计算得装配偏差A==±1.9 mm。为避免装配挡孔，前轴安装孔在Y方向尺寸至少为12+2×1.9=15.8 mm。原设计D4安装孔Y方向尺寸为15.5 mm，不满足装配需求。因此，根据均方根计算结果，D4安装孔Y方向尺寸至少需更改为15.8 mm。
2.2.2.2 蒙特卡洛模拟法
蒙特卡洛模拟法，也称计算机随机模拟方法，是一种基于“随机数”，通过建立误差概率模型，模拟产品装配过程进行大量随机试验，实现精准的公差分析的一种方法。该方法需要借助计算机模拟软件，操作相对复杂，但计算结果相对精准。本文借助VSA三维偏差分析计算机软件，模拟分析某车型前轴焊合件与白车身装配挡孔问题。
（1）模型创建。采用VSA进行偏差分析，首先需要创建模型。根据零件装配顺序创建模型树，由于摆臂横梁焊合总成装配到白车身上，因此在创建模型树时需先创建白车身，再创建摆臂横梁焊合总成。然后根据装配工艺，创建各零件特征，并根据摆臂横梁焊合总成与白车身设计图纸确定尺寸及形位公差。摆臂横梁焊合总成尺寸及公差如图1所示，白车身安装螺母为M12，安装螺母位置度及安装型面公差均为±1.2 mm。在该软件中输入摆臂横梁焊合总成及白车身的尺寸及形位公差要求。根据零件的装配关系及装配位置，创建装配操作，完成装配操作定义后，分析模型的整体框架已基本搭建完成。由于摆臂横梁焊合总成挡孔概率测量发生在零件装配以后，所以装配操作完成以后，再创建测量操作。
（2）仿真分析及计算结果。模型创建完成以后，进行仿真分析。由于摆臂横梁焊合总成与白车身装配模型比较简单，该案例进行了2 000次仿真计算，计算D4安装过孔与白车身的挡孔概率。计算结果如图4所示。
结果显示，摆臂横梁焊合总成D4安装孔与白车身装配的挡孔概率达2%，需要进行优化提升。仿真分析结果的贡献因子中排在前几项的，为影响结果的主要因素。该报告结果显示，白车身安装螺母的位置度及摆臂横梁安装孔的位置度是影响挡孔的主要因素。因此，需要提升白车身精度及摆臂横梁尺寸精度来解决装配挡孔问题。在现有制造水平下，白车身安装螺母位置度控制在±1.2 mm的范围内，很难再继续提升；而摆臂横梁结构简单，位置度可由目前要求的±0.75 mm提升到±0.5 mm。因此，我们将摆臂横梁焊合总成安装孔位置度调整到±0.5 mm，同时将摆臂横梁焊合总成D4孔的尺寸调整为13.5 mm×16 mm的长圆孔。调整后，再进行仿真模拟分析计算，摆臂横梁焊合总成D4安装孔与白车身装配的挡孔概率降低为0.35%，满足装配需求。
2.3 措施制定
（1）对于白车身总成的摆臂横梁焊合件安装螺母位置偏差，通过分析焊接过程发现左、右前大梁焊合总成的螺母孔主要是在前车体2#工位焊接前隔板时引起。因此，我们在该工位增加工装焊接辅佐定位销定位孔13（如图2所示），提升摆臂横梁焊合件安装螺母位置精度。
（2）通过分析白车身CMM数据，对于主定位安装螺母孔位置偏差大的问题，调整摆臂横梁焊合件定位系统，原D2、D4安装孔调整为B、C定位孔，降低挡孔风险。
（3）通过尺寸统计分析方法及零件尺寸状态，对摆臂横梁焊合总成的安装孔尺寸大小及公差进行调整和优化，D4安装过孔尺寸大小调整为14.5 mm×16 mm的长圆孔，D4孔的位置度控制在±0.5 mm的范围，理论上可满足装配需求，降低挡孔风险。
3 结论
本文对摆臂横梁总成装配挡孔问题进行了分析，首先对装配零件的尺寸精度进行检测，确保零件符合设计公差要求；其次根据实际制造过程对零件装配定位方案进行优化调整；最后通过使用尺寸容差设计中的均方根及蒙特卡洛分析方法，分析零部件装配尺寸设计的合理性并进行优化，从而满足装配需求，解决了摆臂横梁装配挡孔问题。
参 考 文 献
[1]王俊杰.白车身尺寸检测技术及数据应用研究[J].企业科技与发展，2015（8）.
