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上海交通大学硕士学位论文白车身总成制造尺寸质量评价方法研究 白车身总成制造尺寸质量评价方法研究 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质量全 过程控制的研究也越来越得到学术界的重视。大量的实际生产案例表明，车身制 造质量问题主要发生在总成制造阶段。因此，总成制造尺寸质量的评价和控制作 为车身制造质量控制过程的重要组成部分，在车身制造中占有举足轻重的地位。 总成制造尺寸质量的评价和控制离不开关键测点的测量数据处理和分析技术，本 课题研究内容针对轿车车身制造质量全过程控制中总成质量控制层的测量数据 处理分析技术和制造尺寸质量的评价问题，重点在于建立较完整的总成制造尺寸 评价方法及在此基础上的制造质量控制体系。本课题的研究主要围绕以下二个方 面展开： ( 1 ) 基于测点测量数据信息的总成尺寸质量评价方法。该评价方法从总成上关 键测点出发，研究了测点的制造尺寸质量准确性评价。基于测点的小样本 检测数据，应用通过率、小波滤波等方法，将造成各测点不合格的原因从 波动和均值漂移两方面进行分类，通过研究不合格测点的尺寸质量问题， 实现总成制造尺寸质量的准确性评价。最后文章以模糊聚类理论为基础， 提出了总成的变形同趋势区域分类方法，为迸一步实现具有相同变形趋势 的测点的尺寸质量控制提供依据。 ( 2 ) 基于生产工序的总成尺寸质量评价方法。工序是车身制造质量的生产过 程，工序质量最终决定着总成及车身的制造尺寸质量。由于总成需要综合 分析多个测点来评价工序质量，而针对单个测点的一维工序能力指数无法 达到这一目的，因此本文提出一种基于主成分分析的多元工序能力指数计 算方法，实现总成工序质量的综合评价，为保证和提高总成生产制造质量 提供依据。同时综合运用多元工序能力指数m c p 、 纪。，研究了总成的 制造尺寸正确性( 均值) 和制造稳定性( 波动) 评价。 本文在理论基础和实践研究的基础上，应用一些成熟的高级统计方法和数据 处理方法，从总成测点信息和生产工序两个方面提出了总成制造尺寸质量评价方 第i 页 上海交通大学硕士学位论文白车身总成制造尺寸质量评价方法研究 法，同时文中对于各评价方法都给出了分析实例。通过这两种方法的建立，将有 助于完善总成制造尺寸质量控制体系，为轿车车身制造质量的全过程控制和全面 质量管理提供依据。 关键字：车身制造，总成，质量控制，工序能力指数，小波滤波 第i i 页 上海交通大学硕士学位论文 白车身总成制造尺寸质量评价方法研究 r e s e a r c ho ne v a l u a t i o nm e t h o d so fm a n u f a c t u r i n g d i m e n s i o nq u a l i t yf o rb o d yi nw h i t ea s s e m b l y a b s t r a c t w h i l et h eq u a l i t yo f c 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 e a u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y ，o v e r a l lp r o c e s sc o n t r o lo f a u t ob o d y m a n u f a c t u r i n gd i m e n s i o nq u a l i t yh a sb e c o m et h ef o c a lp o i n to f r e s e a r c h i n t e r e s ti nt h ea c a d e m i aa c c o r d i n g l y m a n yr e a l l i f ep r o d u c t i o nc a s e s s h o wa u t ob o d ym a n u f a c t u r i n gq u a l i t ym a i n l ya p p e a r si nt h ep e r i o do f a s s e m b l yp r o d u c t i o n s o ，a s s e m b l ym a n u f a c t u r i n gd i m e n s i o nq u a l i t y e v a l u a t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g yh o l d st h ei m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h et o t a l m a n u f a c t u r i n gp r o c e s so f a u t ob o d y , w h e r e d a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y z i n g t e c h n o l o g i e so f