（车辆工程专业论文）车身零部件的匹配缺陷及其消除方法的研究.pdf

! ：塑奎塑叁堂竺! 鲎笪堡皇 一! ! 兰 车身零部件的匹配缺陷及其消除方法的研究 摘要 车身零部件在进行匹i 目o t t ，因受到其自身偏差、夹具偏差等因素 的影响而产生匹配缺陷。匹配缺陷的存在加大了车身的制造偏差、影 响了整车的质量。如何消除匹配缺陷以确保较好的整车制造质量成了 汽车生产厂家的一个难题。 。 本文在阐述了零部件匹配的具体过程和特点的基础上，逐个分析 了匹配质量的影响因素。( 明确了实际生产中匹配缺陷产生的主要原 因。j 。在此基础上，提出了解决匹配缺陷的技术路线。 本文应用虚拟装配技术对实际零件进行了理论定位下的虚拟匹 配，通过匹配分析得到了零件间形状和尺寸的相对关系。基于此结果， 通过修改零件的模具型面，消除了因零件偏差引起的匹配缺陷。 本文基于失效夹具的偏差模式，提出了以测点数据主成分来表示 夹具定位偏差的方法。以此为基础，通过对匹配零件面上已知测点的 测量数据进行主成分运算来识别出失效的定位元件及其偏差方向。在 实际生产中，以可调偏心销来调整夹具体的相对位置优化了匹配的结 果。， 最后以某轿车存在的前轮罩与前纵梁匹配间隙问题为例，采用上 述方法进行了研究，找到了问题的根源，并消除了缺陷。 关键词：匹配缺陷，车身零部件，虚拟装配，主成分分析 l 塑窒望叁兰竺! ：堂丝堡兰旦 r e s e a r c ho n p a r t sm a t i n g f a u l to f a u t o m o t l v eb o d y a n d i t se l l m l n a t i o nm e t h o d a b s t r a c t i n f l u e n c e db yt h ef a c t o r ss u c ha sm a n u f a c t u r ev a r i a t i o n s ，f i x t u r e f a i l u r e ，e t c ，a u t o b o d yp a r t sw i l lg e n e r a t em a t i n gf a u l t sw h i l ea s s e m b l y t h ee x i s t e n c eo fm a t i n gf a u l t se n l a r g e s t h em a n u f a c t u r ev a r i a t i o no f a u t o b o d ya n di n f l u e n c e st h eq u a l i t yo f w h o l ec a r h o wt oe l i m i n a t et h e m a t i n gf a u l t s t oo b t a i nb e t t e rq u a l i t yo fw h o l ec a ri s ak e yp r o b l e mi n q u a l i t yc o n t r o lp r o j e c t b a s e do dt h ee x a c t l yp r o c e s sa n dc h a r a c t e r i s t i co fp a r t sm a t i n g ，t h e p a p e re x p o u n d st h ef a c t o r sw h i c hh a v ei n f l u e n c eo nm a t i n gq u a l i t ya n d s p e c i f i e st h em a i nc a u s e sw h i c hd i r e c t l yl e a dt ot h em a t i n gf a u l t t h e n ， t h ep a p e rs e t sf o r t ht h et e c h n o l o g i c a lp r o c e d u r ef o rf a u l te l i m i n a t i n g t h e i m p l e m e n t a t i o n o ft h e p r o c e d u r e i s j u s tt h eg e n e r a l m e t h o dt os o l v e m a t i n gp r o b l e m si na c t u a lm a n u f a c t u r e b e c a u s et h ee n t i r ev a r i a t i o no f p a r t s t h a tr e s u l t si nm a t i n gf a u l tc a n t b em e a s u r e dp r o p e r l yb yn o d a lm e a s u r e m e n tm e t h o d s ，v i r t u a la s s e m b l y t e c h n o l o g yi sa p p l i e d a f