（机械制造及其自动化专业论文）汽车白车身拼焊尺寸偏差分析与研究.pdf

汽车白车身拼焊尺寸偏差分析与研究摘要汽车白车身是汽车的重要组成部分，是整个汽车零部件的载体。白车身通常由几百个具有复杂空间曲面的薄板冲压件，在焊装生产线上大批量、快节奏地拼焊而成，其中定位点、焊点多、中间环节多、各种拼焊尺寸偏差源难以避免。自车身质量的优劣对整车质量起着决定性的作用，拼焊尺寸偏差直接影响到汽车产品的最终质量，如密封性、噪声大小、寿命长短、性能好坏和表面外观等。汽车白车身尺寸精度是汽车工业界和学术界关注的重要课题。本文针对国内汽车制造业的实际状况，借助先进统计分析、故障诊断和模式识别等技术，与工程科学相结合的方法，开展车身拼焊尺寸偏差的分析与研究，建立基于小样本采样的检测数据条件下的白车身制造尺寸偏差控制的系统方法，并在实际白车身拼焊过程中进行应用和实践。关键词：汽车白车身拼焊质量尺寸控制检测数据偏差诊断a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nw e l d i n gd i m e n s i o nd e v i a t i o n0 fa u t o m o t i v eb i wa 。b s t r a cta u t o m o t i v ebi wi sa ni m p o r t a n tp a r to fac a ra n da l s ot h ec a r r i e ro fa u t o m o t i v ep a n s bi wi su s u a l l ya s s e m b l e db yh u n d r e d so fc o m p l e xc u r v e ds u r f a c es h e e tm e t a lp a n so nw e l d i n gl i n e si nb a t c hp r o d u c t i o na n dh i g hs p e e d ，f e a t u r i n gn u m e r o u sl o c a t i o np o i n t s ，w e l d s ，a n di n t e r m e d i a t ep r o c e s s e s h e n c e ，v a r i o u sw e l d e ds i z ed e v i a t i o ns o u r c e sa r eh a r d l yt ob ea v o i d e d b i wq u a l i t yi n f l u e n c e st h ew h o l ev e h i c l eq u a l i t yd e c i s i v e l y , a n dd e v i a t i o n so fw e l dd i m e n s i o n sd i r e c t l ya f f e c tt h ef i n a lq u a l i t yo fv e h i c l e ，s u c ha ss e a l i n g ，n v h ，l i f e t i m e ，p e r f o r m a n c e ，a n da p p e a r a n c e b i wd i m e n s i o n a la c c u r a c yh a sb e e na ni m p o r t a n tp o i n tc o n c e r n e db ya u t oi n d u s t r ya n da c a d e m y a n a l y z i n gt h ea c t u a ls t a t u so ft h ed o m e s t i ca u t oi n d u s t r y , u t i l i z i n ga d v a n c e ds t a t i s t i c a la n a l y s i sm e t h o d o l o g y , f a u l td i a g n o s i s ，a n dp a t t e r nr e c o g n i t i o n ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e di n t od e v i a t i o n so fw e l dd i m e n s i o n s ，e s t a b l i s h i n gs y s t e m a t i cm e t h o d o l o g i e sf o rc o n t r o lo v e rd i m e n s i o n a ld e v i a t i o nb a s e do ns m a l ls a m p l e a n dt h er e s e a r c ho u t p u ti sa p p l i e dt oa c t u a lb i ww e l dp r o c e s s e s k e y w o r d s - v e h i c l e ；b i w ；w e l d i n gq u a l i t y ；d i m