m e a s u r i n gp o i n t sp l a y s av i t a lr o l e t h ea r t i c l ed e a l sw i t h p r o c e s sa n da n a l y z i n gt e c h n o l o g i e so f m e a s u r i n gd a t aa n dm a n u f a c t u r i n g d i m e n s i o nq u a l i t ye v a l u a t i o ni nt h ec o n t r o lp r o c e s so f a s s e m b l yq u a l i t y t h ek e yi st os e tu pc o m p l e t eb i w a s s e m b l ym a n u f a c t u r i n gd i m e n s i o n e v a l u a t i o nm e t h o d sa n dm a n u f a c t u r i n gq u a l i t yc o n t r o ls y s t e m m y r e s e a r c hc e n t e r so nt h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t s ： 1 a s s e m b l ym a n u f a c t u r i n gd i m e n s i o nq u a l i t ye v a l u a t i o nm e t h o db a s e d o nm e a s u r i n gp o i n t s t h ek e yi sa c c u r a c ye v a l u a t i o no f m e a s u r i n gp o i n t s m a n u f a c t u r i n gd i m e n s i o nq u a l i t y b a s e do ns m a l ls a m p l ea n ds o m e m e t h o d ss u c ha sp a s sr a t ea n dw a v e l e tf i l t e r ，u n d e r p r o o f m e a s u r i n g p o i n t sa r ed i v i d e d i n t ot w ok i n d sa c c o r d i n gt ot w od i f f e r e n tr e a s o n $ - f l u c t u a t i o na n dm e a ns h i f t t h u s ，m a n u f a c t u r i n gd i m e n s i o nq u a l i t y 第i i j 页 上海交通大学硕士学位论文白车身总成制造尺寸质量评价方法研究 a c c u r a c ye v a l u a t i o no f a s s e m b l yi si m p l e m e n t e db ym e a n so f s t u d y i n g d i m e n s i o nq u a l i t yo f u n d e r p r o o f m e a s u r i n gp o i n t s a tl a s t , as o r t i n g a p p r o a c ho nd e f o r m a t i o nt e n d e n c yo fa s s e m b l yi sp u tf o r w a r do nt h e b a s i so f f u z z yc l u s t e r i n gt h e o r y ，w h i c hp r o v i d e sr e f e r e n c e sf o rd i m e n s i o n q u a l i t yc o n t r o lo f m e a s u r i n gp o i n t sw i t ht h es a l n ed e f o r m a t i o nt e n d e n c y 2 a s s e m b l yd i m e n s i o nq u a l i t ye v a l u a t i o nm e t h o db a s e do np r o c e s s p r o c e s sq u a l i t y ，t h a ti st h ep r o d u c t i o no fa u t ob o d ym a n u f a c t u r i n gq u a l i t y ， d i r e c t l ya f f e c t su r i m a t eq u a l i t i e so fa s s e m b l ya n db o d yi nw h i t e ( b i w ) b ya n a l y z i n gp r o c e s sc a p a b i l