（光学工程专业论文）车身制造质量仿生控制系统关键技术研究.pdf

上海交通太学博士后研究工作报告 摘要 车封制造质量的优劣对整车质量起着决定性作用，车身制造尺寸偏差直接影 响到最终汽车产品的性能，如噪声、密封性、动力性、外观和寿命等。车身制造 过程涉歧到自动化、计算机科学、材料科学、机器人、信息处理、数值计算、力 学、f 学等科学领域的研究，综合地反映了一个国家制造业的技术水平；随着 汽车汀场竞争的加剧，汽车车身制造质量的控制逐渐成为国际汽车工业界和学术 界的重要课题。 水之研究工作主要是在综合国内外车身制造质量控制技术的基础上，结合我 国汽_ | 二制造业的实际情况，借助于仿生控制、数值仿真、蚁群算法等技术与传统 科学川；合的方法，丌展轿车白车身焊装质量控制关键技术及其应用的研究，建 立完善：6 i 有效的车身制造质量控制体系，以弥补目前我国在车身制造研究领域的 不足一本文研究- i ：作的主要内容包括以下几个方面： 1 压电耦合场动力学模型的建立 对热压r 乜耦合场进行分析研究，建立相应的耦合场耦合动力学模型，为车身 制造厥i 的仿生控制数值分析奠定基础。 2 车身焊装耦合场仿生数值分析 根据有限元理论，对车身焊装过程耦合场进行理论分析，建立车身焊装过程 的数恤分析模型；首次把仿生学引入车身制造质量控制技术中，提出车身偏差仿 生控制帆i j 作机理。通过有限元软件a n s y s 对影响车身制造偏差的关键因素进行 分析研宄，找到主要的偏差源。并利用压电仿生致动元件来抵消车身制造过程中 影u 向偏堆的不利因子，自适应地提高车身的制造质量。 3 仿生算法的研究及其仿真分析 首；欠引入一种新颖的仿生进化算法一蚁群算法应用于解决车身制造偏差源 上海交疽大学博士后研究工作挂告 的路径寻优闻题。对所涉及的蚁群算法进行了理论探讨，并进行了仿真计算，为 车身制造偏差源的确定提供条新途径。 4 建立车身制造质量仿生控制体系 对以往的车身制造质量控制体系进行分析、归纳。首次提出以仿生工作机制 为基础的车身制造质量控制体系，这为车身制造质量控制技术水平质的飞跃奠定 了基础。 关键词：车身：质量控制：偏差；仿生控制：蚁群算法 铷n 缸：。弛z f 。s 霉s e d 亿6w 。r 毫j 洙m 4 缸0 n o j s h a n s b a i j i 珊t o n 8 u n w 啊；垮 a b s t r a c t t h em a n u f a c t u r i n gq u a l i t yo fa u t o m o b i l eb o d yh a sac r u c i a li n f l u e n c eo nt h ea u t o m o b i l e o v e r a l lq u a l i t yt h em a n u f a c t u r i n gd i m e n s i o n a lv a r i a t i o no fa u t ob o d yd i r e c t l ya f f e c t st h ef i n a l p r o d u c tp e r f o r m a n c e s s u c ha sn o i s e a i r t i g h t n e s s ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，a p p e a r a n c ea n d l i f e s p a n t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fa u t ob o d yi n v o l v e st h er e s e a r c ho ns u c hs c i e n t i f i cf i e l d s a s a u t o m a t i o n ，c o m p u t e rs c i e n c e e n g i n e e n n g ，m a t e r i a l s c i e n c e ，r o b o t i c s ，i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g ，n u m e r i c a lc o m p u t a t i o n m e c h a n i c sa n db i o n i c s i tc o m p r e h e n s i v e l yr e f l e c t s t h e c u e e n tt e c h n o l o g yl e v e lo fm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yi n ac o u n t r yw i t ht h ef i e r c ec o m p e t i t i o ni n t h ea u t o m o b i l em a r k e t 。