基于尺寸工程的產品質量控制

胡順波　馬艷艷　韋海菊

摘 要：從產品開發的角度看，尺寸工程以DTS為目標，基于當前的生產技術水平、工藝設計及制造精度，覆蓋從產品造型設計、零件結構、工裝/工藝設計及零部件制造和裝配全過程的概念。尺寸工程在項目啟動時，制定產品開發的尺寸控制目標和控制策略，通過尺寸鏈的公差分析，確定零部件尺寸公差及設計容差，從理論上確保整車質量目標。項目研發期間，分階段通過造車過程進行尺寸評估及驗證，最終達到整車尺寸滿足設計目標的過程。

關鍵詞：DTS 基準一致性 三維偏差分析 功能評估

1 前言

當前，中國汽車市場發展日趨成熟，消費者對汽車的要求已不在單純的停留在代步，人們對于汽車外型的要求也在提升，甚至整車外觀已經成為購車者的首選考慮因素之一。而汽車外觀質量的好壞直接反應整車的制造水平，國內外汽車生產廠已在產品開發中全面開展尺寸工程，并逐漸完善尺寸工程管理。

汽車制造是一個系統集成工程，汽車廠正在經歷結構設計向性能設計和車身控制的轉變，而上述兩種控制很大程度都是精度控制。汽車尺寸工程是從產品造型設計、零部件產品設計、制造工裝/工藝設計到產品制造及驗證精益生產控制全過程的概念。[1]

2 尺寸偏差的來源

乘用車由一萬多個零部件組成，整個制造過程生產裝配環節多。尺寸偏差的來源通常有設計偏差、零件制造偏差、裝配過程偏差和質量檢測偏差幾個方面，尺寸偏差在制造過程中經過傳遞和偏差累積，導致最終整車尺寸質量不能滿足設計要求。尺寸公差控制和管理需要貫穿整車質量管理全過程。[3]

尺寸偏差的來源有很多，如圖1：

3 尺寸工程在汽車開發中的應用

尺寸工程的工作開展通常需要十個步驟：尺寸管理計劃→DTS→零部件定位策略→公差分析與優化→GD&T圖紙→測量系統→測量點→功能評估→數據收集與分析→質量持續改進。

3.1 尺寸管理計劃（DMP）：

在項目立項初期，需要定義該項目的尺寸目標，尺寸工程的交付物內容以及各項交付物的開發完成計劃。與項目主節點結合，整體計劃應該確保尺寸工程交付物的按時完成。

3.2 DTS：

DTS全稱是Dimension Tolerance Specification，即整車外觀尺寸公差規范，是對整車內外飾配合區域間隙面差的尺寸控制要求。[1]DTS是用以驅動產品設計、工藝過程及零件驗收等與尺寸相關的各個過程共同努力而達到和滿足客戶需求的技術要求。

DTS的設計依據：

A、對標車數據采集對比分析

B、造型或效果圖

C、GCA

D、當前最佳水平

E、偏差分析_設計可行性

F、歷史經驗

G、制造水平&設備工藝投入

H、車型定位

3.3 零部件定位策略（CDLS）：

汽車零部件的裝配工序多，除零件間拼焊的公差累積外，基準不統一導致的定位誤差也是尺寸偏差的重要因素之一。我們需統籌產品開發及制造工裝工藝設計上的尺寸定位，避免因設計、沖壓、焊接、工裝及檢測設備等定位基準轉換產生誤差累積，這就是零部件定位策略，又稱CDLS（Common Datum Locating Strategy）。

按照DTS要求，從尺寸角度出發，提出縮短尺寸鏈的方案，設計制定白車身工裝定位方案，門蓋工裝及調整線工具的定位等。基準設計要從精度控制目標出發，從白車身定位延續到分總成，再從分總成延續到零部件，逐層分解保證定位的一致性。基準一致性包含了產品、工藝、制造、檢測全過程。

3.4 公差分析與優化：

通過尺寸公差鏈的計算與分析，對零件及總成進行公差驗證，改善公差設定，優化產品結構和焊接、裝配工藝，以確保產品質量目標（DTS等）的實現。

3.4.1 尺寸鏈的計算方法：

尺寸公差的計算方法有一維偏差分析法和三維偏差分析法。在裝配關系中，總有一些相互關聯的尺寸，這些尺寸組成環連接成一個封閉尺寸環，稱為尺寸鏈。通過尺寸鏈環的計算方法是一維偏差分析方法。對于整車來說，影響整車尺寸偏差的因素多、產品結構復雜，一維尺寸偏差分析法不能滿足整車偏差分析需求，需要通過三維偏差分析法計算，以概率統計理論為基礎的數值計算方法，虛擬裝配過程并測量裝配后的尺寸。

3.4.1.1 一維偏差分析方法：

A、極值法（Limit Stacks）：

極值法又叫極大值極小值解法，通過尺寸鏈組成的封閉環，計算封閉環各增環的最大極限尺寸和各減環的最小極限尺寸的方法。極值法計算方法簡單，體現了組成環的極限尺寸，零部件可實現完全互換性。[4]

