產品約束體系對檢具開發和產品尺寸檢測的影響

劉慶上

(南京塔塔汽車零部件系統有限公司,江蘇南京 211102)

0 引言

在汽車車身、飾件的開發中，產品的尺寸檢測是非常重要的一環。產品開發時所有與尺寸的有關要素都涉及檢具。例如在開發流程上有尺寸認可報告，這是開發供應商提供給客戶的關鍵文件。在實際開發時，檢具更是產品的尺寸檢驗的一把特殊的尺子，工程師要用它對產品進行測量以便對產品進行改進。在生產中，更是質量控制的重要手段之一。所以檢具的設計與開發是產品尺寸檢測的前置開發內容之一。

但是對于這樣重要的工具，在實際開發中，由于對產品的約束體系不能正確把握而導致檢具開發(甚至要追溯到產品的開發體系)出問題的情形時有發生。主要有以下表現：

(1)產品缺少定位，導致檢具開發無所適從。

(2)檢具開發不能較好模擬產品的連接和緊固形式。

產品在檢具的安裝狀態(即后文所說的產品檢具狀態)有兩個極端表現：檢具開發過度使用約束導致產品的檢具狀態過于“優秀”，約束不足則導致產品不合格。

(3)拋開檢具而過分強調產品的自由狀態。

以上的3條既有產品開發者的問題，也有檢具開發者理解產品約束不徹底所導致的問題。

1 檢具與測量介紹

1.1 檢具的基本構成

在討論產品與檢具的影響前，先對要涉及的檢具稍作介紹。圖1為檢具示意圖。檢具大致包括檢具的支撐部分與檢測模塊，還有一些其他輔助結構以及必要的附件。

圖1 檢具示意

檢具底板是屬于檢具自身的支撐構件，如圖2和圖3所示，是整個檢具的支撐底座，是檢具的安裝基礎，也是檢具加工的基準。

檢具檢測基準(小型的檢具一般3～4個)屬于檢測模塊，其作用是產品測量時用于三坐標設備找正或識別檢具的車身三坐標體系，在檢具交付使用時的尺寸檢驗也用到此基準。

檢具模擬塊屬于檢測模塊，如圖2和圖3所示，是對產品的輪廓或外形的模擬，用以檢測產品的輪廓尺寸，而負責孔位置度檢測的有位置度銷(分為主基準與子基準)如圖3所示。

圖2 檢具剖面示意

夾鉗負責固定產品，在檢具中代表對產品約束的模擬，夾鉗只是諸多形式之一。

除了以上所說這些，還有模擬產品安裝的其他構件(屬于產品的支撐與安裝構件)。如產品基準銷的安裝孔(圖2)。在檢具上還有負責移動的吊環、汽車整車坐標的百位線等其他機構或標識，與文中關系不大，從略。

在圖2和圖3中給了其剖面圖。在該圖中展示了產品安裝在檢具上的狀態。

1.2 產品的測量要素

產品固定在檢具上之后，要實現的測量無非是產品的形位公差。在汽車的車身或者內外飾的塑料件中，最常用的主要有輪廓度和位置度兩種。在飾件專業所發布的圖紙中，集成度比較高的主機廠關心的是間隙和面差，如圖2所示。這在檢具上主要是靠檢具的模擬塊來實現的。檢具模擬塊給相關人員以直接的視覺顯示，給出來的是尺寸鏈累積下的最終結果。如果想知道具體的測量值，可以通過間隙測量而測得，也可以通過三坐標設備工具進行測量。最終間隙與面差體現在產品上基本都是輪廓度。對于位置度，檢具上也可以用位置度(孔、銷特征)等進行模擬測量，如圖3所示。

圖3 產品位置度檢測示意

1.3 檢具復雜度

有一類簡易檢具，只提供產品必要的固定、約束，沒有復雜的模擬塊，這種檢具大多只能配合三坐標設備進行測量，優點是制作成本比較低，這種檢具常被習慣地稱為測量支架。若想讓檢具發揮更大的作用，常常要帶模擬塊和其他位置度檢測銷等機構或構件。