t e ra s s e m b l yw i t ht h e i rt h e o r e t i c a lp o s i t i o n i n t h ev i r t u a le n v i r o n m e n t ，r e l a t i v ev a r i a t i o nb e t w e e nt h em a t i n gp a r t si s o b t a i n e d t h e n ，b ym o d i f y i n g t h ed i ef e a t u r e ，m a t i n gf a u l tc a u s e d b yp a r t s v a r j a t j o ni se l j m i n a t e d 湘交通人学坝1 学位论直摘蛰 b a s e do nt h ef i x t u r ef a u l tp a t t e r n t h ep a p e rp r o p o s e sam e t h o dt o e x p r e s s t h ef i x t u r ev a r i a t i o n b y t h ef i r s t p r i n c i p a lc o m p o n e n t o f m e a s u r e m e n td a t a w i t ht h i sm e t h o d ，t h ef a u l tc a nb em a p p e db yu s i n g p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i so f m e a s u r e m e n td a t a t a k i n g t h e m a t i n gp r o b l e m b e t w e e nf r o n t l e f tw h e e l h o u s ea n d f r o n t l e f tc a r l i n ga ss a m p l e ，t h em a t i n gf a u l ta n di t se l i m i n a t i o ni ss t u d i e d b ya p p l y i n gt h e m e t h o dp r o p o s e di n t h i s p a p e r f i r s t l y , u s i n gv i r t u a l a s s e m b l yt e c h n o l o g y , t h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h ep a r t si sd e t e c t e d t h e n s o m em e a s u r e m e n t p o i n t sa r el a i di nt h ew h e e l h o u s e ，a n dt h ef i x t u r ef a u l t i s m a p p e du s i n gt h ef i r s tp r i n c i p a lc o m p o n e n to fm e a s u r e m e n td a t a a t l a s t ，a ne c c e n t r i cp i ni su s e dt oo p t i m i z et h em a t i n gr e s u l t k e y w o r d s ：m a t i n g f a u l t ，a u t o b o d yp a r t s ，v i r t u a la s s e m b l y , p c a ! ：塑奎婆叁兰竺! ：兰些堡兰堡二兰l 竺鱼 第一章绪论 1 1 课题的研究背景、意义及来源 111 研究背景 汽车制造技术水平反映了一个国家的工业技术水平和制造能力，许多发达国 家如同本、美国、德国等都将汽车工业作为其国民经济的重要支柱产业。随着世 界经济一体化进程的加速，国际汽车市场竞争的r 益激烈，各主要汽车公司纷纷 研究丌发各种新型技术，努力提高其产品的质量，不断推出新的车型以在原有的 市场中占有更大的市场份额，同时更大力丌拓新的海外市场。于是，各国际汽车 集团不约而同地将目光投向了中国这个最大的、潜在的汽车市场，一场比质量、 比速度、比价格、比服务的汽车战即将在中国市场上由中外各汽车制造厂商联合 上演。如何在制造质量上超过同一档次的其他生产厂商将是能否赢得这场汽车战 的关键问题。 综观世界汽车制造业，在车体制造质量上，9 0 年代初，美国轿车车身制造 综合偏差在2 r a m 以上，西欧的车体为1 5 r a m 左右，r 本的车体平均为 1 m m 。由于美国轿车车身制造综合偏差显著高于r 本车体，为此丢掉了近3 0 左右的国内市场。随着为期3 年的“2 m m 工程”f 2 】项目的成功，1 9 9 6 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。