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上海交通大学硕士学位论文 轿车白车身测点布置及优化方法研究 轿车白车身测点布置及优化方法研究 摘要 随着轿车车身制造质量日趋受到工业界的重视，对轿车车身制造尺寸检测和 控制技术的研究也越来越得到学术界的重视。车身制造尺寸检测技术作为车身制 造质量控制过程的重要组成部分，在车身制造过程中占有举足轻重的地位。而车 身制造尺寸检测点的布置是车身制造尺寸检测环节的关键，本课题研究内容针对 车身制造尺寸质量检测和控制方面有关测点布置原则和测点优化方面的问题，重 点在于建立一套较完整的轿车车身制造尺寸控制检测点的布置原则及在此基础 上的检测点优化策略的研究。 大量文献显示，车身制造尺寸检测和控制技术中的车身尺寸检测体系的设 计、检测数据处理分析方面已经有研究成果发表和应用，而在车身制造尺寸检测 点的布置和优化方面还缺少深入细致的研究。本课题的研究主要围绕以下三个方 面展开： ( 1 ) 基于白车身制造尺寸控制的轿车白车身测点布置原则的建立。通过引进和 学习先进的轿车车身尺寸质量控制技术，分析和总结上海通用b u i c k 系列 车型和上海大众s a n t a n a2 0 0 0 、p a s s a t 等车型的车身制造尺寸检测点的布 置规律，提出了一套较为完整、可操作性强的车身制造尺寸检测点布置的 原则。通过该原则的建立，将有助于降低车身制造尺寸控制检测点布置依 赖于经验积累的程度，为新产品车型车身尺寸控制检测点的布置提供依 据。 ( 2 ) 根据生产和检测设备的实际情况，对轿车白车身已有的测点进行修正和优 化，其中包括：检测点数目的优化在满足测点功能的前提下布置尽可 能少的测点，在国内汽车生产厂家三坐标测量机数量有限的特殊情况下， 可以降低测量的成本，提高测量效率；检测点上下控制限的修改长期 生产过程中，在产品改型设计和工艺装备更新换代以后，车身实际生产尺 寸与原始设计尺寸之间会发生较大的变化。这种差异导致了许多问题的产 生，影响对产品制造质量进行正确评价。因此本文在实践应用研究中，将 车身实际生产中那些长期偏离设计尺寸，但制造尺寸相当稳定，对产品最 终制造质量没有影响且改回设计值耗费极大的测点的上下控制限进行修 正： ( 3 ) 检测点位置的优化，在实例研究的基础上，结合美国m i c h i g a n 大学有关在 第i 页 上海交通大学硕士学位论文轿车白车身测点布置及优化方法研究 线检测条件下基于焊装夹具故障诊断的传感器位置优化的有关研究，提出 离线检测条件下车身制造尺寸检测点的位置优化方法，该方法的应用将大 大增强检测点的误差敏感性。本文建立了车身焊装夹具失效模型，测点位 置对车身制造偏差的敏感度模型并进行了实例分析。 本文在实践研究的基础上，通过对国内几款车型的白车身测点的布置进行分 析归纳，提出了一套较为实用的白车身测点布置的原则。通过该原则的建立，将 有助于降低车身制造尺寸控制检测点布置依赖于经验积累的程度，为新产品车型 车身尺寸控制检测点的布置提供依据。 关键字：测点布置，尺寸检测，车身制造，质量控制 第i i 页 r e s e a r c ho nm e a s u r i n gp o i n t sp l a c e m e n t a n d o p t i m i z a t i o n f o rb o d yi nw h i t e a b s t r a c t w h i l et h eq u a l i t yo fc a rb o d yr e c e i v e si n c r e a s i n ga t t e n t i o ni nt h ec a r m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y ，a u t ob o d y d i m e n s i o nm e a s u r e m e n ta n dq u a l i t y c o n t r o lt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h ef o c a lp o i n to fr e s e a r c hi n t e r e s ti nt h e a c a d e m i aa c c o r d i n g l y ac r i t i c a lp a r to fq u a l i t yc o n t r o lp r o c e s so f c a r b o d ym a n u f a c t u r i n g ，a u t ob o d yd i m e n s i o n m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yp l a y s av i t a lr o l ei nt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so f c a rb o a y i nt h ep r o c e s s ， d i s t r i b u