（车辆工程专业论文）轿车车身装配偏差流的状态空间建模方法及应用基础研究.pdf

摘要 轿车车身装配偏差流的状态空间建模方法及应用基础研究 摘要 轿车车身通常由数百个冲压件在数十个工位的上百套夹具装配面成，夹具定位偏 差、零件偏差在装配过程中传递、累积与耦合，汇聚成装配尺寸偏差流，并最终形成车 身综合尺寸偏差。车身尺寸偏差的大小直接影响到车身密闭性、关门效果、外观质量以 及行驶平顺性，进而影响到整车的市场竞争力。各汽车公司对此给予高度重视。传统的 车身尺寸偏差控制技术首先通过关键产品特征( 1 0 c ) 检测进行车身装配质量评价，采 用多元统计方法实现质量数据特征分析和偏差源的诊断，通过关键控制特征( k c c ) 的 调整实现过程控制。但由于缺乏车身装配偏差流的描述模型，传统的车身装配工艺设计 和误差源诊断方法主要是针对单工位工况，多工位装配过程的检测测点布置、夹具优化 和偏差源诊断方法难以摆脱依赖经验的模式。如何建立车身多工位装配过程偏差流模 型、如何通过测点优化设置实现偏差源的完全诊断、以及如何通过夹具优化设计提高装 配过程的稳健性，对学术界和工业界提出了严峻挑战。 本文围绕车身装配偏差流传播、诊断与控制开展了较为系统的研究，首先建立了多 工位薄板装配偏差流描述的状态空间方程，使偏差流状态空间模型适合更通用的夹具模 式；在此基础上，提出面向偏差源完全可诊断的多工位测点优化和面向敏感度的测点优 化方法，提高了车身多工位装配系统偏差源的诊断效率：然后，提出多工位装配夹具的 优化设计方法，提高了装配质量对夹具偏差的稳健性；最后，将状态空间模型应用到车 身多工位装配公差设计上，提出面向过程的多工位装配公差综合方法。其主要研究内容 和创新工作如下： ( 1 ) 改进的多工位薄板装配偏差流状态空间描述模型 传统的多工位薄板装配偏差流状态空间模型不适用于通用的夹具构型方式，而且由 于模型中存在冗余的夹具偏差分量，使系统即使设置再多的测点也不能达到偏差源的完 全诊断。针对传统模型的不足，本文提出了更通用的多工位薄板装配偏差流状态空间模 型。在该模型中，定位槽不再局限于平行于x 轴或平行于两定位销之间的连线，而是 可以选择任意角度；同时，通过对导致装配偏差的定位元素分析，删除了传统模型中冗 余的夹具偏差元素。修正后的状态空间模型，不但能更广泛地适用于各种3 2 1 定位方 式，而且夹具偏差向量的维数与零件偏差模式数量相等，使系统偏差源在合理设置测点 的情况下可实现完全诊断。该模型的建立为本文进行偏差源可诊断性分析、测点优化布 置和夹具优化提供了基础。 土海交通大学博士学位论文 ( 2 ) 车身多工位装配偏差源诊断和测点优化 由于传统的偏差流状态空间模型本身固有的缺陷，其偏差源通常是不能完全诊断 的。因此，此前的研究主要集中在偏差源可诊断行分析，面向诊断的测点优化只研究特 定夹具构型的情况，不具有一般性。而且，测点的优化过程依赖于对偏差流模型进行大 量的矩阵计算，过程十分繁琐。 本文在修正的偏差流模型的基础上，通过研究夹具构型和偏差传递率的内在关系， 提出了一套面向诊断的测点优化新方法。该优化方法将各种装配方式分为t p 装配和 m t p 装配两种形式，指出只有t p 装配工位的偏差传递率可能小于l ，而m t p 装配工 位的偏差传递率恒等于l 。通过两种装配方式偏差传递率的研究，提出了简化的面向诊 断的多工位测点优化布置策略。通过该优化方法，面向诊断的测点优化只需要根据夹具 构型便可实现，避免了传统方法需要大量数学计算的缺点，大大提高了测点优化效率。 此外，本文在面向诊断的测点优化基础上，研究了面向敏感度的测点优化，提高了测量 数据对夹具偏差的敏感度，减小了装配过程中随机误差对测量数据的影响，提高了测量 数据的稳健性。 ( 3 ) 车身多工位装配夹具设计评价方法及优化 由于对夹具构型进行了过分严格的限制，传统的多工位夹具优化只研究通过调整夹 具定位元素坐标提高装配系统的稳健性，忽略了零件定位槽倾角变化对装配稳健性的影 响；对夹具定位元素坐标和零件定位槽倾角同时进行优化的案例仅限于单工位工况。本 文克服了上述两种方法的缺点，采用通用夹具构型，在修正的多工位偏差流状态空间模 型基础上，提出了层次化夹具设计评价指标；根据评价指标，利用多工位状态空间模型 建立了夹具优化的目标函数，采用遗传算法实现了多工位夹具优化设计。该优化设计方 法能同时对多工位工况下夹具定位元素坐标和零件定位槽倾角进行优化，相对于传统的 夹具优化设计，进一步提高了装配系统的稳健性。 ( 4 ) 面向过程的多工位装配公差综合 针对传统面向产品的公差综合方法只考虑零件配合面尺寸偏差，而忽略夹具定位偏 差对装配质量影响的不足，本文提出了面向过程的多工位装配过程公差综合方法。该方 法首先研究了单工位工况下，夹具定位元素( k c c ) 公差与k p c 公差间的定量关系： 考虑单工位装配过程中定位元素磨损对k p c 公差的影响，并建立了两者之间的量化关 系；在单工位分析的基础上，采用多工位偏差流状态空间模型，建立了基于最小成本的 优化目标函数，并采用遗传算法实现了多工位夹具定位元素公差综合优化。面向过程的 公差综合方法将传统的面向产品的公差综合方法中的零件互换性扩展为过程互换性，保 证了全生命周期内装配质量的稳定性。 