對于容易拆分且自身約束健全的零部件，都可以做檢具。在檢具初期可以制定相應的清單和方案，以達到檢具數量較少而作用比較大的情形。這就需要前期就進行一定的規劃。

2 檢具開發的基本原則

檢具制作的基本原則是檢具設計應盡可能地模擬產品的真實安裝環境。這一條原則是從產品的使用角度對檢具設計提出的基本要求。應與純粹的檢具自身的設計原則進行區分。比如檢具應便于移動等等，不是文中要討論的內容。

2.1 產品約束體系對檢具開發的影響

(1)檢具給產品提供的定位應拷貝或參考原設計關系

在不對檢具設計方案造成重大影響的情況下，應盡可能地用原產品設計的關系。在圖2中，與產品的定位銷配合的孔特征本來屬于周邊零件(圖4)，在檢具中其孔的特征被檢具繼承(圖4中只體現了一個產品定位銷，關于產品體系的知識，可參考相關文獻 [1]，若是完全嚴格拷貝，以圖4中產品的定位銷為例，檢具的模擬定位銷的金屬塊也應將周邊件鈑金孔的厚度考慮進去，很顯然，圖2并不是這樣的，由于塑料產品常常有拔模，所以圖2所示的檢具結構也是允許的，這是一種檢具的方便處理)。同時檢具的孔徑也應嚴肅地對待。

圖4 實際產品與周邊件的關系

在檢具設計中，檢具的孔徑有自己的算法。在特殊情形下，產品工程師、檢具工程師應與檢具設計開發者商討其技術細節，以適應后期的產品開發、檢測工作(產品開發中，定位銷有可能會做微調)。

(2)檢具給產品提供的約束安裝應盡可能參考原設計

對于同一樣產品來說，不同的約束系統，其表現可能完全不同。這些有性能的表現，如安裝與固定點增多，可以提高產品整體模態；有產品尺寸方面的表現，如產品固定點多，安裝尺寸更容易保證。當然，無形中有可能(不是一定)也增加了成本。那種不考慮安裝狀態的想法是比較危險的。這個情形的一個極端便是過度考慮產品的自由狀態(畢竟，沒有約束也是一種安裝狀態)，在文中會進行解釋。

參考意味著實際中會有變通。在這一點上定點與緊固是共通的。實際中的螺栓點在檢具設計時可以用夾鉗或其他類似的結構來代替，這倒不是說螺栓的鎖緊值與夾鉗的固定力分毫不差，而是因為它們對產品的約束效果來說都足夠了，也就意味著檢具可以用某一個機構代替產品的約束，畢竟檢具也要考慮使用方便與經濟性，檢具只是給產品提供了一個模擬的環境。在圖4中，產品用螺栓固定，此螺栓的固定方法在檢具中可由不同的類型的強力固定裝置代替，最好的方式是檢具中也用類似的螺栓擰緊。

2.2 檢具設計所需的產品信息技術輸入

在不對檢具設計方案造成重大影響的情況下，應盡可能地用原產品設計的關系。這就表明2D圖紙是檢具開發早期的必要前置輸入的技術文檔之一。但這常常還不夠，在進行檢具設計時，無論是為了幫助檢具開發者理解圖紙，還是為了方便檢具的設計，給檢具開發者提供必要的周邊3D數據是必要的。這常常是主機廠工程師所不能理解的地方——為什么在一個純制造項目中，該產品的制造商常常要索取其所制造零件或系統的周邊數據。文中當然不能排除，在一些情況下，一張完善的2D圖紙就足夠了。

3 產品約束的重要性以及對檢具開發的意義

對產品約束體系的重要性無論如何強調都不算過分，除了其中產品裝配的作用，對于檢具開發的作用也意義重大。這里不妨從相反的方面探討一下，這是工作開發中常遇到的問題，出現頻次較高且影響較大。