西欧i 1 前在提高车体制造 质量方面也进行着尝试与努力，如：德国大众公司f 在推行的r p s 参考点系统。然 而在我国，除少数几款车型外( 如通用别克，大众帕萨特和本r ：j 雅阁等) ，其它 轿车车体制造偏差还不够稳定，平均在3 m m 以上，落后于世界先进水平。这迫切 需要我们在车体制造领域展丌研究工作。 1 1 2 课题的意义 轿车车身是具有复杂型面的壳体零件，也是整车中的最大部件。它通常是山 3 0 0 5 0 0 个薄板冲压件在5 0 9 0 个装配站上焊装而成f 3 】。因此薄板件的焊接装 配是轿车自车身制造过程中的关键工序，它直接影响着车身质量、生产率和经济 性。作为焊装过程中的一环，零部件的匹配直接影响着车体制造偏差的积累、传 ! 塑皇翌! ! 堂丝! 兰竺笙兰一一三! 生兰i 堡 橘和= | 5 台的整个过程。匹配例好，则”j 以湮没零件的部分制造偏差得到较好 的7 1 i 体综合偏差；匹配榭h i n r ，! j l | j 会产生以f 问题： 放大本级的制造偏差 影响下游的装配和车身的综合偏差 恶化焊接质量出现漏焊、半点焊现琢 由此可见，零部件的匹配问题是焊装过程中的重要问题。白车身制造质量控 制工程中的一大难题也就是如何识别匹配过程中出现的匹配缺陷以及如何采取 一定的手段来消除这些匹配缺陷以得到好的匹配质量。 在整车制造厂家，对于白车身的制造质量控制，一般采取四级检测措施。 工位检查一般由生产现场的质量工程师负责，质量工程师应随时发现实际生 产中工位上出现的各种问题( 如零部件不能正确放置、焊缝开裂等) ，采取现场 解决措施或进行进一步的检测。工位检查是一种基于经验的目测法。虽然它能发 现显现的质量问题并采取“补墙式”的补救措施来解决问题，但它仅仅对当前工 位是有效的，对于大量潜在的质量问题，它无能为力。 样架检测是对重要零部件分总成的一种常规检查，由生产现场的质保人员 完成。样架检测是车身零部件生产中运用得很成熟的一项质量控制手段。样架检 测以提供被检测件上关键点的实际空间位置与理想位置之f 日j 的差距以及型面的 。 洵交通人学坝i 学位论史 筘一章结论 彤状质量束反映被检件的制造质鼠。样架枪测的结粜也就足检测数捌作7 , j 1 序控 ；孙输入b 2 来实现缺陷检验。但样架检$ 1 4 法也有其自身 _ i 勺弱点： 样架榆洲只针对部分重要的零部件分总成，这暴磊了它的1 i 全i ” 样架检测速度太慢，对于：序控制法来说，不能提供足够的特征样本数 掘。这说明了它不具备控制中所要求的实时反馈能力。 样架检测的精度受限于样架本身的精度和检测人员自身的经验。样架自 身的变化( 如磨损) 和不同的检测人员均会使检测结果发生变化。这反 映了样架检测的精度不会太高。 三坐标测量机( c m m ) 依靠其较高精度和较高柔性，成为8 0 年代初乃至现在 国内外汽车制造厂的流行检测设备。在白车身质量控制中，c m m 测量已成为了 项不可或缺的手段。c 洲可以测整车也可以测量各种零部件分总成，它的测量 精度很高。c m m 通过测量白车身上已知理论值的关键点的三维坐标，得到它们的 尺寸偏差。该结果应用于统计过程控制( s p c ) 中或工序诊断调节法中以实现对 工序的控制。 c m m 出于精度保证的要求，一般需要放置在条件特殊的测量室中。要测量一 件工件，需要完成将工件从生产线搬运到测量室、定位、测量、再搬运工作。通 常每班仅能完成2 - 3 台( 件) 的测量任务。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，因而不能及时检测和诊断出装配 过程中出现的缺陷。 a u d i t 打分是对整车的外观效果进行评价的种方法。它对整车外覆盖件之 蚓b 的匹配进行研究，通过对匹配缺陷的扣分来给上游的生产制造旌加压力，希望 它们采取措施以消除缺陷。a u d i t 打分法也是一种经验方法，它只初步分析匹配 缺陷的成因以提供建设性意见束指导上游的生产。 汽车厂家无论采用怎样的手段和方法，目的只有一个，那就是得到质量合格 的零件、总成和整车。上述的检测措施是质量控制的必要手段，但在匹配问题上， 仅仅依靠检测结果并不能对缺陷的成因给出深层次的解释。因此在实际生产中， 厂家对于生产中出现的零部件之问的匹配问题，往往只采取“就事论事”的解决 办法，不能做到从根本上解决。如对于焊缝开裂等匹配问题，就用增加焊点等简 单办法来解决。由于车身零部件大部分是薄板冲压件，具有较大的柔度，因此这 种方法往往是暂时有效的。但由于问题并没有从本质上被根除，故对安全性、使 用寿命等埋下了很大的隐患并且由于增加了装配工艺( 如补焊) 而提高了成本。 正是在这种前提下，本文作者拟从匹配的质量问题着手，分析缺陷的成因， 并以实际例子为证提出实际可行、行之有效的匹配缺陷的根除方法和技术路线， 以期为国内汽车厂家所用。 塑奎塑叁堂塑! 兰竺堡兰一銎二! ! ! 鱼 11 3 课题来源 本课题来源于上海交通火学与i 二海大众，i 车有限公司合作的“1 二身制造质量 控制工程”项目。 