Cubing在汽車零件匹配分析中的應用

米富爭，王永濤，劉 攀，田 浩

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

引言

目前，很多汽車廠家新車型投產(chǎn)之前，都具備新車型的Cubing模型，為了驗證零件的生產(chǎn)狀態(tài)，確定零件改進方向，以及零件實際裝車效果，整車廠都會要求零件供應商，在試生產(chǎn)階段，集中所有的內(nèi)外飾件進行零件匹配的Cubing workshop，經(jīng)過多次的匹配試裝，達到提升零件質(zhì)量的效果。所以Cubing在車型投產(chǎn)初期的應用尤為重要，Cubing的應用縮短了零件優(yōu)化的周期，為零件優(yōu)化提供準確的方向，驗證了零件裝車狀態(tài)，對于汽車零部件的匹配來說，是不可缺少的一部分。汽車零件出現(xiàn)問題，第一要找的就是問題出在哪里，是自己的問題，還是對手件問題。分析問題需要借助標準樣件，而Cubing的應用就是要解決零件之間的相互匹配問題，所以Cubing在汽車廠已經(jīng)得到廣泛應用。

1 Cubing定義

Cubing是根據(jù)車身數(shù)模按照“零”偏差制作的綜合檢具，精度高，模塊化，易于拆卸，對于零件匹配安裝有高度模擬性，Cubing是用來發(fā)現(xiàn)車身本身的制造偏差和零件本身的匹配情況，從而達到精確匹配測量的效果。

2 Cubing的應用

Cubing早期主要應用于零件的匹配試裝，零件優(yōu)化，矯正設計缺陷，前期的工藝調(diào)整，工裝調(diào)試等。用標準來檢驗生產(chǎn)加工中出現(xiàn)的零件偏差，這就是標準車身的作用，Cubing的出現(xiàn)就是為了實現(xiàn)零件的實際匹配狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)問題并結(jié)合測量數(shù)據(jù)給出零件偏差方向，對零件的初期修改起到很大幫助。零件優(yōu)化完成后模具也定了，對于零部件供應來說降低了成本，提高了效率[1]。

2.1 精準裝配

因目前生產(chǎn)線上有些裝配還是手動安裝，雖然安裝工藝是一樣的，但是與人員培訓效果，熟練程度有關，這就涉及每個人的安裝手法，對零件裝車質(zhì)量有一定要求，也相當于解決人、機、料、法、環(huán)中的人，由于操作人員的安裝手法導致的平順度和間隙問題，是我們要控制的。如流水槽蓋板，在車身上會有與前端翼子板間隙大，左右流水槽蓋板與側(cè)圍平順度高低不一致，與后風擋玻璃間隙不一致等問題。經(jīng)過與安裝人員了解，發(fā)現(xiàn)當加工人安裝零件時，都是后面先對齊，在往前按壓安裝，由于流水槽蓋板是個比較長的零件，在按壓過程中發(fā)現(xiàn)會有竄動的情況，這是導致流水槽蓋板與后風擋間隙不一致的原因。因為車身上安裝零件找不到定位的點，我們可以借助Cubing和三坐標測量機，達到精準安裝的效果，對熟練性安裝進行測量調(diào)整，安排安裝人多次安裝，多次測量，記點安裝，直到安裝操作人員能熟練安裝到合適的位置，安裝零件到公差范圍內(nèi)，這也是側(cè)面培訓操作人員的方法。

2.2 驗證零件 Cubing workshop

零件驗證目前已經(jīng)不是簡單的安裝上，然后查看狀態(tài)，要有對零件的安裝過程可行性，靈活性驗證過程。主要模仿在線零件安裝過程，在安裝過程中發(fā)現(xiàn)問題，找到問題，解決問題，降低零件供應商的優(yōu)化成本。

新車型投產(chǎn)前期，會分幾個階段，如：BF，WF，ET，Lot1，Lot2，Lot3，PT1，PT2，PT3，SOP等。零件驗證是早期完成，也就是LOT1—3階段。因為要在零件的模具成型之前把零件和模具都要調(diào)整好，避免后期調(diào)整模具帶來巨大損失。