3.1 產品定位不合理

由于產品圖紙已經有了較為完善的基準，所以檢具設計只需要抽取相應技術信息，做出定位結構即可，但工作中并非如此簡單。有許多設計公司錯誤地使用了定位概念，導致產品無基準可用，于是檢具設計就陷入了兩難境地。由于原產品定位不足[2-3]，若是按照產品的設計開發檢具，產品放在檢具上，將會出現竄動情況(這和裝在車上的趨勢是一樣的)，這樣對于高精度測量必定無法滿足。若是檢具設計工程師自己找一個基準體系進行檢具設計，這樣對于產品的檢測是可以進行的，但是這樣做的結果是不能反映實際無基準的情況。避免此問題最佳的手段，就是產品上要有合理的基準，而不是隨便指定一個基準。如果不懂得定位體系，這樣既無法設計出合格的裝配產品系統，對夾具等加工過程中出現的工裝問題也必然無法理解，當然也談不上正確地開發設計。這就是前文提到的缺少基準，讓人無所適從的問題。

檢具工程師也會犯同樣的錯誤，沒有遵循檢具開發的基本原則。一個完善的產品卻設計出來一個不好用的檢具，不能起到應有的檢測作用。常常會導致產品在裝車時并沒有問題，而在檢具上的檢測卻是不合格的。

由于更改會涉及產品體系以及產品的模具和檢具的更改，這會產生經濟及時間成本，若多次進行更改而無效的話，產品開發的隱性成本將變得極大。

3.2 檢具設計的連接點設計不當

產品連接點有很多類型：塑料卡扣、螺栓等。檢具可以對一些對手件進行模擬，而另一些則不易模擬。檢具的實質是盡量模擬安裝環境，暴露出開發中的問題，所以有幾個固定點，在檢具上就會出現相應的固定點，作用只要和實際相當即可。大多數情況下，這是沒有問題的。不過在特殊情況下，就要小心了。比如實際中使用的是與產品注塑一體化的卡扣(SNAP)結構[4]。檢具設計以夾鉗代替這種卡扣，會使得產品在檢具上的表現大大優于實際。在實車上裝配產品，卡扣的固定力比較小，固定不住產品，產品出現翹起情況，而檢具上卻由于夾鉗力很大，將產品強行固定住，測量結果是合格的，這就出現了差異，影響了對產品實際情況的判斷。對這種差異要小心評估。

實際中檢具的過度約束常常會被濫用，也就是說檢具上存在著大量產品上的不存在的約束(若有特殊原因除外)。

4 產品的安裝狀態探討

為了進一步闡明產品的約束作用以及與檢具在檢測工作中的作用，這里補充說明兩個概念：產品的檢具狀態與自由狀態。

在工程開發中，有許多工程師對于產品的自由狀態的變形極為在意，這本身沒有太大的問題，但有一些開發者走向了極端，過度關注自由狀態，甚至到了脫離產品的應用環境而單純地追求自由狀態，對產品的認可造成了很多困惑。

如果工藝能將產品做到幾乎沒有變形，那么產品開發任務就相當簡單了。因為如果這樣，無論如何設計，工藝能力都將極為富余，所以不會因為產品變形的問題而增加不必要的約束點，但這是一個不太可能的事實。在當前競爭極為殘酷的情形下，工藝能力往往都是不足的(這也意味著合理的約束設計是降低了工藝難度的)。最關鍵的一個事實是，對于柔性相當大的塑料產品，其自由狀態其實也不存在，只存在于想象之中。對于一個剛性較好的產品，將產品放置在工作臺上，變形可以忽略不計。即使沒有檢具，如果有較好的特征存在(如平面)，也可以以此為基準，在三坐標下進行測量(由于這種測量方式不在檢具上，測量精度也是打折扣的)。因為三坐標是可以進行臨時的基準模擬的。但是一個柔性的大產品，如儀表板、保險杠放在地上，會由于自重引起變形而導致尺寸不再準確。那么準確的產品何在？