i t yi n d e x ( p c i ) ，p r o c e s sq u a l i t yo f a s s e m b l y m a y b ee f f e c t i v e l ya s s u r e d h o w e v e r , q u a l i t ye v a l u a t i o no f a s s e m b l y i n v o l v e sm u l t i m e a s u r i n gp o i n t s ( q u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c s ) ，s ou n i v a r i a t e p c ii sd i f f i c u l t l yu s e dt os y n t h e t i c a l l ya n a l y z e p r o c e s sq u a l i t y t h ep a p e r p r o p o s e sm u l t i v a r i a t ep c ib a s e d o np r i n c i p a lc o m p o n e n t a n a l y s i s ， w h i c hm a yp r o v i d er e f e r e n c e sf o ra s s u r i n ga n di m p r o v i n gm a n u f a c t u r i n g q u a l i t yw h i l ea c h i e v i n go v e r a l le v a l u a t i o no f p r o c e s sq u a l i t y a tl a s t ， m u l t i v a r i a t ep r o c e s sc a p a b i l i t yi n d e xm c e ，a l t o g e t h e rw i t h m c mi s u s e dt os t u d ym a n u f a c t u r i n gd i m e n s i o na c c u r a c y ( m e a n ) e v a l u a t i o na n d m a n u f a c t u r i n gs t a b i l i t y ( f l u c t u a t i o n ) e v a l u a t i o no f a s s e m b l y o nt h eb a s i so f t h e o r ya n d p r a c t i c a ls t u d y ，m a n u f a c t u r i n gd i m e n s i o n q u a l i t ye v a l u a t i o nm e t h o d so f a s s e m b l ya r ep u tf o r w a r df r o mt w op o i n t s o f v i e w ( m e a s u r i n gp o i n t sa n dp r o c e s s ) b ym e a n so f a p p l y i n gs o m e m a t u r ea d v a n c e ds t a t i s t i c a lm e t h o d sa n dd a t aa n a l y z i n g t e c h n o l o g i e s t h i sw i l lb ec o n d u c i v et op e r f e c tm a n u f a c t u r i n gd i m e n s i o nq u a l i t y c o n t r o ls y s t e mo f a s s e m b l y ，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 ro v e r a l l p r o c e s sc o n t r o la n dt o t a lq u a l i t ym a n a g e m e n to f a u t ob o d ym a n u f a c t u r i n g q u a l i t y 第i v 页 上海交通大学硕士学位论文白车身总成制造尺寸质量评价方法研究 k e yw o r d s ：a u t ob o d ym a n u f a c t u r e ，a s s e m b l y ， q u a l i t y c o n t r o l ，p r o c e s sc a p a b i l i t yi n d e x , w a v e l e t f i l t e r , 第v 页 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 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， 。