Cubing workshop是由多方面配合完成，邀請供應商對零件進行評價，零件投產(chǎn)前的手工樣件測試，三個階段的Cubing workshop 是一個零件逐步優(yōu)化提升的過程。我們要在每一個Cubing workshop后對零件狀態(tài)進行評價，明確目的后再推動跟蹤零件優(yōu)化進度。

為了解決零件安裝上的問題，集中所有部門進行零件的安裝與評價，根據(jù)零件本身的狀態(tài)，并重點對零件的自身尺寸狀態(tài)進行評價，零件與零件之間的匹配間隙平順度，按照不同的區(qū)域和功能狀態(tài)進行劃分，涉及A面的里零件評判要有針對性，質(zhì)量問題客觀評價，根據(jù)內(nèi)、外飾件劃分兩大部分，然后再分為四個程度，分別為：（1）buildability；（2）quality；（3）gap and flushness；（4）other risks。

在這四項的基礎上，對每項進行紅色、黃色、綠色、評價。綠色項為合格項，黃色項為建議改進項，紅色項為不合格項。在整個的workshop過程中要對70多個零件進行評價。評價完成后，還要對零件改進狀態(tài)進行跟蹤，與供應商工程師探討每個零件的具體優(yōu)化改進方案，要從哪個區(qū)域改進。敲定時間節(jié)點等。

圖1 零件狀態(tài)評價

2.3 深度解讀白車身測量報告模擬白車身狀態(tài)

以前白車身報告，查看報告只是指導裝焊工裝夾具調(diào)整，這只是初層次報告的應用，我們從更深層次的去利用測量報告，以點看面，從分析問題角度也可以提前預警，可以分析出來如果這些點超差了會引起哪些件的變化，偏差多大后才能趨近危險區(qū)域，這也是未來白車身報告預警的方向，研究好這些方向才能更好的做好質(zhì)量預防，質(zhì)量控制。

2.3.1 極限預警

目前整車零件安裝會發(fā)現(xiàn)有的零件在白車身報告中有偏差，但是在安裝Cubing上時會發(fā)現(xiàn)有一定的容量，但是這各容量是多少時會對零件安裝有影響，這是零件安裝的極限值，這個極限值不是零件的公差范圍，所以在考慮零件安裝極限上對零件進行偏差容量的限制。如圖2中，如果翼子板的安裝孔位置發(fā)生偏差，那么偏差多大會對安裝有影響，或者是零件的極限在哪，如果長期這樣會造成怎么樣的后果，對于裝配會有多大的影響，導致什么樣的風險，這樣我們對零件安裝狀態(tài)有一定的了解，這是我們要解決的問題。也是問題預警的前提。

圖2 尺寸分析圖

翼子板孔位向里偏，導致翼子板與機蓋間隙大，無法調(diào)整回來，安裝過程中會有間隙偏大的風險。對總裝和裝焊不利，這就要求我們在控制單個零件偏差時的最大偏差量是多少，也就是多少的偏差量是我們能容忍的，超過這個值就會有風險，風險類型是什么，這是我們預警所要做到的。因為裝配是多個零件裝配在一起，偏差累計會導致裝配困難，或者調(diào)整無容量。

2.3.2 裝配間隙容量預警

零件安裝在Cubing上后多大的偏差會導致零件在車身上的風險。各個零件的控制量是多少，尺寸鏈的計算。反向基準算出零件的活動范圍。這就涉及到尺寸鏈的計算。

（1）尺寸鏈的概念。

1）裝配尺寸鏈，在零件裝配過程中，零件與周圍相關零件之間間隙，公差的控制范圍。

2）封閉環(huán)，在零件裝配過程中，最后自然形成的尺寸，稱為封閉環(huán)。一個尺寸鏈只有一個封閉環(huán)，用A△、 B△、 C△表示。

3）組成環(huán)，尺寸鏈中除了封閉環(huán)外的其余尺寸，稱為組成環(huán)。同一尺寸鏈的組成環(huán)用同一字母表示。如A1、A2、A3或者B1、B2、B3等。