t h ec o n t r o lo fm a n u f a c t u r i n gq u a l i t yo fa u t ob o d yh a sg r a d u a l l yb e c o m e a ni m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c ti nt h ei n t e r n a t i o n a la u t o m o t i v ei n d u s t r ya n di t sr e l e v a n ta c a d e m i c f i e t d s g e n e r a l i z i n gt h ea u t ob o d yq u a l i t y c o n t r o l t e c h n o l o g yb o t h a th o m ea n da b r o a da n d c o n s i d e r i n g t h e p r e s e n t s t a t u so fd o m e s t i ca u t o m o t i v e m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y ，t h ek e y t e c h n o l o g yo nt h ea u t ob o d ya s s e m b l yq u a l i t yc o n t r o la n di t sa p p l i c a t i o n sa r es t u d i e db ym e a n s 0 ft h em e t h o dt h a t i n t e g r a t e s s u c h t e c h n o l o g i e s a sb i o n i cc o n t r o l n u m e r i c a lm o d e l i n g s i m u l a t i o na n da n ta l g o d t h ma n dr e l a t e dc o n v e n t i o n a ls c i e n c e s t h ep e r f e c ta n de f f e c t i v e c o n t r o l s y s t e mo fa u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n gq u a l i t y i se s t a b l i s h e ds oa st om a k eu pf o rt h e i m p e r f e c ta s p e c t si n t h er e s e a r c hf i e l do fa u t ob o d ym a n u f a c t u r i n gi no u rc o u n t r y 。t h em a i n c r e a t i v er e s e a r c hc o n t r i b u t i o n sm a d ei nt h ep a p e ra r eb d e f l yp r e s e n t e da sf o l l o w s ： 1 e s t a b l i s h m e n to fd y n a m i cm o d e lo fp i e z o e l e c t r i c c o u p l e df i e l d t h ep i e z o t h e r m o e l e c t r i c c o u p l i n g f i e l d sa t e f u l l y s t u d i e da n di t s c o r r e s p o n d i n g c o u p l i n gd y n a m i c sm o d e lo fm e c h a n i c s - t h e r m a l e l e c t r i cf i e l d s i sd e r i v e ds oa st ol a ya s o l i df o u n d a t i o no nt h en u m e r i c a l a n a l y s i s i nt h eb i o n i cc o n t r o lo nt h ea u t o m o b i l e m a n u f a c t u d n gq u a l i t y 2 b i o n i cn u m e r i c a la n a l y s i so nt h ec o u p l e df i e l do fa u t ob o d ya s s e m b l y b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r y ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h ec o u p l e df i e l do f a u t ob o d ya s s e m b i yi so f f e r e da n dt h ee q u i v a l e n tn u m e r i c a la n a l y s i sm o d e lo ft h ea u t o f p o s t d o c f o r a t e s 船s e a r c f i 们吒。