本位围绕多工位车身装配过程，重点研究了更通用的偏差流传递状态空间模型，描 i i 摘要 述了偏差流在多工位间的传递、累积和耦合过程；在此模型基础上，研究了偏差源诊断 方法，并依次提出了面向诊断和面向敏感度的测点优化方法；建立了旨在提高装配质量 为目的的夹具优化设计方法；提出了面向过程的多工位夹具定位尺寸公差综合方法。本 文的研究为进一步提高车身尺寸装配质量提供了新的思路，对飞机、家电等薄板装配产 品的设计和质量控制也具有借鉴意义。 关键词：车身装配，状态空间模型，偏差流，偏差源诊断，夹具优化，公差综合 i i i 上海交通大学博士学位论文 s t u d y o ns t a t es p a c em o d e l i n ga n da p p l i c a t i o nt h e o r yf o rs t r e a mo f v a r i a t i o ni na u t o b o d ya s s e m b l yp r o c e s s e s a b s t r a c t t h ed i m e n s i o n a lp r e c i s i o no fb o d y - i n - w h i t ei st h ek e yq u a l i t yi n d e xo fac a rb e c a u s ei t d i r e c t l yi n f l u e n c e st h ea p p e a r a n c ea n dp e r f o r m a n c e s w i t ht h es t r o n gs u p p o r to fa d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gf a c i l i t i e sa n dt e c h n o l o g i e s ，t h e r ei sal i m i tt ot h ei m p r o v e m e n to fb i wq u a l i t y l e v e lb a s e do nt h eq u a l i t yc o n t r o lm e t h o d sa p p l i e do nt h em a n u f a c t u r i n gf l o o r t h ef u r t h e r i m p r o v e m e n to fab i wq u a l i t ys i g n i f i c a n t l yd e p e n d so nt h ep r o d u c ta n dp r o c e s sd e s i g n ，a s w e l la sr o o tc a u s e si d e n t i f y i n ga tm a n u f a c t u r i n gp h a s e b e c a u s et h ea b s e n c eo fe f f e c t i v em a t h m o d e lt od e s c r i b et h es t r e a m so fv a r i a t i o ni nm u l t i s t a g ea s s e m b l yp r o c e s s e s ，t r a d i t i o n a l p r o c e s sd e s i g na n dr o o tc a u s e si d e n t i f y i n ga r ea l lb a s e do ne x p e r i e n c e t h em a t h b a s e d m o d e l i n g ，w h i c ha i m st om o d e lt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sa n da c h i e v eo p t i m a l c o n t r o ls t r a t e g ya n dp r o c e s sd e s i g nw i t ht h es u p p o r to fa d v a n c e da l g o r i t h m ，h a v eb e c a m et h e c o m m o ns e n s ef o rb o t he n g i n e e r i n ga n da c a d e m i cf i e l d s i nt h i sp a p e r , t h es t a t es p a c em o d e lf o rs t r e a m so fv a r i a t i o ni nm u l t i s t a g eb i wa s s e m b l y p r o c e s s e sa r ep r e s e n t e da tf i r s t f o l l o w i n gt h i ss t a t es p a c em o d e l ，r o o tc a u s e si d e n t i f y i n ga n d