车身尺寸工程概述

1、车身尺寸工程概述,涂发平 ,背景介绍,目前的汽车国内市场，仍处在一个快速发展的时期，随着顾客需求的多样化，汽车企业间竞争的加剧，汽车企业必须适应顾客的不同需求，才能保证企业的生存与市场占有率的提高。 20世纪80年代，日本汽车通过实施2mm工程策略，实现了汽车行业质量提升，成功冲击美国市场。 20世纪90年代，美国汽车行业与密歇根大学等科学院所一起开展了一项旨在提升车身制造质量的全面计划汽车制造2mm工程。 2mm工程：采用车身制造综合误差指数CII（Continuous Improvement Indicator）来控制车身制造质量。2mm工程不是指控制车身精度公差为2mm，而是单个测量点的

2、6在2mm以内，然后统计这些测量点与所有车身监控点所占的百分比，一般要求95%，每隔一定时间统计一次，累计观察车身的稳定性。 “2mm工程”的本质是建立以数据为基础的制造质量控制体系，通过对制造数据建模分析来识别车身制造尺寸偏差源，保证车身制造工艺的稳定性，最终提高整车的配合精度。其核心是采用先进的车身测量技术，建立从冲压工艺、加工装备到装配过程协调、一致、高效的测量系统，通过数据分析和积累，将人为的经验管理上升到科学管理水平。,为了减少车身制造偏差，保证从零部件到车身的过程中测量的协调、一致、高效，尺寸工程应运而生。 尺寸工程：在现有零部件制造工艺的基础上，参与造型设计以及车身结构设计，协助

3、造型设计师以及产品结构设计工程师制定有利于车身尺寸控制的造型和产品结构；设计优化车身制造工艺，制定合理的定位系统和监控策略，保证车身DTS和各项功能的实现，并努力降低车身制造成本。,统计学,对于一个产品或者工业制造过程，往往我们会以合格率去评价。而2mm工程中则对产品检测引入了统计方法，应用了6的概念，对连续的车身合格率进行评价。统计学是工业生产中重要的分析方法和工具，是尺寸工作的评价标准。 6管理法是一种统计评估法，核心是追求零缺陷生产，防范产品责任风险，降低成本，提高生产率和市场占有率，提高顾客满意度和忠诚度。6管理既着眼于产品、服务质量，又关注过程的改进。“”是希腊文的一个字母，在统计学

4、上用来表示标准偏差值，用以描述总体中的个体离均值的偏离程度，测量出的表征着诸如单位缺陷、百万缺陷或错误的概率性，值越大，缺陷或错误就越少。6是一个目标，这个质量水平意味的是所有的过程和结果中，99.99966%是无缺陷的，也就是说，做100万件事情，其中只有3.4件是有缺陷的，这几乎趋近到人类能够达到的最为完美的境界。6管理关注过程，特别是企业为市场和顾客提供价值的核心过程。因为过程能力用来度量后，越小，过程的波动越小，过程以最低的成本损失、最短的时间周期、满足顾客要求的能力就越强。,通常情况下，无人为干预返修情况下，一个工序所生产的产品尺寸符合正态分布，即产品尺寸靠近中值的概率大而远离产品的

5、概率小。产品的尺寸公差即人为设定的一个产品分布范围（即人为给定一个置信区间）。 正太分布公式： 其中， 为总体标准差，u为总体平均值，e ， 均为常数。 对于标准正太分布（u=0）， 随机变量X落入正负一个“西格玛：”范围之内的概率： P(|x|) = 68.3 % 也即超出一个西格玛值概率为：31.7% 而： P(|x|2) = 95.4 % 超出两倍西格玛值概率为：4.6% P(|x|3) = 99.73% 超出三倍西格玛值概率为：0.27% P(|x|4) = 99.99% 超出四倍西格玛值概率为：0.01% ,通过产品质量与成本的综合考虑，现在企业多接受6 原则，即要求工序生产出合符要