l “兰! 即旷珂缸l m d “可。u n i v e r s i t y b o d yw e l d i n ga s s e m b l y i s p r o p o s e d t h eb i o n i c s i sf i r s t i m p l e m e n t e d i nt h ec o n t r o l t e c h n o l o g yo fa u t ob o d ym a n u f a c t u r i n gq u a l i t ya n dt h er e l e v a n tw o r k i n gm e c h a n i s mo f b i o n i cc o n t r o io nt h ed e v i a t i o no fa u t ob o d yi sp r e s e n t e d t h ek e yf a c t o r sa f f e c t i n gt h e m a n u f a c t u r i n gd e v i a t i o no fa u t ob o d ya r ea n a l y z e di n ac a s es t u d yb ym e a n so ft h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e 一a n s y ss oa st of i n dt h em a i ns o u r c e so fd e v i a t i o n t h e p i e z o e l e c t r i cb i o n i ca c t u a t o r s a c t u a t i n ge l e m e n t sa r e u s e d 幻c o u n t e r a c tt h eu n f a v o r a b l e f a c t o r st h a ta f f e c tt h ed e v i a t i o no fa u t o b o d y m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s a n dt h e m a n u f a c t u r i n gq u a l i t yo fa u t ob o d y i sa d a p t i v e l yi m p r o v e d 3 ，s t u d y0 n t h eb i o n i ca l g o r i t h ma n di t ss i m u l a t i o n a n a l y s i s an o v e la n di n s p i r e db i o n i c s - o d e n t e de v o l u t i o n a r ya l g o d t h m a n t a l g o r i t h mi sf i r s t a p p l i e dt os o l v et h ep r o b l e mo nt h er o u t eo p t i m i z a t i o no fd e v i a t i o ns o u r c e si n t h ea u t o b o d ym a n u f a c t u r i n gp r o c e s s t h ei n v o l v e da n t - b a s e d a l g o r i t h m s a r e p r o p o s e d a n d p r o b e d i n t oa n di t sr e l a t e ds i m u l a t i o n c o m p u t a t i o n sa r ec a r r i e do u t i to f f e r san e w p r o m i s i n g a n de f f e c t i v em e t h o di n d e t e r m i n i n g t h ea b e r r a n ts o u r c e so fa u t o b o d y m a n u f a c t u r i n g 4 e s t a b l i s h i n g t h eb i o n i cc o n t r o ls y s t e mo fa u t ob o d y m a n u f a c t u r i n gq u a l i t y t h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o ls y s t e m so fa u t ob o d ym a n u