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上海交通大学申请学位论文摘要 白车身车门总成偏差诊断和控制方法的研究 摘要 车门是轿车白车身重要组成部分。轿车车身质量控制系统中，轿车外形质量 主要是指轿车的门框匹配质量，而门框匹配的要点就是要控制车门偏差，车框的 偏差，以及门框匹配的空间装配位置偏差。本文针对门框匹配案例中的车门偏差 影响要素，对车门的偏差影响因素进行了系统的分析，为车门的偏差诊断和控制 提供一种较为系统的方法。本文主要论述了以下内容： 在分析和总结车门装配过程的基础上，首先明确车门的装配过程，结合车门 装配的数学模型，对车门的装配的特点进行描述；同时提出了零件的柔度系数的 定义。车身零件柔度系数不同于一般材料的柔度，它不是针对某种材料的，而是 针对轿车车身零件，和零件的形状结构密切相关。当两种材料材质一致，那只要 能确定两个零件的装配方向的柔度系数大小，就可以对该方向的偏差方向和大小 进行控制。 考虑柔性车门薄板零件装配过程中的零件偏差和工夹具偏差的影响，结合车 门的实际案例进行研究，阐述了车门零件的定位原则必须采用“n - 2 1 ”方式。 车门零件在装配时，工夹具的布置需要考虑每个零件的特点，要充分考虑零件每 个不同方向的柔度。零件在点焊设计处的匹配间隙是影响变形的主要原因，而工 夹具的偏差将会增加零件的装配偏差。 咬边过程是把车门内外板零件通过周边的咬合装配成为车门总成。咬边过程 中零件受力条件复杂。咬边模具的偏差将会影响车门总成的偏差。咬边印是由于 车门外板的大曲率变形导致咬边弯曲部分金属产生加工硬化，因此在靠近下模具 部分形成杠杆效应，使外板产生变形，导致咬边印。 零件装配过程是一个偏差的产生和分配过程。由于车门结构中，零件之间的 柔度差别很大，因此对超过要求的车门总成偏差，首先要根据偏差的特点，建立 偏差关系树，利用主向量原理进行车门偏差诊断。对于确定的偏差源，利用正交 实验优化偏差控制方法。 本文提出的方法，在实际运用后，证明是一种很好的车门偏差诊断和控制 方法，对实际生产具有指导意义。 关键词：柔度系数，咬边印，主分量原理，正交试验 上海交通大学申请学位论文a b s t t a c t r e s e a r c ho nt h ed e v i a t i o nd i a g n o s i sa n dc o n t r o l o ft h ed o o ro f b o d y i nw h i t e a b s t r a c t c a rd o o ri sa ni m p o r t a n tp a r ti naa u t o - b o d yi nw h i t e i nt h eq u a l i t yc o n t r o l s y s t e mo f c a rb o d y ，t h ee x t e r n a lq u a l i t yo f c a rb o d ym a i n l yr e f e r st ot h ef i t t i n gq u a l i t y o f t h ef r a m ea n dd o o rn l ek e yp o i n to f t h ef i t t i n gq u a l i t yi st oc o n t r o lt h ed e v i a t i o no f t h ef t 丑m ea n dt h ed o o r t o g e t h e rw i t ht h a to f t h es p a t i a la s s e m b l yq u a l i t yo f c a rf r a m e a n dc a l d o o r n l ed e v i a t i o nc o n t r 0 1o ft h ef 1 a m ea n dt h ed o o ri sm o r ed i 伍c u l tt h a n o t h e rd e v i m i o nc o n 仃o lb e c a u s ei ti sd y n a m i cm a t c h i n g t l l i sp a p e r , c o n s i d e r i n gt h e i m p o r t a n c eo ft h em a t c h i n go ft h ed o o ra n dt h ef r a m e ，s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e st h e f a c t o r sw h i c hc a u s et h ed e v i a t i o no ft h ed o o r t op r o v i d eas y s t e m a t i cm e t h o dt o d i a g n o s ea n dc o n t r o lt h ec a u s e so fd e v i a t i o no fc a rd o o r t i l i sp a p e ri n c l u d e st h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： t