s e n s o ro p t i m i z a t i o na r es t u d i e ds e p a r a t e l y f i n a l l y , f i x t u r el a y o u to p t i m i z a t i o na n dt o l e r a n c e s y n t h e s i s ，w h i c ha r et h em a j o ro b j e c t i v e sa td e s i g np h a s e ，a r ed i s c u s s e d t h em a i nc o n t e n to f t h i st h e s i sc a nb ed i v i d e di n t of o u rp a r t s ： ( 1 ) t h es t a t es p a c em o d e l i n gf o rs t r e a m so fv a r i a t i o ni nm u l t i s t a g es h e e tm e t a l a s s e m b l yp r o c e s s e s t h es t a t es p a c et r a d i t i o n a l l yu s e di nc o n t r o lt h e o r yi sa p p l i e dt od e s c r i b et h es t r e a m so f v a r i a t i o ni nm u l t i s t a g es h e e tm e t a la s s e m b l yp r o c e s s e s b yt h es t a t ef u n c t i o n sa n do u t p u t f u n c t i o n s ，t h es t a t es p a c em o d e lp r o v i d e st h en e c e s s a r ym a t ht h e o r yb a s i cf o rr o o tc a u s e s i d e n t i f y i n ga n dp r o c e s so p t i m i z a t i o n i nt h et r a d i t i o n a ls t a t es p a c em o d e l i n g ，t h es l o ta n g l e sa r el i m i t e dt ob ep a r a l l e lw i t ht h e x a x i so rt h el i n eb e t w e e nt h e4 - w a yp i na n d2 - w a yp i n t h es t a t es p a c em o d e lp r e s e n t e di n t h i sp a p e ro v e r c o m e st h i sl i m i t a t i o na n dt h es l o ta n g l e sc a nb ea n yv a l u e s m e a n w h i l e ，t h e r e v i s e ds t a t es p a c em o d e lr e p l a c e dt h er e d u n d a n tf a u l t sc o m p o n e n t sw h i c hc a nn o tr e s u l tp a r t l o c a t i n ge r r o rw i t ht h ed i r e c tf a u l t sc o m p o n e n t s ，t h u sm a d ea l lt h ep o t e n t i a lf a u l t si nt h es t a t e s p a c em o d e lc a n b ed i a g n o s a b l e i v ( 2 ) r o o tc a u s e si d e n t i f y i n ga n ds e n s o r sd i s t r i b u t i o no p t i m i z a t i o ni nm u l t i s t a g e b i w a s s e m b l yp r o c e s s e s t h ed i a g n o s a b i l i t yc o n d i t i o n sf o rp o t e n t i a lf a u l t si nm u l t i s t a g es h e e tm e t a la s s e m b l y p r o c e s s e sa r cs t u d i e da n dt h ed i a g n o s i sa l g o r i t h m sb a s e do i lm i n q u ea r ep r e s e n t e di nt h i s p a p e r f o rp a r t l yd