f a c t u r i n gq u a l i t ya r ea n a l y z e d a n ds u m m a r i z e dt h ei n n o v a t i v ec o n t r o ls y s t e mo fa u t ob o d y m a n u f a c t u n n gq u a l i t yb a s e d o nt h eb i o n i cw o r k i n gm e c h a n i s mi sf i r s td e v e l o p e dw h i c hl a y st h ef o u n d a t i o nf o rt h e d r a s t i ci m p r o v e m e n t0 1 1t h ec o n t m lc e c h n o l o g yi nt h ea u t ob o d y m a n u f a c t u r i n gq u a l i t y k e y w o r d s ：a u t o m o b i l eb o d y ，q u a l i t yc o n t r o l ，v a r i a t i o n ，b i o n i cc o n t m l ，a n ta l g o r i t h m v 上海交通土学博士后研究工作报告 1 1 研究背景 第一章绪论 轿午午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i i 整车的4 0 6 0 车身制造质量的优劣对轿车的整体性能和质量起 着决定性作用，同时也直接影响到企业的生产成本。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制造业的技术水 平及其刨新能力。 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、快节奏地焊装而战，中问坏节众多，各种装配偏差源难以避免。车身制造的 优劣对整车质量起着决定陛的作用，制造尺寸偏差直接影响到最终汽车产品的整 体质量，如行驶甲稳性、振动、密封性、风噪声、寿命、动力洼、成本和外观等。 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： 卜世纪八十年代木，同本依靠推行全面质量管理( 7 t q o 使其品牌产品的车 身制造综台误差控制在2 m m 以内，为f 1 本轿车产品全面占领欧美市场奠定了基 础= 九十年底初，美国三大汽车公司( g m ，f o r d ，c h r y s l e r ) j 盈过著名的“2 m m 工 程”在铮短的三年时间内就使其品牌车身的制造质量赶上世界先进水平，制造偏 差扶1 0 9 3 年的4 - 5 r a m 减少到1 9 9 6 年的2 m m ，迅速抢回了原来的市场份额。美 国；气牟工、i e 的“2 r a 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 时代曩i u ，在因外由十在线测量、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 2 1 。而 我同轿f ：车身制造偏差，平均在5 r a m 左右【3 1 ，远远落后于世界先进水平，进入 上海交通土学博士后研究工作掇告 w t o 又给中国汽车业带来了新冲击。可见，丌展轿车车身制造尺寸偏差控制研 究的重要意义，该领域的研究f 成为工业界和学术界的热点问题之一。 轿车车身由3 0 0 5 0 0 个柔性薄板冲压件经数十个装配站焊装而成；车身尺寸 偏差主要源于：1 ) 零部件间的干涉；2 ) 工夹具定位的不稳定；3 ) 零件本身的 偏差；4 ) 焊接变形。各种偏差在装配过程中耦合、传播和积累形成车身制造的 综合偏差。根据偏差流理论，车身装配偏差控制可分为面向制造过程和面向设计 过程的偏差控制。面向设计过程的偏差控制处于产品开发过程的上游，包括诸如 央具优化设计、柔性装配偏差分析、鲁棒性设计等工艺和产品设计，基本上属于 质量工程中参数设计范畴。柔性装配偏差理论超越了基于刚体假设的误差累积理 论，通过合理的装配结构设计、装配层次设计及偏差吸收设计。该领域的研究还 只是刚刚起步，仅仅研究了简单柔体问焊接的偏差分析及车身焊装形式的定性评 价方法。面向制造过程的偏差控制主要涉及基于偏差诊断和基于自适应补偿的偏 差控制。在线测量是实现偏差监测的基础，轿车装配的高生产率和高质量要求需 要实现滴差源的快速珍断。但目前国内车身装配工艺的确定和误差源诊断主要是 依靠经验，难以作到工艺优化和故障的及时诊断和控制，从发现问题到解决问题 往往需要较长的时间。基于偏差诊断的车身尺寸偏差控制的关键是潜在偏差模型 的建立、柔性件装配中焊枪“、央具偏差引起的潜在偏差模式的构造及其诊断方 法有待进一步研究。而偏差的自适应补偿控制不探究诊断上游误差源，通过下游 工序调整夹具装夹或改变定位位置来改善制造精度，但这主要靠人工经验为主， 缺乏精确的车身装配过程中的偏差传播规律和合适的偏差补偿控制方法，未能实 现车身制造质量的自适应主动控制。 