l l i sp a p e ra n a l y z e st h ea s s e m b l yp r o c e s so ft h ed o o ra n dp u t sf o r w a r dt h e m a t h e m a t i cm o d e lo ft h ea s s e m b l yo fd o o r ；p r e s e n t st h ed e f i n i t i o no fs o f t n e s s c o e m c i e n t t h es o f t n e s sc o e f f i c i e n ti sn o tf o rn o r m a lm a t e r i a l b u tf o rt h ep a r t s o f c a rb o d ya n di ti si nc l o s er e l a t i o nt ot h es t r u c t u r eo f c a rp a r t s w h e nt w o p a r t s m a t c h , i ft h es o f t n e s st o e 街c i e n t so ft w op a r t sa r ek n o w n t h ed i r e c t i o na n dt h e m a g n i t u d eo ft h ed e v i a t i o nc a nb ek n o w na n dt h u st h ed e v i a t i o nc a nb e c o n t r o l l e x i 1 1 l i sp a p e ri l l u s t r a t e st h el o c a t i n gr u l eo f n 2 - 1 ”f o rc a rp a r t s c o n s i d e r i n gt h e i n f l u e n c eo f t h ed e v i a t i o no f t h ep a r t sa n dt h ef i x t u r e si nt h ea s s e m b l yp r o c e s so f t h ep u n c h e dp a r t s w h e nt h ec a rp a r t sa r ea s s e m b l e d ，t h ea r r a n g e m e n to ft h e f i x t u r es h o u l dc o n s i d e rt h ec h a r a c t e ra n dt h es o f t n e s sc o e 伍c i e n ti nd i f f e r e n t d i r e c t i o no fe a c hp a r t t h eg a pi nt h ew e l d e d 曲r t si st h em a i nc a u s eo fd e v i a f i o n a n dt h ed e v i a t i o no ft h ef i x t u r ew o u l di n c r e a s et h ea s s e m b l yd e v i a t i o no fc a r b o d y t h ew r a p p i n gp r o c e s sa s s e m b l e st h ei n n e rp a n e lw i t ht h eo u t e rp a n e lo f c a rd o o r t h es t r e s sc o n d i t i o ni nt h ew r a p p i n gp r o c e s si sc o m p l i c a t e d t h ed e v i a t i o ni nt h e 上海交通大学申请学位论文a b s t r a e t w r a p p i n gp r o c e s sw o u l da f f e c tt h ed e v i a t i o no ft h ec a rd o o r w r a p p i n gp r i n ti s c a u s e db yt h ew o r kh a r d e n i n gw h i c hh a p p e n si nt h ed e f o r m a t i o na r e ao ft h e b e n d i n gp a r ti nb i gr a t eo fc u r v ew h e r ee x i t st h el e v e re f f e c td o s et ot h eb o t t o m d i e n l ca s s e m b l yp r o c e s si st h eg e n e r a t i n ga n dr e d i s t r i b u t i n gp r o c e s so fd e v i a t i o n t h ed e v i a f i o nt