6、求产品的概率为99.73%。而对于工序所生产的零件的公差，由于我们所明确的对于零件的要求其实是6 的范围，并不是工序生产所有零件的分布范围，所以对于整体零件的分分布范围需进行换算。 通常情况下，由于8 范围内产品概率为99.99%，可以认为8 已包含所有的零件，即工序生产的零件均分布在8 的范围内，这样我们就能得到对于生产工序所有零件的分布范围，包含合格产品以及我们可以接受概率内的不合格产品。 需要注意，正常情况下任何工序都不会生产出全是不合格的产品，也不会有一个工序生产出的全是合格产品，我们所有对于工序过程的研究，改进都只是一个提升合格率的过程，我们并不能将合格率提升到100%，我们的目标是

7、提升到我们所需要的合格率。 合格率是尺寸工程工作的重点与目标，也是质量与成本的平衡。,统计基本概念 中值：产品分布范围的平均值，左右两侧分布产品的概率相同，产品公差定义的理论偏移值；实际取样调查中测量产品的平均值。 离散：产品分布范围，实际取样中最大值与最小值的差值，也叫离散或者极差，体现产品的稳定性。 总体：所研究的对象 个体：所研究对象中的每一个元素，所有的个体组成总体 样本：从总体中抽选出一个或一些个体，称为样本，样本只是总体的一部分 标准差（Standard Deviation） ，又常称均方差，标准差是离均差平方的算术平均数的平方根，用表示。标准差是方差的算术平方根。标准差能反映一个

8、数据集的离散程度。 抽样调查：是一种非全面调查，它是从全部调查研究对象中，抽选一部分单位进行调查，并据以对全部调查研究对象做出估计和推断的一种调查方法。汽车生产过程中，线下的检测均为抽样调查，因此所获得的检测数据均为代表总体的一个样本，所获得的的平均值和极差与总体的中值和极差均存在一定的换算关系。任何对于抽样调查的评价都需从均值和离散两个方面进行评价，而不能只评价样本或个体本身的合格与否。,对于实际过程中的抽样检测，优先分析离散问题，解决离散后再解决中值的问题。这是因为离散决定6 的宽度，是对工序稳定性及生产能力的直观要求，直接反应我们所接受范围内分布产品的最大概率；解决完离散后，才能通过对工

9、序（模具，夹具）的调整，使实际产品的中值尽量靠近理论值，以获得最大的合格率。 形象来说，我们首先要解决正态分布的宽度，然后通过平移，得到我们所需要的正态分布曲线。 分析问题遵循以下几个方面： 人：生产人员，检测人员是否经过专业的培训，是否有足够的能力完成生产或检测工作，就是人员资质； 机：生产设备，检测设备是否符合要求； 料：生产来料是否合符要求，送检样件是否符合送检要求，是否有代表性； 法：生产操作方法及检测方法是否符合要求，是否合适； 环：生产环境检测环境（温度，湿度，光线等）是否符合要求 测：检测过程是否符合要求,与统计学相关的参数 CMK：Machine Capability Inde

10、x，设备能力指数。工序在一定时间里，处于控制状态(稳定状态)下的实际加工能力。它是工序固有的能力，或者说它是工序保证质量的能力。主要在新设备验收或设备维修或大型调试后验证设备能力。 USL：公差上线；LSL，公差下线；S：抽样样本标准偏差； : 抽样测量平均值。 CP/CPK：ProcessCapabilityindex，工序能力指数。是指工序在一定时间里，处于控制状态(稳定状态 )下的实际加工能力。它是工序固有的能力，或者说它是工序保证质量的能力。 CP为不考虑从中值与理论中值差异情况下的工序能力； CPK为考虑实际过程中产品中值与理论中值存在偏移情况的工序能力； 或 IT: 产品公差要求；