综上所述，尽管车体质量控制技术已得到了很大的发展，但都不能从根本上 解决车身的质量问题：要使车身制造质量有根本的提高，其质量控制技术的发展 还有许多技术难题亟待解决，为突破以往的车身质量控制技术理论，本项目将仿 生学原理引入车身制造质量控制研究领域，可预测和自适应控制车身制造偏差， 上海交通史学博士后研究工作掇告 极大地提高和改善车身质量。 仿生学是一门建立在数学、生物学、人机工程、现代控制理论及信息技术等 多个学科基础上的交叉学科，是一个极富创新性和挑战性的前沿领域：它是研究 和探索乍物系统的结构特性、能量转换、运作特征、信息控制过程，并把研究成 果应用于产品开发、控制装置、计算机应用及军事等领域【5 】，如：雷达跟踪与蝙 蝠定位、响尾蛇与导弹寻踪装置等。仿生学家通过对自然界中蚁群搜索食物过程 ( 即通过个体之问的信息交流与相互协作最终找到从蚁穴到食物源问的最短路 径) 的研究基础e ，得到了一种蚁群算法f 6 1 f 7 】【8 】。像蚂蚁这种群居昆虫，虽然没 有视觉，且就个体而黾蚂蚁的大脑是初级的，但很多蚂蚁聚集在一起，可以进 行惊人的复杂和有效的智能运作。它们没有集中管理，而是自行划分责任、寻找 食物、制造和维护蚁巢、照管幼蚁和反抗攻击。根据一些简单的逻辑规则，蚂蚁 可以找到扶蚁巢到食物源的最短通路。蚂蚁个体是通过一种外激素的物质( 信息 素) 进行信息传递，从而能相互协作，完成复杂的任务。蚂蚁在运动过程中，能 哆在它所经过的路径上留下该物质，而且蚂蚁在运动过程中能够感知这种物质的 存在及其强度，并以此柬指导运动方向，朝着该物质强度高的方向运动【9 。因 此，由大量蚂蚁组成的蚁群行为便表现出一种信息正反馈现象，随着时间的推移， 原先通过试探法找到的最成功的通路因重复注入“信息素”而得到强化。通过这 种信息交流找到了达到食物源的最短路径。蚁群自治系统没有单点故障，犹如绕 过故障行进的蚁群及在蚁巢受到破坏时修复蚁巢的蚂蚁一样，该系统能以普通集 中式系统所不能有的方式自适应地解决没有预见到的问题，具有自我感知、自我 学习、目我珍断和自行配置的能力，随时自适应地采取动作以得到最优方案。 本项目将通过对具有匙好自适应及协作能力的蚁群智能运作行为和车身偏 差 偿机理的研究，采用车身质量主动控制技术和传统的被动控制技术相结合， 应用仿q i 学原理建立新型的车身质量仿生控制系统。控制系统具有类似生物的 “刺激一 感知一，反应”能力】，即在各种偏差源影响因子在运作过程中， 上诲交通土学博士后研究i 作禳告 产生刺激信号作用于一个类蚂蚁仿生系统，经过信息加工和处理后，通过增加“数 字信息素”强化所寻找的关键偏差影响因子和使信息素“蒸发”抑制非关键偏差 影响因子的方式来最迅速地找到车身偏差源，并通过调整“蚁群”成分( 各偏差 源影响因子：如零件偏差、焊装工艺、定位、夹具等) 来逐步优化以便迅速正确 地消除不利的信息素，从而自适应主动地抑制难以预测的车身制造偏差，有效地 提高车身制造质量。因此开展本项目的研究，有利于探索避免或减少各种偏差源 引起的车身偏差的新思路，促进我国轿车制造业技术水平的提高，并产生重大的 经济效益和社会效益。可见，本研究项目在理论上有创新意义，其研究成果为车 身制造偏差控制开拓新思路，对车身偏差补偿理论的发展具有促进作用，具有重 要的学术价值和工程应用价值。本项目的研究成果还可应用于精密a n t _ 、软件设 计、金融交易、国防军工等领域，因此。本项目的研究将具有广阔的应用前景， 对国民经济和社会发展具有重要的意义 本课题柬源于与上海大众汽车有限公司合作的“车身制造质量控制技术”项 目和第三十批中国博士后科学基金资助项目“汽车车身误差仿生补偿机理研究”。 1 2 车身焊装质量控制技术研究现状 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 5 0 0 0 个焊点焊装而成。 白车身( b o d y i nw h i t e ) 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。它是轿车动 力系统、行驶系统、电气系统等轿车子系统的载体，是轿车动力性、舒适性、平 顺性及其外观质量的载体。因而，轿车白车身的制造质量对轿车整体性能具有决 定性的影响，它是轿车质量控制体系中最为关键的一环。白车身的总体制造误差 的大小代表了车身制造质量的水平。轿车车体制造的尺寸偏差直接影响到动力 上海交通土学博士后研究工作报告 性、行驶平稳性、密封性、噪声等整车性能， 质量控制是为了达到质量要求所采取的技术操作活动，其内容包括确定控制 对象、规定控制标准、制定控制方法、选用检验技术、检验操作、做出检验结论， 并对失控进行排除故障处理使之回复正常。 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 数据的跟踪使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，具有较高的 精度和柔性。