r e es h o u l db ec r e a t e df i r s ti nt h ep r o c e s so ft h ed i a g n o s i sa n dt h e c o n t r o lo fa n - a l l o w e dd e v i a t i o n a n dt h ed e v i m i o nc o u l db ed i a g n o s e du s i n g p r i n c i p a lv e c t o rp r i n c i p l e a f t e rt h ed e v i a t i o ns o u r c ei sf o u n dt h ed e v i a t i o nc a l l b cc o n t r o l l e du s i n go a h o g o n a lt e s t n em e t h o dr a i s e di nt h i sp a p e r , a f t e ri ti sa p p l i e di nt h ep r o d u c t i o n i sp r o v e dt oh ea g o o dd e v i a t i o nd i a g n o s i sa n dc o n t r o lm e t h o da n ds h o w st h ei n s t r u c t i o n a ls i g n i f i c a n c e f o r t h ep r o d u c t i o n k e yw o r d s ： s o f t n e s sc o e f f i c i e n t ，w r a p p i n gp r i n t , p r i n c i p a lv e c t o rp r i n c i p l e ， o r t h o g o n a lt e s t 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一躲僻囝千 日期：莎垆，弓月i o 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 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和汇编本学位论文。 保密回，在互年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 7 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者虢俩孕指导教师签名：琴姝 日期：睁弓月l n 日 日期：2 0 0 3 年弓月fd 曰 上海变通大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景、意义、来源 1 1 1 研究背景 轿车车身质量是一个系统的概念，它是随着轿车制造业的发展之逐步发展和完 善起来。它融合新技术、新材料、新工艺、以及人们的美学观念于一体，并随着时 代的发展而发展。 现代轿车车身大部分是有薄板冲压件( 厚度o 5 - - 3 m ) 经过焊接、铆接、铰接 等工艺装配而成的，由于薄板零件和分总成的刚度小，同时为了满足冲压性能的要 求而导致零件易于产生塑性变形，而且零件尺寸很容易受材料本身等因素的影响， 因此传统意义上的制造业中广泛应用的尺寸公差范围，已经越来越不适用于组成轿 车车身的零部件的质量控制；随着数学、统计学以及工业质量控制理念的更新，轿 车零部件的质量控制也逐步转变成零部件尺寸的统计学分布控制，而轿车质量的权 衡指标也必然需要通过建立在统计学基础上的统计数据来反映。 从轿车的功能上来说，轿车车身质量直接影响轿车的风噪声、密封性、行驶平 稳性等整车性能；而生产上来说，轿车车身质量将影响到轿车制造质量、制造成本、 车身美观性和新产品开发周期。例如：门框匹配不良将导致关门不畅、风噪声增大 或漏水等质量问题，为克服门缝偏差进行的返修、打磨等工作无疑在增加了制造成 本，同时还延长了产品出厂时间；在产品开发阶段，可以说也是不断提高轿车车身 质量的过程，为寻找和克服偏差还可能延长新品上市的时间而增加设计成本。因此， 控制轿车装配偏差是保持其市场竞争力的必要条件之一。提高轿车车身质量是当今 世界上所有的汽车制造商努力的方向，而对于我们国家总体轿车质量不高的情况下， 面对国际轿车市场的严峻挑战，尤其显得迫切和必要。 随着计算机技术和制造技术的发展，轿车车身装配技术也正在经历新的挑战和 变革，现在欧美日等汽车制造业发达的国家，都致力于提高汽车车身质量。上世纪 八十年代，日本人提出了“车身质量工程”，从而使得日本的汽车制造业领先其他汽 车制造公司，而为了追赶日本汽车的质量水平，美国人在九十年代初提出了“2 m 工程”的概念，结束了汽车工业长期依靠经验积累的轿车车身制造时代。并且在3 5 年的时间内重新返回到汽车制造的领先水平。由于在线测量、焊接机器人及在线 故障诊断等先进技术的应用，冲压技术和焊接技术的日臻完善，轿车车身制造的国 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 际先进水平已达到车身制造c i i 指数( 轿车车身连续质量改进指标) 在2 r a m 以内。