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轿车车体装配偏差研究方法综述


《机械设计与研究》 1999 No. 3

上海交通大学  ( 上海?200030)  林忠钦 胡 敏 陈关龙 来新民 上海大众汽车有限公司     干 频 祝俊皓 周立波
  摘要 本文从轿车车体焊接、 工夹和装配制造全过程出 论了车体柔性薄板件装配偏差研究的理论模型及车体装配 偏差的监测与统计技术, 最后提出了面向全生命周期的车体 制造装配偏差设计与评价思想。 关键词 车体 装配 偏差

发, 概述了轿车车体装配偏差研究方法和研究现状, 详细讨

中国图书分类法分类号 U463. 06

0 引 言

车体制造偏差是全球汽车制造企业普遍存在的质量问

题, 直接影响到车体风噪声、 密封性和平顺性等性能。 90 年

代初, 美国轿车车身制造综合偏差在±2mm 以上, 显著高于

日本车体的±1mm 水平, 为此丢掉了 30% 左右的国内市场。
[1 随着为期 3 年的 2mm 工程” ] 项目的成功, 1996 年美国车 “

体制造赶上了世界先进水平, 逐步夺回了原有市场份额。 欧 在提高车体制造质量方面也进行着尝试与努力, 如: 德国大

洲车体制造偏差的最好水平在± 1. 25 1. 5mm 左右, 目前 ~ 众公司正在推行的 R PS 参考点系统。然而, 我国轿车车体制 造偏差还不够稳定, 平均在±6mm 以上, 远远落后于世界先 进水平, 为振兴民族轿车工业, 迫切需要开展控制车体制造 偏差的研究。

轿车车体 ( 即白车身) 通常是由 300 500 个薄板冲压件 ~ 在 50 90 个装配站上焊装而成, 基于薄板冲压件易变形特 ~ 点, 车身制造装配过程的零件冲压质量、 装焊夹具夹紧定位 的不稳定、 焊装变形及零部件装配干涉等引起的零件尺寸偏 差在车身装配过程中发生耦合、 积累和传播形成车身制造的 综合偏差。

1 面向车体制造过程的装配偏差研究

车体装配是一个多薄板冲压件的多层次复杂装配过程,

基于车体装配过程的偏差流理论 [2 ] 揭示了装配偏差在车体 装配过程中的传播规律, 为根据零件偏差、 定位稳定性、 工夹 具偏差及零件干涉预测车体制造偏差, 确定各个装配偏差源 对车体综合制造偏差的贡献率, 进行车体装配偏差控制奠定 了理论基础。
1. 1 焊接装配

焊接是轿车车身装配的主要形式, 尤其是点焊, 轿车车 是车体综合偏差的主要来源之一。

身平均有 3000 5000 个焊点。 ~ 因此, 车体焊接装配过程偏差 根据车体零件装配形式不同, 可将车身装配形式分为并

联和串联两种基本形式。L iu、 u 和 W oo 的研究表明, 串联 H

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轿车车体装配偏差研究方法综述3
1. 2 车体装配夹具

装配偏差仅与零件几何形状有关且偏差具有累积性; 并联装 配偏差与零件几何和零件受力有关, 各偏差源对综合偏差的 影响系数代数和为 1, 零件并联装配后的综合偏差小于单个 零件误差。 特别是当并联装配的两个零件中, 一个零件的刚 度远远大于另一个零件的刚度时, 综合装配偏差主要取决于 大刚度零件的零件偏差, 而远远小于零件的自身偏差。 针对搭接、 对接和角接等三种车体焊装的最基本接头形 式, L iu 和 H u [3 ] 进一步研究了薄板装配偏差与焊装接头形 式的关系。 通过考虑焊点受力情况的偏置梁单元研究两薄板 并联装配偏差, 发现不同接头形式对零件几何和焊装工具偏 差具有不同的敏感度。 当两薄板零件厚度相当时, 搭接接头 对工具偏差较敏感; 当两零件厚度不同时, 刚度较大的零件 偏差对搭接综合装配偏差起支配作用; 对接接头对工夹具偏 差不敏感, 控制对接零件的零件偏差是控制综合装配偏差的 关键; 当角接接头的折角件远比平板件厚时, 折角件偏差起 支配使用; 反之, 焊枪的工具偏差起支配作用。
L iu 和 H u 又研究了焊接装配的点焊顺序对车体装配偏