通常每班仅能测量2 3 台的测量任务，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，对保证质量的控制可以分为两类 挖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、调整、 预测、修证、检测。主要针对产品的干扰因素起作用。 线外质量控制和管理：以产品设计部门和生产技术部门为主，通过三次设计 方法，提高产品稳健性。 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，应该既包含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证常进行的必要手段。 世界上各大汽车制造公司和研究机构，为提高轿车产品质量，降低企业生产 成本，在轿车白车身制造质量控制方面始终在进行着卓有成效的探索和研究。 八十年代初，美国罗得岛大学的两位教授提出了一项技术革新：面向制造和 组装的设计( d f - t l a d e s i g n f o rm a n u f a c t u r i n ga n d a s s e m b l i n g ) 。其目的在于指 导设计师在不影响产品功能的前提下，简化产品结构，通过合并以减少零部件的 数量，并减少组装工时。从产品设计阶段开始就充分考虑制造和组装，可提高产 品质量并降低成本。因而，从1 9 8 4 年开始，美国福特和通用汽车公司就先后实 施了“面向制造和组装的设计”，作为提高汽车制造质量与降低生产成本的重要 手段。 s 上海交通土学博士后碍究工作报告 l9 9 1 年，美国密西根大学吴贤明教授提出了“2 m m 工程”的计划构思，并 于1 9 9 2 年j 下式启动。该计划为提高汽车白车身制造质量提出了一整套行之有效 的科学方法，包括：以科学的检测数据为依据来推动白车身整体偏差量的减少； 使先进的统计方法与工程科学相结合，建立白车身装配过程的信息管理系统等。 通过“2 m m 工程”的实施，使美国汽车制造业在很短的时间内就赶上了世界先 进的汽车制造水平。 德国大众汽车公司也在提高和稳定汽车白车身质量方面进行尝试和努力。提 出并实施了基准点系统( r p s , r e f e r e n c ep o i n ts y s t e m ) ，用于解决白车身设计、 制造和检测中的基准点的统一问题。在此基础上，建立了功能尺寸系统，摒弃了 先前在轿车零部件和白车身设计图纸上采用的相对于坐标系网格线标注尺寸的 方法，直接以功能尺寸体现轿车零部件和白车身上的重要的尺寸关系，缩短了工 艺和装配尺寸链，避免了公差累积，提高零部件和白车身的制造与装配精度，有 效地控制和稳定了轿车白车身制造质量。 1 2 1 车身焊装偏差分析技术研究现状 车身由薄板冲压件通过焊装，铆接等方法装配而成，在车身的焊装过程中， 从零部件到焊装过程的每一个环节都会产生制造误差，这些误差积累构成了总体 制造偏差。在焊装过程中，由于薄板件刚性差易变形，为了保证零部件之间的正 确的相对位置和焊接间隙，必须通过焊装夹具将其固定。白车身焊装夹具与其它 夹具相比，具有定位夹紧元件的型面复杂，精度要求高，设计制造难度大等特点。 在夹具的使用过程中，如果夹具发生偏移、磨损等现象，将导致定位偏差，引起 焊接问隙的变动，最终导致装配尺寸误差和构件受力状况的恶化，直接影响白车 身的装配质量。汽车车身装配的最典型特征之一是柔性薄板多工位焊装。正确的 工装定位和夹紧是保证白车身装配质量的最重要的手段。 车身装配尺寸偏差主要由以下因素引起： 零件本身的偏差：包括零件的设计偏差、制造偏差、运输过程中产生的零件 6 上海交通史学博士后研究工作报告 变形偏差等，零件制造偏差主要是由于冲压工艺偏差引起的，与薄板零件的几何 特性及其材料特性有关。冲压质量影响因素主要包括零件几何形状的复杂程度、 尺寸大小、拉深工艺性、压机设备、模具结构和精度、板料成形性能、点焊物理 过程变形、回弹控制等。 零件缺乏定位稳定性：定位稳定性问题是由于夹具的定位器件引起的，包括 夹具偏差、定位偏差、夹块磨损等，主要来源于设计缺陷、制造缺陷、定位元件 的磨损与失效、夹紧力的变化及夹具的人为调整等因素。 零件之间的相互干涉：零件干涉是由于不同零件之间的配合连接类型决定 的。与设计合理性、零件之间的连接方式、以及零件之间的搭接、对接、角接等 焊接接头类型有关。 焊接工艺的影响：包括焊枪偏差、焊接次序、焊点布置方案、电极头磨损等 因素。 人为操作因素：包括工人的技术熟练程度、工作态度、设备维护、运输状况 等 ， # 十；$ 、 制造犏茎 设计偏差l 一 莲接方式 焊建 材抖性能 熹肄定位屿兰 央具偏蔗l 一 走墁告搞 竟n 为撮怍饵熏 卑蔫工艺性 u 车身装配偏差 焊装过程偏差w - 谭碴偏差 一i 谭簧囊阜 珲直难置 冲巫工艺 冲压偏差l 一 陵具偏差 攫昆署撬 甄q 啦w 性麓 十i 定量 幽l - i 车身制造偏差成因分析框图 由此可见，车身制造精度主要取决于冲压件的尺寸精度和焊装工艺的装配精 度。各种尺寸偏差随着生产的进行，形成制造总偏差，最终影响产品的质量特性。 上海交通土学博士后研究工作报告 车身装配偏差成因框图如图1 - 1 所示。