t i o no fm e a s u r i n gp o i n t si st h ek e yt oe f f e c t i v ea n da c c u r a t e m e a s u r e m e n t t h ea r t i c l ed e a l sw i t ht h eo p t i m i z a t i o no f t h ed i s t r i b u t i o n o fm e a s u r i n gp o i n t si na u t ob o d yd i m e n s i o nm e a s u r e m e n tw i t he m p h a s i s o np r o p o s i n ga ne f f e c t i v ea n dc o m p l e t ep r i n c i p l ef o r t h ed i s t r i b u t i o no f m e a s u r i n gp o i n t s b a s e do i lt h a tp r i n c i p l e ，f u r t h e ro p t i m a ls t r a t e g yf o r t h e d i s t r i b u t i o no fm e a s u r i n gp o i n t si sr e s e a r c h e d l i t e r a t u r e ss h o wt h a tm u c hw o r kh a sb e e nd o n eo na u t ob o d y d i m e n s i o nm e a s u r e m e n ta n di t sd e s i g n ，d a t aa n a l y s i si nc o n t r o ls y s t e m ， w i t hr e s u l t sp u b l i s h e da n da p p l i e dw i d e l y h o w e v e r ，l i t t l eh a sb e e n r e s e a r c h e do nt h ed i s t r i b u t i o na n do p t i m i z a t i o no f m e a s u r i n gp o i n t sf o r a u t ob o d ym e a s u r e m e n t m yr e s e a r c hc e n t e r sa r o u n dt h ef o l l o w i n g t h r e e a s p e c t s ： 1 e s t a b l i s h m e n to f m e a s u r i n gp o i n t sd i s t r i b u t i o np r i n c i p l ef o rb i w d i m e n s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m b a s e do nas y s t e m a t i ca n a l y s i so f t h e d i s t r i b u t i o no f m e a s u r i n gp o i n t so f a s e r i e so f m o d e l ss u c ha sb u i c k s e l i e sa n ds v ws a n t a n a2 0 0 0a n dp a s s a t ，ac o m p l e t ea n d u s e r f r i e n d l yp r i n c i p l ef o r t h ed i s t r i b u t i o no fm e a s u r i n gp o i n t sf o rc a l b o d y d i m e n s i o nc o n t r o li sp u tf o r w a r d t h i sm e t h o dw i l lg r e a t l yr e d u c et h e d e p e n d e n c e o ne m p i r i c a la p p r o a c hi nm e a s u r i n gp o i n t sd i s t r i b u t i o no f c a rb o d yd i m e n s i o nc o n t r o l ，t h u sp r o v i d i n gr e l i a b l er e f e r e n c ef o rt h e d i s t r i b u t i o no f m e a s u r i n gp o i n t sf o rn e wm o d e l s 2 m o d i f i c a t i o na n do p t i m i z a t i o no nt h ee x i s t i n gd i s t