然 而，我国轿车车身制造偏差还不够稳定，n 2 0 0 2 上半年为止，国内的先进轿车制造 厂家如上海通用，上海大众汽车公司中的中高档轿车，其c i i 指数在3 5 r a m 左右，其 低端产品以及其他国内汽车公司的产品的c i i 指数均在5 r a m 以上，远远落后于世界 先进水平，中国轿车制造业以这种现状进入w t o ，中国汽车制造业免领着巨大的挑战。 由于大多数轿车零部件都采用薄板冲压件，尺寸分布在很多情况下的分布规律 不稳定，其名义尺寸会随着外界因素的干扰而产生变化，如弯曲变形应力的释放， 零部件的装运放置位置不当( 见图1 ) 、意 外碰撞等。但是在总体上，其分布规律还 是趋向于正态分布的。因此我们研究的轿 车车身质量也就是要研究白车身以及各分 零件半 总成、零部件的理论尺寸和实际尺寸的偏 径增大 差均值和方差值分布规律。不管是车身质 量工程还是2 m m 工程，核心都是基于车体 零部件尺寸总体服从正态分布，因此在给 定的样本条件下，对车体上的测点进行统 计，通过实旋车身质量控制工程，使得汽 图1 l 零竹放置位置不正 确处理导致零件受形 f i 9 1 1p a nd e v i a t i o nc a u s e d b yi n c o r r c tp l a c e m e n t 车车身的统计尺寸分布的x ( 一般取6 ) 倍的标准偏差( 6 a ) 不大于某一给定值，由 于2 n u n 值是一个在轿车制造业中具有里程碑意义的偏差控制指数，因此在欧美日等 轿车制造业发达的国家都普遍地把2 m m 作为轿车质量控制的目标。 在国内，由于历史和现实的原因，轿车车身质量长期以来一直不被人们重视， 也未对其进行系统的研究，更没有对轿车白车身车门偏差控制进行面向对象的研究。 中国轿车工业的起步很晚，而且轿车制造也是靠工人的经验，敲敲打打外加很原始 的检测工具来完成，而在外国汽车公司登陆我国，才给我们带来一些零碎的轿车质 量控制模式，而国外先进的轿车质量控制方法也可能因为国外技术壁垒，国内企业 的资金状况以及人们的思想观念的制约，没有真正进入我们国家，另一方面，我们 国家也需要一种适合我国国情的轿车质量控制方法。 当然轿车车身质量概念涵盖了轿车的车门。作为汽车重要组成部分的车门，国 内还很少有人对其偏差问题进行系统的研究。国内的各大汽车制造商，对车门偏差 的控制都是采用样架检测，然后在三坐标测量机上进行校核( 当然批次非常少) ，而 对组成车门的零部件，对其检测力度也远远不够，对于出现的闯题主要也是取决于 经验。而国内的科研机构中，主要只有上海交通大学车身制造技术中心对车身质量 2 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 进行了一系列研究。因此从全局来看，我国的轿车车身质量的研究还很缺乏。 1 1 2 课题意义 评价轿车白车身的质量，用行业的术语来说，主要体现在“g a p ”和“f l u s h ” 中，即缝隙和型面差。广义地说，任何两个零件配合在一起，就存在着缝隙和型面 差问题。当然缝隙和型面差的问题，我们可以细化成动态和静态缝隙和型面差问题。 动态缝隙和型面差指的是两个零部件间的配合关系是活动配合( 相互之间不固接 的) ，其缝隙和型面差实际表现出是一个变数；而静态缝隙和型面差是指两个零件问 的配合关系是静态的，相互之间的配合关系是固定的。通常的情况是静态的缝隙和 型面差问题会传递到动态的缝隙和型面差中去。静态的缝隙和型面差主要影响零部 件连接的力学性能，加工性能；而动态的缝隙和型面差主要影响零部件连接的使用 性能和外观质量。 现代的轿车白车身质量概念包括两种缝隙和型面差问题。但是由于动态缝隙和 型面差在轿车车身中表现在车身的外围部分( 易于检测部分) ，而轿车白车身的外部 质量主要体现在外形和四门两盖的匹配质量上，因此控制动态的缝隙和型面差问题 就主要集中在四门两盖上了。这就需要我们针对四门两盖进行偏差控制。 轿车的四门两盖占轿车的表面积的5 0 左右( 不包括轿车底部) ，因此对轿车的 四门两盖进行偏差控制将使得门框( 盖) 匹配关系问题易于解决。而轿车车门，是 与乘客接触最多的白车身分总成。由于车门需要安装车窗，门锬，拉手，又需要考 虑乘客的舒适性，因此它远远要比行李箱和发动机盖复杂。因此，解决好车门的偏 差问题，将为四门两盖解决偏差问题提供指导意义。进一步提高轿车整车质量，提 高轿车的市场竞争力。 正是在这样的前提下，本论文对轿车车门进行了轿车车门的偏差诊断和控制的 深入研究，并结合实际案例的解决，提出行之有效的轿车车门的偏差诊断控制方法， 以期为提高我国轿车整车质量出谋献策。 1 1 3 课题来源 本课题来源于上海交通大学与上海大众汽车公司和上海通用汽车公司合作的 “轿车车身质量控制”项目中的门框匹配案例。 3 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 轿车车身偏差控制技术综述 1 2 1 引起装配偏差的因素 轿车新车型开发投产过程可简单地分为5 个阶段，即概念设计、详细设计、样 车制造、零件制造和车身装配等。