e n s i o nc o n t r o l ；t e s td a t a ；d e v i a t i o nd i a g n o s i s ；插图清单图1 1 车身装配结构示意图2图1 2 左侧围总成的多层次体系结构3图1 3 冲焊件尺寸偏差影响因素4图1 4 焊件的焊点受力分析6图1 5 考虑薄板零件偏差的点焊装配过程：7图1 6 一维梁模型表达的车身装配结构形式8图1 7 影响电焊质量的主要因素【1 8 】9图1 8n i e d 点焊轴对称1 4 模型1 l图1 9 车门总成检具1 2图1 1 0 用于整车测量的三坐标测量仪1 3图1 1 1 光学测量传感器原理1 4图1 1 2 光学坐标测量仪1 5图1 1 3f a r o 激光跟踪仪光学坐标测量仪1 5图1 1 4f a r 0 便携式多关节测量仪1 6图1 1 5 德国k u k a 测量机器人1 7图1 一1 6 多元数理统计与基于知识的故障诊断结合的诊断模型1 9图2 1 基于偏差诊断的车身尺寸偏差控制图2 3图2 2 基于偏差流理论的车身装配偏差控制方法2 4图2 3 车身焊装质量控制体系框架2 5图3 1 测量点的c m m 数据趋势图2 6图3 2 实际车身c m m 采样、测量、分析过程示意图2 7图3 3 分解的等效c m m 采样、测量、分析过程：2 8图3 4 误差序列直方图2 9图3 5 整车c i i 的定义3 3图3 6 含有趋势的测量数据3 7图3 7 测量数据的趋势项3 7图3 8 测量数据的波动项3 7图3 9 通过率曲线图3 8图4 1 基于统计预测和夹具故障诊断的偏差诊断方法4 2图4 2 数据融合的基本思路4 3图4 3 尺寸控制系统流程4 3图5 。1 案例分析流程4 6图5 2 某轿车白车身4 6图5 3 左侧围尾部与后围板l h 方向6 s 大雨3 5 的点的分布4 9图5 4 各阶主成分的相对比例5 1图5 5 第一阶主成分的尺寸波动模式5 1图5 6 总拼工位装配关系及侧围偏差示意图5 2图5 7u b 0 2 0 、u b 0 5 0 工位装配结构树5 4图5 8 地板总成的m c p 文件5 4图5 9 板件搭接及变形示意图5 5插表清单表3 1 模拟实验数据2 9表3 2 卡方检验表3 0表5 1c m m 测量整车右侧围l h 方向6 s 大于3 5 的点的相关矩阵4 7表5 2c m m 测量整车左侧围l h 方向6 s 大于3 5 的点的相关矩阵4 8表5 3 左侧围后部及后围板测点前三个主成分即占总偏差比例4 9表5 4 左侧围后部及围板主要测点的测量数据5 0表5 5 左侧围l h 方向部分点前三个主成分5 2表5 6 左侧围l h 方向部分点前三个主成分5 3表5 7 车身后部测量偏差值5 3表5 8 地板、主线及三坐标测量仪检测支架的支撑位置5 5表5 9 调整后的测量数据5 5独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外j + 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金鲤王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：锄穆签字日期：细p 年驴月刀囟学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金目巴王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：签字日期：加f ，年学位论文作者毕业后去向；工作单位：通讯地址：导师签名：1i、析可签字日期：p d 年午月矽譬日电话：邮编：致谢自2 0 0 7 年4 月份在合肥工业大学汽车装备工程技术研究所攻读硕士学位以来，导师林巨广教授在学习和工作上给予我悉心的关怀与指导，林巨广教授渊博的知识，严谨的治学和工作态度，精益求精的精神为我树立了学术研究和工作的榜样。林教授对车身制造技术发展方向的掌握，准确地把握了课题的理论高度和实用价值，为课题的研究指明了正确的道路。谨此论文完成之际，特向林巨广教授致以最崇高的敬意和衷心的感谢!在课题研究过程中，王健强教授，王淑旺副教授等均给予悉心的指导和帮助，为课题的选题和研究指明正确的方向，并给论文提出宝贵的修改意见，谨此感谢。并感谢张克林、韩慧等专家在本人研究生和工作阶段给予的指导和帮助及生活上的关怀。感谢黄飚、王建中等同事的帮助，使我在工程项目中获得丰富的知识和经验，为本课题提供工程实践基础。感谢程龙、方梁菲等好友的帮助，给予了课题中的研究方法和有关理论的指导和帮助。感谢父母和亲友给予本人求学的支持和鼓励，他们的默默无闻的关怀，给予了我信心和奋斗的精神，让我能够不断走出困境，顺利完成学业。最后，感谢崔鹏、任玉峰等师兄弟，以及汤东华、王桂周、王华国、张婧慧、刘宝柱、苏晓峰、孙绘琴、郑大维、陈清红和沈磊跃等同窗好友在各方面的帮助。作者：施成攀2 0 10 年4 月第一章绪论汽车行业可以说是目前最大的制造业，是产业关联度高，规模大，效益明显，资金和技术密集的重要产业，又是唯兼有大批量、综合性、高精度、群众消费特征的全球化产业。我国汽车工业有着广阔的发展前景，国民经济的发展客观上需要汽车工业的支持。