11、 ：总体标准偏差；K: 实际产品中值偏移度； X : 样本平均值； U：产品公差定义中值；,CMK与CPK区别 CMK与CPK 在计算公式上仅是S与的差异，但CMK是对设备本身能力的评价，因此采样控制要求较高，尽量避免人，料，法，环，测等因素的影响（要求这5各方面都相同且合符要求）。一般在新设备稳定运行一小时后连续采样50件以上进行相关计算评价；CPK分析则是针对工序，包含人机料法环测各个因素综合考虑，在工序所生产的的产品符合正态分布的前提下对产品进行评价，对采样要求较低，可以不连续抽样。 CMK用于设备验收，CPK用于产品验收。,尺寸链,尺寸链（dimensional chain ），是分析

12、和技术工序尺寸的有效工具，在制订机械加工工艺过程和保证装配精度中都起着很重要的作用。在零件加工或机器装配过程中，由互相联系的尺寸按一定顺序首尾相接排列而成的封闭尺寸组。组成尺寸链的各个尺寸称为尺寸链的环。其中，在装配或加工过程最终被间接保证精度的尺寸称为封闭环，其余尺寸称为组成环。 尺寸链是尺寸工程的根本工作方法，是保证合格率的理论前提，是实际匹配验证的重要依据。 尺寸链是尺寸前期定位方案设计的主要依据，对于前期设计的定位方案进行校核，确认是否满足合格率要求，以保证所涉及的定位方案合理，有效；并可以在不同定位方案中，选出最优方案，在保证合格率的前提下，尽量降低成本。 尺寸链是尺寸工业化调试阶段

13、的分析思路，面对缺陷，我们首先考虑尺寸链校核定位方案是否满足要求，然后再去分析形成尺寸链的每一环是否可靠，找出存在问题的环节，运用人机料法环几个方面去解决问题。,尺寸链的画法,1、找出功能要求，标记功能要求的矢量条件（封闭环），若是水平尺寸链，推荐条件矢量从左往右标记，若是垂直尺寸链，推荐从下往上标记； 2、从条件矢量的起始端开始标记尺寸链其他环（组成环）； 3、标出每个组成环的矢量箭头； 4、组成环之间的矢量箭头用划线隔开，即划线为每个尺寸矢量的界限； 5、添加非几何尺寸因素影响的矢量（工序影响），完成尺寸链,如图所示，两个零件通过图示定位焊接，需保证总成宽度,零件A,零件B,定位销C,定位

14、销D,分析： 1、零件A最左端到零件B最右端的长度为焊接后总成的功能要求； 2、零件A最左端到定位销C为零件A本身的零件尺寸（假设零件A在检具上采用定位销C定位）； 3、工装上两个定位销，定位销C与定位销D有一个工装加工公差； 4、同零件A一样，零件B也有一个零件公差； 5、焊接工序本身有一定影响,极值法与平方根法,极值法：将组成环各环公差直接进行相加运算。与功能要求矢量方向相同的链环为增环，方向为正；与功能要求矢量方向相反的链环为减环，方向为负。上述例子IT如下： IT=IT1+IT2+IT3+IT4 由于各链环方向均与功能要求矢量方向相同，故均为增环，各环公差上限相加即为所求公差上限，各环

15、公差下限相加即为所求公差下限，中值为各组成环中值之和（计算中值时同样要带矢量方向） 平方根法：也称概率法，将组成环各环的公差值平方和相加再开方，所得即为功能要求的公差。 中值为各组成环中值之和（计算中值时同样要带矢量方向），中值加上IT/2即得所求公差上限，中值减去IT/2即为所求公差下限。 极值法考虑了产品的极限情况，要求产品100%在计算范围内，保证的是100%的合格率，公差直接累积，若功能要求一定则各环所能分配的公差均较小，因此成本较高，多适用大型机械加工，精密仪器加工，航天等生产规模不大但要求产品100%合格的行业； 平方根法则是运用概率统计的方法，将各组成环内零件进行随机组合，达到我