4.1 產品的檢具安裝狀態

產品在檢具上定位安裝好以后，稱之為產品的檢具狀態。如果檢具的設計較為合理，那么產品在檢具上的狀態基本上可以認為是在車身安裝好的狀態最好的反映。不過，車身狀態下用的件都是實際產品，所以會導致偏差出現。為了找出到底誰對問題貢獻度比較大而制作了檢具，這也是檢具存在的意義之一。通常認為，產品在檢具上合格，此產品也就達到了事前定義的設計狀態。但有時即使達到了檢具上的測量要求，實際總成仍然存在著尺寸問題。造成這種情況的原因有很多，比如有時候是由于檢測者提出更嚴格的要求，屬于偏主觀的現象;有時候是由于事前開發定義的尺寸不夠合理。由于產品的復雜性，即使很有經驗的工程師也無法事前杜絕這種現象。從做一個合格產品的大目標來說，在實際中大都會選擇進一步調整使得產品合格，這可能意味著新的精力與經濟投入，這已經不屬于文中的探討范圍。

即使將來出現重新定義產品精度的情形，檢具依舊是最好的參考標準。

4.2 產品的自由狀態

產品的自由狀態是指產品在沒有安裝定位情形下的狀態。在這種狀態下，產品呈現了自由的變形狀態。這種變形看起來似乎主要由工藝水平決定。實際是大的產品，其變形程度也和如何放置、支撐有一定的關系，如隨手擺在地上，每次的變形都不一樣，甚至相差相當大。

但是基于產品的設計，正是基于各種真實產品的需要和可能出現的問題進行設計的。工藝可行性就是基本的考慮因素之一。有經驗的設計工程師會根據經驗對產品變形進行一定的預測，從而做出相應的設計，所以設計可以彌補工藝的不足。在產品進行檢測時，是基于產品的檢具狀態做出測量。過分強調產品的自由狀態是沒有實際意義的。

(1)根本不存在所謂標準的自由狀態。對于大的塑料件產品，如儀表板、保險杠，擺放方式不同，在自身質量的影響下，每種狀態下的產品狀態相差很大。在這種情況下，自由狀態的實際意義大打折扣。如假設下面一個所謂的數模設計狀態，如圖5(a)所示；豎直放置的變形，如圖5(b)所示；而橫放，其自重變形又如圖5(c)所示。其變形不但很大，而且變形趨勢不同。只有對于強度很高的零件，去測自由變形是有意義的。這里并不是完全否定自由狀態，這主要看目的是什么。有理由相信，如果沒有重力等外力因素影響，是存在一個所謂自由狀態，并且在這個“假想”的自由狀態下，產品做得越準確，越靠近3D數據，此時把產品放在檢具上，產品的外形尺寸也就越準確。

圖5 柔性塑料件在不同放置方式下的變形趨勢

(2)即使真要考慮自由狀態，將產品放置在檢具上，也是最佳的選擇。

因為產品在安裝情況下所展示的變形既是最真實的變形狀態之一，也是最靠近使用狀態的情形。考察產品的變形時，將它置于產品的安裝狀態合情合理，符合工程實際。這時的自由變形由于接近實際狀態，對于變形評估也是最有意義的。

通過以上討論可知，不同的約束與放置類似于產品的技術狀態發生了改變。

5 結束語

通過文中的討論，進一步深化對產品約束體系的了解。不同的約束將影響產品的性能，更影響產品的尺寸，也影響后期開發的產品檢測工作以及高質量的交付能力，完善的約束體系減輕工藝壓力，提高了工藝窗口。約束體系的合理布局完全有可能在不增加成本的情況下進行，最終帶來的是產品開發的效率提高及隱性成本的極大降低。

這一部分知識同樣適用于檢具開發。如果不了解這些知識，對于工裝夾具等開發也會帶來很多問題。這不僅給開發帶來困擾，也給工程進度、開發成本帶來影響。