作为国民经济的支柱产业的汽车工业，正在成为带动冶金，机械，电子，。化工，建材，石化，橡胶，轻纺等各相关行业的龙头产业。但与此同时，我国汽车工业在整体技术水平上与国际先进水平有着显著差距，纵观整个国际汽车市场，我国汽车行业在设计开发能力，工程技术、制造工艺与水平等各方面都存在着很大的差距。随着我国加入w t o ，汽车工业将受到较大的冲击、面临着严峻的形式，面对“入市”的压力，我国汽车行业必须加速合资、合作、重组等运作过程，加速厂商联合、技术更新、产品结构调整以及产品性能大幅度提高的产业结构的升级换代，促进产品创新和管理机制创新，集中优势的科技力量、实施跨越式技术发展战略，从总体上提高我国汽车行业的制造水平和能力，增强汽车行业的国际竞争力，加速我国汽车工业的国际化进程。白车身是轿车的重要组成部分，是整个轿车零部件的基本载体，其重量和制造成本约占整车的4 0 6 0 嘣1 1 。典型白车身通常由2 5 0 多个有复杂空间曲面的薄板冲压零件在5 5 7 5 个装配站在生产线上大批量、快节奏的焊接而成，装夹、定位点达到1 7 0 0 - 2 5 0 0 个，焊点多达4 0 0 0 - - 5 0 0 0 个。整个生产过程中间环节众多，因此各种装配尺寸偏差源难以避免。车身装配质量的优劣对整车质量起着决定性作用，制造尺寸偏差直接影响到最终汽车产品的质量，如密封、噪声、寿命、动力性和外观等。根据1 9 9 7 年j d p o w e r 全世界汽车产品质量关键问题调查评估( i n i t i a lq u a l i t ys u r v e y ) 的报告显示，有4 1 的车身质量问题是由车身制造尺寸偏差所造成。车身装配设计到薄板件冲压成形，自动装配线、焊接及检测等多项技术，综合反映了一个国家制造业的整体技术水平。随着计算机技术和制造技术的发展，轿车白车身焊装技术也正在经历新的挑战和变革。2 0 世纪8 0 年代末，日本依靠全面质量管理( t q c ) 使其品牌产品的车身制造综合尺寸偏差控制在2 m m 以内，为日本轿车产品全面迅速占领欧美市场奠定了基础。9 0 年代初，美国三大汽车公式( g m ，f o r d ，c h r y s l e r )通过著名的“2 m m ”工程【2 1 ，在短短的三年内就使其品牌车身的制造质量赶上世界先进水平，制造偏差从1 9 9 3 年的4 5 r a m 减少到1 9 9 6 年的2 m m ，迅速夺回了被日本占领的市场份额，据调查( 全国汽车车身制造技术研讨会，1 9 9 9 年1 2月，上海) ，我国主要品牌轿车的车身尺寸偏差多在5 08 m m ，甚至更大。随着世界汽车市场竞争的加剧和制造技术的进步，汽车( 特别是轿车) 车身制造质量的控制逐渐成为国际汽车工业界和学术界关注的重要课题。近年来，为了在汽车市场获得更大的市场份额，国内各大汽车制造企业显著的增加了在车身制造质量控制方面的资金和技术投入，依托国内外高校科研机构，按照引进吸收和自主开发相结合的原则相继开展了一些各具特色的车身制造质量控制技术项目。1 1 白车身拼焊尺寸偏差分析与评价研究现状白车身( b o d y i n w h i t e ，b i w ) 通常是指尚未装配门盖和发动机罩的未涂装的车身基本骨架，有时也泛指尚未进入装涂和内饰件总装阶段之前的车身，它是轿车的动力系统、行驶系统、电气系统、内外装饰等轿车子系统的载体，是轿车动力性、舒适性、平顺性等轿车性能的载体，是轿车外在形象、外观质量的载体。所以，轿车白车身的制造质量对轿车的制造质量具有决定性的影响。它是轿车制造质量控制体系中最为关键的环节。在轿车白车身生产过程中，来自冲压过程的各类冲压零件，首先在车身车间的分拼线上，通过手工点焊、自动点焊被拼焊为分总成、总成。然后在总拼自动点焊生产线上对各个总成和某些冲压零件按一定的工艺顺序进行拼焊。最后，通过补焊、打磨、调整等修补工序得到轿车白车身。白车身装配为一种多层次体系结构，若干零件经焊接成为分总成，分总成又变成下一层装配中的零件。图1 1 为车身装配结构示意图，图1 2 所示车身左侧围总成装配的多层次体系结构。轿车白车身就是车身车间的“最终产品”，轿车白车身的制造质量就是车身车间质量控制的最终目标。图1 1 车身装配结构示意图1 白车身总成2 地板总成3 侧围总成4 左后门总成5 - 左前门总成6 左翼子板总成7 发动机舱总成8 发舱盖板总成9 右翼子板总成1 0 右侧围总成1 1 右前门总成1 2 右后门总成1 3 顶盖总成1 4 后围总成2层1层2层3层4图1 2 左侧围总成的多层次体系结构c 1 1 左侧围总成c 2 1 左侧围外板总成c 2 2 左侧围外板总成c 2 3 左前密封挡板c 2 4 左侧围内板总成c 3 1 左侧围外板c 3 2 左中间密封挡板c 3 3 - 后背门框左外板总成c 3 4 - 力口油口锁止支架c 3 5 左后轮罩连接板c 3 6 左后轮罩外板c 3 7 左后轮罩内板c 4 1 左侧围d 柱加强板总成c 4 2 左侧围d 柱中间加强板总成c 4 3 左侧围d 柱下段c 4 4 左侧围d 柱下段质量控制是为达到质量要求而采取的一些作业技术和活动，其内容包括确定控制对象、规定控制标准、制定控制方法、选用检验技术、检验操作、做出检验结论、对失控进行排除故障处理使之恢复受控。