4）增環(huán)，在其他組成環(huán)不變的情況下，當某組成環(huán)增大時，封閉環(huán)也隨之增大，那么該組成環(huán)為增環(huán)。

5）減環(huán)，在其他組成環(huán)不變的情況下，當某組成環(huán)增大時，封閉環(huán)隨之減小，那么該組成環(huán)稱為減環(huán)。

在一個零件或一臺機器的結(jié)構(gòu)中，總有一些相互聯(lián)系的尺寸，這些尺寸按一定順序連接成一個封閉的尺寸組，稱為尺寸鏈。

尺寸鏈按應用場合分為：裝配尺寸鏈，零件尺寸鏈，工藝尺寸鏈。

圖3 尺寸鏈計算

（2）確定封閉環(huán)。

裝配尺寸鏈的封閉環(huán)是在裝配之后形成的，往往Cubing上裝配要求的尺寸，Cubing上“零”偏差基準，零件安裝后考慮零件在Cubing上的相對運動間隙，也就是多大的間隙量是允許零件偏差范圍。

解算尺寸鏈的方法有以下兩種方法：1）完全互換法（極值法）[2]；2）不完全互換法（概率法）。

完全互換法是尺寸鏈計算中最基本的方法。概率法，不是在全部產(chǎn)品中，而是在絕大多數(shù)產(chǎn)品中，裝配時不需要挑選或修配，就能滿足封閉環(huán)的公差要求，即保證大多數(shù)互換。與完全互換法相比，在封閉環(huán)公差相等的情況下，不完全互換法可使用組成環(huán)的公差擴大，從而獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟效益，也比較科學合理，常用在大批量生產(chǎn)的情況。

完全互換法：

封閉環(huán)基本尺寸=所有增環(huán)基本尺寸之和-所有減環(huán)基本尺寸之和。

對于任何一個總數(shù)為N的獨立尺寸鏈，若其中增環(huán)數(shù)為m，由于其封閉環(huán)只有一個，則減環(huán)數(shù)n為n=N-m。