差的影响, 定性分析了柔性薄板冲压件焊装变形及车体制造 偏差与点焊顺序的相关性, 提出减小车体装配偏差需要优化 焊点顺序。 Ch ing 和 Kong 利用遗传算法对行李箱槽与侧围 外板的焊接顺序进行了模拟和优化尝试。 夹具是车身各零件进行装配的载体, 对车体装配质量具

有至关重要的作用。 正确设计的夹具应具有良好的形面定位 能力、 正确的定位点和夹具类型, 保证夹具形闭合、 力闭合及 自锁特征。
L ee 和 H aynes 通过库仑摩擦定律设置边界条件, 利用

有限元方法分析了柔性夹具系统。 ena ssa 和 D eV ries 认识 M 到零件变形和零件应力对夹具夹紧点数量的影响, 为减小零 件形状误差对定位精度的影响, 更好的降低低装夹变形, 对 夹具支撑点进行优化设计。Ca i、 u 和 Yuan [4 ] 在采用变分法 H 确定了 3- 2- 1 定位” “ 夹具定位点位置的基础上, 提出了柔 性薄板的 N - 2- 1 定位” , 并采用了有限元分析计算零件 “ 法 变形、 用非线性规划确定最优定位点数目 N 和定位点位置, 对夹具进行了鲁棒设计。W u、 u 和 W u 从面向车门装配的 H 系统调整车门夹具出发发展了约束优化方法。 Cegla rek 和 出了车体夹具故障诊断方法。
1. 3 车体装配生产线
3 上海市教委资助

Sh i 通过多变量统计的主成份方法分析了车体测量数据, 提

《机械设计与研究》 1999 No. 3 随着焊接机器人在汽车车身制造生产线的广泛应用, 车 体装配生产线多机器人的柔性装配研究也逐渐深入, 尤其是 对无夹具柔性装配的研究。在W infrey 首先将有限元方法运 用于机器人闭环链的动力学研究之后,M ills 和 J erry [5 ] 提出 了一种多装焊机器人的动态装配模型系统, 并用有限元方法 模拟分析了车体薄板冲压零件接触式无夹具柔性焊接机器 人对车门的装配过程。 目前, 为了满足用户对汽车的特殊需 求, 快速设计制造汽车的思想体系逐渐形成, 如: 轿车车体的 敏捷制造系统, 该系统包含了车体的装配系统设计、 装配技 术及制造控制技术; 装配生产线优化系统, 实现装配站最少、 装配生产周期最小、 工作载荷最平稳等多优化目标要求下的 装配生产线布置。
2. 2. 3 偏置梁单元模型

偏置梁模型是从点焊车体主要装配形式的实际出发, 综 合考虑焊点力学性质和薄板零件变形的基础上提出了车体 装配偏差研究模型。 该偏置梁模型是基于工业应用的简单一 维装配偏差积累模型抽象, 能够揭示薄板零件装配过程的一 些基本规律和性质。