[2]勾治踐.容差分配技术在轿车车身设计中的应用研究[J].汽车工程，2009（31）.
[3]蓝先.一维偏差分析在汽车整车设计中的应用及发展趋势[J].装备制造技术，2006（2）.
[责任编辑：钟声贤]
【关键词】定位策略；摆臂横梁总成安装；尺寸优化设计
【中图分类号】U466 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）06-0054-04
0 前言
在汽车制造过程中，由于零部件尺寸偏差及工艺、工装等制造技术水平的限制，车身普遍存在制造偏差，从而影响整车的装配性。如何对现有装配工艺、工装进行优化和调整，提升车身精度和满足整车装配性，以及如何合理设计零部件定位策略、装配尺寸及公差就显得尤为重要。工艺、工装的优化可以通过使用检具、三坐标测量机（Coordinate Measuring Machine，CMM）[1]等工具，分析零部件及车身的尺寸偏差，并结合焊接过程进行具体分析和优化调整。零部件装配尺寸及公差合理性通过容差分配方法进行分析，目前常用的容差分配方法主要有均方根及蒙特卡洛尺寸统计分析方法。容差分配是新车型开发的关键核心技术之一，它根据车身装配的特点，期望满足完全互换，综合考虑制造工艺性，即组成部件的零件结构及成型或焊装的复杂程度，从而确认每个零组件制造时允许偏差的过程[2]。容差分析不仅适用于分析后期造车问题，在产品设计初期也可以使用该方法进行分析，优化产品设计，从而有效地避免后期制造问题的出现，大大缩减后期整改成本及时间。
1 问题背景
某车型摆臂横梁总成存在与白车身挡孔问题，严重影响装配，增加了返修成本，影响了整车质量。摆臂横梁总成通过孔B、C、D1～D4装配到白车身，如图1所示。B为主定位孔，孔径大小为φ12.5 mm，尺寸公差为0～+0.1 mm，位置度为0；C为次定位，Y方向为长孔，尺寸大小为13.5 mm×15.5 mm，尺寸公差为0～+0.1 mm，位置度为±0.025 mm；D1孔为φ16 mm的安装过孔；D2孔为φ14 mm的安装过孔；D3孔为16 mm×17.5 mm的安装过孔；D4孔为13.5 mm×15.5 mm的安装过孔；D3、D4为Y方向长孔，D1～D4孔尺寸公差均为0～+0.2 mm，位置度为±0.75 mm。摆臂横梁焊合总成装配到白车身上的顺序为B→C→D，B、C、D2、D4安装螺栓均为M12，D1、D3安装螺栓均为M14。摆臂横梁焊合总成上对应的安装螺母位置度为±0.75 mm，白车身上相应安装螺母位置度为±1.2 mm。在操作人员完全按照装配工艺操作的情况下，摆臂横梁焊合总成安装仍然出现挡孔和无法装配的问题。因此，需要对以上设计及制造过程进行分析，确定其设计是否合理及零件、白车身尺寸精度是否达到设计要求并制定提升措施（本文仅对B、C、D2、D4安装孔及车身对应的安装点进行分析，D1、D3原理相同）。
2 问题分析方法阐述
2.1 零件尺寸精度检测
根据摆臂横梁尺寸公差（Global Dimensioning and Tolerancing，GD&T）图纸要求和白车身尺寸控制图，分析摆臂横梁总成安装孔在检具上的检测数据、白车身摆臂横梁总成安装螺母孔的CMM测量数据。检测各总成位置精度包括摆臂横梁总成安装孔位置精度、白车身摆臂横梁总成安装螺母孔位置精度。
2.1.1 擺臂横梁总成安装孔位置精度
摆臂横梁安装孔GD&T图纸要求位置精度为±0.75 mm，通过使用检具检测摆臂横梁总成安装孔的位置偏差，现场随机抽查20套零件，分别上检具检测，结果显示，零件安装孔及安装型面均在±0.5 mm范围内波动，满足设计要求。
2.1.2 白车身摆臂横梁总成安装螺母孔位置精度