二文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 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 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：鲥瑶 日期：吱c 郾年。月j 辽日 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。 保密留，在盖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“”) 学位论文作者签名：二盖舀指导教师签名：振关差 日期：辽哆年王月越日日期：毋m 3 年。月0 0 日 上海交通大学硕士学位论文 白车身总成制造尺寸质量评价方法研究 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 轿车车身是轿车的主要组成部分，是整个轿车零部件、内饰件的载体，不仅 其重量和制造成本约占整车的4 0 6 0 ，而且它的制造质量的优劣对于整车的最 终质量起着决定性作用。轿车车身制造是融合了薄板冲压成形、自动装配生产线、 机械加工工艺( 焊接、打磨、涂装、装配等) 及检测技术等多领域的复杂加工过 程。因此，可以认为轿车车身制造质量的好坏能够综合反映一个国家制造工业的 技术水平和制造能力口】。 轿车车身制造质量包括车身制造尺寸质量、车身焊装强度和车身表面质量三 方面内容。其中车身制造尺寸质量是在国内外汽车制造企业普遍存在的质量问 题，制造尺寸精度直接影响到轿车的最终制造质量、制造成本、车身美观性和空 气动力性。控制车身制造尺寸质量是提高轿车车身制造质量，保持其市场竟争力 的必要条件之一。车身制造尺寸质量是由冲压件质量、冲压件运输条件、分总成 和总成焊装工艺、焊装夹具质量、操作工人素质等多种因素综合作用的结果【2 l 。 因此，现代轿车生产企业要根据企业自身的情况，尽可能的采取轿车车身制造质 量的全过程控制，全过程控制从低到高可划分为三个控制层：冲压件质量控制层， 总成质量控制层，车身质量控制层。大量实际生产案例表明，车身制造质量问题 大多发生在总成制造阶段口】，因此控制总成制造尺寸质量问题对于保证车身最终 的制造尺寸质量具有重要的意义。 随着计算机技术和制造技术的发展，轿车车身焊装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( t o y o t a ) 依靠全面质量管理( t q m ) 和准 时化生产方式( m 1 ) 使其品牌产品的车身制造综合偏差控制在2 r a 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 r a mt 程”车身制造质量控制工程，结束了汽车工业长期 依靠经验积累的轿车车身制造时代，其车身制造尺寸偏差从9 3 年的4 m m 减少至j j 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 器入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i m m 以内。然而，由于在车身检测技术、焊装设备和质量检 第1 页 上海交通大学硕士学位论文自车身总成制造尺寸质量评价方法研究 测体系等方面的落后，我国轿车车身制造偏差比较大且不够稳定，平均在4 - 5 r a 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全过程控制车身制造尺寸偏差的研究，其中重点在 于总成质量控制层的制造尺寸质量控制。 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 质量全过程控制技术的研究也越来越得到学术界的重视。车身总成制造尺寸质量 作为车身全过程控制中重要的一环，充分利用测点测量数据对其进行准确评价和 有效监控是目前车身制造质量控制中急需解决的问题。本课题研究内容针对轿车 车身制造质量全过程控制中总成质量控制层的测量数据处理分析技术和制造尺 寸质量的评价问题，重点在于建立较完整的总成制造尺寸评价方法及在此基础上 的制造质量控制体系。 本课题的研究主要围绕以下两点：( 1 ) 基于测点信息保证总成尺寸精度。 从总成测点测量数据出发，通过研究测点的制造尺寸质量实现总成的制造质量准 确性评价。( 2 ) 基于工序能力指数实现总成尺寸精度控制。工序是制造质量的 生产过程，工序质量最终决定着总成的制造尺寸质量。本文基于上述两点，结合 应用实例，给出了总成制造尺寸质量的有效评价和监控方法。这两种制造尺寸质 量评价方法的建立，将大大提高总成件合格品率和车身最终装配质量。 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有限公司、沈阳金杯通用汽车有 限公司合作的“车身制造质量控制工程”项目。 1 2 车身制造质量控制技术研究综述 1 2 1 车身制造过程 车身( b o d yi nw h i t e ，b i w ) 通常是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，车身的装配质量最大程度的影响最终整车的性能。 