3 车体装配偏差的监测与统计技术
3. 1 监测技术

车体尺寸数据的跟踪是实现车体装配过程监控的基础, 检测方法决定了车体装配过程监控的精确性和有效性。 检测样架是 70 年代前广泛使用的传统检测工具, 尽管 可以直接反馈被检测点的空间关系, 协助识别偏差的主要原 因, 但检测速度极慢, 无法迅速提供足够的特征样本数据。 三 坐标测量机 (CMM ) 依靠其较高的精度和柔性, 成为 80 年代 初乃至现在国内外汽车制造厂的流行检测设备, 但测量速度 受到测量全过程需要完成被测件从生产线到 CMM 测量室 的搬运、 定位、 测量、 再搬运等繁琐操作的制约, 当发现制造 过程出现质量问题时, 存在此类缺陷的若干产品已被转移到 后续工序中, 因而装配过程中缺陷检测和诊断并不是十分有 效。 年代末, 光学坐标测量机 (O CMM ) 的出现为车体装配 80 过程的在线测量提供了可能。 对测点的 100% 采样测量, 为 装配过程的质量界定和误差源定位提供了丰富的多变量尺 寸信息。W u、 u 和W u 利用对车门的 100% 在线测量数据, H 结合主成份统计分析方法对车门装配过程进行了故障认别 与实时缺陷检验。 随后, 在线监控了车体装配过程中的状态 突变, 并提出了基于车体 O CMM 测量数据的车体偏差监 测、 识别和分类的监控算法。
3. 2 车体偏差统计技术

2 车体柔性薄板件装配偏差研究
2. 1 装配偏差研究方法与理论

是分析装配偏差的 3 种常用方法。 极值法假定所有零件均以 极值尺寸装配, 但车体各零件均以极值状态拼装是个小概率 事件, 故而缺乏实用性; 统计分析是根据零件误差分布、 利用 二阶矩确定装配误差的总体分布方法, 它可以有效地分析一

维装配误差和二维刚体装配问题中的简单案例。 蒙特卡罗模

拟方法从理论上讲是研究复杂车体装配误差的最为完善方

法, 它利用随机数及零件装配函数分析装配误差, 但是过程 上述三种方法都认为零件为刚体, 其装配偏差的集合特征仅 由几何或 ( 和) 运动关系确定。

繁杂而耗时, 难以在车体装配误差分析领域得到广泛应用。

指出,“基于刚体假设的误差累积理论难以适用于轿车车体 接近于刚性较大的零件”揭开了柔性装配误差研究序幕。 , 尤 装配误差的系统性理论研究, 并在美国汽车制造企业成功开 体制造过程中的质量问题找到了一组行之有效的方法。
2. 2 研究模型 2. 2. 1 偏差模拟模型

柔性薄板冲压件的装配, 其装配误差可以小于零件偏差, 并

其 90 年代初, 美国密西根大学率先开始了有关车体柔性件

展了降低车体制造误差的 2mm 工程” “ 项目, 为解决轿车车

方法。偏差模拟模型的建立首先要确立零件偏差 ( Τi ) 和装配 偏差 (u ) 之间的函数关系 ( f ) : u = f ( Τ , Τ , …, Τ ) 。如: 以制造 1 2 n 成本为目标函数、 偏差累积为约束条件建立具有非线性函数 偏差的方法, 研究车体装配偏差。
2. 2. 2 力学偏差模型

边界的偏差 n 维概率密度函数模型。利用 V SA 23D、 SM 等 V 力学偏差模型 (M echan istic va ria tion m odel) 是建立在 影响系数矩阵基础上的有限元模型, 它大幅度减少了直接蒙 差的计算量, 有效提高了柔性装配偏差的分析效率。 特卡罗 (M on te 2 rlo ) 算法分析薄板装配两维或三维装配偏 Ca

商用软件, 运用蒙特卡罗 (M on te 2 ro l) 模拟预测刚体装配 Ca

极值法、 统计分析法和蒙特卡罗 (M on te 2 rlo ) 模拟法 Ca
1980 年, T akezaw a [6 ] 根据汽车柔性薄板件装配的研究

最初, 监测和控制车体装配过程采用了传统的统计过程 控制图分析方法。 然而, 车体装配尺寸偏差测量数据往往具 有很强的相关性, 主成份分析 ( PCA ) 方法逐渐成为统计分析 车体装配偏差的主要方法。 偏 H u 和 W u [7 ] 针对车门装配过程借助于主成份分析、 差向量的内积和 M aha lanob is 距离分类器, 在提出两级故障 模式的在线分类方法的基础上实现了偏差源的定位与车门 装配偏差模式的识别; Roan, H u 和 W u 首先利用装配过程 特征和相干族分析对轿车车体测点分组 ( 案例) , 再使用主成 分分析识别自车身侧围案例的误差源。 Yang 通过主成份统 计方法将偏差分离成彼此独立的偏差模式, 用主偏差对车体 装配尺寸进行了质量分析和偏差诊断, 论述了主成份分析对 改善车体尺寸质量的作用。