其中，概念设计阶段完成对车身外型的整体设计， 详细设计阶段对构成车身的各个零件进行结构设计，样车制造过程提供了对先前设 计进行检验与修正的信息，随后正式投产完成零件制造和装配得到完整的轿车车身。 作为轿车的重要组成部分的车门，也必然遵循上述的各个阶段，完成对新车门 的设计开发。典型轿车车门通常由内、外板，加强板，防撞杆，附件等零件，经过 冲压，焊接，咬边等工艺装配而成的。焊接点一般在1 5 到3 0 个之间，装卡定位点 在1 0 个左右。在车门制造的每一道工序，都难以避免偏差的产生，而最终导致实际 生产得到的轿车车门与设计值存在一定偏差。由于设计的不合理，车门生产的强壮 性不够，即使零件制造精确也会产生零件与零件的装配干涉或偏差。零件制造偏差 与制造过程、制造工艺和零件材料密切相关，绝大多数车门零件都是经薄板冲压制 成，冲压模具型面设计的合理性、冲压工艺设计的合理性和设备维护情况直接影响 到车门零件的制造精度。 根据偏差来源阶段特点，可将导致车门最终装配偏差的偏差来源大体分为与设 计相关的设计偏差、与零件制造相关的冲压偏差及与车身装配过程相关的装配过程 图1 2 车门偏差合成示意图 f i g1 2t h es y n t h e s i so f t h ed o o rd e v i a t i o n 偏差等3 大类。也就是说，轿车车门装配的最终偏差是设计偏差、冲压偏差与装配 过程偏差共同作用的结果。如果用偏差数轴合成图表示如图l2 ，则可以描述成为： 4 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 对于不同的测点，最终偏差是由呈离散分布的设计偏差、冲压偏差与装配过程偏差 共同叠加的结果。由于对特定的测点，设计偏差、冲压偏差与装配过程偏差呈离散 分布，因此它们共同作用的结果也必然呈现离散分布，表现出最终零件或总成的偏 差的分布特征。 1 2 2 传统装配偏差研究方法 极值法( w o r s tc a s e ) 、统计分析法( r s s ，r o o ts u ms q u a r e s ) 和蒙特卡罗 ( m o n t e c a r l o ) 模拟法是设计分析刚体零件装配偏差的3 种传统方法“。 极值法 极值法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，假定所有零件均以极大值或极小值尺寸装配的情况下，对一维装配结构 进行偏差计算与分析的方法，可用式( 1 - 1 ) 表示。 t o 埘= t o l t + f d z 2 + a + f d ( 1 1 ) 式中，拧为零件个数，t d , 表示各零件偏差，t o l 。m 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 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较高；另一方面，各零件均以极值状态拼装也是 个小概率事件。因此，极值法分析多零件装配偏差缺乏实用性。 统计分析法 统计分析是一种根据零件误差分布、利用二阶矩式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。 ，d ，一= 4 t o l ：+ t o l ；+ a + t o l 2 ( 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，机床误差和坯料零件安装误差等是必然存在，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，g r e e n w o o d 和c h a s e 提出了“估计均值偏移量”方法，将零件公差、零件偏差及制造偏移考虑 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 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嘲。 蒙特卡罗模拟方法 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 蒙特卡罗模拟是将误差统计与合成思想运用于分析设计装配误差的方法。从理 论上讲，该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。参数优化及优 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 、g a d a l l 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法分析预测刚体装配偏 差的商用软件，如：v s a s 、v s a - 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，难以在多零件数装配误差分析领域中得到广泛应用。 1 2 3 装配偏差的诊断研究 论述轿车车身装配偏差诊断的文献还不很多，h u 、c e g l a r e k 和w u 利用相关分析 和主成份分析方法对车身在线测量数据经过统计分析、建立偏差模式、分离影映到 测量数据中的装配偏差、将偏差模式与偏差原因对照( 如表卜1 ) 、识别造成偏差的 根源。