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。轿车车身制造过程有如下的特点： 1 制造工艺复杂、装配层次复杂p j 第2 页 上海交通大学硕士学位论文 白车身总成制造尺寸质量评价方法研究 图卜1 、图卜3 所示，车身装配结构和制造工艺都非常复杂，工艺质量控 制十分困难。图1 2 所示，车身焊装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总成、车身的制造工艺性及整体质量。通常 把车身划分为若干总成，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、总成、白车身。大量的实 际生产案例表明，车身的制造质量一般发生在总成阶段，通过严格的控制总 成制造质量，既可以有效保证车身最终装配尺寸质量，又可以有效的监控总 成在成品产生前的零部件加工状况。 四n嚣薏hood。dd0 0 7 蛔m b l y 蒜蕊渊 图1 - 1 车身装配过程示意图 f i g 1 1f l o wo f a u t ob o d ya s s e m b l yp r o c e s s 车身 m m b a d v 明瞎 2 制造精度要求高 由于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，这不仅要求车身装配和 上一层次的总成装配具备很高的的装配精度，而且薄板冲压件、外构件等都 要具备较高的制造精度。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，其中日本汽车零部件的不合格率仅为 0 0 1 ，其车身制造水平可将车身关键测点的6o 值( 波动值) 控制在2 m l 之_ 内，而且稳定性非常好1 3 1 。 3 检测范围广 车身装配层次的复杂性和高的装配精度要求，使得不仅要检测为数众多 第3 页 上海交通大学硕士学位论文 白车身总成制造尺寸质量评价方法研究 的总成、零部件，而且要保证一定的检测样本数量来控制车身及总成制造尺 寸质量。现在，欧美等国家的汽车制造企业在关键的总成( 侧围、底板等) 检测上，已经采用全部在线检测。另外，结合三坐标测量机、样架等测量设 备实现车身的多层次质量尺寸控制。 一多易心_ - c - 矿熊“一d c - b c b i c - c 撼油 l o 、三：、 | c o c 焱沁b 赤而瓷 c “dc 6c b l 图1 2 车身装配层次示意圉 f i g 1 - - 2h i b e r a r c h yo f a u t o - b o t ya s s e m b l e 魄凄f 麓慧 c ，l 簟翻篁庶 c 越蠹嚣垂囊 c 童髓目慧羹 c 舶童翻稠尊t c 赫鹰瓤皂量 c x 鼙强 靠l 着重誓慧t c 匏蘑箴誓皂t c 孙皇蓐轮董棼 c 弘右蕾靶蕈怠毒 c 4 1 锄胛知湃 c 3 瑚材一 0 , 3 麓叠簋威 c “皇后置慧 c 5 毫蓐置城 e “簟长件 搿l 事藏纂慧t c 垃哥地誓 c 8 量总 图1 3 门盖安装工艺卡 f i g 1 3p r o c e s s c a r d o f d o o r a n d c a p i n s t a l l a t i o n 第4 页 上海交通大学硕士学位论文白车身总成制造尺寸质量评价方法研究 1 2 2 车身制造尺寸质量控制综述 车身制造尺寸质量主要包括两方面的问题：一是尺寸正确性( c o r r e c t i o n ，均 值) ，二是精密性( p r e c i s i o n ，方差，也即稳定性) 。制造尺寸质量的控制标准 以“理论值+ 公差”给出。从制造工艺角度出发，车身制造过程的质量涉及到的 因素可以概括为5 m 1 e ，包括：操作工人( m a n ) ，设备( m a c h i n e ) ，来料( m a t e r i a l ) ， 加工工艺( 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了车身制造尺寸质量的波动。对于一条涉及到3 0 0 5 0 0 个冲 压件、1 5 肚2 5 0 个夹具、7 0 - 1 2 0 个装配站、4 0 0 0 - 6 0 0 0 个焊点的焊装线而言，由 于在大批量生产过程中，材料的变化、模具的磨损、工装夹具的磨损、工艺的变 化、操作工的改变等因素使得车身制造尺寸在各个环节上都不可避免地产生相对 于原始设计尺寸的偏差。如果这些偏差得不到适时的控制，随着时间和空间的积 累，车身制造尺寸质量就会出现均值漂移和方差扩大。均值漂移是指车身制造尺 寸偏移设计值；方差扩大则是指车身制造尺寸波动剧烈。一般来说，这两种情况 是相互作用、相互搀杂，使得车身制造尺寸质量问题错综复杂。 图1 4 车身制造尺寸质量控制体系 f i g 1 - - 4 a u t ob o d ym a n u f a c t u r i n gq u a l n yc o n t r o ls y s t e m 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，图卜4 所示：一 第5 页 上海交通大学硕士学位论文白车身总成制造尺寸质量评价方法研究 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。