1 2 面向车身装配的故障诊断 零件的匹配缺陷是车身装配中的一种常见的装配故障，因此对匹配缺陷及其 消除方法的研究属于车体装配故障诊断的一部分。 1 2 1m b d 诊断理论 基于模型的诊断( m o d e 一b a s e dd i a g n o s i s ，m b d ) 是人工智能领域提出 的一种制造品的诊断方法，它利用制造品的知识规则，可以产生能够解释模 型系统所有观测结果的一组最小限度的多重误差，有别于传统诊断方法( 如 基于经验规则系统、决策树等) 。在m b d 方法中一个系统的模型表达了该系 统的典型结构，能够反映该系统的正确行为。 b l b d 方法的一个基本思想是观察值与预测的相互关系。它的输入是一组 所考察系统的观测值和一个能够预测系统行为的模型。任何与预测行为不一 致的观测结果都作为一个有待解释的症状。假定模型能正确与观测现象关联， 则这种不一致现象是由系统中出现的某种故障而导致的。接着就可以确定故 障的产生源。 m b d 系统的典型构造是由一个被诊断系统的模型和一个m b d 引擎组成，常 用的引擎有g d e ( g e n e r a ld i a g n o s z i ce n g i h e ) 等。o d e 的基本原理是：首 先对诊断对象的观测形态进行测量，然后根据系统输入和组成元件的理想模 型得出诊断对象的理想预测形态，通过对观测形态和预测形态的比较分析， 找出差距，计算最小冲突集，从而得到关于故障元件定位的诊断结果”j 。 1 2 2 基于知识的故障诊断体系”h “ c e g l a r k 和s h i 在1 9 9 4 年将统计分析方法和车体的产品与工艺知识相结合 提出了基于知识的故障诊断体系。该方法将装配知识分为产品知识、工具知识、 工艺知识以及测量知识等，诊断过程主要分为三个步骤： 测量数掘进行统计分析 ! 塑窒塑叁堂塑! 兰些堡兰笙二! ! ! ! 鱼 找候选纰件和候选装配站 确定缺陷症状扑给t 能的故障溯 l9 9 6 印，c c , g 】a r k 和卧if i ：刈央儿火效模研究的珠础卜，捉了将i ! 成分 分析( p c a ) 方法和模式识别进行集成的故障渗断方法。 该方法对车身装配故障进行诊断时，毛要有以下渗断步骤： 计算测量点的标准差 按6 s j g m a 值制定一个阀值 对超出阀值得测点进行相关分杌 确定需要解决的故障问题 对问题进行分类珍断 本文正是在回顾、总结国内外学者在车体装配故障诊断理论领域研究成果的 基础上，结合本课题的实际情况汲取其中和课题相关的有益思想柬丌展研究的。 1 3本文的研究内容和结构安排 1 31 本文的研究内容 本文首先详细分析了零部件匹配的具体过程，并建立了匹配缺陷的数学表 达。在此基础上，分析各环节对匹配质量的影响，然后基于虚拟匹配技术和多元 数据处理技术研究匹配缺陷的识别方法和消除方法。 具体的研究内容包括： ( 1 ) 分析车身零部件的匹配过程，阐明匹配的概念、提出了衡量匹配质量的指标。 针对零件的柔性特点和匹配的具体过程，采用不同的方法逐个研究零件设计 偏差、零件制造偏差、央具偏差及其它因素对匹配质量的影响。 ( 2 ) 讨论并实现计算机虚拟装配技术在匹配缺陷检测和研究中的应用。结合螺钉 车技术，研究在实际生产中消除因零件偏差而造成的匹配缺陷的一般方法和 步骤。 ( 3 ) 研究通过主成分分析来识别失效的夹具元素，并借助偏心销来调整央具位置 以优化匹配结果的方法。 ( 4 ) 试验验证本文所建立的匹配缺陷识别和消除方法的可行性和实用性。 1 3 2 研究方法 本文采用力学模型分析、数学推导和实际案例验证研究相结合的方法。针对 车身零部件焊装匹配过程复杂、影响因素众多等特点，运用螺钉车姨配技术、主 ! ：塑窒塑叁堂竺! 兰竺堡墨一坠二皇! ! 鱼 成分分析力法和计t 算机虚拟装配技术分杌匹配缺陷产：生的具体原i 到，并通过案例 验i j ：，揭。：了! l j 除匹配缺陷的般，j 法和步骤。 1 3 3 本文结构安排 第一章首先阐明了本文的研究背景和现实意义：然后对车身装配领域内的 故障诊断方法进行了一定的回顾以此作为本文研究的理论基础：在本章的末尾， 对本文即将丌始的研究工作内容及其研究方法给予了介绍。 第二章分析车身零部件焊装匹配的具体过程，阐明了某些基本的概念并提 出了衡量匹配质量的几个指标：然后，基于零部件的匹配过程和柔性薄板件的特 点，分析了不同匹配接头形式下零件的匹配质量；以简化的弹性薄板模型为研究 对象分析了不合理的公差分配对匹配质量的影响；以匹配零件的一维简化模型为 研究对象，通过空i 、自j 几何方法分析了因零件制造偏差、央具定位偏差而导致的匹 配缺陷：以一组对比试验为例说明了匹配过程中人为因素对匹配质量的影响。在 此基础上，明确了实际生产中匹配缺陷的成因，提出了解决匹配缺陷的技术路线。 第三章由于常规检测方法在缺陷识别中存在局限，故引入计算机虚拟装配法 对匹配零件进行缺陷检测。虚拟匹配能给出完整的零件匹配信息并能对缺陷的产 生原因作出明确解释。本章阐明了该方法运用的具体步骤并解决了该方法运用过 程中的些实际问题。基于虚拟匹配的结果，提出了在实际生产中消除匹配缺陷 的般方法。 第四章研究通过夹具调整来优化零件匹配质量的方法。