裝焊車門Y向尺寸穩定性研究及優化

郭東棟 田劍英 趙建哲 范崇帥

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

1 前言

車門在整車中占有十分重要的地位，也是外覆蓋件中開關頻率最高的零件，車門質量直接關乎汽車外觀質量。如果車門尺寸不穩定，不僅會增加裝配調整的難度，影響生產節拍，嚴重的還會帶來諸如關門力、風噪等功能性問題。車門生產工序步驟多，影響因素也很多,尤其是存在人工工位的車門制造，車門Y向尺寸穩定性控制是一個難題。

2 車門尺寸穩定性現狀

某車型車門區域是人工及自動化混合生產模式，生產中使用了激光焊接、人工電阻點焊、人工涂膠、機器人涂膠、機器人滾邊、單邊焊等工藝。工藝流程如圖1 所示：I 島手工區通過人工涂膠和點焊方式將車門內板、鉸鏈加強板和門鎖加強件進行連接，激光房將內板總成和門框進行激光焊接；II 島手工區通過人工涂膠和點焊方式將一島分總成與車門加強梁進行連接，自動區通過機器人涂膠、滾邊和單邊焊等工藝將內板與外板進行連接，其中車門使用的零件大部分為自制沖壓件，沖壓件從沖壓車間轉運到裝焊車間需要使用特制的物流料框，焊裝車間內板手工工位間零件轉移靠中轉小車完成。

圖1 某車門工藝流程

在線三坐標測量系統能夠實時在線監控制造零件的尺寸狀態，在線測量結果的示意圖上顯示的顏色結果表示選定的當前車輛的測量結果。根據在線三坐標測量系統的公差設定，超差點分為3種類型：黃色，表示測點超過一級公差但不超二級公差（即1.3 倍基本公差）；紅色點表示測量點處于二級公差和三級公差內（即1.5倍基本公差）；粉色點表示超過三級公差。因此，粉色點是超差最嚴重的情況。

根據右前門在線測量數據顯示：該車型右前門Y向尺寸不穩定，不穩定點集中在車門上框和B柱下角位置，如圖2a 中的深色點和淺色點，由于這些不穩定點波動趨勢是一致的，故選取圖2a 中波動最大的點，即下底邊的淺色點為研究點，由該點代表整個車門Y向尺寸狀態。該車型右前門Y向尺寸波動σ達到0.45，存在明顯的班次差別，給后續裝配工序帶來了很大的問題，使裝配線和調整線工作量增加，降低了生產節拍。

圖2 右前門Y向尺寸白夜班差異問題

3 車門尺寸穩定性研究方法和工具

本文主要是利用在線三坐標測量系統及三坐標測量數據，對生產過程中的各環節進行分析，找出造成尺寸不穩定的關鍵工位，找出對車門Y向尺寸影響最大的因素并進行優化，最終解決車門Y向尺寸班次差別的問題。

在線三坐標測量系統是一種基于激光的三角測量法工作的在線檢測設備，其工作的原理如圖3 所示。

圖3 三角測量物距示意

激光器LD 向被測物體發出一束激光，隨后激光被物體反射回來，經過鏡頭在成像屏幕（Charge Coupled Device，CCD）上成像，由三角形相似計算得到被測距離z為：

式中，b為激光器光軸與接收鏡頭光軸之間的距離；f為接收鏡頭的焦距；x為接收像點到鏡頭光軸的距離。

其中，b和f已知，則只要測出x的值就可以求出距離z。一般來說，x的測量利用高分辨率線陣CCD 來完成，精確度很高。

為了表征車門尺寸的穩定性，采用標準差作為評價指標。標準差σ即離均差平方的算術平均數的算術平方根。標準差能反映一個數據集的離散程度，即σ越小代表數據離散度越低，數據越穩定，反之則波動越大。

標準差計算如下：

式中，x為樣本中每個樣本的數值；μ為所有樣本的平均值；N為總的樣本數。

由于問題復雜，影響因素眾多，為了更全面地分析該問題的根本原因，借助魚骨圖對人、機、料、法、環、測的影響因素進行逐一排查及分析，圖4 為該問題的魚骨圖。借助魚骨圖分析各種影響因素，初步判定人、機影響最大，主要體現在人工焊接焊點的位置以及關鍵工位工裝的保證能力。