本课题研究的“白车身总成制造尺寸 质量评价方法研究”属于第二个方面内容，主要以车身总成为研究对象，从测点 的测量数据处理方法入手，实现总成制造尺寸质量有效评价和监控的目的i 誊囊冀冕矗玟 囤1 - 5 车身装配层次及其对应的测量控制体系 f i g 1 5t h ea u t o - b o d ya s s e m b l yl e v e la n d i t sc o r r e s p o n d i n gm e a s u r i n gs y s t e m 为了实现车身制造的全过程控制，汽车车身尺寸检测体系与装配过程也要成 一定的对应关系。由于汽车产品制造装配过程“零件一总成( 分总成) 一车身” 第6 页 一 一 一 渊 一 1i_|ll|；l|；li| 上海交通大学硕士学位论文白车身总成制造尺寸质量评价方法研究 是一个类似树状的层次结构，所以其对应的测量体系是一个和装配层次相一致的 分级控制体系，如图1 5 所示。在本文中，总成包括总成和在下一级的分总成两 个制造阶段。 1 3 本文研究内容、研究方案和章节安排 1 3 1 研究内容 大量实际生产案例表明，车身制造质量问题大多发生在总成制造阶段，总成 的制造尺寸质量影响着最终的车身制造质量。在国内外汽车镱造企业，制造尺寸 质量的保证主要依赖与车身上测点的测量数据，通过测点测量数据的分析处理对 总成制造尺寸质量进行评价并进行质量监控，从而保证总成的制造尺寸质量。本 课题的研究主要围绕以下二个方面展开： ( 1 ) 基于测点信息保证总成尺寸精度。结合已较为成熟的数据处理方法( 小波 滤波、模糊聚类分析等) ，应用工序能力指数和测点通过率等指标，从波 动和均值漂移两方面对总成上测点进行尺寸质量评价。通过该评价流程， 实现了测点的制造尺寸质量评价，同时实现总成上测点的分类控制，为改 进总成制造尺寸质量提供依据。最后以模糊聚类理论为基础，提出了总成 的变形同趋势区域分类方法，为进一步实现具有相同变形趋势的测点的尺 寸质量控制提供依据。 ( 2 ) 基于工序能力指数保证总成制造尺寸精度。工序是车身制造质量的生产过 程，工序质量最终决定着总成及车身的制造尺寸质量。通过工序能力指数 的分析，可以得到工序质量的保证能力。由于总成需要综合分析多个测点 来评价工序质量，而针对单个测点的一维工序能力指数无法达到这一目 的，因此本文提出一种基于主成分分析的多元工序能力指数计算方法，实 现总成工序质量的综合评价，为保证和提高总成生产制造质量提供依据。 1 3 2 研究方案 本文从车身制造质量控制技术的研究入手，分析总成这一级制造装配尺寸检 测设备和测量技术的特点，并对测点尺寸检测数据处理和故障诊断技术做详细的 介绍。针对目前车身制造质量问题一般发生在总成制造这一阶段，本文通过测点 尺寸准确性评价和工序稳定性两方面，实现总成制造尺寸质量的可控。 在总成测点尺寸准确性评价方面，应用小波滤波方法，从波动和均值漂移两 第7 页 上海交通大学硬士学位论文白车身总成制造尺寸质量评价方法研究 方面将不合格测点进行分类，通过研究测点的尺寸质量，达到提高总成尺寸精度 的目的。 在工序稳定性方面，应用主成分分析方法，将具有相关性的测点转化为相互 独立的各主成分，通过研究各主成分的工序能力指数得到一工序综合指标，实现 总成加工工序的稳定性评价，从而达到控制总成尺寸精度的目的。 本文采用数学推导、计算机模拟和实际测量数据分析相结合的方法。针对测 量数据小样本、多变量、大噪声等特点，从测点信息和工序两方面进行总成的质 量尺寸评价方法研究，并以实例作了验证。 1 3 3 章节安排 本文的章节安排如下： 第一章绪论主要介绍本文研究的背景、目的、意义以及车身制造尺寸检测和 控制技术相关的研究和发展，最后给出本文的主要内容、研究方案和章节安排。 第二章检测数据处理和分析技术综述，文章首先介绍目前广泛应用的总成测 量设备，以及总成测量数据的非平稳随机特点，然后综述性的介绍测量数据的分 析方法、故障诊断技术，最后给出了两种总成尺寸质量评价方法和监控流程。 第三章基于测点的总成尺寸质量评价，本章首先研究了测点通过率评价时样 本数的确定，然后应用小波滤波方法，从波动和均值漂移两方面将总成不合格测 点进行分类控制。最后应用模糊聚类方法分析测点测量数据，实现总成的变形同 趋势区域划分。 第四章基于工序的总成尺寸质量评价，本章将主成分分析方法引入到工序能 力指数的计算，得到多元工序能力指数。本章讨论了计算多元工序能力指数的样 本数选取、质量特性点的选取等问题，最后基于多元工序能力指数m c e 、m c p m ， 给出了总成制造尺寸质量分类方法。 第五章总结了本文各个部分所进行的研究内容和结论，指出其中的具有创新 意义的地方。 1 4 本章小结 本章首先说明了“白车身总成制造尺寸质量评价方法研究”的研究背景、目 的、意义和来源。然后对车身制造质量控制技术进行了简要的介绍，其中包括车 身制造过程、车身制造尺寸质量控制技术。最后给出了本文研究的内容、研究方 案和章节安排。 