白车身摆臂横梁总成安装螺母孔的位置精度要求为±1.2 mm，CMM测量数据如图2所示，序号12、25代表白车身摆臂横梁总成左、右共4处安装螺母的孔位偏差信息，从该数据可以确认白车身摆臂横梁总成安装螺母孔（序号12、25）位置Y方向偏差在±1.5 mm范围内波动，不符合设计要求。因此，我们可以确认白车身摆臂横梁总成安装螺母孔位置精度超差为装配挡孔原因之一，需要提升白车身摆臂横梁总成安装螺母孔位置精度。
白车身摆臂横梁总成安装螺母孔的位置精度影响因素有以下几点。
（1）前大梁总成焊接过程（焊接工艺或者工装）产生变异，导致安装螺母孔位置超差。前大梁焊合总成在检具上检测摆臂横梁总成安装螺母孔位置精度符合GD&T图纸要求（±0.75 mm）。
（2）前车体焊接过程（焊接工艺或者工装）产生变异，导致安装螺母孔位置超差。
（3）相关焊接零件不匹配，导致安装螺母孔位置超差。由上述因素可知，前大梁焊合总成在检具上检测摆臂横梁总成安装螺母孔位置精度合格，排除影响因素1和因素3中的单件不匹配问题。因此，重点分析前车体焊接过程中零件匹配和焊接工艺、工装的变异。结合现场造车，检查零件匹配状态、焊接工艺、工装，发现这个位置偏差是前车体2#工位焊接前隔板时引起的。至此，白车身摆臂横梁总成安装螺母孔位置Y方向偏差问题产生的原因明确。
2.2 设计方案分析
2.2.1 零件定位方案分析
由图2的白车身CMM数据可以看出，前大梁焊合总成上摆臂横梁焊合总成的定位螺母孔B、C（序号为25的左、右2处测点）比安装螺母孔D2、D4（序号为12的左、右2处测点）位置偏差大。原因在于前大梁A与中大梁及支撑板A都是Y方向的配合面，导致测点25（如图2所示）的尺寸链长。焊接过程中每个单件冲压件Y方向配合面的尺寸偏差都会影响螺母孔的位置精度。但是仅通过提升零件的位置精度满足装配要求，需要增加成本，而且影响效率。因此，我们可以通过调整零件定位系统，将精度相对更高、更容易控制的位置作为装配定位孔，从而降低装配挡孔的概率。 2.2.2 零件尺寸设计合理性分析
均方根法及蒙特卡洛统计分析方法是目前常用的两种容差分析方法。接下来分别通过这2种方法，分析摆臂横梁焊合总成安装孔尺寸设计的合理性并进行优化。
2.2.2.1 均方根法
均方根法，又称概率法，假设装配各组成环的尺寸公差均服从正态分布，该方法只能分析一维装配偏差，是单方向的公差累积尺寸链计算方法[3]。计算表达式如下：
x 其中，n为装配零件数，Ti为各装配零件偏差，TOL为最终装配偏差。通过尺寸链计算，判断尺寸链中各组成环尺寸的变动量对封闭环尺寸变动量的影响，也就是分析组成环尺寸的偏差累积是否超出规定的范围。该计算方法简单易行，能够快地速进行分析，是常用的分析方法之一。
摆臂横梁焊合总成安装孔主要是Y方向挡孔，因此通过均方根法计算Y方向的偏差累积是否能满足装配需求。摆臂横梁焊合总成与白车身安装孔Y方向孔位装配偏差的尺寸链如图3所示，其中A为装配偏差，1、2、3为该尺寸链组成环，白色圈表示摆臂横梁焊合总成安装过孔，黑色圈表示白车身上相应安装螺母。组成环1为白车身左前大梁安装螺母位置度（±1.2 mm）；组成环2为白车身右前大梁安装螺母位置度（±1.2 mm）；组成环3为摆臂横梁焊合总成安装孔位置度（±0.75 mm）。
根据均方根的计算方法，计算得装配偏差A==±1.9 mm。为避免装配挡孔，前轴安装孔在Y方向尺寸至少为12+2×1.9=15.8 mm。原设计D4安装孔Y方向尺寸为15.5 mm，不满足装配需求。因此，根据均方根计算结果，D4安装孔Y方向尺寸至少需更改为15.8 mm。
2.2.2.2 蒙特卡洛模拟法