本章基于“3 2 一l ” 定位的夹具失效模型，运用主成分分析对失效夹具的定位偏差进行了识别。以 实际零件定位为例，阐明了该方法的运用过程。在实际生产中，使用可调整的偏 心销代替失效的定位元件进行生产，以优化零件的匹配效果。 第五章对国内某轿车在车身装配中长期存在的左前纵梁和左前轮罩匹配问 题运用本文所提出的缺陷诊断方法对其进行了分析和研究，找出了造成它们匹配 缺陷的原因并进行了消除。 最后，在第六章中进一步总结了本文已开展的工作并对车身焊装匹配方向的迸 一步研究提出了展望。 i ：塑窒垄叁兰! ! ! ! ! ! ：竺丝堡兰 笙= 至墨兰堕业型翌些皇姿坚塑坠竺塑塑盥生 第二章车身零部件的匹配过程及其影响因素 2 1 车身零部件的匹配在装配中的作用 2 1 1 车身零部件的装配 总体而言，车身装配为一种多层次体系结构1 ，若干零件经焊装成为分总成， 分总成又变成下一层装配中的零件，如图2 1 所示。陔图是一个四级装配图， 在陔图中，后围总成( c 1 1 ) 由1 2 个零部件分总成通过五个装配站经四级装配 完成。 在车身装配中存在两种装配序列，一种是装配过程中装配站之问的序列( 如 图2 1 中的$ 4 1 7 s 3 1 一 s 2 1 ) ，另一种则是在单个装配站上零部件的装配守列 ( 如零部件c 4 1 一 c 4 2 - - c 4 3 在装配站$ 4 1 上进行装配) 。这两种装配关系可以 出零部件之间的相互关系进行描述：装配零件间的纵向联系代表了装配过程中装 配站之问的序列关系，而在某个装配站上的零部件布置则描述了零部件进入该装 配站进行装配的序列关系。出此可见，车身装配是一个相当复杂，多维时i 、自j 序列 的过程。 就某个具体的装配站而言，零部件的装配通常分为五步： 安放将两个或两个以上车身零件放置于央具体上 定位夹具找准定位 央紧夹具体央紧零件 焊接焊枪焊接各零件，使它们成一体 释放央紧力释放，央具放松，零件装配完成。 2 1 ，2 车身零部件的匹配 2 1 21 涉及零件匹配的一些重要概念 ( 1 ) 匹配 匹配既是一种过程也是一种结果。 相对于某个装配工位上的装配过程而苦，匹配只是它其中的一个步骤，具体 是指从零件放置到央具找准定位这一阶段。其流程如下：需要装配的零部件( 如 零件i 和j ) 进入装配站( 如装配站a ) ，在人工或央具体的作用下，找到它们在央 湘交通人学坝i 学位论文第一帝下匀零部件的匹酣过程驶j e 蟛i 制矧索 处i - 的定1 讧化胃，这个过氍就避零什的匹配过程。零件n i 宽成匹配后，火 将它 门火紧， 受荷焊枪将它1 fj 的匹 t 特征i n f 女p 接阀定，得到分总成或总成。罔2 2 表达了这过稚。 而相刈_ 进行装配的零件而吉，匹配足它们之| 1 】j 相：尺寸和形状卜的一利晒t 合 结粜。这 配合结果u i 它们各i j 的尺寸和形状所决定并受到定化火具状态的影 口向。 匹配作为一个过程是我们研究的对象，而完美的匹配结果是我们研究工作的 目标。好的匹配结果应具有以下几个特点： 匹配零件之l t 日j 的州隙值1 j 大了二设计问隙值 匹配零件之问的间隙均匀 匹配零件不发生干涉 零件在央紧、焊接、释放后不存在明显的变形 层l 层2 层3 层4 萄2 - 1 车身装配的多层次体系结构 f i g 2 1h i c r a r c h l c a lg r o u po f a s s e m b l yp r o c e s s 图2 - 2 匹配过程示意图 f i g 2 - 2m a t i n gp r o c e s s 8 c 一肝川总城 c 犷肝纵桨拼装州 c 。抛群0 城 c 2 ，冉轮带总成 c 旷地扳拼装n c 矿- 行纵絷总成 c ”肃后纵瓣总成 c ，一立全崭盘架 c 圹蔷肺支架 c 矿- 中地扳 c 。- - 肝地板 c 汀地板接k r c l - - 盯纵骥 c 。：- - 记仙碓义 c 圹肋强板 洳交通人学坝i 学位论义 第一审下身零部佴的i 幢配过程投1 l 影响素 21 3 匹配在装配中的作用 如 1 订所述，j ：身装配足一个多维时问序列的复杂的问题不像搭秘水那样简 单。对于存车身装配过程r 1 j 偏差的耦合、传播机制，旧| t i ! | 外学名进行了深入的研 究。鉴于车身零件性能的特殊性和形状的复杂性，至今仍没有套理论能完整地 蜕明它。但众多研究工作的共识是：车身柔性零件在连接面处的匹配情况对车体 的综合制造偏差影响很大，因此研究零件的匹配是研究装配过程偏差传播理论的 一个切入点。 一般柬晚，匹配质量对装配偏差的作用有两种可能： 在某些匹配连接方式下，匹配零件之问有好的匹配质量可以在一定程度上降 低或湮没部分零部件本身的制造偏差。匹配质量好会对装配偏差有诈面的作用， 这也是本文研究的意义所在通过消除匹配缺陷以得到好的车身整体制造质 量。 在大部分情况下，匹配缺陷的存在将加大原有的尺寸偏差，并产生新的偏差。 ( 如图2 3 所示) 图2 3 匹配缺陷影响装配偏差示意图 f i g 2 - 3m a t i n gf a u l te n l a r g e sv a r i a n c e p 在上图中，零件a 和b 在匹配面之间存在较大的匹配缺陷，焊接的结果使 得柔性大的零件b 产生较大的变形，并影响到关键点p 的位置精度。 