i a g n o s a b l es y s t e m ，t h es t r u c t u r eo ff a u l t so rt h el i n e a rc o m b i n a t i o n so f f a u l t sa r c r e v e a l e d f u r t h e r m o r e ，t w o s e n s o r sd i s t r i b u t i o n o p t i m i z a t i o nm e t h o d ， d i a g n o s i s o r i e n t e da n ds e n s i t i v i t y o r i e n t e ds e n s o r sd i s t r i b u t i o n ，a r cp r e s e n t e d t r a d i t i o n a ls e n s o r sd i s t r i b u t i o n o p t i m i z a t i o n i n m u l t i s t a g e s h e e tm e t a la s s e m b l y p r o c e s s e so n l y c o n d u c t e dd i a g n o s i s o r i e n t e dd i s t r i b u t i o nm e t h o da n dt h eo p t i m i z a t i o n p r o c e s s e sa l eb a s e do nt h em a t r i c e sc o m p u t a t i o n o nt h ec o n t r a r y , t h ed i a g n o s i s o r i e n t e d s e n s o r sd i s t r i b u t i o no p t i m i z a t i o np r o p o s e di nt h i sp a p e rc a nb ea c h i e v e do n l ya c c o r d i n gt o p r o c e s s e sc o n f i g u r a t i o na n dn oa n ym a t r i c e sc o m p u t a t i o na r cn e e d e d f u r t h e rr e s e a r c h e s r e v e a l e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r o c e s sc o n f i g u r a t i o nw i t h i no n es t a t i o na n dt h ef a u l t s t r a n s m i t t e dr a t i ot h a to n l ya tt h em t p a s s e m b l ys t a t i o nc a na l lt h ef a u l t sb et r a n s m i t t e dt ot h e n e x ts t a t i o nw h i l eo n l ya tt h et pa s s e m b l ys t a t i o nc a nt h et r a n s m i t t e dr a t i o nb ep o s s i b l el e s s t h a ni s e n s i t i v i t y - o r i e n t e ds e n s o rd i s t r i b u t i o no p t i m i z a t i o n sa r es t u d i e dt oi m p r o v et h e s e n s i t i v i t yo fs e n s i n gd a t at ot h ef i x t u r el o c a t i n ge r r o ra n dr e d u c et h ee f f e c to fs t o c h a s t i c e r r o r so n s e n s i n gd a t au n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h ea l lf a u l t sa r ed i a g n o s a b l e ( 3 ) d e s i g ne v a l u a t i o nm e t h o da n df i x t u r el a y o u to p t i m i z a t i o ni nm u l t i s t a g eb i w a s s e m b l yp r o c e s s e s i no r d e rt or e d u c et h es e n s i t i v i t yo ft h ek c cf a u l t st ot h ek p ce r r o r sa n dt oi