蒙特卡洛模拟法，也称计算机随机模拟方法，是一种基于“随机数”，通过建立误差概率模型，模拟产品装配过程进行大量随机试验，实现精准的公差分析的一种方法。该方法需要借助计算机模拟软件，操作相对复杂，但计算结果相对精准。本文借助VSA三维偏差分析计算机软件，模拟分析某车型前轴焊合件与白车身装配挡孔问题。
（1）模型创建。采用VSA进行偏差分析，首先需要创建模型。根据零件装配顺序创建模型树，由于摆臂横梁焊合总成装配到白车身上，因此在创建模型树时需先创建白车身，再创建摆臂横梁焊合总成。然后根据装配工艺，创建各零件特征，并根据摆臂横梁焊合总成与白车身设计图纸确定尺寸及形位公差。摆臂横梁焊合总成尺寸及公差如图1所示，白车身安装螺母为M12，安装螺母位置度及安装型面公差均为±1.2 mm。在该软件中输入摆臂横梁焊合总成及白车身的尺寸及形位公差要求。根据零件的装配关系及装配位置，创建装配操作，完成装配操作定义后，分析模型的整体框架已基本搭建完成。由于摆臂横梁焊合总成挡孔概率测量发生在零件装配以后，所以装配操作完成以后，再创建测量操作。
（2）仿真分析及计算结果。模型创建完成以后，进行仿真分析。由于摆臂横梁焊合总成与白车身装配模型比较简单，该案例进行了2 000次仿真计算，计算D4安装过孔与白车身的挡孔概率。计算结果如图4所示。
结果显示，摆臂横梁焊合总成D4安装孔与白车身装配的挡孔概率达2%，需要进行优化提升。仿真分析结果的贡献因子中排在前几项的，为影响结果的主要因素。该报告结果显示，白车身安装螺母的位置度及摆臂横梁安装孔的位置度是影响挡孔的主要因素。因此，需要提升白车身精度及摆臂横梁尺寸精度来解决装配挡孔问题。在现有制造水平下，白车身安装螺母位置度控制在±1.2 mm的范围内，很难再继续提升；而摆臂横梁结构简单，位置度可由目前要求的±0.75 mm提升到±0.5 mm。因此，我们将摆臂横梁焊合总成安装孔位置度调整到±0.5 mm，同时将摆臂横梁焊合总成D4孔的尺寸调整为13.5 mm×16 mm的长圆孔。调整后，再进行仿真模拟分析计算，摆臂横梁焊合总成D4安装孔与白车身装配的挡孔概率降低为0.35%，满足装配需求。
2.3 措施制定
（1）对于白车身总成的摆臂横梁焊合件安装螺母位置偏差，通过分析焊接过程发现左、右前大梁焊合总成的螺母孔主要是在前车体2#工位焊接前隔板时引起。因此，我们在该工位增加工装焊接辅佐定位销定位孔13（如图2所示），提升摆臂横梁焊合件安装螺母位置精度。
（2）通过分析白车身CMM数据，对于主定位安装螺母孔位置偏差大的问题，调整摆臂横梁焊合件定位系统，原D2、D4安装孔调整为B、C定位孔，降低挡孔风险。
（3）通过尺寸统计分析方法及零件尺寸状态，对摆臂横梁焊合总成的安装孔尺寸大小及公差进行调整和优化，D4安装过孔尺寸大小调整为14.5 mm×16 mm的长圆孔，D4孔的位置度控制在±0.5 mm的范围，理论上可满足装配需求，降低挡孔风险。
3 结论
本文对摆臂横梁总成装配挡孔问题进行了分析，首先对装配零件的尺寸精度进行检测，确保零件符合设计公差要求；其次根据实际制造过程对零件装配定位方案进行优化调整；最后通过使用尺寸容差设计中的均方根及蒙特卡洛分析方法，分析零部件装配尺寸设计的合理性并进行优化，从而满足装配需求，解决了摆臂横梁装配挡孔问题。
参 考 文 献
[1]王俊杰.白车身尺寸检测技术及数据应用研究[J].企业科技与发展，2015（8）.
[2]勾治踐.容差分配技术在轿车车身设计中的应用研究[J].汽车工程，2009（31）.
[3]蓝先.一维偏差分析在汽车整车设计中的应用及发展趋势[J].装备制造技术，2006（2）.
[责任编辑：钟声贤]