洵交通人学坝i 学位论文 弧一帝下身零部件的灶削过杼幢j l 彬响素 2 2匹配面间隙质量的评价指标 n ：实际乍，。现场，我们常观祭到舀i 柴湃“工位上进行焊接裴配n 0 零部件的怔，。 缝的局部l 曩喊出现较大的缝隙。如图2 5 所示，纵粱】与纵粱1 】4 ：匹配i k 城观 较大缝隙。这一现象就是零部件问的匹配间隙不均。 衡量匹配j 、日j 隙的好与坏，可以引入相应的衡量指标：如最大f n j 隙偏差v m ， 平均i 、n j 隙偏差v g 以及问隙平行度d p 。 22 1 最大间隙偏差v m v m = d m 一标准问隙 图2 - 4 匹配面最大间隙d m f i g 2 4t h em a x i m u mg a pb e t w e e np a r t s ( 2 1 ) v m 指匹配零件i ，j 在匹配特征处的最大匹配j 、日j 隙与标准间隙之差。 d m 指匹配零件i ，j 在匹配特征处的最大匹配问隙 最大问隙偏差v m 可以用来定性地评价在局部区域匹配质量的好坏。同时最 大间隙偏差也是一个阀值量，用来评判零部件是否匹配合格。设阀值量为f ，若 最大削隙偏差超过f ，则可以认定该匹配不合格。 2 2 2 平均间隙偏差v 。和间隙平行度d 。 ( 2 - 2 )半 ； 官 洵变如人学坝f j 学位论立第一市下身零部件的吐削过程肢l 影响w 隶 r 一 i 黔怀凇偏r ， ( 2 - 3 武- ：x 为第i 处测量点的问隙，n 为测蜒点数。 平均州隙偏差v 。和州隙平行度d 。可以用束评价匹配零件舀：匹配处的缝隙均 匀度。平均间隙偏差v 。 兑明了整条缝的蚓隙大小情况；而脚隙平行度d 。则说明 了缝隙是否均匀。假如v 。较大而d 。值较小，则说明匹配面之间尺寸间隙较大但 型面吻合较好。若v 。较小而d 。值较大，则说明匹配面之j 1 日j 尺寸问隙彳i 太均匀。 若v 。值和d p 值都较小，则说明匹配质量很好。相反，若v 。值和d 口值都较大， 则晓明匹配质量很不好。 22 3 匹配缺陷 刁i 。 匹配缺陷是匹配质量恶化的的一种表现。 匹配零件在匹配面处出现大的缝隙 匹配缺陷有两种形式： 一般v 值在4 彻以上，如图2 5 所 匹配零件型面之间出现干涉。 无论是过大的f 、日j 隙还是干涉，对于柔性零件都会产生焊装变形。 图2 - 5 匹配缺陷示意图 f i g 2 5 m a t i n gf a u l t 22 4 评价指标的应用 匹配面间隙质量评价指标的引入为我们能确定地去说明匹配的质量提供了 湘交j | 丑人学f 畹i 学位论义鹕一帝中身零部件的唑削过平口灶j 0 影响柰 ”j 能，讣为缺陷消除的训究1 j 作提1 j = 了呵以量化的i j 标。存配合币m j 隙质埽的一i 个指柄、亿馒最人n i j 隙偏蓐v 。坡小址匹 l 缺陷消除乃法：f i j f 究的具体标，【而、i i 均n 皲佣6 ，j 碲1 j 隙1 i j 嫂常i f ；j ：, i 4 t 匹6 l m j 晖f n q 优化r ，“。 2 3匹配质量的影响因素 从图2 - - 2 我们知道，零件i 和零件j 在装配过程中，未进行焊接固定就已经 发生匹配过程。因此，研究零件匹配质量的影响因素，就不必考虑焊接及以后的 过程了。零件在进入装配站进行匹配时，将带入自身的制造偏差，而装配站上的 央具也存在一定的位置偏差。所有这些偏差再加上装央具的一些不合理设计( 如 不合理的过定位等) 都将影响到匹配的结果。图2 - 6 描述了影响匹配质量的所有 因素。 图2 - 6匹配质量的影响因素 f i g 2 6 i n f l u e n c ef a c t o r sf o rm a t i n gq u a l i t y 2 3 1 不同匹配接头形式下的匹配质量 所有的车身薄板件焊装的型面接触形式可以简化为三种基本的匹配连接形 式。”( 如图2 7 所示) ： 搭接，属于这种形式的有中地板与后地板之间的连接。 对接，属于这种形式的有中地板与门槛之间的连接。 ! ：塑窒望叁堂塑! ! ! ! 堡墨 垫= ! ! 里至塑! 壁堕些皇鉴坚曼竺些丝竺坚! 生 角接，属j ：这种形式的有避震器支架与轮罩之f i l j 的连接。 亡一 a ) 搭接 c ) 们接 匿2 7 接头的剖面视图 f i g 2 7c r o s s s e c t i o n a lv i e w so f j o i n tg e o m e t r i e s 图2 7 还表达了另一重要的基本概念：给定方向。 给定方向定义了零件发生干涉的空间方向，是匹配接头的重要特征。例如对 于搭式连接，它在给定的空i 、日j 方向上并不存在任何干涉量。而对于对接接头，m 0 在陔方向上可能存在干涉。 我们引入干涉指数来分析不同匹配接头形式下的匹配质量。 匹配零件的相关系数r 。( i j ) r o ( i ，j ) = s i n ( q ) 给定方向 - - - 圈2 8 相关系数中a 角示意图 f i g 2 8 i l l u s t r a t i o nf o ra n g l e o ( 2 - 4 ) a 角由给定方向和配合特征之间的夹角决定。