就此，将车身偏差诊断过程分为两步：模式分析和原因识别。 表卜1 偏差模式与原因的对照表 偏差模式偏差原因 变形方向变形区域偏差部件现象描述 垂直于定位销中轴整体定位销定位不准、磨损、松落等 垂直于夹块作用面整体夹块未夹紧、未作用等 垂直于电极局部点焊设备电极不平衡、电极磨损、漏焊等 不确定局部其它不确定 1 3 本论文研究内容和结构安排 i 3 1 本论文研究的内容 由于社会的前进和发展，人们对轿车的要求越来越高，轿车车身制造质量日趋 受到工业界的重视，对车身装配偏差的研究也越来越得到学术界的重视。因此，本 文对车门进行比较深入的研究。 具体的研究内容包括： ( 1 ) 车门装配过程分析与研究，车门装配的特点，车门零件的作用，车门装 6 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 配的数学模型，车门装配的矩阵表示，装配偏差的传播规律； ( 2 ) 车门偏差分析，分析零件偏差和工夹具偏差的产生原因以及对车门总成的 影响模式； ( 3 ) 咬边过程研究，咬边过程分析，咬边印的产生机理，咬边力和偏差关系研 究： ( 4 ) 车门偏差的诊断和控制，偏差关系树的建立，偏差的传播和分布规律研究， 偏差源的定位，偏差的控制； 1 3 2 研究方法 本文采用有跟元分析，计算机辅助和实际案例验证相结合的方法。由于车门 的零部件在在加工时可能存在零件偏差；在安装时容易产生装配偏差，利用计算机 装配技术进行偏差的反求。再通过案例进行验证，从而找到一种可以有效进行车门 偏差的诊断和控制的一般方法和步骤。 1 3 3 本文结构安排 第一章：首先阐明本文的研究背景和现实意义；然后交待本论文中涉及的课题 来源；最后在本章的结尾，对本文即将开始的研究工作内容及其研究方法进行介绍。 第二章：对车门装配过程分析与研究，阐述车门装配的特点，并逐个分析车门 零件在车门上所起的作用；在此基础上，提出车门装配的数学模型，进一步提出车 门装配的刚度矩阵变化。 第三章：主要分析车门偏差，车门偏差来源主要是设计偏差，车门零件偏差以 及工夹具偏差，设计偏差出现在整车的设计阶段，因为明显的错误往往已经在试生 产阶段得到修改，因此正常生产是遗留的设计偏差，往往是一种比较隐含的并不是 很明显的部位，虽然不太会造成很大的影响，但往往比较容易被忽略而难于发现。 车门零件偏差比较容易发现；但是工夹具的偏差是很难发现，因为测量工夹具的准 确位置往往是件复杂的工作，而且很多情况下，工夹具往往会由于磨损，松动等原 因而使得零件装配产生偏差。 第四章：着重对咬边过程进行研究；从三坐标测量数据来分析咬边力和车门偏 差之间的关系研究。这种对咬边印的产生机理进行论述，并给出相应的解决方案。 第五章：阐述了如何进行车门偏差的诊断和控制；以及利用建立的车门偏差关 系，分析偏差的传播和分布规律，从而确定偏差源，进而进行有效的偏差的控制。 7 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 最后在第六章中，进一步总结了已经开展的工作，并展望车门的偏差控制进一 步研究的前景。 上海交通大学硕士学位论文第二章车门装配过程分析与研究 第二章车门装配过程分析与研究 本章将结合轿车车门装配过程特点，分析与建立描述车门零件装配的过程， 从最基本的装配匹配点出发，建立数学装配模型，讨论零件偏差、夹具偏差、点 焊工具偏差及点焊点布置等装配过程因素对装配的影响，从而揭示偏差在车门零 件装配和车门制造全过程中传播与合成中的一些基本规律。 2 1 装配的概念 2 1 1 装配的一般定义 机械或电器产品，生产的最后一道工序是把各个零件装配成( 包括检测和调 整) 为最终的产品，否则，各个单体零件是无法发挥其设计作用的。装配，就是 将各种零件、部件、分总成件，按照规定的技术条件和装配质量要求连接成为完 整的达到某种使用功能的产品的生产工艺过程。 2 1 2 装配连接形式 装配是把各种零件、部件、分总成组合起来的过程，其主要功能是连接。装 配中的连接有以下几种类型“1 ： ( 1 ) 可拆卸活动连接两件或两件以上零件自身或借助其他零件连接后， 零件之间可以相对活动，可以反复拆卸和装配，不会对其中的零件造成损坏，如 铰接、销连接等； ( 2 ) 不可拆卸连接两件或两件以上的零件自身或借助其他的零件连接后， 零件之间可以相对活动，但是不可以拆卸。一旦拆卸，就必须破坏其中的一件或 一件以上的零件。不加修复则无法重新安装或连接，如滚动轴承； ( 3 ) 可拆卸固定连接两件或两件以上零件自身或借助其他的零件连接后， 相互之间不能活动，但是可以使用工具进行拆卸，而不会破坏其中的任何一个零 件。机械产品中的螺栓连接、螺钉连接就是这种类型； ( 4 ) 不可拆卸固定连接两件或两件以上零件相互之间连接成为一个整体， 相互之间不能活动，而且是无法拆卸，拆卸他们必然要破坏其中的零件，不经过 修复就无法成为新连接。这种产品形式主要有焊接，铆接等。 以上几种装配形式是机电产品中比较常见的，根据不同的产品要求，选取不 同的连接形式。在轿车车身装配工艺中，由于轿车车身的特殊要求，零件之间的 连接方式绝大多数选取焊接这种不可拆卸固定连接方式。 