圖4 前門Y向尺寸雙班不一致問題分析

4 車門尺寸穩定性影響因素

4.1 關鍵焊點位置

車身焊接是汽車制造過程的重要環節，焊接精度直接影響到白車身的外觀質量和裝配效率，同時影響汽車性能[1]。車身尺寸精度控制是以三坐標測量數據為基礎的質量控制方法，一般可以通過對車身三坐標測量數據進行分析來尋找偏差源，制定并實施糾正措施，保證車身尺寸精度及穩定性[2]。

對于一般工件而言，其空間位置的不確定性可按一定的直角坐標系分為6 個獨立的自由度：沿X、Y、Z軸的平移和繞X、Y、Z軸的轉動。通過不在同一直線上的定位基準Z1、Z2、Z3 限制工件沿3 個自由度（沿Z軸的平移、繞X、Y軸的轉動），通過定位基準Y1、Y2 限制2 個自由度（沿Y軸的平移、繞Z軸的轉動），通過定位基準X1 限制1 個自由度（沿X軸的平移），因此工件6 個自由度都得到了控制，即3-2-1 定位原則，如圖5 所示，任意一個自由度出現問題都會影響工件空間位置，對于測量來說即尺寸變化。

圖5 零件定位示意及Y向測量基準

基準點系統（Reference Point System，RPS）是車身零部件正確定位和焊接的基礎，RPS設計是否合理準確將直接影響到車身焊裝精度和產品質量[3]。對于車門而言，Y向基準設計在零件外板表面，如此設計為了裝配車門時更好地利用RPS 點進行調整，方便控制車門裝配尺寸和分析問題。對于車門尺寸控制而言，Y向的尺寸控制相對X和Z向尺寸來說更困難，因此，車門焊接時最需要加強控制的是Y向尺寸，測量時車門Y向基準點有3 個，如圖5 所示，其中Y2 點（即2 點）對整個車門Y向尺寸的影響最大，若Y2 點有波動，則車門窗框及下底邊上所有測量點會同時發生變化，且窗框與下底邊的變化方向相反。因此，在生產過程中控制好車門Y向基準點尤其是Y2 點的穩定性對于車門尺寸穩定性控制至關重要。根據RPS 點對整體零件尺寸影響的這個原理，利用在線三坐標測量系統對車門底邊紅色框Y0 區域的尺寸進行監控便可反映出Y2 基準點的穩定性情況。

為進一步明確影響區域、關鍵工位和關鍵焊點，采用思維導圖方式進行分析，如圖6 所示。

圖6 雙班差異分析導圖

4.1.1 確定影響區域

試驗1：A 班次和B 班次都使用A 班次生產的I島內板分總成，II 島各班次正常生產，對車門總成進行在線數據測量，結果顯示A 班次和B 班次的車門下角平順數據接近，相比非試驗數據雙班一致性改善很多，僅有少許差別。

試驗2：A 班次和B 班次分別正常使用各自I 島的內板分總成，然后統一由A 班次將這些內板分總成在II 島做成內板總成，再交由A 班次和B 班次分別完成車門總成。結果顯示，班次差異比較明顯。

試驗結論表明，I 島手工區是引起班次差異的主要問題區域。

4.1.2 確定關鍵工位

明確影響區域后，接下來對I 島手工工位采取了如上的方法進行循環試驗，最終排查結果顯示：I 島FA65-ST020 手工工位的焊點位置的班次差異最終造成車門總成Y向尺寸的雙班差異。

4.1.3 確定關鍵焊點

FA65-ST020 工位一共有8 個焊點，其中包含4個定位（Geometry Point，GP）點以及4 個特殊功能（Special Point，SP）點，根據經驗，一般GP 點對尺寸影響比較大。因此對FA65-ST020 工位4 個GP 焊點使用上述相同的方法進行逐一試驗排查，最終得出結論：前門內板和鉸鏈加強板的最下部焊點（72000710GP）對尺寸影響最大，即為關鍵焊點。