r i b u t i o no f m e a s u r i n gp o i n t sf o rb i w t h i sw o r ki n c l u d e s ：o p t i m i z a t i o no f m e a s u r i n gp o i n t s - - r e d u c et h ep o i n t st oam i n i m u m w h i l em e e t i n gt h e m e a s u r i n gr e q u i r e m e n t g i v e n t h el i m i t e dc o o r d i n a t em e a s u r i n g m a c h i n e s ( c m m ) a v a i l a b l ei nd o m e s t i cp l a n t s ，t h i sw i l lh e l pr e d u c e p r o d u c t i o nc o s ta n di m p r o v ee f f i c i e n c y ；m o d i f i c a t i o no f t h e c o n t r o l l i m i t ( u pa n dl o w 卜o v e rt i m e ，t h ea c t u a ls i z eo f t h ec a rb o d yw i l l d i f f e rf r o mt h eo r i g i n a ld e s i g nd u et om o d e lc h a n g ea n df a c i l i t y e n h a n c e m e n t t h i sg i v e sr i s et oas e r i e so f p r o b l e m sw h i c h a f f e c tt h e e v a l u a t i o no fq u a l i t y f o rt h a tm a t t e r ，m o d i f i c a t i o nh a s b e e nm a d ef o r t h o s ec o n t r o ll i m i t so f t h em e a s u r i n gp o i n t st h a ta r en o ts t r i c t l yi nl i n e w i t ho r i g i n a ld e s i g nb u tp r o v i d ep r o d u c t sw i t hs t a b l eq u a l i t y ( e x e r tn o a d v e r s ee f f e c ti nt e r m so fq u a l i t y ) a n dw i l le n t a i lh u g ec o s tt ob e c o n v e r t e dt oo r i g i n a ls p e c i f i c a t i o n 3p o s i t i o no p t i m i z a t i o no f m e a s u r i n gp o i n t s 0 nt h eb a s i so f r e a l l i f e c a s es t u d y a n dt a k i n gi n t oc o n s i d e r a t i o no ft h es t u d yc a r r i e do u tb y u n i v e r s i t yo fm i c h i g a no n t h eo p t i m i z a t i o no fs e n s o rd i s t r i b u t i o nf o r w e l d i n gf i x t u r ed i a g n o s i sf o ro n l i n em e a s u r e m e n ts y s t e m ，a n o p t i m i z e d c a rb o d ym e a s u r i n gp o i n t sd i s t r i b u t i o nm e t h o df o ro f f - l i n e i n s p e c t i o ni sp u tf o r w a r d t h en e w m e t h o dw i l lg r e a t l ye n h a n c et h e 第i v 页 一_ _ - - _ _ 一 圭塑至堡奎鲎堡主兰堡丝塞 堑圭鱼皇星塑皇塑堡垒垡些查鲨堡塞 e r r o r s e n s i t i v i t yo f m e a s u r i n gp o i n t s af a i l u r em o d e la n de r r o r s e n s i t i v i t ym e t r i c sa r ea l s oc o n s t r u c t e df o r c a rb o d yw