9 上：海交通大学硕士学位论文 第二章车门装配过程分析与研究 2 2 车门装配的特点 轿车车门通常由内、外板，加强板，防撞杆，附件等零件，经过冲压，焊接， 咬边，螺栓连接等工艺装配而成的。车门零件中，内、外板通常采用厚度为0 5 1 0 m m 的低碳钢板；加强板的厚度一般是2 5 m m 左右；而防撞杆一般采用厚度为 2 5 3 m m 钢管两端封闭加工而成，也有采用厚度为3 s m m 的钢板冲压成管状； 而附件( 如铰链) 由于零件较小，对车门本身的偏差影响很小，但是却对门和框 的装配位置偏差影响巨大。所有这些零件的“刚柔并济”的特点决定了车门的偏 差特点。 2 2 1 车门零件的作用 外板：是轿车车门的“门面”，是轿车整车外部型面的重要组成部分，门框 匹配质量的测量点都在外板上，因此是车门零件经过装配以后，车门外板质 量是车门质量的最后体现。轿车外观质量要求外板必须是表面光洁，不得有 任何凹凸痕迹，同时外板和门框匹配的质量要符合要求； 内板：是轿车车门的“内部骨架”，和外板通过咬边工艺咬合后，后成为具 有一定空间宽度的车门总成，同时也是装饰车门内部装饰品的载体； 加强板：由于轿车窗框在转角处截面变化最大，故所受应力也最大，所以在 此处增加加强板，可以加强车门窗框强度，防止车门的变型； 防撞杆：是为了保护乘客的侧面碰撞安全性而加入车门的一个零件，同时也 是“新车评价程序”( n c a p n e wc a ra s s e s s m e n tp r o g r a m ) 的要求。这是 为了降低汽车在发生侧向碰撞时，车门向车内侧变形量。因为在轿车发生意 外碰撞时，乘员的重伤率往往和乘员室的侵入量有着密切的联系“1 。见图 图2 1 侧面碰撞乘员重伤率和成员室侵入量的关系( 美国n a s s 数据) f i 9 2 1 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec a rs p a c ei n t r u s i o na n dt h eg b h a t af r o mn a s so f u s a ) 1 0 上海交通大学硕士学位论文第二章车门装配过程分析与研究 2 1 。 附件：包括铰链，门拉手固定件。铰链是车门和车身骨架的连接件；门拉手 固定件是装车门的拉手以及安装车门锁的部件。 2 2 2 车门总成装配过程 车门装配是多个柔性薄板冲压零件进行层级装配的工艺过程。轿车车门的工 序一般都设置3 4 个工位。具体的流程如图2 2 所示。首先，车门冲压车门零件， 只有个别零件如防撞杆采用非冲压件，在装配车门时，一般首先需要把车门上大 多数零件先安装在车门内板上，然后内外板经过咬边工艺咬合在一起，最后安装 铰链等小附件。 图2 2 轿车车门总成装配过程示意图 f i 醇2t h ea s s e m b l yp r o c e s so f e a rd o o r 2 3 柔度系数的定义 了解车门的装配过程接才可以对轿车车门产生偏差进行偏差分析。一方面， 夹具定位位置、夹头和点焊工具相对零件的位置是突出影响装配质量的因素，另 一方面，零件的本身偏差也会对装配产生很大的影响。因此，为分析装配过程还 必须分柝与描述装配细节。本文采用图示法反映零件与焊装工具之间的相互作用 关系，该方法有助于理清零件与夹具、点焊工具等的相互作用关系。 为了研究分析的方便，先研究柔性冲压件零件的刚度模型。 任何一种物体都有一定的刚度，刚度是度量物体对外力作出变形的能力，刚 度越小，表明该物体比较“软”，也就是在受到同样的外力时，越容易产生变形。 图2 3 传统刚度系数的定义 f i g2 3c o n v e n t i o n a ld e f i n i t i o no f r i g i d i t yc o e f f i c i e n t 接 上海交通大学硕士学位论文 第二章车门装配过程分析与研究 而材料力学中所论述的针对某种特定的材料，具有各向同性的性质。而本文中要 补充的是针对柔性冲压零件的刚度模型，却不具有各向同性的性质，而是针对不 同形状的零件，不同的零件具有不同的刚度性质。 如图2 3 所示，在坐标的三个方向施力，物体将在每个方向产生变形。在每 一个方向上，对施加的力和每一个方向的受力横截面积相比，得到传统刚度系数 【7 】 a 当零件形状如图4 所示时，零件的偏差变形发生在x 和z 方向上，我们说刚 度是比较小的，而在y 方向上由于直接作用材料本身，所以刚度是很大的。因此 在本文偏差分析中，由于多数情况下我们考虑的是刚度小的情况下零部件的变形 量。 图2 4 柔性件的柔度示意图 f i g2 4t h e s o f t n e s sc o e f f i c i e n to f t h es o f tp a r t 因此我们可以定义柔性零件的柔度系数，以区别传统材料的刚度系数： 在零件的某个方向上( 通常取车身坐标的某一个坐标方向) ，在施加单位作 用力后产生的变形量和所施加作用力的比值，用数学式表达就是： 五：拿 ( 2 1 ) ， j ：产生的变形量，所施加的力。 该式表示施加单位力产生的变形量越大，表示柔度系数越大，表明零件在该 方向的柔性越大。 