該焊點靠近車門總成的Y2 基準點，在人工焊接過程中，由于焊點位置雙班不一致，會導致Y2 點Y向尺寸雙班不一致，從而影響了車門總成的雙班一致性，如圖7 所示。

圖7 右前門內板FA65-ST020工位關鍵點示意

4.1.4 關鍵焊點位置優化

針對FA65-ST020 工位72000710GP 焊點位置雙班不一致的問題，設計了一套焊鉗導向機構，幫助操作人員在焊接過程中準確找到焊點位置，保證2 個班次焊點位置一致。同時導向機構的圓錐形設計也能夠保證焊接時焊鉗角度垂直于工件表面，避免了馬蹄點的產生，如圖8 所示。

圖8 焊鉗導向定位塊

通過添加導向機構，2 個班次的72000710GP焊點位置度及焊點平整度相比之前大幅提高，車門的Y向尺寸也得到明顯改善，雙班的一致性顯著提高。

4.2 單邊焊工裝

單邊焊是僅在焊件的一面用電極加壓完成點焊的方法，是電阻點焊的一種特殊形式，如圖9 所示。單邊焊的負極通過線管連接到內板上，焊接時電流從正極經過零件（內板）流向負極，在外板包裹的法蘭邊上與內板間形成焊點，而外板外露面上沒有焊點。

圖9 單邊焊原理

單邊焊外板變形是指在單面點焊接完成后，單面點背面外板處產生鼓包、凸點、壓痕等，嚴重影響了外表面件的外觀質量，外板的變形主要分為熱變形和冷變形，其中熱變形主要是因為焊接電阻熱的影響使得焊件外表面產生熱應力變形；冷變形是指由于電極與支撐相互之間擠壓導致外板表面的擠壓變形[4]。

影響單邊焊質量的參數有電極壓力、焊接電流及焊接時間等，其中電極壓力和支撐塊是導致外板變形的主要原因。

該車型車門采用的是傀儡式單邊焊，零件上方為氣缸帶動的可動電極，零件下方是一個固定的銅塊作為外板外露面的支撐塊，支撐塊下方有一層絕緣層，避免電流從法向方向穿過零件。支撐塊在焊接時起到對外表面的支持作用，從而減少外表面的質量缺陷。

完成I 島手工區的排查和優化后，雙班一致性數據有了較大改善，但仍存在小的差異。為了徹底解決雙班不一致的問題，對II 島自動化區域進行了逐一排查，發現單邊焊工位下底邊位置支撐塊偏高，導致卡具壓緊時外板形變量過大，松開后回彈不足導致Y向尺寸變化；同時支撐塊與外板表面不隨形，無法做到完全貼合，加劇了外板變形量，造成零件Y向尺寸波動，其中影響最大的單邊焊點位于車門B柱下角靠近下底邊的位置，如圖10 所示。

圖10 單邊焊夾具工裝和墊塊

針對排查出的支撐塊的高度偏高和支撐面與外板不貼合問題，首先降低支撐塊的高度，釋放壓力，減少車門外板形變量，消除Y向尺寸的變化；同時對支撐面進行調整，使外板和支撐面完全貼合，消除坑、包問題，既滿足了尺寸要求又保證了外觀質量，如圖11 所示。

圖11 單邊焊示意圖及結構

5 車門尺寸穩定性改善成果

通過對關鍵焊點增加焊鉗導向和優化單邊傀儡焊支撐塊，右前門總成Y向尺寸得到極大改善，白夜班差異基本消除，Y向尺寸的σ由最高0.55 降低至0.28，相比之前降低了約49%，如圖12 所示。穩定性的提高減少了裝配線及總裝車間車門的調整時間，節約了大量的人力成本，同時降低了車門E 型亮條與側圍平順度超差以及關門力不符合要求的風險。

圖12 優化后效果

6 結束語

通過對某車型車門尺寸穩定性的研究，從生產過程中找到影響車門尺寸的主要因素，并得出結論：

a. 存在人工區域的車門生產線，焊點位置尤其是關鍵焊點的位置對尺寸影響較大，須固定關鍵人工工位的焊點位置以保證車門尺寸的穩定。

b. 單邊焊作為車門生產的最后一道工序，其工位工裝對車門尺寸影響很大，在生產中需要加強注意。

c. 相比三坐標離線測量排查，在線三坐標測量系統Perceptron 極大提升了排查效率，適用于工藝過程復雜的研究過程。