世界各大汽车制造企业和研究机构，为提高汽车产品质量、降低企业生产成本，在轿车白车身制造质量控制方面一直在进行着卓有成效的探索和研究。八十年代初，美国罗德岛大学( u n i v e r s i t yo fr h o d ei s l a n d ) 的两位教授提出了一项技术革新：面向制造和装配的设计( d f m a ，d e s i g nf o rm a n u f a c t u r i n ga n da s s e m b l i n g ) 。其目的在于指导产品设计师在不影响产品功能的前提下，尽量简化产品结构，通过合并以减少零部件的数量，并节省装配工时。对于像现代轿车白车身这样一种结构复杂、零部件数量多的产品而言，装配费工，且精度难以保证。所以，从产品设计阶段开始就充分考虑制造成本和装配等因素，可以大大降低成本。从1 9 8 4 年开始，美国福特汽车公司和通用汽车公司就先后实施了“面向制造和装配的设计”，作为其提高产品质量和降低生产成本战略的一部分。1 9 9 1 年，美国密西根大学( u n i v e r s i t yo f m i c h i g a n ) 吴贤明教授提出了名为“2 m m 工程”的概念，并在1 9 9 2 年正式启动。该计划为提高汽车白车身制造质量提出了一整套有效的科学方法，包括：以科学的检测与测量数据为依据来推动白车身整体尺寸偏差量的减少；使先进的统计概率方法与工程科学相结合；建立白车身装配过程的信息管理系统等。通过“2 m m 工程”的实施，使美国的汽车制造业在很短的时间就赶上了世界先进的汽车制造水平。通用汽车有限公司从1 9 9 1 年开始研究其汽车白车身制造过程的质量及成本3问题。1 9 9 6 年使用的“功能性评估”( f e ，f u n c t i o n a le v a l u n i o n ) 。功能性评估是一个循环分析与决策的过程：通过分总成、总成直到整个白车身在焊夹具上的建造过程，基于匹配、功能和外观对白车身零件及整个白车身加以评估，看能否满足客户的要求。功能性评估方法能对设计进行检验，使总装厂能够稳定地得到使顾客满意的汽车白车身。德国大众汽车公司也一直在提高和稳定汽车白车身制造质量方面进行着尝试和努力。他提出并实施了基准点系统( r p s ，r e f e r e n c ep o i n ts y s t e m ) ，用来解决白车身设计、制造和检测中的基准点的统一问题。同时在基准点系统的基础上，建立功能尺寸系统，抛弃了先前在轿车零部件和白车身上的重要尺寸关系。缩短了工艺流程和装配尺寸链，避免了公差积累，提高了零部件和白车身的制造与装配精度，有效地控制和稳定了轿车白车身的制造质量。1 1 1白车身制造精度尺寸偏差源分析白车身制造尺寸偏差主要来源于( 1 ) 冲压件尺寸的偏差；( 2 ) 夹具定位的影响；( 3 ) 焊接变形；( 4 ) 工人操作的影响。如图1 3 所示上述四种偏差在装配过程中耦合、传播和积累形成白车身制造的综合偏差，为此引入白车身焊装过程偏差流理论【3 l 。白车身焊装偏差流理论将尺寸偏差控制归结为两类问题，一是揭示焊装过程中偏差流的传播规律，根据各偏差源预测白车身制造的综合偏差，反过来实现误差的再分配；二是针对制造过程中所出现的尺寸偏差来确定偏差根源，实现在制造过程中的偏差控制。前者是面向设计过程的，后者是面向制造过程的。因此，为了实现白车身制造质量控制，必须兼顾面向设计的尺寸偏差控制和面向制造的尺寸偏差控制之间的辩证统一关系，建立轿车白车身的尺寸偏差流控制系统模型，才能实现制造尺寸偏差的综合控制。图1 3 冲焊件尺寸偏差影响因素1 1 2车身装配偏差分析方法车身装配是一个多层次、复杂的装配过程。偏差流理论揭示装配过程中偏4差的传播规律，根据零件偏差、定位稳定性和零件干涉预测车身的偏差，确定各误差源的贡献率，从而为进行车身装配尺寸偏差控制奠定基础。装配偏差分析的常用方法是基于误差累积理论的极值法、统计分析法和蒙特卡罗模拟法。( 1 ) 极值法极值法【4 】是在不考虑零件偏差是否在允许公差范围内或在公差范围内零件偏差的实际分布，通过假定所有的零件尺寸都取得极限值的情况下，对一维装配结构进行偏差计算与分析的方法，可用公式( 1 1 ) 表示。亡d z 。= t 0 1 l + t o 2 + + t 0 1 口( 1 - 1 )式中，n 为零件个数，舌d ，表示各零件偏差，亡d 。表示装配偏差。1 9 8 8 年，g r e e n w o o d 和c h a s e t 5 】提出的迭代解法可将极值法用于二维、三维或其它非线性的装配误差分析。但是，为满足装配要求，极值法要求各零件具有较紧的装配公差带，零件的制造成本必然提高；另一方面，各零件均以极值状态拼装也是小概率事件。因此，极值法分析多零件装配偏差缺乏实用性。( 2 ) 统计分析法统计分析法【6 】是一种根据零件误差分布、利用二阶矩阵( 1 - 2 ) 确定装配误差总体分布的方法，它可以有效地分析一维和二维刚体装配问题中的简单案例。t o j 。：届丁再砑了而( 1 2 )统计分析方法，通常是建立在零件制造偏差服从正态分布的基础上，分配装配误差时，允许零件具有较大的公差带。因此，相对极值法而言，零件的制造成本较低。在零件制造的过程中，机床误差和配料零件安装误差等必然存在，这些误差导致零件制造偏差不完全服从正态分布，而是存在一定的偏移量。