为了降低和控制车身制造偏差，研究内容 应覆盖车身设计制造的全过程，包括冲压成形研究、测量技术研究、夹具研究、 点焊过程研究等多个方面。 练上所述，车身装配是一个非常复杂的制造过程，其制造偏差是由零件偏差、 冲压件、央具、焊装等工艺因素在装配过程中相互耦合、传播和叠加的综合偏差。 因而，对车身制造偏差的控制是一个系统性的问题，必须立足于装配系统整体的 基础上进行车身制造偏差的综合控制。 1 2 2 车身装配偏差分析方法研究现状 设计和制造是产品形成的两个不同阶段，同时也是一对矛盾。对于设计而言， 希望零件尺寸精确稳定，增加产品性能的可靠性，因而，必须严格控制零件的公 差，使公差尽可能小。但对于芾造而言，则希望能尽可能放宽公差要求，使生产 制造易于控制，降低制造成本。因而，必须两者兼顾，既能满足产品设计要求， 又要保证制造的可行性及其生产成本。 因此车身装配制造系统的尺寸偏差控制，主要包括以下两个方面： 1 ) 面向发计：装配偏差设计分析 研究尺寸偏差沿车身装配系统传递的机理，即装配零件的偏差如何传递到下 一绒总成，通过偏差源预测车身的综合偏差，反过来可以实现误差的再分配。主 要研究内容涉及零件设计、工具设计、工艺设计，集中在公差分析、公差综合及 稳健设计方面。 2 ) 面向制造：装配偏差诊断分析 钏对车身制造过程中所出现的尺寸偏差确定偏差源，实现制造过程的偏差控 制。 1 2 2 1 剐体零件装配偏差分析方法 公差合成与分配是装配偏差研究的重点。公差合成是由各零件误差分析得到 装配误差的过程，误差分配则相反。极值法( w o r s tc a s e ) 、统计分析法( r s s ， 上海交通上学博士后研究工作报告 r o o ts u m s q u a r e s ) 和蒙特卡罗( m o n t e c a r l o ) 模拟法是分析刚体零件装配偏差 的三种传统方法。 1 ) 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 一1 ) 表示。 t o l = t o l l + f d ，! + + t o l 。 ( 1 i ) 式中， 为零件个数，t o l ，表示各零件偏差，o f 一表示装配偏差。 1 9 8 8 年，g r e e n w o o d 和c h a s e 1 4 j 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 统计分折【1 5 是一种根据零件误差分布、利用二阶矩式( 1 2 ) 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。 f 。，= ，d l l - + t o l ；+ + t o t ：( 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e m s ”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。 3 ) 蒙特卡罗模拟方法 上海交通土学博士后研究i 作柱告 蒙特卡罗模拟18 1 根据已知的零件尺寸分布规律，通过构造充分多的随机样 本，进行数字模拟实验，来模拟装配的尺寸统计分布。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，它的应用范围很广，没有线性与非线性的区 别，可用于较为复杂的装配公差模拟。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 m a r a g h y l 2 。】及v i c t o r 和j o s h u a 【2 1 1 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 一3 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。 极值法、统计分析法和蒙特卡罗模拟法这三种装配误差分析方法具有共同的 特点：以刚体零件为研究对象，其装配偏差的集合特征仅由零件几何或( 和) 运 动关系确定。 122 2 柔性件装配偏差分析方法 车身是由数百个具有较大柔性的薄板冲压件焊装而成的。与刚体装配相比， 作用于柔性薄板件上的央具央紧力、焊枪电极力等外力将首先克服零件偏差，然 后在名义装配位置上实现装配，装配得到的部件将在内力与外力共同作用下发生 变形。车身装配偏差是由零件设计偏差、冲压偏差、焊装偏差及操作因素等耦合 与传播的结果因而，传统的用于分析刚体装配偏差的方法都不能完全适应于车 身装配偏差的分析与研究。1 9 8 0 年，t a k e z a w a 2 2 】根据对汽车柔性薄板件装配测 量数据的回归研究指出，“基于刚体假设的误差累积理论难以适用于轿车车体柔 性薄板冲压件的装配，其装配误差可以小于零件偏差，并接近于刚性较大的零 件? 揭开了柔性件装配误差研究序幕。 1 0 上海交通土学博士后研究工作报告 直到2 0 世纪9 0 年代初，美国密西根大学率先开始了有关车身柔性件装配瀑 差的系统性理论研究，先后提出了偏值梁单位和力学偏差模型，并在美国汽车制 造企业成功丌展了降低车身制造误差的“2 m m 工程”项目，为解决轿车车身制 造过程中的质量问题、稳定车身制造质量找到了一组行之有效的方法。 