16、们所接受的合格率即可，不考虑极限情况，有一定的不合格率，但对于各组成环的公差要求较为宽松，相比起来成本较低，适用于大规模生产的行业，并可以接受一定不合格率的行业，例如汽车产业。,尺寸链在设计阶段的应用,尺寸链在设计阶段的应用可分为风险评估和定位方案优化 风险评估：我们不可能脱离现有各汽车零部件生产水平去造车，因此我们在尺寸前期设计阶段很重要的一部分工作就是在现有生产能力条件下，对所需求的功能要求进行评估，校核尺寸链是否达到我们能接受的合格率。 计算尺寸链最重要的并不是计算公差大小，而是合格率或者说不合格率的大小，我们评价的是合格率而不是公差本身，因此无论是二维尺寸链，还是三维的3DCS都必须引

17、入合格率的计算（正态分布条件下置信区间概率的计算）。,定位方案的优化：经过风险评估，风险较高或者成本较高时，要进行定位方案的优化，已降低风险程度或较低的制造成本。同样上述两个零件的例子；,方案一,方案二,零件A,零件B,定位销C,定位销D,零件A,零件B,定位块C,定位块D,上述两个方案同样可以保证焊接工序的完成， 从尺寸链上看，方案二减少了两个链环，减少了公差累积，能让功能要求更好的得到满足，保证规模化生产的合格率； 若功能要求一定，两种方案的合格率均可以接受，则方案二降低了对零件A和零件B的要求，降低了零部件的成本，使制造成本得到降低。,尺寸链在工业化阶段的应用,尺寸链在工业化阶段的应用分

18、为缺陷分析和有效监控的确立。 缺陷分析：缺陷即是不满足功能要求，即实际功能要求范围大于我们所设计的IT，这时我们要针对缺陷画出尺寸链，然后对比每一个组成环实际零件的公差分布范围是否与设计计算尺寸链时所采用的公差一致，若某一个链环的实际公差分布范围超过了设计计算时引入的公差，则需针对此链环进行整改，从人机料法环几个方面去分析。简单来说，尺寸链是我们分析缺陷的思路，是我们串联各零部件各工序和功能要求的一根线。 有效监控的确立：零件需要检测，分总成需要检测，车身需要检测，这些检测条件的确立就是根据尺寸链来确立的。车身有各个不同的功能要求，将这些功能要求分解到各分总成，各工序，各零部件，这样就形成了我

19、们一整套的检测要求。即检测不是什么都检，而是跟尺寸链相关的因素就需要检测，如果检测元素不在尺寸链涵盖的范围内，则是检测资源的浪费，成本的浪费；若检测元素并不包含尺寸链的所有内容，则是监控的缺失，检测的不完全，一旦产生相关的缺陷，无法确认缺陷产生的原因。,同位法则,同位法则：保证车身在同一位置制造，检测。包含两个方面：单个零件所经历的每一个工序，零件都在同一位置；零件检测定位于零件在工序中的定位同一。 零件所经历的每一个工序，零件都在同一位置：指的是从零件到分总成到总成再到车身过程中，定位的一致性，也称定位的传递性。 零件检测定位于零件在工序中的定位同一：零件的检测条件应该与使用条件一致，即检测

20、的是零件的使用情况，因此零件在检具上的定位尽量与工装上的定位保持一致。 同位法则的要求：限制零件6个自由度；点线面三个元素中构成的面应尽可能大，构成的线应尽可能长；尽量缩短点、线、面之间的空间距离；在垂直方向上限制自由度。,零件的6各自由度为3个平移和3个旋转，确定一个零件的位置，必须限制这6个自由度，否则零件的位置无法确定，即零件无法定位。零件定位时一般先选取一个面限制一个平移和两个旋转，然后选取一条线限制一个平移和一个旋转，最后确定一个点限制一个平移。即零件定位常用的3-2-1原则。,三个定位块形成一个面，限制垂直定位块方向的平移和偏离平面的两个旋转,两个点形成一条线段，限制垂直线段的平移