m p r o v et h e a s s e m b l ys y s t e mr o b u s t n e s s ，f i x t u r el a y o u to p t i m i z a t i o ni sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s i nt h i sp a p e r , ar o b u s tf i x t u r el a y o u to p t i m i z a t i o nm e t h o di sp r e s e n t e d i nt h et r a d i t i o n a l m u l t i s t a g es h e e tm e t a la s s e m b l yp r o c e s s e df i x t u r el a y o u to p t i m i z a t i o n ，o n l yt h ec o o r d i n a t e s o ft h ef i x t u r ep i n sa r ec o n s i d e r a t ea n dn or e s e a r c h e sa r ec o n d u c t e dt or c v e a lt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h es l o ta n g l e sa n dt h ef i x t u r er o b u s t n e s s b u ti nf a c t , t h es l o ta n g l e sp l a ya n i m p o r t a n tr o l ei nd e t e r m i n a t i o nt h er o b u s t n e s so ff i x t u r e i nt h i sp a p e r b o t ht h ec o o r d i n a t e s a n ds l o ta n g l e sa r ec o n d u c t e ds i m u l t a n e o u s l ya n dt h eo p t i m i z e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ef i x t u r e l a y o u ti sm u c hm o r er o b u s tt h a nt h ef o r m e ro p t i m i z a t i o nm e t h o d s ( 4 ) p r o c e s s e d - o r i e n t e dt o l e r a n c es y n t h e s i si n m u l t i s t a g e s h e e tm e t a la s s e m b l y p r o c e s s e s b e s i d e st h ef i x t u r e l a y o u to p t i m i z a t i o n ，p r o c e s s o r i e n t e d t o l e r a n c es y n t h e s e si n m u l t i s t a g es h e e tm e t a la s s e m b l yp r o c e s s e da r ea l s os t u d i e dw i t ht h eo b j e c t i v eo fm i n i m u m m a n u f a c t u r i n gc o s tu n d e rt h ep r e c o n d i t i o nt oa s s u r et h ea s s e m b l yp r o d u c t v 上海交通大学博士学位论文 t r a d i t i o n a lt o l e r a n c es y n t h e s i so n l yc o n d u c e dt h ep r o d u c tv a r i a b l ea n dn e g l e c t e d p r o c e s sv a r i a b l eb e c a u s et h ep a r t sa r ej o i n t e db y t h em a t i n gf a c e ，s oi tc a nb ec a l l e d p r o d u c t - o r i e n t e dt o l e r a n c es y n t h e s i s b u ti nm u l t i s t a g es h e e tm e t a la s s e m b l yp r o c e s s e s ，t h e l o c a t i n gt o o l s t o l e r a n c ew o u l ds i g n i f i c a n t l ya f f e c tt h ef i n a lp