装配偏差研究模型的发展也同样经历了从刚体到柔性体的过程，主要包括偏 差模拟模型、力学偏差模型及偏置梁单元模型。 1 ) 偏差模拟模型( v s m , v a r i a t i o ns i m u l a t i o n m o d e l ) 早期对柔性零件的装配偏差研究仍沿用了基于刚体假设的偏差研究方法，建 立包容零件尺寸( x ，) 和装配尺寸( _ y ) 或零件偏差( v ) 和装配偏差( “) 的某种函数模 型： ( g ) ：y = g ( x j ，z ! ，) ( ，) ： “= f ( v l ，v 2 ，v 。) 当函数具有线性关系时，表达式简化为： “= a l v l + a 2 v ! + + a j ，v 月 若。t 2 o 二一一“，即为装配偏差的极值分析法。 ( i 一3 ) ( 1 - 4 ) ( 1 5 ) 翻= 一( 静铲，。斗矿2 删是以泰勒级数粕数 展丌得到的统计分析法。因此，装配偏差研究模型与装配偏差分析方法具有一致 性。 事实上，无论是面向刚性件，还是面向柔性件，寻求。，和y 或”，和“之间的 合理函数关系是建立偏差模型的关键 2 4 1 一 2 6 1 。2 0 世纪8 0 年代木，基于m o n t e c a r l o 方法的v s m 商业软件已在美国通用汽车公司中用以对设计、制造和装配偏差的 评估。 2 ) 力学偏差模型( m e c h a n i c a lv a r i a t i o n m o d e l ) 力学偏差模型是1 9 9 5 年l i u 、l e e 和h u 2 7 】考虑柔性薄板零件敏感于装配过 上海交盈土学博士后矸究工作报告 程的易变形特点分别从理论上、数字上和经验上得到的柔性薄板件装配偏差分析 模型。该模型将统计分析方法与零件力学模型融成一体，揭示了薄板装配的基本 性质。图1 2 即是从车身冲压零件在装配站上装配过程的抽象得到的悬臂梁一维 线性简化模型。 对于柔性薄板件装配，式( 1 5 ) 中的系数必须同时反映零件与零件装配关系及 装配变形，而不仅仅是零件的几何性质或动力学约束。 火具名义岸装位置 ( a ) 零仆偏莘( b ) 夹紧和焊接装配 幽t 2 考虑柔性薄板零件偏差的点焊装配过程 为克服零件偏差使零件在名义装配位置焊装，所必须的夹具夹紧力f 等于： f = 等等仉 m 。， 式中，t ，：为悬臂粱截面的转动惯量。 为了减少文献【2 s 】运用m o n t ec a r l o 方法分析薄板装配二维或三维装配偏差 的计算工作量，l i u 和h u 2 9 l 进一步提出了影响系数法及建立在影响系数矩阵基 础上的有限元模型，从而大幅度提高了柔性装配偏差的分析效率。 目前，美国密西根大学研究组已将该力学偏差模型成功地运用于柔性件焊接 装配偏差研究。文献【3 0 j 分析研究了薄板厚度对焊接接头结构形式搭接、对接和角 接的焊接装配偏差的影响。文献【3 i j 对不同薄板厚度、不同焊接接头结构形式搭接、 对接和角接下方盒焊接的装配偏差进行了研究。研究表明，相同板厚时，搭接方 盒质量最好，焊装偏差最小，而且搭接方式下零件偏差发生耦合；对接方盒偏差 最大，对接方式下零件偏差累积放大；角接方盒偏差居中。方盒搭接装配时，相 同板厚焊装偏差最小：方盒对接焊装厚度相差大的板较焊装均匀厚板的装配偏差 上海交通大学博士后研究工作报告 小，而且增加折边长度有利于减少装配偏差。 3 ) 偏置梁单元模型( o f f s e t b e a me l e m e n t m o d e l ) 偏置梁单元模型是1 9 9 5 年l i u 和h u 旧在考虑点焊的焊点力学性质和薄板 零件变形的基础上提出的对有限元方法中常规梁单元的改善模型。尽管该偏置梁 模型是基于工业应用、同时又忽略了点焊热效应的简单一维装配模型，却揭示了 薄板零件装配的基本规律和性质。 幽1 3 焊件的焊点受力分析 焊点承受剪力t 、萨应力n 和弯矩m 。剪力可以有效防止零件与零件间的 相对滑移，正应力使两个装配件紧密结合，弯矩约束了两个零件的相对转动。通 常，有限元梁单元节点取在梁中性面上，此时焊点的剪力作用难以计算在内。该 偏置粱模型则是将节点驳在焊接操作面上，即上梁的下表面、下梁的上表面处 相对粱单元中性面产生大小为 ，2 的偏置( 为梁的厚度) 。同时考虑零件偏差 和工夹具偏差，得到力学表达式： i 般。! o 一鲁n 。+ 等： 【叼= 01 珥，+ 1 2 k ，26 + - 4 2 ) 一鲁t + 等丸：一日( k n + k 1 2 ，埘2 畸+ ( 鲁 2 t 。+ 甜2 t ，：+ ( 鲁) 2 屯： 其中，女一，2 e a ，l ，5 e b , h l ， k l j e i j = e b j h ) 1 2 1 ) ( 1 - 7 ) 文献同时利用偏置粱单元模型讨论了柔性零件相对厚度、工具偏差及三个 哮 一 上诲交通土学博士后研究工作撮告 零件单点焊装顺序对装配偏差的影响，发现刚度较大、材料较厚的零件对装配偏