e l d i n gf i x t u r e w i t hr e l e v a n tc a s es t u d y 0 nt h eb a s i so f p r a c t i c a ls t u d yo nt h ed i s t r i b u t i o no f m e a s u r i n g p o i n t so f b i w o f s e v e r a lp o p u l a rm o d e l si nl o c a lm a r k e t ，a p r i n c i p l ef o r t h ed i s t r i b u t i o no f m e a s u r i n gp o i n t sf o rb i w i se s t a b l i s h e d t h i sw i l l g r e a t l yr e d u c et h ed e p e n d e n c eo ne m p i r i c a la p p r o a c hi nm e a s u r i n gp o i n t s d i s t r i b u t i o no fa u t ob o d yd i m e n s i o nc o n t r o l ，t h u sp r o v i d i n gr e l i a b l e r e f e r e n c ef o r t h ed i s t r i b u t i o no f m e a s u r i n g p o i n t sf o rn e w m o d e l si nt h e f u t l a r e k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o no f m e a s u r i n gp o i n t s ， d i m e n s i o nm e a s u r e m e n t ， a u t o b o d ym a n u f a c t u r e ， q u a l i t yc o n t r o l 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。 学位论文作者签名：同磐群 日期：乃衫年2 月群日 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。 保密耐，在三年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：网志努 指导教师签冬：7 关硷 日期：卫。一? 年口月鲜日日期：0 ”a 年吱月o 日 上海交通大学硕士学位论文 轿车白车身测点布置及优化方法研究 1 绪论 1 1 课题研究背景、目的、意义和来源 1 1 1 研究背景 轿车车身是轿车的重要组成部分，是整个轿车零部件的载体，其重量和制造 成本约占整车的4 0 6 0 ，轿车车身制造质量的优劣对整车质量起着决定性作 用。轿车车身制造( 即白车身装配) 是融合了薄板冲压成形、自动装配生产线、 焊接及检测技术等多学科领域的复杂过程。因此，可以认为轿车车身制造质量能 够综合反映国家工业的技术水平和制造能力。目前，相关轿车车身制造的技术问 题，不仅受到产业界，而且也逐渐受到学术界及政府部门的普遍重视。 车身制造偏差是在全球汽车制造企业普遍存在的质量问题，它将直接影响到 轿车制造质量、制造成本、车身美观性和新产品投放周期，甚至还会影响公司名 誉。比如：过大或过小的车门缝会导致关门用力、风噪声或漏水等质量问题，为 克服门缝偏差进行的反修、打磨等工作无疑在增加了制造成本的同时还延长了产 品出厂时间：另外，在产品开发阶段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。 轿车车身由几百个具有复杂空间曲面的薄板冲压零件在流水生产线上大批 量、快节奏地装配得到，中间环节众多，各种装配偏差源难以避免。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，如：2 0 世纪8 0 年代末，日本依靠全面质量管理( t o m ) 使其品牌产品的车身制造综合偏 差控制在2 m m 以内，为日本轿车全面占领欧美市场奠定了基础。9 0 年代末，美 国三大汽车公司( g m ，f o r d ，c h r y s l e r ) 通过“2 m m 工程”，结束了汽车工业长 期依靠经验积累的轿车车身制造时代，其车身制造偏差从9 3 年的4 m m 减少至1 9 6 年的2 m m ，夺回了被日本占领的市场份额。目前，在国外由于在线测量、焊接机 器人及在线故障诊断等先进技术的应用，轿车车身制造的国际先进水平已达到车 身制造综合偏差在l m m 以内。然而，我国轿车车身制造偏差还不够稳定，平均 在5 m m 左右，远远落后于世界先进水平，进入w t o 又给中国汽车业带来了新冲 击。因而，更迫切地需要在我国开展控制车身制造偏差的研究。 