21、和在平面内的旋转,最后选取一个点，限制零件沿线段方向的平移,实际车身零件定位选取原则,面的选取，形成一个面不能少于3个定位点，根据零件形状大小可适当添加定位点，所有定位点所形成的的范围应尽可能大的包含零件。形成一个定位面的定位点不必在零件的同一个面上，可以是分布在零件上的几个小面，但是要角度相近；同时要考虑零件的功能，保证功能实现。 线和点的选取可以一起考虑，大多数情况是合在一起形成一个圆孔和一个长圆孔配两个圆销；或者反过来两个圆销配圆孔加长圆孔；一个圆孔配一个支撑。也可以分开，两个支撑加一个长圆孔；两个长圆孔加一个支撑；三个支撑均可。 当时用圆孔加长圆孔作为定位点时，圆孔空心与长圆孔长轴中点

22、的连线与长圆孔长轴的夹角有一定要求，推荐不大于15度；一个圆孔加一个支撑时，圆孔与支撑中点连线与支撑面之间的角度也有要求，推荐不大于15度。,如图所示， 三个支撑定位Z向和绕X,Y轴的两个旋转，且所形成的的三角形应尽可能大； 圆孔定位X,Y两个方向，长圆孔定位绕Z轴的旋转,一个圆孔一个长圆孔定位两个平移和一个旋转，长圆孔长轴方向与两孔心连线重合,一个圆孔一个支撑块定位两个平移和一个旋转，定位面与圆孔空心与支撑连线重合,两个长圆孔形成一条线，一个支撑构成定位点；两长圆孔连线与支撑面垂直,两个支撑构成一条线，一个长圆孔构成一个点；长圆孔长轴与支撑构成的线垂直,底部两个支撑构成一条线，侧面一个支撑构

23、成一个点；侧面支撑面与底部支撑构成的线垂直,采用一个圆孔一个长圆孔定位，但两孔心连线与长圆孔长轴不重合，要求夹角不大于15,采用一个圆孔一个支撑定位，但孔心与支撑点连线与支撑面不重合，要求连线与支撑面的夹角不大于15,工装样架的定位设计原则,1、按照装配流程，逆向设计工装样架的定位，即先设计总成的定位再设计分总成的定位且分总成定位包含宗成中的定位； 2、通过功能分析，明确装配后的总成需要保证的功能，参照最优尺寸链在相应尺寸边界处设置定位，保证尺寸链与设计一致； 3、遵守同为法则的要求； 4、根据零件大小、刚度及焊接保护（保护链接的实施）等添加过定位； 5、考虑焊接或装配空间问题；,如图所示，车

24、门铰链加强板， 功能：图中涂阴影面均为与车门内板贴合面，标识的两个铰链安装螺母孔 分析：根据同为法则要求， 首先确定定位面，图一所示可视面角度接近，面积较大，图二所示焊接贴合面角度接近，但被图一所示立面隔开，且均为小面。理论上图一所示面适合选为定位面，但图二所示面与功能一致，本着优先保证功能的原则，选取图二。 然后确定定位线，定位线只能在图一选取，本着保证功能的原则，选取两个贴合面做支撑； 最后是一个定位点，经过上述面线之后，零件缺少Z向定位，因此选择一个定位Z向的长圆孔。,检测样架的定位设计原则,1、确定零件的使用条件（下一个工序），所需要满足的功能； 2、确定零件在工装样架上的定位及装配过

25、程； 3、遵守同为法则的要求，设计零件的定位，并尽量保证与零件在工装上的定位一致； 4、参考零件刚性，模拟连接； 5、检查是否影响测量；,如图所示，车门铰链加强板检测物理条件的制定， 分析：此零件为冲压单件，下一工序为与车门内板焊接； 参考零件在焊接工序的定位如下； 遵守同位法则，零件检测物理条件可与工装物理条件一致； 零件刚性强且链接处已有支撑，无需再模拟链接； 不影响零件检测； 故车门铰链加强板检测样架定位如下。,为什么检测样架的定位要与工装样架定位一致？,检测的目的是为了确定零件是否满足使用要求，并不是为了确定零件本身的好坏。因此检测样架的定位设计必须考虑实际使用情况，模拟零件的使用情况