r o d u c ta s s e m b l yq u a l i t y b y a n a l y z i n gt h ee f f e c t so fp r o c e s sv a r i a b l e st op r o d u c tq u a l i t ya n dp r o c e s sd e g r a d a t i o nm o d e l ， t h ep r o c e s s - o r i e n t e dt o l e r a n c es y n t h e s i sm e t h o d sp r o v i d e dan e w l yw a yt oo p t i m a l l ya l l o c a t e t o l e r a n c e sa te a c hl o c a t i n gp a i r sw i t hm i n i m u mm a n u f a c t u r i n gc o s t p r o c e s s o r i e n t e d t o l e r a n c es y n t h e s i sm e t h o d se x p a n d e dt h ec o n c e p t i o no fp a r ti n t e r c h a n g e a b i l i t yi n t op r o c e s s i n t e r c h a n g e a b i l i t y , w h i c hc o u l dh e l pg u a r a n t e et h ep r o d u c ta s s e m b l yq u a l i t yi nt h el i f ec y c l e t h i st h e s i sp r e s e n t e daf r a m e w o r kt om o d e la n dp r o c e s so p t i m i z a t i o ni nm u l t i s t a g es h e e t m e t a la s s e m b l yp r o c e s s e s ，a sw e l la sr o o tc a u s e si d e n t i f y i n gi na s s e m b l yp r o c e s s e s ，w h i c hl e d aw a yt oe n h a n c et h eb i wa s s e m b l yq u a l i t y m e a n w h i l e ，t h em e t h o da n dc o m m o ni d e ai nt h i s p a p e rc a na l s ob ea p p l i e dt oa i r e r a ra n do t h e rm e c h a n i c a lp r o d u c t sw i t hs h e e tm e t a la s s e m b l y p r o c e s s e s k e y w o r d s ：b i wa s s e m b l yp r o c e s s e s ，s t a t es p a c em o d e l ，s t r e a m so fv a r i a t i o n ，r o o tc a u s e s i d e n t i f y , f i x t u r el a y o u to p t i m i z a t i o n ，t o l e r a n ces y n t h e s i s 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。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于不保碱 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论 别队 日期：2 0 0 8 年5 月1 日日期：2 0 0 8 年5 月1 日 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。 靴论渤弘吻 第一章绪论 第一章绪论 1 1研究背景、意义及课题来源 1 1 1 研究背景 轿车车身是一种由薄板冲压件装配而成的典型复杂机械产品，其装配尺寸偏差对整 车性能具有重要影响。典型的轿车车身通常由2 5 0 个左右的薄板件，在5 5 7 5 个工位上 焊接而成，整个装配过程涉及的定位元件多达1 7 0 0 2 5 0 0 个，焊点4 0 0 0 个左右【1 1 。在这 种复杂装配过程中，不可避免地会产生并累积尺寸偏差，从而对生产过程和制造质量产 生影响。根据美国权威的质量评价机构j d p o w e r 证实，大约4 0 的轿车质量问题与车 身尺寸有关 2 1 。车身装配质量的高低将直接影响到汽车生产企业的市场竞争力。 首先，尺寸偏差的存在常常导致车身投产阶段冲压模具、装配工位的反复调整，从 而延长试生产周期。