同时a 角也表达了不同的接头 形式。 o = o ”( 1 8 0 ”) q = 9 0 “( 2 7 0 0 ) 表示进行匹配的是光滑的平板 表示匹配接头是对接接头t 、 一 一 相交通人学坝l 学他论殳 锥一章下身零部f 的匹配过柠 乏j e 影响最 i i 间隙能力指数c 。 c 。= 2 a ( b i + b i ) ( 25 ) j i 。 ： b i 乖b j 址指零件i 剐j 各f _ 4 的制造偏差值统计学分柿，a 魁指阳肯的分币j i x 域的雨叠部分。血i 矧2 - 9 所示。在此阔中a 是阴影【爱域部分。 图2 9 间隙值模型 f i g 2 - 9am o d e lf o rd e s i g ng a p 由于分布函数的面积等于，所以( b i 和b j ) 的面积之和等于二。 c 。2 2 a ( b i + b j ) = 2 a 2 = a a 的面积代表了零部件i 和j 之间发生干涉的可能性。 当a = 0 ，即c 。= o 时，零部件j 和j 之间没有接触，也就不存在干涉现象。 当a = 1 ，即c 。= l 时，零部件i 和j 之间完全接触。 对c 。的修正： 由于零件在装配站上，会由于央具的偏差而发生装配位置的变化，故上 面的计算式只适用于央具位置处于理想状态的情况。丽在实际生产中总存在 的央具跑离理想位置的情况，故须对c 。进行修f 。 对c 。的修正主要是对b j 和b j 值的修正。 考虑零件j 的央具偏差，得到新的斟i 值为： ( 2 6 ) 沟奄姬人学帧f 学位论义 鹅一亭1 。身零部的“削过柠成j l 影响川素 其中：f i i 为零件i 的必具体偏尊 川刖，i j j 以倒剑b j 的修l l i 值b j 。扫：此攮础卜，i j j 以例刨新的a 值a 。 干涉指数r ( i ，j ) 在给定方向j ：，两相邻零部件存匹配特征【| 发生丁涉的州能。h - 山1 涉指 数r ( i ，i ) 来表征。 1 二涉指数r ( i j ) 的定义如下： r ( i ，j ) = c 。xr 。( i ，j ) = c 。s i n a ( 2 - 7 ) 从干涉指数的角度，假定央具定位是理想的，我们可以得到： 在名义削隙值恒定的情况下， 日j 隙能力指数也是恒定的。此时决定干涉 指数的只有零件的相关系数即零件接头与给定方向的央角a 的正弦值。o 的 值越大则干涉指数越大，发生干涉的可能越大，匹配质量不稳定。 对于搭接接头而言，相关系数r v ( i , j ) = o ，得到干涉系数r ( i ，j ) 也为零不 存在干涉的可能，故其匹配质量肯定好。对于对接接头，r 9 ( i j ) = 1 ，得到干涉 系数r ( i ，j ) = c g = a ，最易发生干涉，也就是说，零件的匹配质量最易受到 自身的制造偏差的影响。 对于同一种接头形式，其干涉指数的大小取决于零件的问隙能力指数 c 2 。由图2 - 9 我们知道，c g 的大小又取决于问隙名义值。名义间隙值越大 则c 2 越小，发生干涉的可能越小；反之，名义间隙值越小，则发生干涉的 可能越大。 对于对接接头而言，要降低它的干涉指数，减小它发生干涉的可能，就 需增大名义间隙值以减小c g ，但这样做的负面后果是降低了间隙的质量( 如 图2 - 1 0 ) 。图中，虚线代表名义间隙的原始值，实线代表名义间隙的现值， 名义间隙的修改结果使得面积a 等于零，零件i 和零件j 不发生干涉，但最 大间隙却由原来的r l 增大到了n = n + 2 b ) ，大大恶化了问隙质量。因此对 于对接接头而言，降低干涉指数和保证好的间隙质量是矛盾的。而对于搭接 接头则不存在这个问题。因此搭接接头优于对接接头。 洵交姬人学坝f 。学位论史 始一审下身零部件的匹配过程段儿彬l 响素 图2 - 10 名叉间隙值变动模型 f i g 2 1 0af l o w i n g m o d e lf o rd e s i g ng a p 2 3 2 公差设计对匹配质量的影响 公差是指考虑到制造工艺的波动而制定的可以接受的制造尺寸偏差范围。车 身零部件在进行公差设计时，从设计方法上看，无论是确定性方法( 如极值法l m j ) 还是随机性方法( 如r s s 统计分析法1 1 7 、蒙特卡洛模拟法1 1 8 1 ) 均没有充分考虑 到零件的非刚性特征。 事实上，车身零件大部分是柔度极大的金属薄板件，极易受外界因素( 如运 输、搬运等) 的影响而产生变形。由于条件的限制，生产厂家对车身零件的检验 大多采用样架。样架法检测是种严格约束状态下的检测方法，这种约束状态并 不等同于零件的实际装配状态。所以，样架检验合格的零件并不是在所有情况下 都能满足装配要求，特别是对于一些形状尺寸比较大的薄板件( 如地板) 。 一般情况下，当零件i 和零件j 在进行匹配时，若存在相互作用力，则刚性 相对小的零件在力的作用下，发生较大的变形。若变形量超出公差的范围，则出 现匹配缺陷。 