第1 页 上海交通大学硕士学位论文轿车白车身测点布置及优化方法研究 1 1 2 课题的内容、意义 随着轿车车身制造质量日趋受到工业界的重视，对轿车车身制造尺寸检测和 控制技术的研究也越来越得到学术界的重视。车身制造尺寸检测技术作为车身制 造质量控制过程的输入部分，在车身制造过程中占有举足轻重的地位。而车身制 造尺寸检测点的布置是该输入部分的关键，本课题研究内容针对就是车身制造尺 寸质量检测和控制方面有关测点布置原则和测点优化方面的问题，重点在于建立 一套较完整的轿车车身制造尺寸控制检测点的布置原则及在此基础上的检测点 优化策略的研究。 大量文献显示，车身制造尺寸检测和控制技术中的车身尺寸检测体系的设 计、检测数据处理分析方面已经有研究成果发表和应用，而在车身制造尺寸检测 点的布置和优化方面还缺少深入细致的研究。”本课题的研究意义主要有以下 两点：( 1 ) 通过引进和学习先进的轿车车身尺寸质量控制技术，分析和总结上 海通用b u i c k 系列车型和上海大众s a n t a n a2 0 0 0 、p a s s a t 等车型的车身制造尺寸 检测点的布置规律，提出了一套较为完整、可操作性强的车身制造尺寸检测点布 置的原则。通过该原则的建立，将有助于降低车身制造尺寸控制检测点布置依赖 于经验积累的程度，为新产品车型车身尺寸控制检测点的布置提供依据。 ( 2 ) 根据生产、检测设备的实际情况，对轿车白车身已有的测点进行修正和优化，其 中包括：检测点数目的优化，在满足测点功能的前提下布置尽可能少的测点，在 国内汽车生产厂家三坐标测量机数量有限的特殊情况下，可以降低测量的成本， 提高测量效率；检测点上下控制限的修改，由于实际生产条件的约束，在车身制 造过程中始终会存在一些非常稳定却又偏离名义值的测点，而且这些测点的均值 漂移并不影响产品最终的制造质量，对这些点的上下控制限予以修正以对产品制 造质量进行正确评价；检测点位置的优化，在实例研究的基础上，结合美国 m i c h i g a n 大学有关在线检测条件下基于故障诊断的传感器布置优化的有关研究， 提出离线检测条件下车身制造尺寸检测点的优化方法，该方法的应用将大大提高 检测点测量的可靠性，增强检测点的误差敏感性。 1 1 3 课题的来源 本课题研究主要来源于以下研究项目的支持： b u i c kw - c a r 、s - c a r 、g l 8 车身制造质量控制项目( 上海通用汽车有限公司、 上海交通大学汽车工程研究所，2 0 0 0 一至今) s a n t a n a 2 0 0 0 车身制造质量控制项目( 上海大众汽车有限公司、上海交通 大学汽车工程研究所，1 9 9 8 一至今) 第2 页 上海交通大学硕士学位论文 轿车白车身测点布置及优化方法研究 1 2 白车身制造质量控制技术研究综述 1 2 1 白车身制造过程 白车身( b o d yi nw 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涂装和内饰件总装阶段之前的车身。在 轿车车身生产中，白车身的装配质量最大程度地影响到最终整车性能。白车身的 总体制造误差的大小代表了车身制造质量水平。 轿车车身结构和制造工艺都非常复杂，同时要求具有很高的装配精度。一般 而言，典型的轿车车身由4 0 0 多个零件，经过2 0 0 多道装配工序，2 5 0 0 个工装定位 点，由4 0 0 0 6 0 0 0 个焊点焊装而成。轿车自车身制造过程有如下的特点： 1 制造工艺复杂 如图卜1 和图1 - 2 所示，白车身产品结构和制造工艺都非常复杂，工艺质 量控制十分困难。车身装焊过程具有严格的层次性特点，装配层次的设计划 分在很大程度上影响到车身的制造工艺性及整体质量。通常把车身划分为若 干分总成，分总成又划分为若干合件，合件由一些组件和零件组成，装焊顺 序依次为零件、组件、合件、分总成、白车身。 2 制造精度要求高 由于白车身制造尺寸偏差直接影响到最终产品的整体外观，以及风噪 声、密封性、行驶平稳性、空气动力学特性等整车性能，这就要求车身装配 具备很高的的装配精度。例如，近年来日本、欧洲、美国的轿车生产企业已 经先后在制造精度方面取得进展，其制造水平可将车身关键测点的60 值控 制在2 m m 之内。在大批量工业生产的背景下，高装配精度对车身制造尺寸控 制技术提出了很高的要求。 3 检测困难 由于白车身主要由薄板冲压零件组成，存在大量自由曲面，难以选择测 量基准，零件的测量定位困难。同时，车身生产在大规模和高生产率条件下， 不可能实现1 0 0 离线检测。而要采用全部在线检测，必须已经在生产线留有 充分的工作空间，或具有专门的预留工位用于安装测量设备，同时还需要巨 额投入，这对于国内许多汽车生产企业而言不具备可行性。 