第8 页 上海交通大学硕士学位论文 白车身总成制造尺寸质量评价方法研究 2 1 引言 2 检测数据处理和分析技术综述 车身总成的制造尺寸质量评价和监控离不开测量数据，无论采用什么数据处 理方法或技术，首先要对制造过程进行尺寸数据的检钡i 采样。检测设备以及检测 方法决定了测量数据的精确性和有效性，本章将在第2 节中介绍目前常用的总成 测量设备和技术。 由于车身结构和制造工艺的复杂性和检测手段的有限性，总成的测点尺寸检 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。以底板总成的三坐标测量机抽 检为例，抽检测频率一般不会超过2 9 6 ，一周样本量通常为1 0 2 0 台； 多变量测点数目众多； 大噪声输入因素复杂、存在多种测量噪声。 大噪声的特性决定了测点的测量数据是典型的非平稳随机数据。本章将在第 3 节重点介绍测量数据的这一特性。 正因为有上述特点，测点测量数据的分析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，到5 0 、6 0 年代统计过程控制( s p c ) 的广泛应用，到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， 检测数据的分析处理和故障诊断技术一直是最为活跃的研究热点。本章将在第4 节介绍总成制造尺寸检测数据处理和故障诊断技术。 2 2 测点尺寸测量设备和技术 测点尺寸测量是通过将被测量的形状位置要素与理想要素相对比，从而确定 并用数值描述实际要素与理想要素在空间位置上的差异。每一个测点尺寸的测量 过程包括测量和评定两个阶段，测量阶段根据被测测点形状定义，选择采样点、 线、面，测量数值并转换为统一坐标值，评定阶段根据定义对统一坐标值进行处 理，求得具体尺寸偏差值。在汽车车身这样大批量制造过程中，如何精确、高效 的测量总成件表面或特征点的三维坐标，是车身总成制造质量控制中的关键技术 之一。车身总成是典型的柔性零件，常用的测点尺寸测量方法包括：测量样架 ( c h e c k i n gf i x t u r e ) 、三坐标测量机( c m m c o o r d i n a t em e a s u r e m e n tm a c h i n e ) 、 光学坐标测量机( 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 e m e n tm a c h i n e ) 以及便携式 第9 页 上海交通大学硕士学位论文自车身总成制造尺寸质量评价方法研究 多关节测量机( p o r t a b l ec o o r d i n a t em e a s u r e m e n tm a c h i n e ) 。下面对这四种测量 设备和技术作简要介绍和分析： 2 2 1 测量样架 复杂曲面柔性件的形状比较复杂，在检测时不但要检测其空间形状，还要测 量其位置尺寸，因此，通用的量具不能适应冲压件的大批量生产检测需要。在柔 性零件的检测中，传统的测量样架是重要的检测手段之一。样架是利用主模型形 状或产品c a d 数模制作的一个立体模型。样架上设置有定位、夹持和测量装置。 待测车身零件放置在检测样架上，定位夹持后就可以进行对比测量( 图2 1 ) 。 通过零件与样架之间的间隙与贴合情况，可以得到若干测量点的相对于样架的位 置数据，以及零件不同点之间的相对位置关系。测量工具为塞尺、百分表或电子 量规。利用样架进行测量，具有方法简单、效率高、成本低等优点，但是测量结 果的精度和可靠性不高，一般只能达n 0 。l m m 左右。这主要是由于冲压件测量时 大部分样架是靠冲压件表面形状定位，但是冲压件本身存在不可避免的回弹、挠 曲等缺陷，所以检测时零件无法精确定位，从而影响测量结果。另外，测量样架 的设计合理性和测量人员的经验，也会严重影响样架测量精度。 图2 - 1 行李箱盖和右后q u a r t e r 检测样架 f i g 2 - 1c h e c k i n gf i x t u r ef o rt r u n kp a n e la n dr i g h tr e a rq u a r t e r 2 2 2 三坐标测量机 三坐标测量机是7 0 年代以来伴随着计算机技术、数控技术和传感技术发展起 来的自动测量设备，具有精度高( o 0 0 1 0 0 1 r a m ) 、柔性强( 适用于几乎任何 形状表面) 、自动化程度高( 可编程控制) 等诸多优势。利用三坐标测量机( 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、计量器具校验等各种工作中主要采用的手段。三 第1 0 页 上海交通大学颈士学位论文 自车身总成制造尺寸质量评价方法研究 坐标测量机的测量原理是将待测工件放在其允许的测量空间内，利用测头在x 、 y 、z - - - 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2 2 ， 再根据这些点的空间坐标值，经过数学运算求出待测的几何尺寸、形状和相互位 置。 图2 - 2 三坐标测量仪及其结构简图 f i g 2 - 2c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e 随着近年来汽车工艺的发展，对车身生产和质量的要求也在不断提高，对测 量也提出了更高的要求。