基本尺寸計算：

上式說明：尺寸鏈封閉環(huán)的基本尺寸，等于各增環(huán)基本尺寸之和，減去各減環(huán)基本尺寸之和。

（3）Cubing上零件裝配尺寸鏈的計算公式[3]。

An服從正態(tài)分布的尺寸鏈鏈環(huán)，常見的有：面輪廓度，孔位制度，直線度，平行度，孔銷直徑偏差，其他類型的尺寸公差。

Bn服從均勻分布的尺寸鏈鏈環(huán)，常見的有：工裝定位面輪廓度，定位銷的位置度。

Cn服從極值分布的尺寸鏈鏈環(huán)，常見的有：孔銷之間的間隙，焊接變形補償?shù)取?/p>

（4）三維公差分析的遵循條件

零件公差的設定應遵循如下流程：

1）裝配順序嚴格服從于產(chǎn)品及工藝設計；

2）定位系統(tǒng)嚴格服從于定位設計及工裝設計；

3）各種公差設定嚴格服從于現(xiàn)有制造水平；

4）除非特別指出，零件的公差均服從正態(tài)分布；

5）大部分零件均被認為是剛體不存在變形；

6）除非特別指出，重力變形的影響不考慮在內(nèi)；

7）單件在總成裝配中的磨損不考慮在內(nèi)；

8）裝配夾具和檢具的熱變形不考慮在內(nèi)；

9）焊接變形、搬運變形，人工調(diào)整，過定位變形不考慮在內(nèi)。

（5）Cubing上裝配零件的尺寸分析步驟

1）區(qū)域確定，明確分析區(qū)域；

2）找準目標，找準基準；

3）系統(tǒng)邊界分析，要控制哪些區(qū)域；

4）定位分析，以誰為基準，零部件到總成的定位可行性，穩(wěn)定性，正確性，統(tǒng)一性；

5）尺寸鏈分析，找出鏈環(huán)，優(yōu)化尺寸鏈；

6）公差計算，尺寸鏈分析進行精確判斷；

7）預警機制，判斷超出公差零件，預警風險點，可能出現(xiàn)的極端情況。

圖4 Audit 評價標準

2.4 安裝基準矯正測量基準

在測量薄壁零件時，平時測量的零件是在支具上，對零件進行夾持，對RPS點也進行矯正，測量出來的結(jié)果是經(jīng)過矯正后的，如果零件取下來就會有回彈，這樣在安裝在車上時會發(fā)現(xiàn)，零件自然狀態(tài)下是超差的，因受安裝點的影響，零件安裝在車上會發(fā)生形變，與測量狀態(tài)不一樣，這樣就導致我們誤判零件的狀態(tài)，認為是沒有問題的，結(jié)果裝車狀態(tài)又不好。

零件安裝在Cubing上后，經(jīng)過調(diào)整，原先在支具上的夾持點釋放，零件型面處于自由狀態(tài)，導致零件與周邊件間隙平順度超差的現(xiàn)象，這也是零件安裝在Cubing上反推其RPS點偏差的過程，如：鋁制翼子板件，我們在椅子板測量報告中發(fā)現(xiàn)邊都在公差范圍內(nèi)，但是在Cubing上測量就會發(fā)現(xiàn)回彈變形。

圖5 翼子板支具和Cubing測量結(jié)果

3 Cubing模塊優(yōu)化設計

3.1 鑲嵌套的優(yōu)化設計

在Cubing應用過程中，也是對Cubing本體應用不斷提高要求的過程，模塊逐漸精細化過程，不斷提高零件匹配的實用性。為了模擬車身鈑金厚度，Cubing上固定塑料卡扣的位置是安裝襯套的，這就要求鑲嵌的襯套壁厚，達到和車身鈑金一樣的厚度0.7 mm，要求襯套的強度和耐磨性高，襯套抗拉拽性能也要非常高，但是在實際應用過程中發(fā)現(xiàn)，每次匹配后拆卸零件時都有襯套被零件一起帶下來，導致每次安裝后都要再次把襯套安裝重新定好，而且根據(jù)涂膠時效，等涂膠干了后再次使用，至少要兩小時后，或者更長時間，不 能連續(xù)使用，這樣影響零件測量的精度和重復性，影響了零件匹配安裝效果。為了解決這一問題，對Cubing上鑲嵌的襯套進行設計調(diào)整，把原有的結(jié)構(gòu)上進行改革，增加兩個固定頂針銷，這樣的加固作用要比之前的打膠粘貼固定要好很多，強度也有所增強，而且拆卸重復安裝也很方便。

圖6 鑲套固定方式轉(zhuǎn)變

3.2 活動開合機構(gòu)設計

在Cubing的使用過程中，零件的安裝與拆卸對Cubing的考驗較大，尤其是易損件的拆卸，幾乎是破壞性的拆卸，每次都有報廢很多零件，增加了零件匹配的成本，為了減少零件安裝的破壞，對Cubing在使用過程中的不易拆卸部分進行調(diào)整，調(diào)整設計機構(gòu)，為了達到這一目的，要從根本上解決問題，把要拆卸區(qū)域設計成可滑動機構(gòu)。

圖7 活動機構(gòu)優(yōu)化設計

4 結(jié)語

目前Cubing已經(jīng)廣泛應用于各大主機廠和零部件廠，主要為提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，矯正設計缺陷，模擬零件和車身匹配狀態(tài)，日常零件尺寸控制檢查，問題分析等。Cubing的模塊化設計讓零件安裝更方便快捷，查找問題零件更準確。有利于白車身和零件的尺寸控制，尺寸風險提示，前期風險點預警等，現(xiàn)階段北京奔馳每個車型都有一款Cubing車身，用于日常質(zhì)量監(jiān)測，查找問題點等。Cubing的靈活應用提高了整車質(zhì)量。