第3 页 上海交通大学硕士学位论文 轿车白车身测点布置及优化方法研究 白车身 b o d yi nw h i t e l 图1 1 车身装配结构示意图 f i g 1 1a s s e m b l ys t r u c t u r eo f a na u t o m o t i v eb o d y 四门 d o o ra s s e m b l y 侧围 $ 1 d e f l a m e s + 、 v 前后盖 f e n d e r h o o da n d d o c k l i da s s e m b l y 图1 - 2车身装配过程示意图 f ig 1 2f l o wo fa u t o b o d y a s s e m b l yp r o c e ss 后围 u n d e r b o d yr e a rv f 一一姆 车身 a u t o b o d vb m i s 第4 页 上海交通大学硕士学位论文轿车自车身测点布置及优化方法研究 1 2 2 车身制造尺寸质量控制综述 质量是具有满足某种特定需求的产品或服务的特性或特征的总称，也可以定 义为满足给定需求的产品或服务的特性或特征的总称，表现为某种特性的期望值 以及围绕期望值的波动范围。车身制造尺寸质量是指车身制造的尺寸正确性和精 确性，其质量的好坏将直接影响到诸如风噪声、密封性、行驶平稳性等整车性能。 从制造工艺角度出发，产品制造过程的质量涉及到的因素可以概括为5 m i e ， 包括：人员( m a n ) ，机械( m a c h i n e ) ，材料( m a t e r i a l ) ，方法( m e t h o d ) ， 测量( m e a s u r e m e n t ) ，环境( e n v i r o n m e n t ) 。正是这些因素的变化波动引起的 产品输出特性的波动。每项因素都会不可避免的存在波动，这些波动最终影响到 的装配质量。 设计偏差 装配过程偏差 冲压偏差 车身装配偏差 图i 一3 车身制造尺寸偏差的故障树 f i g ，1 - 3f a u l tt r e ef o ra u t o b o d ym a n u f a c t u r ed i m e n s i o n a le r r o r 制造业对质量问题的控制的手段可以归结为三个阶段： ( 1 ) 产品检验阶段 产品检验主要是在生产之后检验出不合格产品，并反馈回制造部门，仅能剔 除不合格产品，并不能改进产品的固有质量。 ( 2 ) 制造过程质量控制阶段 制造过程质量控制是一种线内质量管理，强调通过对生产过程质量的监控和 控制来控制产品质量。这种方法将质量控制从对最终产品的检验提前到对产品制 造过程的控制，能够有效减少制造中的质量缺陷和质量偏差。但如果需要控制的 因素过多或允许的误差很小，生产过程的控制往往很困难，且成本较高。因而难 以从根本上改进产品和生产工艺潜在的制造质量波动。 ( 3 ) 通过改进产品设计来保证质量的阶段 第5 页 上海交通大学硕士学位论文 轿车白车身测点布置及优化方法研究 通过改进产品的生产工艺设计来提高质量的方法是一种线外质量管理，能够 在不增加产品成本的前提下，减少制造缺陷，提高产品制造的稳健性，同时也减 少对于制造过程中的质量监控的依赖，强调质量控制必须拓展到产品设计阶段。 然而该方案，主要用于改进产品设计质量，在线内产品制造工艺控制方面有所不 足。 对于车身制造尺寸质量的控制手段主要采用下面两种方法：一是从产品和工 艺设计的角度出发，研究车身装配过程中复杂的偏差产生机制和传递规律，总结 生产实际经验知识，确定合理的车身尺寸理论值、公差和制造工艺，以防止尺寸 质量问题的产生。二是从检测和控制的角度出发，研究先进的车身尺寸检测技术 和诊断控制技术，总结生产实际经验知识，确定合理的检测控制体系和方法，以 迅速发现和解决尺寸质量问题。本课题主要从轿车白车身检测控制体系中的测点 的合理布置和优化分布入手。 对白车身质量控制首先要求对制造过程进行尺寸数据的检测采样。因为尺寸 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。目前主要依靠坐标测量机对白车身进行测量，具有较高精度 和较高柔性。但通常每班仅能完成2 3 台( 件) 的测量任务，因而装配过程中缺 陷检测和诊断并不是十分有效。 为了控制产品波动，对保证产品质量控制可以分为两类： ( 1 ) 线内质量控制和管理。以制造部门为主。通过对生产工艺进行诊断、 调节、预测、修正、检测。主要针对产品件的干扰起作用。 ( 2 ) 线外质量控制和管理。以产品设计部门和生产技术部门，即质量工程 学，通过三次设计方法，提高产品稳健性。对以上三种干扰问题起作用。 控制图法通过控制在工艺和产品生产中导致偏差的客观外部因素，来稳定质 量。 t a g u c h i 方法主要通过实验设计改进方案，寻找稳健参数，致力于产品和工 艺更具鲁棒性，以此来避免外界因素对质量的影响程度。 应当指出，随着质量管理工程的发展，以上两类方法在新的质量手段逐渐融 合。现代的质量管理，应当既包括设计优化也包括生产控制手段。前者是保证稳 定生产的前提，后者是维持生产制造正常进行的必要手段。 1 2 3 车身尺寸检测数据处理和故障诊断技术的研究和发展 由于车身结构和制造工艺的复杂性和检测手段的有限性，车身尺寸检测数据 具有不同于一般制造过程的显著特点： 小样本采样频率低而导致的“小”样本。以轿车车身的三坐标测量机抽 第6 页 上海交通大学硕士学位论文 轿车臼车身测点布置及优化方法研究 检为例，抽检测频率一般不会超过5 ，一周样本量通常为1 5 3 0 台： 多变量车身测点数目众多。