为此，1 9 8 7 年，c r e e n w o o d 和c h a s e t 7 】提出了“估计均值偏移量e m s ”方法，将零件公差、零件偏差及制造便宜考虑在内，对装配偏差进行设计分析。1 9 8 9 年，g r e e n w o o d 和c h a s e l 8 】进一步将统计分析法推广到对非线性装配误差模型的误差分析中。( 3 ) 蒙特卡罗模拟方法蒙特卡罗模拟方法【9 】是将误差统计与合成思想运用于分析设计装配误差的一种方法。从理论上讲，这种方法是最为完善的研究复杂装配误差的方法。首先建立一个基于对象参数的概率模型，通过对模型随机抽样试验得到参数统计特征，最后经目标优化求得参数的近似值。因此，也称蒙特卡罗模拟方法为随机模拟方法。其中，参数化及优化速度直接影响到m o n t ec a r l o 方法的应用。因此，相关研究及研究成果也较多，如：l e e 和j o h n s o n ，c a d a l i a h 和e l m a r a g h y及v i c t o r 和j o s h u a 等人的研究。尽管蒙特卡罗方法思路简单明了，也已有基于蒙特卡罗模拟分析法预测刚体装配偏差的商业软件，如：v s a s ，v a s - 3 d ，v s m ，但就总体而言，蒙特卡罗方法的求解过程仍然繁杂而耗时，因此，难以在多零5件数装配误差分析领域中得到广泛应用。( 4 ) 其它方法焊装偏差分析还有一次二阶矩阵法、有限元和近似概率结合等方法。7 0 年代以来，c a c o e n e l l ，j d s t e v e n s o n ，h r o s e n b l u t h ，a h s a n g ，n c l i n d 等发展的一系列近似概率法方法，可以称为一次二阶矩阵法。一次是将表达函数按照泰勒级数展开，只取一次项。二阶矩阵指仅需要用到随机变量的均值和标准差，而不考虑变量如何分布【1 0 】。在实际问题中，表达函数更多的是隐式，比如它是由有限元分析结果构造的，上述方法存在一定局限性，因此有限元法和近似概率法的结合具有很大的实际意义。1 1 3车身薄板件焊装偏差分析与刚性装配相比，作用于车身薄板件上的夹具夹紧力、焊枪电极力等外力将首先克服零件偏差，然后在名义装配位置上实现装配，装配得到的部件将在内力与外力共同作用下发生变形。由于焊接热变形和焊点内力的存在，使得薄板件焊装偏差的研究变得非常复杂。1 9 8 0 年，t a k e z a w a 1 1 】根据对车身薄板件装配测量数据的研究指出，“基于刚体假设的误差积累理论难以适用于汽车白车身薄板冲压件的装配，其装配误差可以小于零件偏差，并接近于刚性较大的零件”，揭开了薄板件装配误差研究的序幕。2 0 世纪9 0 年代初，美国密西根大学率先开始了有关车身薄板件误差的系统性理论研究，先后提出了偏置梁单元模型和力学偏差模型，并在美国汽车制造企业成功开展了降成本车身制造误差的“2 m m 工程”项目，为解决轿车车身制造过程中的质量问题、稳定车身制造质量找到了一系列行之有效的方法。( 1 ) 偏置梁单元模型( o f f s e tb e a me l e m e n tm o d e l )图i - 4 所示的偏置梁单元模型是1 9 9 5 年l i u 和h u 1 2 】在忽略点焊热效应影响的前提下，考虑焊点力学性质和薄板零件变形的基础上提出的对有限元方法中常规梁单元的改进模型。图i 4 焊件的焊点受力分析焊点承受剪力t 、正应力n 和弯矩m ，剪力可以有效防止零件与零件间的相对滑移，正应力使两个装配件紧密结合，弯矩约束了两个零件的相对转动。通常，有限元梁单元节点取在梁的中性面上，此时焊点剪力作用难以计算在内。次偏置梁模型则是将节点取在焊接操作面上，即上梁的下表面、下梁的上表面处，相对梁单元中性面产生大小为h i 2 的偏置( h i 为梁的厚度) 。同时考虑零件6偏差和工装夹具的偏差，得到单元刚度矩阵为：k 】_颤。+ 以。o一鲁一。+ 鲁01 2 如l + 1 2 k a 2一e 1 ( k j l 士k a 2 )一鲁”h z 。k , n - 6 1 ( u 毗。+ ( 匀2 ”4 。+ ( 訇2 ( 1 - 3 )其中k t i = e a ifl i = e b i h i l i k b i = e ii “；= 酯j ：h ；1 2 , 文译、。再考虑零件偏差和工具偏差可得：f = 如l 矿l + 2 + ( 岛l + 如2 ) 矿1( 1 - 4 )文献 1 2 】同时利用偏执梁单元模型讨论了薄板零件相对厚度、工具偏差及三个零件单点焊装顺序对装配偏差的影响，发现刚度较大、材料较厚的零件对装配偏差贡较大：工夹具偏差对装配偏差的影响仅当零件厚度相当时才得以显著表现；同时焊接相对顺序焊接的装配偏差打。基于该偏置梁单元模型的分析，揭示了薄板零件装配的一些基本规律和性质。( 2 ) 力学偏差模型( m e c h a n i c a lv a r i a t i o nm o d e l )力学偏差模型是1 9 9 5 年l i u 、l e e 和h u 1 3 】考虑薄板零件在装配过程中易变形的特点得到的薄板件装配偏差分析模型，该模型以偏置梁单元模型为基础，将统计分析方法与零件力学模型融为一体，揭示了薄板件装配的基本规律。