早期的装配偏差研究采用了基于刚体假设的偏差模拟

4  面向全生命周期的车体制造偏差设计与

评价
4. 1 设计现状

长期以来, 汽车车身开发工作一直采用顺序的串行工程

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《机械设计与研究》 1999 No. 3 方法。 位于车身全生命周期初期的车身设计阶段, 要求设计 公差尽可能小。 然而, 制造成本与设计公差成反比, 允许公差 越小, 制造成本越高。 多薄板冲压零件的车体装配受制造装 配过程因素的影响, 由于车身制造过程位于并接近全生命周 期的尾声, 在设计过程中不能及早考虑车体制造偏差, 致使 制造质量不能完全符合设计要求。 车体制造技术的落后实际 上已成为制约我国汽车工业发展的 “瓶颈” 之一。
4. 2 车体制造偏差评价

设计相适应的制造过程控制, 是控制车体综合偏差所追求的 目标。
( 2) 建立车体装配偏差控制系统

现有车体装配偏差研究仍处于分片分块式的研究方式, 在基于实例的车体零部件偏差研究的基础上建立车体装配 偏差的控制系统。 包括工夹具的优化设计与鲁棒性设计、 零 部件装配偏差的自适应补偿、 车体装配焊点分布及焊接顺序 优化等更加合理的柔性薄板装配系统。
( 3) 车身装配的虚拟系统

车体焊装评价体系是 Cegla rek 和 Sh i 提出的一种面
[8 ]

向薄板装配尺寸控制思想。 通过对焊接接头几何和设计间隙 建模, 构造车体各零件的相关矩阵, 确定车体焊装接头设计 评价指标 ?p 和零件焊装接头设计评价指标 ?c。 p 越大, 干涉 ? 越严重, 车体偏差将越大; 零件的 ?c 越大, 表明该零件对产 品偏差的贡献率越大。 该方法为轿车车体焊装方式设计提供 相关矩阵中未设计零件装配的力学性能, 因而该评价体系只 能对车体焊装设计进行定性评价。 了方便的判别准则, 有利于得到最低偏差的焊装设计, 但是

仿真车体零部件柔性装配过程, 检验柔性装配可能发生 的干涉, 反馈车体零件设计信息, 优化车体装配生产线。

参 考 文 献
1 Ceg larek D , sh i J and Zhou Z. V ariation R eduction fo r A ssem b ly: M ethodo log ies and Case Stud ies A nalysis, T echn ical R epo rt of the“2mm ” rog ram , U n iversity of M ich ingan, A nn A rbo r, 1994. P 2 H u S J. Stream of V ariation T heo ry fo r A u tom o tive Body A s2 ~ sem b ly. A nnals of the C IR P , 1997. 46 (1) : 1 6 3 S C L iu and S J H u. A Param etric Study of Jo in t Perfo rm ance in Sheet M etal A ssem b ly. In t. J. M ach ine Too ls & M anufactu ring. 1997, 37 (6) : 873 884 ~ 4  ayne Cai S. J ack H u and J. X. Yuan. A V ariational M ethod of . W Robu st F ix tu re Configu ration D esign fo r 32 W o rkp ieces. Jou r2 D nal of M anufactu ring Science and Eng ineering, 1997, 119 ( 11) : 593 602 ~ 5 J am es K. M ills and J erry G. 2 Ing. dynam ic M odeling and con 2 L. tro l of a M u lti- Robo t System fo r A ssem b ly of F lex ib le Payload s w ith A pp lication s to A u tom o tive Body A ssem b ly. Jou rnal of ~ Robo tic System. 1996, 13 (12) : 817 836 6 T akezaw a. N. A n im p roved m ethod fo r estab lish ing the P rocess W ise Q uality Standard, R epo rts of Statistical and A pp lied R e2 search. U n ion of J ap anese Scien tists and Eng ineers ( JU SE ) , 1980, 27 (3) : 63 76 ~ 7 S. J ack H u and S. M. H u. Iden tifying Sou rces of V ariation in A u 2 tom ob ile Body A ssem b ly U sing P rincip al Com ponen t A nalysis. ~ T ran s. O f NAM R I SM E, 1992, 10: 311 316 8 D. Ceg larek and J. Sh i D esign Evaluation of Sheet M etal Jo in ts . fo r D im en sional In teg rity. A SM E Jou rnal of M anufactu ring Sci2 ~ ence and Eng ineering, 1998, 120 (5) : 452 460. ( 其它引文从略)