如整车测点数通常为2 0 0 4 0 0 个； 结构化测点与车身装配结构对应，呈现结构相关性： 大噪声输入因素复杂、存在多种测量噪声： 正因为有上述特点，车身尺寸检测数据的处理和故障诊断具有极大的困难。 从2 0 世纪3 0 年代休哈特控制图方法的出现，n 5 0 、6 0 年代过程控制( s p c ) 的广 泛应用。n 8 0 、9 0 年代先进检测技术的发展而促进多元数理统计的应用，如时间 序列分析、小波分析、专家系统等，车身尺寸检测数据的处理和故障诊断一直是 最为活跃的研究热点。车身尺寸检测数据处理和故障诊断技术发展的目标是实现 快速、准确、智能化的车身尺寸质量“零误差”控制。 ( 1 ) 统计过程控制( s p c ) 统计过程控制( s p c s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 由美国休哈特、朱兰、 戴明等人于2 0 蛰 3 0 年代间提出，并按照数理统计的“6 盯”( “3 盯) 原则形成 了一整套方法，包括控制图设计和缺陷预防等，其代表是休哈特1 9 3 1 年所蓍工 业产品质量的经济控制。第二次世界大战期间，美国政府和国防部以休哈特质 量控制图为基础先后制订了三个工业标准：质量控制法指南、数据分析用 的控制图法和生产中质量管理用的制造图法，并广泛推广到包括汽车工业 在内的各个工业领域。战后，由于采用数理统计原理的质量控制方法给企业带来 了巨大利润，在全球兴起了产品质量统计过程控制的研究和应用，并在5 0 年代达 到高潮。直到今天，包括汽车在内的各制造企业在产品质量控制上依然主要采用 该方法对检测数据进行处理和分析，并仍在不断发展。常用的车身尺寸检测数据 统计过程控制方法有：直方图法、控制图法、散布图法、抽样检查法等。 虽然s p c 仍旧是目前车身尺寸检测数据处理和故障诊断中不可缺少的方法， 但s p c 的缺点也是明显的：一是由于s p c 是建立在大样本和典型分布的统计假设基 础上的，对于小样本、多变量的车身制造尺寸数据分析显得不够准确；二是s p c 依靠工程师的经验观察，可提取的有效信息少，不能充分利用车身尺寸检测多变 量、结构化的数据信息对产品制造过程中的故障进行智能化诊断。 ( 2 ) 多元数理统计和基于知识的故障诊断技术结合 8 0 年代以来，随着车身在线检测技术的发展，如光学坐标测量机( o c 埘) 等 出现，车身尺寸检测的数据样本增多，多元数理统计得到迅速有效的应用。多元 数理统计的主要内容包括：回归分析、方差分析、聚类分析、判别分析、主成分 分析、因子分析、相关分析等。9 0 年初，吴贤铭等人开创性地将多元数理统计中 第7 页 上海交通大学硕士学位论文轿车白车身测点布置及优化方法研究 的相关分析、主向量分析等方法与基于知识的故障诊断技术结合，对解决车身尺 寸波动问题的故障诊断、稳定生产质量起到了重要作用，成为现代车身检测数据 处理和故障诊断中的经典方法。 该方法首先选择存在于车身尺寸偏差中的主要问题：然后通过数据相关分析 找到与某一问题相关的各测点，并依据车身装配结构关系树将尺寸波动的故障源 定位到某一装配工位或某一零件；再按照主向量分析的方法提取检测数据波动的 主要模式；在另一方面，按照工艺经验知识将车身装配夹具失效进行建模分析， 确定各种夹具失效所对应的故障模式：根据上述检测数据主要波动模式和夹具失 效模式的两方面匹配，并对应实际生产经验，即可车身尺寸波动的故障源，作出 相应控制措施。 上述方法在各种在线检测手段的应用中取得了极大的成功。然而，由于依然 不能克服数理统计的方法对检测样本的要求局限( 即大样本、平稳随机过程、正 态分布) ，该方法在一般车身尺寸检测数据( 如c 删离线抽检) 的处理和故障诊 断中应用受到了较大的限制。 ( 3 ) 小波( w a v e l e t ) 分析的应用 小波( w a v e l e t ) 的概念是出法国理论物理学家g r o s s m a n n 与法国数学家 m o r l e t 共同提出的。其基础是平移和伸缩下的不变性，这使得能将一个信号分解 成对空间和尺度的独立贡献，同时又不丢失原有信号的信息。原则上讲，几乎所 有使用傅立叶分析的地方现在都可以用小波分析来取代。小波分析的突出优势在 于：小波分析在时域和频域上同时具有良好的局部化性质，可以对高频成分采用 逐渐精细的时域或空间域取代步长，从而可以聚焦到对象的任意细节。因此，小 波变换被誉为分析数据信号的“显微镜”，傅立叶分析发展史上的新里程碑。小 波变换已经在信号处理、图像压缩、语音识别、计算机视觉、故障诊断等许多学 科领域得到了广泛的应用。 由于在数据信号处理和分析上所具有的无可比拟的广泛适用性和分析能力， 小波分析被逐渐用于车身制造尺寸检测数据处理和故障诊断中。如：美国 m i c h i g a n 大学的学者( 1 9 9 6 ) 年将h a r r t j 、波分析用于车身覆盖件冲压过程中检测 数据处理，并由分析结果进行故障诊断。上海交通大学黄文振、周志革( 1 9 9 8 ) 将小波变换用于车身尺寸检测数据的周期检测，从中获取数据变化的趋势项规律 和车身尺寸变化与材料、工艺改变的对应关系。 