图1 5 为从车身冲压板件在焊装工作站上的装配过程的抽象得到的悬臂梁一维线性简化模型。萨瑶y ?夹其名义焊装位置r1r一u l l l怛j( a ) 零件偏差国) 夹紧和焊接装配图1 5 考虑薄板零件偏差的点焊装配过程为了克服零件偏差使零件在名义装配位置焊装，必须的夹具夹紧力f 等于：0f7 _of7 _f = 竺“+ = 半y ，( 1 - 5 )ee式中，厶为悬臂梁截面的转动惯量。为了减少文献 1 3 d g 运用蒙特卡罗分析方法分析装配二维或三维装配偏差的计算工作量，l i u 和h u 1 4 】进一步提出了影响系数法及建立在影响系数矩阵基础上的有限元模型，从而大幅度提高了薄板件装配偏差的分析效率。目前，美国密西根大学研究组已将该力学偏差模型成功地运用于车身薄板7件焊接装配尺寸偏差研究。文献15 1 运用偏置粱单元模型和力学偏差模型分析研究了搭接、对接和角接等焊接接头结构形式对焊接装配尺寸偏差的影响，发现不同构件接头对零件几何的焊装工具偏差的敏感程度不同。当两薄板零件厚度相同时，搭接街头对工具偏差较敏感。当薄板零件厚度不同时，刚性较大零件的偏差对搭接装配偏差起支配作用；对接接头对工夹具偏差不敏感，对接焊装的零件偏差是控制装配偏差的关键；当角接接头的折角件比平板件厚时，对角件偏差起主要支配作用；反之，焊枪的工具偏差起支配作用。文献【1 6 对不同薄板厚度、不同焊接接头的结构形式措接、对接、和角接f 方盒焊接的装配偏差进行了研究，研究表明：相同板厚时，搭接方盒质量最好，焊装偏差最小，而且措接方式下零件尺寸偏差发生耦合：对接方盒偏差晟大对接方式下零件偏差累积放大：角接方盒偏差居中。方盒措接装配时，相同板厚焊装偏差最小；方盒对接焊装厚度相差大的扳较焊装均匀板厚的装配偏差小，而且增加折边长度有利于减少装配偏差。( 3 ) 多柔性件装配的偏差流理论1 9 9 7 年，h u h l 从轿车车身多层次装配过程的偏差产生、传播和诊断研究中提出了“偏差流理论”，用以指导分析薄板件装配偏差在整个装配过程中的传播机理预测装配最终环节上的综合装配偏差，诊断偏差产生的主要部位和方式。该“偏差流理论”将车身薄板柔性件简化为一维悬臂粱，根据车身零件多层装配顺序将装配分为串联和并联两种基本装配结构形式，建立如图1 6 所示的装配模型。通过线弹性力学理论，揭示了零件偏差在两种装配结构中的传播规律，即串联装配降低结构强度，使结构更易变形，并联装配则相反。i = 垄邕，卜乏#( a ) 串联装配( b ) 并联装配图1 6 一维粱模型表达的车身装配结构形式串联装配髓r = 嘉( ，+ 鲁 + 矗s ，并联装配偏差：y ：善_ + 鲁v 2( 1 - 7 )k 。k 。其中， 、 等于夹具克服零件偏差使在名义装配位置装配的加紧力； 、也、屯分别对应梁l 、梁2 和装配梁的刚度矩阵；n 、h 、r 分别为梁1 、粱2 的零件偏差和装配偏差。文献【3 还毗3 个零件装配为倒对多个薄板件装配过程中的串联与并联装配顺序对综合装配偏差的影响进行了探讨，建议尽可能采用并联装配，减少综台b装配的尺寸偏差。1 2 车身薄板件点焊技术研究现状点焊是一个在瞬间完成的耦合了电、热、结构与相变的复杂过程，是塑变能与热能不断激活零件解除表面的原子逐渐形成熔化核心而连接零件的过程【1 7 】。尽管在轿车车身制造领域对电焊过程于车身装配质量影响的研究还不多，但是在焊接领域中对点焊过程的研究早就深入开展，主要包括焊接冶金、焊接强度、焊接传热和焊接工艺等方面的研究。1 2 1影响点焊质量的重要因素厚豢五嚷电淼彗耄凸缘尺寸弋表面毪童：弋回路电顿a坌路弋r 网醮角= 癌痣嘉笋篆判劐直藏7 ，条俘制定7 ，船压方式7 ，压紧7i ：i事袭7 雏铬体秘7 警路7 避毫推挽式7 检验卡片- 霸m 侧挚7医蔓习 蓝 匹亟刃压蓝固近年来，由于点焊的广泛应用，对点焊技术研究得到了各国焊接学术界和材料工程界的广泛重视。到目前为止，所进行的点焊过程研究工作主要集中在两个方面：一是点焊物理过程研究，主要是用数学模型和数值模拟方法，基于电输入、材料性质、接触条件等对点焊温度场及热效应进行理论研究，以考察各工艺参数对点焊接头形成和力学性能的影响规律；二是点焊过程监测与控制研究，根据焊接热膨胀率或最大热膨胀位移实现简单而迅速的控制逻辑，估计9点焊焊核直径，对点焊质量进行实时控制。两种研究方法的共同目的是对点焊参数实现优化选择，改善点焊质量。由于点焊过程的瞬时性、热过程的局部集中性和点焊熔核形成的不可见性，对其试验观测相当困难。近年来，“热象法测定焊接温度场并经过图像处理伪着色”【l9 】是测量焊接温度场、进行试验研究的新突破。薄板点焊通常在0 1 0 2 s内就可完成一个焊点的焊接操作，焊核温度在瞬间迅速从室温升至熔化温度，甚至更高，从而给通过试验方法研究点焊过程带来极大的困难。另一方面，点焊同时耦合了电、热、力和冶金等现象，过程十分复杂。因此，学术界一直在努力通过数学模型模拟分析点焊过程。对点焊的理论研究工作也分为两个阶段。早期( 1 9 5 0 年1 9 7 7 年) 主要集中于采用有限差分技术分析点焊过程中的电、热问题。从1 9 8 4 年n i e d t 2 0 l 提出第一个有限元模型至今，有限元法进一步实现了对点焊过程的电一热一力学的耦合分析。