如美国g m 公司在新车型正式投产前需要花费长达3 6 周的时间进 行零件、冲压模具及装配夹具的功能评估( f u n c t i o n a le v a l u a t i o n ，f e ) 【3 】，以保证最终 的装配尺寸满足设计需要。其次，车身外覆盖件装配偏差过大引起的车门密封不严、配 合间隙不均匀、平整度差等缺陷不仅影响轿车的外观和使用性能，同时也使轿车在使用 过程中更容易出现故障，提高维护成本。因此，在当前以质量、成本、市场响应时间等 综合能力为核心竞争力的国际市场环境下，通过面向设计及装配的科学化尺寸偏差管 理，实现高效、精确的车身制造成为轿车生产企业生存的必要条件。 精量化的车身装配可以通过两个途径来实现：一是在制造和装配过程中进行偏差源 的快速检测、诊断和控制；二是在产品设计过程中充分考虑零件的可制造性和可装配性， 通过提前纠正可能导致装配问题的设计缺陷，保证装配过程的稳定性和可靠性。 车身装配偏差源诊断是一项极为复杂的工作。由于轿车车身装配过程是一个串、并 行相结合的多级系统，从零件到分总成，再到白车身的装配过程中，夹具定位偏差、零 件，分总成的制造偏差等因素相互作用，造成最终白车身的尺寸偏差。在检测设备不足 或检测样本过少的情况下，准确地进行偏差源诊断极为困难。目前对车身装配偏差源的 诊断普遍依赖对大量装配工艺知识、产品设计知识及检测数据的综合，采用遍历式的试 错法寻找偏差源，诊断周期往往较长。然而，激烈的市场竞争要求企业不断地推出新车 型，车型的更新速度加快必然造成工艺参数、工装设备的快速更新。可提供的诊断经验 积累减少，从客观上增加了偏差源诊断的难度。实现车身装配偏差源的快速诊断迫切要 求建立描述偏差流传递的数学模型，通过对偏差传递机理的描述，系统地指导测量过程 和诊断流程，提高偏差源诊断的效率和速度。 1 9 9 0 年代初，美国三大汽车公司联合密西根大学开展了著名的“2 r a m 工程 ，通过 在线检测技术对车身产品进行客观评价，采用多元统计分析和模式识别实现制造偏差源 诊断，形成“数据驱动质量”的机制，使车身装配偏差源的诊断摆脱了经验的束缚，极 上海交通大学博士学位论文 大推动了美国轿车车身质量的提高；国内上海交通大学联合上汽集团等企业在1 9 9 0 年 代中后期开展车身制造质量控制研究，采用小样本方法实现了离线检测条件下车身尺寸 偏差控制，显著提高了车身尺寸质量水平。 美国“2 m m 工程 指出：在先进制造设备和技术的支持下，2 r a m 尺寸波动已经接 近制造过程质量控制的极限，车身质量的进一步提高依赖于车身设计水平的改进。根据 m o n t g o m e r y 等人【4 】分析，8 0 的制造闯题是由于设计不当造成的，装配过程中大量的尺 寸问题都源于设计阶段没有充分考虑装配工艺能力。事实上，车身结构件及外覆盖件的 合理分片及公差分配、零件连接方式、装配顺序、夹具设计等因素都对装配精度有重要 影响。由于多工位薄板装配过程中偏差变化复杂，传统的设计主要依赖于经验。虽然近 年来国外已开始将零件偏差及工艺参数对最终装配尺寸影响的预测分析引入工艺设计 阶段，但针对薄板装配过程的尺寸特性分析也大多局限于单工位，对多工位装配过程的 偏差变化过程研究较少。而这一技术正是产品工艺设计阶段实现装配偏差仿真和预测、 夹具优化设计和公差综合方法的数学基础。因此，有必要建立多工位薄板装配偏差流传 递的数学模型并在此基础上实现装配过程设计优化，逐步摆脱传统工艺设计对经验的依 赖。 1 1 2 研究惹义 自上世纪8 0 年代以来，装配偏差建模的研究一直是国内外学术界与工业界的热点 问题。传统的偏差研究主要以多工位刚体装配为对象。刚体装配过程中，零件定位是通 过零件之间相互接触的配合面、孔等定位特征实现的，而薄板件装配则主要是通过夹具 上的定位块与定位销进行定位，零件之间不存在相配合的定位特征。由于缺乏多工位薄 板装配偏差流传递模型的指导，在装配过程中，难以实现测点优化设置，限制了偏差源 的诊断效率和偏差控制。因此，无论从装配过程还是设计过程，产品质量的提高依然无 法摆脱对经验的依赖。 本文将现代控制理论中的状态空间法引入到薄板装配过程的偏差描述，实现复杂薄 板产品偏差流状态空间描述，以指导装配过程测点设置和偏差的有效控制。其意义在于： ( 1 ) 通过对装配关系和偏差传递方式描述，建立薄板装配过程偏差传递状态空间 模型，揭示装配过程中偏差流的传递、变换和耦合关系，实现偏差流描述的数学化和形 式化； ( 2 ) 根据状态空间模型的可观性分析，研究装配各阶段和各工位偏差源的可诊断 性，实现薄板产品装配过程检测测点的优化布置，提出有效的偏差源诊断方法，为快速 确定装配过程故障提供技术支持，降低生产成本； ( 3 ) 根据偏差流状态空问模型，研究装配夹具优化设计方法，提高车身装配过程 的可控性，使定位偏差等因素对车身制造质量的影响达到最小； ( 4 ) 根据对状态空间模型的可控性分析，提出新型的薄板装配公差分析和综合方 第一章绪论 法，使车身零件公差设计更趋合理，在设计阶段提高车身装配偏差的可控性。 1 1 3 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金“柔性薄板装配偏差流的状态空间建模与公差综合 方法”( 项目号：5 0 1 7 5 0 7 1 ) 和上海市教委曙光计划( 项目号：0 2 s g l 3 ) 。