第8 页 上海交通大学硕士学位论文轿车白车身测点布置及优化方法研究 ( 4 ) 时间序列分析( t i m es e r i e sa n a l y s i s ) 的应用 时间序列分析( t i m es e r i e sa n a l y s i s ) 起源于预测，特别是市场经济和社 会科学问题的预测，是数理统计学的一个重要分支。1 9 2 7 年，g u y u l e 提出了时 序的a r 模型。1 9 3 1 年，g w a l k e r 对a r 模型的预测做出了进一步完善。时间序列 的参数模型拟合和推断过程基本理论是由n o r b o r tw i e n e r 和a n d r e ik o l m o g o n o r 在4 0 年代分别提出的。1 9 7 0 年，g e p b o x 和g m j e n k i n s 发表专蓍时间序列分 析：预测和控制，建立起时间序列分析一整套的建模、估计、检验和控制方法， 把时间序列分析的研究推向了一个全新的时间。7 0 年代，吴贤铭、s m p a n d i t 等人从工程应用的角度出发提出了d o s ( d y n a m i cd a t as y s t e m ) 方法，将时序分 析与系统分析紧密结合，推动了时序分析发展。8 0 年代初，该方法由吴贤铭等人 传入我国。近二十年来，时间序列分析几乎在与数据处理相关的所有社会、自然 和工程技术领域得到了广泛的应用。 时间序列分析不同于控制理论中从系统角度来揭示各时序因果关系的数学 模型，而是从统计的角度揭示各时序内部和相互之间的统计关系，从而对于输入 众多、结构复杂的系统具有更为广泛的适用性。从理论而言，时间序列分析，特 别是多维时间序列分析及其混合模型，非常适合于车身制造尺寸检测数据多维、 结构化和系统复杂性的特点，在一定程度上可以弥补小样本的信息不足。美国 m i c h i g a n 大学吴贤铭( 1 9 9 2 ) 、胡仕新( i 9 9 6 ) 等人在基于时间序列分析的预测误 差分析( p r e d i c t i o ne r r o ra n a l y s i s ) 上做了大量研究工作，并将其成功应用 于车身在线检测数据的处理分析以快速准确地监测车身尺寸均值漂移或波动。然 而由于模型参数识别困难、误差源分离不易，时间序列分析在实际生产的应用受 到了较大限制。 除了上述研究外，随着车身制造尺寸检测手段的不断增强和数据处理、故障 诊断、计算控制等相关技术的发展，许多交叉学科的方法也正在被尝试应用到车 身制造尺寸检测数据处理和故障诊断中去，如：故障树分析( f t a f a u l tt r e e t h e o r y ) 、专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 、遗传算法( g a g e n e t i ca l g o r i t h m ) 等。 1 3 本文研究内容、研究方案 1 3 1 研究内容 大量文献显示，车身制造尺寸检测和控制技术中的车身尺寸检测体系的设 计、检测数据处理分析方面已经有研究成果发表和应用，而在车身制造尺寸检测 第9 页 上海交通大学硕士学位论文 轿车白车身测点布置及优化方法研究 点的布置和优化方面还缺少深入细致的研究。本课题的研究主要围绕以下三个方 面展开： ( 1 ) 基于白车身制造尺寸控制的轿车白车身测点布置原则的建立。通过引进和 学习先进的轿车车身尺寸质量控制技术，分析和总结上海通用b u i c k 系列 车型和上海大众s a n t a n a2 0 0 0 、p a s s a t 等车型的车身制造尺寸检测点的布 置规律，提出了一套较为完整、可操作性强的车身制造尺寸检测点布置的 原则。通过该原则的建立，将有助于降低车身制造尺寸控制检测点布置依 赖于经验积累的程度，为新产品车型车身尺寸控制检测点的布置提供依 据。 ( 2 ) 根据生产和检测设备的实际情况，对轿车白车身已有的测点进行修正和优 化，其中包括：检测点数目的优化在满足测点功能的前提下布置尽可 能少的测点，在国内汽车生产厂家三坐标测量机数量有限的特殊情况下， 可以降低测量的成本，提高测量效率：检测点上下控制限的修改长期 生产过程中，在产品改型设计和工艺装备更新换代以后，车身实际生产尺 寸与原始设计尺寸之间会发生较大的变化。这种差异导致了许多问题的产 生，影响对产品制造质量进行正确评价。因此本文在实践应用研究中，将 车身实际生产中那些长期偏离设计尺寸，但制造尺寸相当稳定，对产品最 终制造质量没有影响且改回设计值耗费极大的测点的上下控制限进行修 正； ( 3 ) 检测点位置的优化，在实例研究的基础上，结合美国m i c h i g a n 大学有关在 线检测条件下基于焊装夹具故障诊断的传感器位置优化的有关研究，提出 离线检测条件下车身制造尺寸检测点的位置优化方法，该方法的应用将大 大增强检测点的误差敏感性。本文建立了车身焊装夹具失效模型，测点位 置对车身制造偏差的敏感度模型并进行了实例分析。 1 3 2 研究方案 本文从车身制造质量控制技术的学习研究入手，分析车身制造装配尺寸测量 技术的特点，并对车身装配尺寸检测设备作了详细的介绍对比。针对车身制造尺 寸检测的技术特点及国内主要汽车生产厂家使用的车身装配尺寸检测设