( 1 ) 基于有限差分法的电热耦合模型1 9 6 1 年，根据前人工做g r e e n w o o d 基于有限差分方法建立了用于分析点焊过程的第一个热传导模型。它是一个考虑了因电流产生的内部焦耳热作用和材料物理性质随温度变化的线性对称模型，该模型没有考虑电极的几何形状，而是将电极作用以边界约束条件的形式给出，同时忽略了接触电阻产生的焦耳热以及熔化过程的相变潜热。他的分析揭示了零件温度的空间分布情况，表明在通电初期在电极与零件接触区域周边出温度上升较快，而且进一步语言了点焊焊核等温线呈椭圆形分布。该模型包含了点焊电热过程的主要特征，在焊接学研究中有重要意义。随后，有限差分模型得到了进一步校正、发展与完善。y a m a m o t o o k u d a 建立了包括电极和接触面积的点焊轴对称热传导有限差分模型。尽管模型不断完善，基于有限差分原理的点焊分析模型也实现了对点焊过程温度分布的预测和估计，以及点焊过程中的电、热耦合，但是在进一步与力学过程耦合时遇到了困难，该模型不能分析点焊过程中的力学行为，如应力分布等。因而，点焊的有限差分模型具有其局限性。( 2 ) 基于有限元法的电热力耦合模型有限元基础理论的不断发展和现代大型、高速电子计算机的出现，使有限元法在应用数学领域和各工程领域获得了日益广泛的应用。1 9 8 4 年，n i e d 利用有限元软件a n s y s 提出了第一个也是唯一一个点焊有限元模型，该模型将点焊过程中的力学与热学问题进行了耦合，建立了一个包含电极和零件几何的二维轴对称1 4 模型，如图1 8 所示，并同时考虑随温度变化的材料性质及熔化和焦耳热过程。根据点焊温度场的特点建立研究模型，两个等厚圆板和两个具有相同几何的电极，在相同材质条件下进一步简化得到l o袖对称1 4 模型，并以等参四边形单元划分电极和零件、表面单元划分各结合面。n i c d 通过该有限元模型分析了电极力作用下的接触面上应力分布以及电极和零件的变形，热分析结果进一步反映了点焊焊核呈椭圆形，基于该模型的分析结果仅限于正常点焊结束时的变形分布。虽然n i e d 有限元模型包括了对力学行为的模拟，但是局限于弹性范围内的变形，而且没有充分考虑导电、传热及力学行为的相互耦合作用，忽略了接触电阻，对电极磨损和电流分流现象还缺乏考虑。d i c k i n s o n 、k i m 、t s a i 等进一步发展了点焊过程的电热力学耦合模型。图1 - 8n i e d 点焊轴对称1 4 模型另外，在日本及日本大阪大学焊接研究所为中心也开展了对点焊的有限元分析，侧重于自行编制与开发的有限元软件，研究点焊过程中的电极力、焊接电流、焊接时间及飞溅现象对点焊焊核的直径、熔深和形成过程的影响。1 9 9 8年到1 9 9 9 年，m u r a k a w a 和z h a n g 2 1 卜【2 3 】通过有限元模拟点焊过程分别在初始偏差对点焊焊核形成的影响、电极形状对焊核形成和飞溅的作用以及控制焊接电流保证没有飞溅的点焊等方面进行了研究。他们建立了有限元模型与n i c d模型相似，为1 4 轴对称模型，电热分析同样使用有限差分原理且通过热弹塑性有限元分析对点焊过程进行了数值模拟，模型中忽略了电极冷却水的热传导作用。目前我国对点焊的研究工作开展还不够深入，相关文献不多，仅研究了热膨胀法监测点焊并通过1 4 轴对称模型模拟了点焊熔核形成过程【2 4 卜【2 6 1 ，还对点焊接头的应力分布及疲劳行为进行了研究【2 7 】。1 3 白车身焊装尺寸检测设备的研究现状对于汽车车身这样的大批量制造的大型产品，怎样高效、精确地测量其外表面或特征点的三维坐标，一直是车身制造质量控制中难以解决的关键技术之一。车身尺寸检测设备的研究和发展是与计算机、自动控制、精密机械等相关领域的发展密不可分的。从汽车工业早期就存在的检具，到7 0 年代三坐标测量机的应用，到9 0 年代各种在线检测设备的开发和应用，车身尺寸检测技术呈现出非接触、高效率、高精度、高柔性、高智能的发展趋势。以下对主要的车身尺寸检测设备和技术做一简要分析。( 1 ) 检具( c h e c k i n g f i x t u r e )检具是传统车身尺寸监测中重要的一种检测手段。检具是利用主模型形状或者产品c a d 数据制作的一个立体模型。检具上设置有合适的定位、加紧和剥量装置。待检测车身零件或总成放在检验检具上，定位加紧后就可以进行对比测量( 图1 。9 ) 。测量工具为塞尺，百分表或电子量规。测量精度一般为0l m m左右。检验检具检测具有方法简单、效率高、成本低等优点。缺点在于精度低、受操作人员影响大、功能单、检验范围有限。目前，检具在冲压件尺寸质量控制、车身焊装现场尺寸检验等方面仍然是种不可缺少的主要检测手段：而在分总成、总成和车身整车尺寸检验中的作用正逐渐被三坐标测量仪等先进手段所替代。图1 9 车门总成检具( 2 ) 三坐标测量仪( c m m c o o r d i n a t e m e a s u r i n g m a c h i n e )三坐标测量仪是7 0 年代巳卫来伴随着计算机技术、数控技术和估感技术发展起来的自动测量设备，具有精度高( 00 0 1 00 1 r a m ) 、柔性强( 适合几乎任何形状表面) 、自动化程度高( 可编程控制) 等诸多优势。