5 结 论

回顾我国汽车工业 “引进→组装 ( 或仿制、 半仿制) →再

引进” 的十多年, 尚未涉及轿车车体制造质量这一研究领域。 为了迎合我国轿车工业发展的需要, 在展望车体装配偏差控 制技术发展的基础上, 必须尽快在国内开展轿车车体装配质 量控制研究, 尤其是以下车体装配偏差体系的研究:
( 1) 面向设计的装配偏差控制技术

车身制造装配过程与车身设计进行并行的一体化设计,

以并行工程模式缩短车身开发周期、 提高车身质量。 将车身 制造偏差信息反馈到车身设计的初始阶段, 通过设计阶段预 设装配间隙实现装配过程偏差的自补偿; 利用装配偏差定量

评价车身结构的装配设计。 有利于制造的设计偏差控制和与
( 上接第 52 页)

林忠钦 男, 1957 年 12 月生, 上海交通大学, 教授, 主 要从事车身覆盖件的冲压成形仿真及车体制造质量控制技 术研究。

3 结 论

都可提高抗胶合能力, 增强边界膜强度和寿命, 其中以 “美力 如图 3 所示。

综上所述, 反应润滑膜的形成不仅与工况条件 ( 载荷、 速

特” 添加剂形成的边界膜寿命为优, 各类添加剂润滑寿命图

度) 有关, 更主要的是与润滑油添加剂的品种和性能有关, 高 速齿轮副的喷油润滑系统, 用含有效添加剂 ( 如美力特) 的润

  为了进

滑油, 其摩擦面将会形成一薄层化学反应润滑膜, 这不仅在 正常供油条件下可提高抗胶合性能, 对非正常供油条件, 即 在润滑状态转化时, 对增强边界润滑膜的强度, 延缓边界润 滑阶段是有利的。

一步考证边界润滑

膜 的 有 效 性, 通 过 台 架 试 验, 在 高 速 齿轮副 ( 试验齿轮) 采用由该种添加剂 配制的润滑油滴油









润 滑, 当 其 它 条 件 不 变 时, 测 试 其 摩 擦力矩的变化情

1 黄华梁, 王国宪, 韦明英. 润滑油添加剂提高齿轮抗点蚀疲劳的性 能和机理研究. 机械传动, 1992 (3) 2 刘维民, 薛群基, 张绪寿. 润滑油添加剂——硼酸脂的摩擦磨损性 能及其抗磨机理之研究. 摩擦学学报, 1991. 4

图 3 各类添加剂润滑寿命图

况, 从光线示波器记录摩擦力矩的变化曲线可看出, 呈下降 的趋势, 这表明在轮齿表面形成了反应润滑膜; 它将对增加 边界油膜强度、 延缓边界润滑阶段是有效的。

  朱文坚 女, 副教授, 1946 年 8 月生, 从事机械设计及 摩擦学等的研究, 近 3 年发表论文 12 篇, 出版专著 2 本。

— 60 —


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