在论文研究 过程中，同时得到了上海通用东岳汽车有限公司“赛欧轿车车身制造质量控制项目， 以及沈阳金杯通用汽车有限公司“b l a z e r 车身制造质量控制项目的支持。 1 2车身装配偏差控制的研究现状 1 2 1复杂薄板产品装配偏差分析模型建模方法 装配偏差是产品实际装配尺寸相对于设计尺寸的偏离值，受到装配过程中各种工艺 因素的耦合影响，伴随着装配过程产生、累积和传播。装配偏差分析方法主要有以下几 种。 1 2 1 1 基于几何运动学的偏差分析 对于刚性零件装配，装配偏差主要来源于零件本身的尺寸偏差及零件在装配过程中 的几何( 运动学) 偏差。装配链中的所有组成元素按几何关系形成封闭环，称为形封闭 ( f o r m c l o s e d ) 。常用的偏差分析法包括：( a ) 极值法( w o r s tc a s e ) ：( b ) 统计法( r o o t s u m s q u a r e s ) ；( c ) 蒙特卡罗仿真法( m o n t ec a d os i m u l a t i o n ) 。极值法假设所有的零件 偏差均为公差带所给出的极限偏差，但实际生产装配过程中零件偏差同时取极限偏差的 概率极小，因此极值法是一种保守的设计方法。应用极值法进行公差分配时，为保证最 终装配尺寸，常常对零件尺寸给出过严的限制。统计法是利用统计分布给出装配偏差， 零件公差相对于极值法较宽松，更趋于合理。但极值法和统计法都难以处理具有复杂分 布形式的二维和三维情况。蒙特卡罗法是一种数值仿真的方法，该方法从零件已知的尺 寸偏差分布中进行随机采样，通过零件之间的装配关系建立装配偏差的统计分布，v s a ( v a r i a t i o ns i m u l m i o na n a l y s i s ) 及3 d c s ( 3d i m e n s i o n a lc o n t r o ls y s t e m ) 两个软件是目 前较为常用的基于蒙特卡罗法的装配偏差预测和公差分析工具，在i - d e a s ， u n i g r a p h i c s ，a n s y s 等c a d c a e 软件系统中也开发了相应的功能模块。 从设计角度出发，建立清晰的装配过程描述函数是非常必要的，但对于3 d 装配， 这种关系的建立非常困难。蒙特卡罗法偏差分析法基于统计技术，在装配尺寸偏差和零 件尺寸偏差间函数关系表达方面具有一定的局限性。一种可行的方法是在c a d 系统中， 利用实体建模软件提供的几何约束功能，用实体模型代替装配函数对尺寸偏差进行仿 真。在t u r n e r t s 。7 】提出的基于c a d 模型的装配函数线性偏差分析方法中，通过给定尺寸 变量一个微小偏差来计算合成偏差并分析相应的敏感性，根据敏感性建立零件尺寸偏差 及装配偏差与模型参数变化之间的线性表达式，最后通过求解线性规划问题来确定满足 上海交通大学博士学位论文 零件与装配公差要求的模型参数集。 装配总成的c a d 数模中往往有成百上千个模型参数，进行完整的敏感性计算所需 计算时间相当冗长。为此，m a r t i n o 等人【8 】研究了实体模型的参数精简技术，去除对尺 寸敏感性影响小的参数，将某些约束( 如垂直表面或水平表面的滑动接触) 通过尺寸参 数来定义，当改变设计时，通过调整自变量来保证上述约束满足设计要求。l i n 和c h e n l 9 1 根据d n a v i t - h a r t e n b e r g ( d - h ) 符号表示法，发展了一种3 d 空间闭环机构公差分析的 线性化方案，该方法用一个4 x 4 齐次变换矩阵来表达机器人关节之间的相对位置，应用 偏差变换来预测单个关节误差或铰接误差对机器人手臂端点的位置和方向的影响。该方 法在研究零件误差对机械精度的影响方面效果显著，但是目前只应用于机器人装配的研 究。g a o t m 】提出了3 d 机械装配的直接线性化方法( d l m ，d i r e c tl i n e a r i z a t i o nm e t h o d ) ， 应用3 d 向量环装配模型描述装配过程。该模型以c a d 模型为基础，加入了基准参考 面、运动学连接、向量及向量环、装配公差规范、零件公差、几何形位公差等元素，对 三维刚性机械装配进行公差分析。但是，以上分析和研究均难以应用到复杂的车身薄板 件装配过程。 1 2 1 2 基于有限元的偏差分析 由于刚性零件装配尺寸偏差分析主要考虑几何运动，当装配过程中零件产生变形 时，上述基于几何运动学的偏差分析方法则不再适用。与刚性零件不同，薄板冲压件在 装配过程中容易产生变形，这种柔性的装配尺寸偏差主要来源于：( a ) 零件偏差；( b ) 定位偏差；( c ) 零件的装配变形等。柔性件装配是一个形封闭和力封闭( f o r c e c l o s e d ) 的耦合过程，因此将有限元方法引入到偏差分析成为一种必然选择。基于有限元的偏差 分析研究工作归结为两种情况：一是提高装配偏差分析的精确性，如点焊过程仿真、焊 接顺序优化、零件接触分析等；二是提高分析模型的计算效率，保证统计仿真分析中的