利用三坐标测量仪( c m m )对零件、总成和车身进行离线抽样检测，是国内外大多数汽车制造企业目前在车身模具开发、制造质量控制、计量器具检验等各种工作中主要采用的手段。三坐标测量仪的原理是将待测工件放在其容许的测量空间内，利用侧头在x 、y 、z 三个方向上的精确移动来获得待测工件表面点的空间几何尺寸，如图1 1 0 。然而对于车身制造过程中的尺寸质量控制而言，三坐标测量仪仍然存在体积庞大、速度低、成本高、环境( 温度、振动) 要求苛刻等缺陷。其一是测量范围的问题。三坐标测量仪难以在生产线上在线布置，难以检测诸如车底总成、侧围内板等柔性大、结构松、不易卸离生产线的零件和总成。据统计，目前全世界仅有1 0 的三坐标测量仪集成在生产线上，其余9 0 然在执行传统的单件产品测量功能图1 1 0 用于整车测量的j 坐标测量仪其二是测量效率的问题。以著名的意大利d e a 公司b r a v 0 3 0 8 双臂坐标测量机( 9 0 年代中期水平) 为例，即便是以最快速度测量整车1 6 0 个点，其耗时( 不包括运输和标定) 也在3 5 分钟以上。相对于一般白车身2 3 分钟的生产节拍、1 5 0 2 0 0 台班的产量，这样的测量速度所能达到的抽样率难以超过5 。根据二项分布( b i n o m i a ld i s t r i b u t i o n ) 概率公式：1 ) e ”2 ! ! ! 二! ! ! = ! ! ! ! ：! ：。( 1 - 8 )3 若r 表示产品合格率、b 表示产品不台格率，那么在一个容量为n 的样本中全部合格的概率为，有一件不合格的概率为一亓“佃，有两件不合格的概盘乩月i ) r “叫p 2 1假如假设有5 的白车身存在同一类质量问题，以5 台班的抽检率计算样本检测概率：( 09 5 + 00 5 ) 5 - 09 55 + 5 o 9 5 4 x o0 5 + 1 0 x 09 5 3 x o0 5 2 + 1 0 09 5 2 x 00 53 + = 7 74 + 2 04 + 21 4 +那么在车5 台中，全部合格的概率为7 74 ，有一件不舍格的概率为2 04 ，。利用上述公式还可以推算出：若要发现这类质量问题的概率达到7 58 ( 1s ) ，则抽检率应超过2 8 台，班。显然，这样的抽检率是传统的三坐标仪离线抽检无法达到的。目前，三坐标测量仪正向着高效率、轻量化、高智能方向发展【2 8 i ，【”i 。( 3 ) 光学坐标测量仪( o c m m o p t i c a lc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e )9 0 年代以来，随着计算机视觉、激光、数学摄像技术迅猛发展出现了以机器视觉( m a c h i n ev i s i o n ) 测量技术为基础的，专门为完成车身等大型产品在制造过程中尺寸变化的在线监控任务而开发的检测系统一光学坐标测量仪( o c m m * o p t i c a lc o o r d i n a t e m e a s u r i n g m a c h i n e ) ，光学坐标测量仪在美国“2 r a m ”工程中得到了突出的成功应用，并由此迅速成为重要的车身制造尺寸检测手段之一和车身尺寸检测技术的发展方向。光学坐标测量仪的测头由激光器、光学镜头、反光镜和c c d 摄像头组成，测量原理为光学成像的空间三角原理，其基本结构和测量原理如图1 1 1 所示。半导体激光器发出的激光束经过光学镜头反射为一激光平面，位于传感器内的c c d 能够感应到此激光面的一部分。当激光面与待测物体表面相交时，形成一条亮度明显的激光线，该线在c c d 中形成线条的位置随物体表面的三维空间位置变化而变化。任何物体表面的三维空间位置都可以由其激光线成像位置来计算。该方法从根本上克服了接触式测晕方法在检测对象和范围上的限制。反光t油簟光图1 - i i 光学测量传感器原理光学坐标测量仪均直接布置在生产装配线上，采用空间桁架结构，使用多达几十个测量头进行1 0 0 的实时三维测量，综合精度o 0 5 r a m 左右。基于计算机视觉理论，通过针对不同的测量对象设计各自的算法，光学坐标仪可以测量的对象不仅包括空、边缘、平面等通常零件特征，还包括诸如螺栓、缝隙等特殊对象。极为适合车身及其零部件总成在制造装配过程中的在线监测。一般情况下，待测工件( 白车身、总成或零部件) 首先由生产线本身的传送系统自动送入在线检测站。然后，定位传感器测量工件定位特征、修正工件的定位偏差并将工件的真实位置送入计算机控制中，计算机控制器根据已编好的测量程序自动地控制每一个测头对工件的关键特征尺寸进行测量。以3 2 个测点的美国p e r c e p t r o n 公司的i p n e t 系统为例，完成全部测点只需要大约2 0 分钟。计算机同时存储全部测量结果并根据测量结果输出报表，并可以自动分析生产线的运行状况，及时地显示和预报可能出现的故障，如图1 1 2 所示。1 4图1 1 2 光学坐标测罱仪目前，光学坐标测量仪在工业实用化上丑臻完善，已普遍为欧美大汽车制造企业所认可并逐步应用，如克莱斯勒、通用、福特、大众、宝马、奔驰、标志、沃尔沃等。在国内，仪有少数企业聩合高校科研机构进行有关光学坐标测量仪的设备开发，但目前均属研制阶段尚无成熟的工业应用成