c 删在使用中暴露出了一些不足之处。主要的问题在于： c 删测量是离散点测量，速度慢，工作量大，测量速度相对与汽车生产而言太慢。 在一天的生产中，只能测量几辆车身。从流水线运输到测量室也需要一定的时间 和通道。需要完成从测量线到测量室间的搬运、定位、测量、再搬运操作，测量 时工件要放置在测量机工作台上，工件的大小和重量受到限制，无法实现在线测 量，还存在车身在测量架上重新定位的问题。另外c 姗的测量一般是离线测量， 不能获得l 0 0 9 6 的产品质量检验数据。 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己被转移到 后续工序中，因而并不能完全满足装 配过程实时检测的要求。 2 2 3 便携式多关节测量机 便携式多关节测量机本质上属 于三坐标测量机大家族中的一员，但 由于其不同于固定式直角坐标测量 机的特殊结构和使用特点，可以方便 图2 - 3a m p g 便携式多关节测量机 的应用于各种生产状况。便携式多关 f i g 2 - 3a m p gp o r t a b l ec o o r d i n a t em e a s u r i n g a r m 第1 i 页 上海交通大学硕士学位论文 自车身总成制逢尺寸质量评价方法研究 节测量机利用多自由度( 6 7 ) 关节开链机械臂机构，采用人工操纵方式移动测 量头对工件进行测量，如图2 - 3 。便携式多关节测量机具有重量轻、携带方便、 成本低、使用简便、柔性强等诸多其它测量手段所无法比拟的优点。其缺陷在于 测量范围有限( 测量范围与测量机的臂长规格有关，通常在2 4 m 直径范围中) 和测量精度较低( 随臂长在o 5 0 0 1 r a m 变化) 。 2 2 4 在线光学三坐标测量机 9 0 年代以来，随着计算机视觉、激光、数字摄像技术迅猛发展，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测任务而开发的检测系统光学坐标测量机 ( 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 ) 。光学坐标测量机在美国 “2 m m ”工程中得到突出的成功应用，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。 光学坐标测量机均直接布置在生产装配线上，采用空间行架结构，使用多达 几十个测量头对工件进行1 0 0 的实时三维测量，综合精度0 0 5 m 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，光学坐标机可以测量 的对象不仅包括如孔、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。极为适合车身及其总成零部件在制造装配过程中的在线检测。 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 系统自动送入在线测量站。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器中。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i p n e t 系统为例，完成全部测点只需要大约2 0 秒钟。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2 4 。 第1 2 页 上海交通大学硕士学位论文自车身总成制造尺寸质置评价方法研究 图2 4 在线式光学三坐标检测站 f i g 2 - 4o p t i c a lc o - o r d l n a t em e a s u r e m e n tm a c h i n e 目前，在线光学坐标测量机在工业实用化上日臻完善，已普遍为欧美各大汽 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、 标致、沃尔沃等。在国内，仅有少数企业联合高校科研机构进行有关光学坐标测 量机的设备开发，但目前均属研制阶段，尚无成熟的工业应用成果。与三坐标测 量机等方式相比，光学坐标测量机极大地提高了车身尺寸检测效率；然而也存在 安装标定困难、安装工位固定、投资大、测点数有限等不足。 在车身制造过程的尺寸质量控制中，国内外大部分汽车制造厂商目前仍以检 测样架和三坐标测量手段为主，配合便携式多关节测量机来完成对总成件的日常 抽检；国外部分势力雄厚的汽车制造厂商大量采用了在线光学坐标测量机等先进 测量手段完成诸如底扳、侧目等重要总成件的全部检测；此外，许多先进的尺寸 检测设备，例如激光跟踪仪、测量机器人等也在车身产品开发和制造质量控制中 得到了广泛的应用。 2 3 测量数据的随机过程特性 各种总成件尺寸检测手段( 样架检测、三坐标检测、在线光学坐标机检测等) 相互补充形成较为完善的车身制造尺寸检测体系。检测内容的繁多，检测手段的 有限和检测测点的经验布置等决定了测点检测数据的小样本、多变量和大噪声等 特点。总成测量数据的小样本和多变量表明了样本数和测