由于车身零件中有很多件具有矩形的特征且这些件在尺寸上其厚度远小于 宽度，如地板，轮罩等，因此可以将它们简化为薄板。我们应用薄板模型对上述 i 塑窒堡叁兰竺! ：兰垡堡兰 竺= 主j ：皇至墅翌堂坐塑生兰堡丝坐苎! ! ! ! 生 问题边 】i 千细分析。 l ! i 设彳丁薄板，零件i ，其足、j 为a b ( 如陶2 - 1 1 ) ，其火持方- 简化为允边火 史，l ：p 阳边简史，边足j jj c 它零什的匹州特? _ i i ：i l t i # b r l + i 。在巧：l i 零1 i ：我 方向受剑j 它相匹配的零件的反作j 1 j 力，简化为均确，载荷q o 。考察自i | 边h _ a 砬：q 。f i - - - i j f 的挠度。 幽2 1 1薄板零1 ，1 = 简化模型 f i g 2 11 am e c h a n i c sm o d e lo f s h e e tm e t a l 对于上述模型，其位移边界条件为 ( w ) 茅o ，矛o ( w ) ，却= 0 ，( w ) m = o 将挠度的表达式“”取为 w = c 1 w l ( x ，y ) = c 1 ( 兰) 2 s i n 孚 则上述的位移边界条件都能满足。 求孵得： 2 q o a 2 2s i n 里 s 加 ：+ ( ；一：一 ( 詈 3 + 去( 警) 4 j 二位置 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) 其中：d 是由e 和决定的一个常数并与e 、成证比。 若取= o 3 拼假设b = a 将a 点的坐标( a ，昙) 代入上式，得到a 点的挠 1 7 x 一一一一一一一 一一一一一一一 瞅 一 _ 一 ! 塑至望叁兰塑! ：兰竺堡兰 度为 ；f ；一章下身零部悄的性削过程肢j 蟛响豪 w a = 0 0 l 】2 鱼生 ( 2 1 2 ) d 刈j ：i 埘个川h 匹p i d l j 9 零f t + 而j 囊其棚旺之间存神：列人小川等山向干反的作 h 力平j 】反作j 1 j 力，“匕0 可以假定两名的q 。，值是相等的，那么刈式( 2 - 1 2 ) 进行分 析j 以知道： 当阿者的e 值和值相等叫，式2 一】2r 1 一d 的火小也足 十f 的，那 么决定w 。的只有ab 【j 零件的尺寸。对于尺寸大的零件而言，其变 形大，需要预留更大的公差：而对于尺寸小的零件而苦，其变形小， 可以有相对紧的公差。 对于某些大型的零件而言，当其变形的大小远超过公差的范围时， 就需要采取措施增大零件的e 值( 如采用加强筋，加强板) 柬降 低w a 的值。 这就要求我们在进行公差设计时，充分考虑到匹配零件尺寸和刚性的不同而 对公差的配置进行修正。 23 3 零件的制造偏差对匹配质量的影响 零件的制造偏差是指加工得到的零件在实际形状和尺寸上与设计值的差距， 通常可分为形状偏差和位置偏差。轿车车身零件通常由冲压工艺制造得到，故其 制造偏差主要产生于冲压制造过程，如冲压模具的偏差。 在理想的定位夹持状念下，匹配间隙的实际值由零部件的尺寸制造偏差决 定，控制制造偏差也就保证了匹配f 刚隙的原始设计值。运用简化的零件匹配模型， 可以分析零件的制造偏差对匹配质量的具体影响。图2 1 2 中，零件i 有负向制 造偏差出，使得匹配问隙增加。过大时，产生匹配缺陷。 图2 - 2 零件自向制造偏差增大匹配间隙 f i g 2 1 2t h ee f f e c to f p a r t sv a r i a t i o no r lm a t i n gq u a l i t y 内交通人学坝 学他论文 笫一章下身零部科的l 坦配过程搜j l 蟛响索 y 符零件i 仃l f ：向制造偏茅q ，“1a 。大j ：零件i 和零f ， j 之| 1 i n 0 名义m 隙值，i j ! u f 撕肯n j 匹配州将发乍f - 涉。f l i 砹零件i 川悱址够人小发牛变彤， = f j f j 么零什j 就仃如2 】3 所1 i 的变形。i 5 卜涉螗为，w 0 零件i 仡y 方向 的变形毓山童火达剑，。，仃如r 计钟j _ i = + ”7 ： 、2 瓦鬲丽“ 图2 - i3 零件正向制造偏差产生干涉变形 f i g 2 1 3i n t e r f e r e n c ec a u s e db yd a r t sv a r i a t i o n 23 4 夹具定位偏差对匹配质量的影响 焊接央具定位偏差是由实际生产过程中的焊接兴具定位元件偏离了其原始 的( 设计的) 定位位置而产生。偏离的原因有两种： 生产过程中，定位元件不断调整而没有归到原始值。 生产过程中，由于定位元件的磨损而造成的偏差。 因定位元件的位置偏差而对零件的影响存在几种情况，下面以”3 2 1 ，定位2 2 的矩形薄板( 图2 - 1 4 ) 为例来具体分析定位元件的偏差对匹配质量的影响。 洵交通人学坝i 学位论史 第一幸下身零部佴t 的雎副过程度儿蟛响素 z 定 定位 图2 一】4“3 - 2 - 1 ”定位示意图 f i g 2 1 4al a y o u to f 3 2 - 1f i x t u r e 定位元件对零件