26、，确保检测结果对于使用者有效。否则，检测条件与使用条件不一致，检测结果不能直观的反应零件的使用情况，不利于使用者分析数据。因此设计检测样架的定位时尽量与零件在工装样架上的定位一致。,模拟连接是什么意思？,模拟连接主要针对柔性零件和装配件。 有些柔性零件实际使用时与刚性零件自然贴合，这种情况下相当于刚性零件给柔性零件提供了支撑，因此在检测时需要模拟刚性零件的支撑作用，否则零件开发商将花更多的成本去保证零件合格但实际使用却没有收益。 有些装配件，在装配过程中有装配样架，零件在装配样架上有完整的定位，但是装配完成后样架会撤离，这种情况必须模拟连接。而且检测样架上对于模拟装配样架的定位也要做成活动的，

27、首先利用与装配样架一致的定位把零件装到检具上，然后模拟链接，然后把模拟装配样架的定位全部移开，只保留与车身连接相同的定位点，再开始检测，这同样也是检测条件与实际使用条件一致。,公差表,公差表包含两部分内容：检测基准；检测项及要求。 检测基准：测量的起始点，测量的0点。基准应该能构建与车身坐标类似的三维坐标系，即要有确定的6个方向的自由度，检测零件通过检测样架的定位与基准形成统一，测量结果才会有意义；通常情况下基准与检测样架是一体的，即零件检测时具有唯一基准且使用检测样架的基准作为检测基准。但也有基准与检测样架不一致的，例如局部基准和零件基准。 检测项：零件上需要检测的特征及公差要求即零件的功能

28、要求。 检测基准和检测项是由尺寸链确定的，检测基准和检测特征来源于尺寸链中的尺寸界线（链环的起点和终点），而公差要求则来源于尺寸链计算时所引入的公差值。,当检测零件时使用检测样架基准时，认为检测基准与零件在检具上的定位一致，故直接将零件的定位标识为检测基准。基准的标识有如下几种：,表示A方向第一个基准点,表示A方向第一个基准点,基准大大小， 孔径或面的大小,A,表示A方向基准,零件的公差分为形状公差和位置公差；形状公差指特征本身的大小，不需要基准；位置公差指特征相对于基准的位置，是与基准的一种相对关系。形状公差和位置公差分别有如下几种：,最大实体原则（MMC）：指占有的材料最多的状态； 对于孔

29、而言，最小孔径（即孔径下限尺寸）为最大实体，孔径下限尺寸即为孔的最大实体尺寸； 对于轴而言，最大轴径（即轴径上限尺寸）为最大实体，轴径上限尺寸即为轴的最大实体尺寸。 最大实体原则下，形状公差和位置公差可以相互补偿，当被测要素的实际尺寸偏离最大实体尺寸时，形位公差可以获得补偿值的一种公差原 则。即：图纸上标注的形位公差值是被测要素在最大实体状态下给定的。当被测要素直径偏离最大实体直径时，形位公差值可以得到一个补偿值，该补偿值是最大实体直径和实际直径之差的绝对值。 例如，孔20，形状公差为0到+0.2，位置度公差为0.5，要求最大实体原则。 若实测孔径20，符合最大实体，此时孔的位置必须在0.5内

30、才合格； 若实测孔径为20.2，不符合最大实体，此时孔的位置度变为在0.7内就合格； 简单来说，最大实体原则是为了保证装配性，当孔径变大时，装配通过性增强，则位置度要求变得宽松。 对于车身孔，装配孔必须符合最大实体原则，保证装配性；对于定位孔定位销也必须满足最大实体原则；对于检测样架的定位孔还需要做成锥形销，以确保孔心位置的准确。,偏值公差：公差带关于理论值不对称的公差，即上下公差绝对值不相等的公差。 偏值公差标注时，在公差栏先写明公差带，然后用字母U 隔开，再写检测项向材料增加方向的极限公差，如下图所示：,带宽为1，偏值要求为材料外极限为0.3，如图所示，即实际零件分布在理论值往材料增加的方向0.3和往零件材料减少方向0.7以内的范围，也有称为体外最大允许尺寸0.3，即我们标注的U后面的偏值值并不是中值偏移量，而是体外的极限尺寸。,复合公差： 指对于检测项有多项公差要求，在第一级