定义柔度系数，我们可以对具体的零件进行柔度系数的测试，就可以评估两 个零件在相互配合时，对该方向的柔度系数比较可以比较出在出现零件偏差后， 定 ( 1 ) 内板和加强板焊接前 上海交通大学硕士学位论文 第二章车门装配过程分析与研究 两个零件往那个方向出现偏差以及出现偏差的量的大小。 如图2 5 所示，内板零件在内板加强板零件在焊接时，由于加强板零件本身 已经在y 方向存在偏差，而在该方向也是车门内板柔度很大的方向，因此在两个 零件焊接以后，出现了装配偏差。导致车门内板分总成的偏差。 y 定 ( 2 ) 内板和加强板焊接时 ( 3 ) 内板和加强板焊接后 图2 5 内板零件和加强板装配示图 f i g2 5t h ea s s e m b l yo f t h ei n n e rp a r ta n dt h er e i n f o r c e m e n tp a n e l 根据本文研究特点将影响车门装配精度的偏差进一步分为零件偏差、夹具偏差和 装配偏差三大类。其中，零件偏差和工具偏差是装配过程的偏差输入，装配偏差 为输出。 零件偏差是指将零件实际尺寸与零件名义尺寸之间的偏差，其来源 包括零件设计偏差、零件制造过程产生的制造偏差、零件运送过程产生 的偏差，零件对方产生的偏差等。 夹具偏差是由夹具夹持面偏离正确位置( 如：定位不准、夹块松动、 夹持面磨损等) 而产生的偏差、点焊工具的焊枪枪头位置不正确而产生 的偏差，特别是机械手焊接时更容易产生此类偏差( 如：焊枪位置偏差、 控制程序出错、电极头磨损等) 等构成，主要来源于工具设计偏差、工 具制造偏差及使用磨损等，而国内大量使用的人工点焊机在焊接时，由 于操作人员的手势不同，产生偏差的波动性更大。 装配偏差是产品零件装配过程之后所得部件和理论尺寸的偏差，既 可能是各零件偏差和夹具偏差装配过程的耦合与传播的合成结果，也可 上海交通大学硕十学位论文第二章车门装配过程分析与研究 能在装配过程加入了新的偏差源。 2 4 车门装配模式分析 2 4 1 数学模型 一个装配体的数学模型是若干个实体的数学模型j ，加上对应的相关几何关 系变换n ，力决定了各个实体模型之间的相互对应关系。 设 t 是一个实体的模型空间，c ，实体结构空间，它定义为几个模型空间c ， 内笛卡尔的子集，即： c t m n m l ! + m b + + m n 那么一个有几个实体组成的集合 s | = ( s l ，s 2 ，s 3 ，八，s ) 必属于g ，记c ，作中的元素盯，是变换结构空间，它被定义为几个变换模型空 间m 笛卡尔积，即： c t 2m t lx m | lxm x xmq 则一个有 个变换构成的集合是结构空间的一点f 。对紧密装配体来说，z 是欧 氏空间3 的后一个变换，肘。是六维空间( 3 个位移量加上3 个角度旋转量) 。而c f 则是位置结构空间c 。= g c f ，即是装配结构空间的一个元素。也就是一个2 n 元组 ( s ，s ：，a 最，正，疋，a ，瓦) 也可以将上述元组写成a ( a ，f ) ，其中： 仃= ，是，人最) f = ( 石，五，a ，瓦) 直观上，一个装配实体是一些具有固定位置的零件的集合，如果零件之间不 存在形状的不确定性连接，而且相互之间严格配合，那么装配结果是唯一的。 2 4 2 装配体的位置约束 考察产品设计的实际装配过程，常见的装配位置约束关系主要从集合方面来 考虑的，因而约束中的对象都是零部件中的集合拓朴关系。这些位置约束从工程 设计的角度可以分为以下4 类： ( 1 ) 面耦合以及等距耦合：面耦合要求装配特征的两个表面互相接触；面的等 距耦合要求两个表面反向平行而且相距某个距离。 ( 2 ) 对齐以及等距对齐：对齐是两个特征之间的重合关系，对于不同的集合元 素有不同的语义：面的对齐是指两个表面重合而且方向一致。边的对齐是 指两条边重合在一条直线上；顶点的对齐是指两个顶点重合；面边对齐是 1 4 上海交通大学硕士学位论文 第二章车门装配过程分析与研究 指边和面的重合；面点对齐是顶点在面上；点边对齐是指顶点在边上。等 距对齐是指两个面同向平行。其间的距离由用户给出。 ( 3 ) 插入：描述孔与轴的配合关系。 ( 4 ) 定向：要求两个平面同向平行，但距离不用给出。 采用配合约束描述零件的位置关系可以利用符号配合约束，支持在高层抽象 层次上进行装配设计，因此在设计时，可以通过参数化设计，当零部件改变或装 配尺寸改变时，系统自动将这种改变转至所设计的所有的装配件，并保持最初的 零件配合方式。 2 5 车门装配模式分析 车门装配的数学模型告诉我们，车门在装配的过程中，在理想状况下，车 门各零件在相互的配合过程中，车门零件在节点上的解应该满足车身的表面几何 空间函数的方程。此时，车门零件上任意节点和整车上的任意相应位置的节点应 该相互重合，或相差一个固定的距离值( 板厚等) ，在完成配合连接以后，任意 两个相互连接的零件之间除了相互之间的结合力外，不存在着其他方向的内应 力。 而在实际生产中，由于绝大多数轿车零部件都采用薄板冲压件，存在易于 产生零件偏差的因素，因此在实际上要求零件不存在偏差是不现实。车门装配的 偏差控制过程，就是在存在零件偏差的条件下，最小化零件偏差叠加的过程。 车门零件的装配，首先要考虑车门的内外板的特点，由于外板在整车中的特 殊作用，决定了装配生产时，在现有的条件下不可能在外板上直接焊接，铆接较 大的零部件，因此几乎所有的零部件的装配需要首先在内板上进行。