TT=T1+T2+T3….Tn

TT-Total Variation

T1，T2，T3，Tn，-Individual Component Variation

Example-pin-hole size，critical interface that affects safety

B、均方根法（RSS Root Sum Squared）：

根據概率學理念，零件的尺寸分布符合正態分布均方根法。制造生產不要求產品100%符合精度要求，允許有部分失效，從而降低制造成本。因此，以統計學為基礎的均方根法更適用于生產。均方根法顧名思義，就是把尺寸鏈中的各個尺寸公差求平均和，再開根號的計算方法。[4]

一維偏差分析方法一次只能計算單一方向以及線性尺寸鏈，對于空間尺寸鏈及非線性尺寸鏈無法處理。

TT-Total Variation

T1，T2，T3，Tn，Individual Component Variation

Examples--Gap and flush calculation

3.4.1.2 三維偏差分析方法：

三維偏差分析方法：采用Monte carlo方法模擬單個零件的制造。蒙特卡洛法是以概率統計理論為基礎的數值計算方法，蒙特卡洛法是一種用于模擬隨機抽樣統計來評估計算結果的方法，體現了裝配的隨機性。計算結果的精確度取決與取樣的數量，取樣數量越大越具有科學性。對比一維偏差分析方法，三維偏差分析法更能處理各種復雜的情況，能通過模擬操作更真實的反映問題的原因。[4]

常用的三維偏差分析軟件有3DCS和VSA。VSA是根據零部件裝配的工藝順序，建立三維尺寸模型，并將零部件的尺寸公差輸入到尺寸模型里，通過三維仿真分析及模擬計算，反饋出尺寸偏差中的貢獻因子。我們經過對貢獻因子的尺寸公差、工藝順序調整等方法，從理論上優化裝配系統的尺寸偏差和定位方案。

3.5 GD&T圖紙：

GD&T是Geometric Dimensioning and Tolerancing 的縮寫，即“形狀與位置公差”。[1]它一種在國際上被廣泛使用的符號性工程語言，幾何地描述了產品的設計意圖以及為產品的質量控制提供一個文件化的基礎。

GD&T圖紙包含圖紙設計標準及依據、零件基準定位系統設計、零件尺寸公差設計及零件匹配型面零件等信息，公差設計包括尺寸公差、形位公差。

3.6 測量系統規劃：

規劃滿足產品開發質量要求的檢測工具及設備，開發和完善質量監控手段。

3.7 功能評估：

功能評估（FE）是在產品驗證過程中，通過尺寸同步工程驗證方法，以尺寸控制管理為目的，建立跨部門的聯合小組。FE聯合小組需要對對前期定義（包括基準、公差、DTS、測點等信息）的驗證，解決新產品開發時零部件配合、生產線裝配、過程質量重復性&再現性等問題，保證產品在批量生產前整車外觀匹配狀態滿足DTS要求，零部件互換滿足生產質量要求的工作模式。

FE評估分為FE1、FE2、FE3三個階段。

FE1-1：FE1-1僅適用于白車身沖壓件。可在模具供應商處進行。評估方式為：在沖壓件檢具上評估全工裝試模零件的可接受性。

FE1-2：FE1-2僅適用于分總成零件及白車身，可使用由模具供應商或零部件供應商FE1-1評估整改后的試模零件拼成的分總成及白車身。評估方式為：經過FE1零件整改，評估分總成零件在檢具上的質量表現及其可接受性，焊接成白車身的質量表現及可接受性。

FE2：FE2適用于白車身以及外觀匹配的內、外飾零件，需求零件為全工裝狀態。評估方式為：整車檢具評估的可接受性，零件拼成的整車的可接受性。

FE3適用于白車身及內外飾零件。使用零件供應商按正常生產設備、工藝、節拍、測量系統連續制造（25件）的零件。評估方式為：整車檢具評估的可接受性，零件拼成的整車的可接受性。

3.8 數據收集與分析：

數據采集的方法有很多，有零部件檢測數據，白光/藍光掃描數據，CMM測量數據，在線測量工具等。將各個渠道中獲得的偏差、波動數據電子化，并進行統計分析，監控整個制造過程，快速發現和控制質量缺陷。

4 結語

本文闡述了尺寸工程在汽車開發中工作方法、流程等，尺寸工程在產品開發過程中扮演著很重要的角色，它貫穿整個產品開發過程，通過定位/基準設計、尺寸鏈計算、模檢夾的設計、FE驗證、測量系統監控計等，減少不必要的變更，降低開發成本。新產品開發，通過尺寸工程優化產品設計、收集并搭建尺寸偏差分析數據庫、制定尺寸測量控制系統，統籌控制從零部件到整車尺寸精度，提升整車制造水平。[1]

參考文獻：

[1]安珂，李金山，李彥賀，鮑磊.淺談尺寸工程在汽車開發中的應用.工藝裝備，2018（08）：109-111.

[2]朱啟維，穴洪亮，吳貴新.尺寸工程在汽車內外飾零件開發中的應用.機電技術，2017（02）：114-115，120.

[3]楊鳳兵.簡析汽車白車身尺寸精度控制方法.時代汽車，2017（07）：99-101.

[4]張爭，曾心延，黃高翔.基于三維偏差分析技術的零件尺寸優化.裝配制造技術，2017（06）：166-170.