基于尺寸工程的产品质量控制

胡顺波　马艳艳　韦海菊

摘 要：从产品开发的角度看，尺寸工程以DTS为目标，基于当前的生产技术水平、工艺设计及制造精度，覆盖从产品造型设计、零件结构、工装/工艺设计及零部件制造和装配全过程的概念。尺寸工程在项目启动时，制定产品开发的尺寸控制目标和控制策略，通过尺寸链的公差分析，确定零部件尺寸公差及设计容差，從理论上确保整车质量目标。项目研发期间，分阶段通过造车过程进行尺寸评估及验证，最终达到整车尺寸满足设计目标的过程。

关键词：DTS 基准一致性 三维偏差分析 功能评估

1 前言

当前，中国汽车市场发展日趋成熟，消费者对汽车的要求已不在单纯的停留在代步，人们对于汽车外型的要求也在提升，甚至整车外观已经成为购车者的首选考虑因素之一。而汽车外观质量的好坏直接反应整车的制造水平，国内外汽车生产厂已在产品开发中全面开展尺寸工程，并逐渐完善尺寸工程管理。

汽车制造是一个系统集成工程，汽车厂正在经历结构设计向性能设计和车身控制的转变，而上述两种控制很大程度都是精度控制。汽车尺寸工程是从产品造型设计、零部件产品设计、制造工装/工艺设计到产品制造及验证精益生产控制全过程的概念。[1]

2 尺寸偏差的来源

乘用车由一万多个零部件组成，整个制造过程生产装配环节多。尺寸偏差的来源通常有设计偏差、零件制造偏差、装配过程偏差和质量检测偏差几个方面，尺寸偏差在制造过程中经过传递和偏差累积，导致最终整车尺寸质量不能满足设计要求。尺寸公差控制和管理需要贯穿整车质量管理全过程。[3]

尺寸偏差的来源有很多，如图1：

3 尺寸工程在汽车开发中的应用

尺寸工程的工作开展通常需要十个步骤：尺寸管理计划→DTS→零部件定位策略→公差分析与优化→GD&T图纸→测量系统→测量点→功能评估→数据收集与分析→质量持续改进。

3.1 尺寸管理计划（DMP）：

在项目立项初期，需要定义该项目的尺寸目标，尺寸工程的交付物内容以及各项交付物的开发完成计划。与项目主节点结合，整体计划应该确保尺寸工程交付物的按时完成。

3.2 DTS：

DTS全称是Dimension Tolerance Specification，即整车外观尺寸公差规范，是对整车内外饰配合区域间隙面差的尺寸控制要求。[1]DTS是用以驱动产品设计、工艺过程及零件验收等与尺寸相关的各个过程共同努力而达到和满足客户需求的技术要求。

DTS的设计依据：

A、对标车数据采集对比分析

B、造型或效果图

C、GCA

D、当前最佳水平

E、偏差分析_设计可行性

F、历史经验

G、制造水平&设备工艺投入

H、车型定位

3.3 零部件定位策略（CDLS）：

汽车零部件的装配工序多，除零件间拼焊的公差累积外，基准不统一导致的定位误差也是尺寸偏差的重要因素之一。我们需统筹产品开发及制造工装工艺设计上的尺寸定位，避免因设计、冲压、焊接、工装及检测设备等定位基准转换产生误差累积，这就是零部件定位策略，又称CDLS（Common Datum Locating Strategy）。

按照DTS要求，从尺寸角度出发，提出缩短尺寸链的方案，设计制定白车身工装定位方案，门盖工装及调整线工具的定位等。基准设计要从精度控制目标出发，从白车身定位延续到分总成，再从分总成延续到零部件，逐层分解保证定位的一致性。基准一致性包含了产品、工艺、制造、检测全过程。

3.4 公差分析与优化：

通过尺寸公差链的计算与分析，对零件及总成进行公差验证，改善公差设定，优化产品结构和焊接、装配工艺，以确保产品质量目标（DTS等）的实现。

3.4.1 尺寸链的计算方法：

尺寸公差的计算方法有一维偏差分析法和三维偏差分析法。在装配关系中，总有一些相互关联的尺寸，这些尺寸组成环连接成一个封闭尺寸环，称为尺寸链。通过尺寸链环的计算方法是一维偏差分析方法。对于整车来说，影响整车尺寸偏差的因素多、产品结构复杂，一维尺寸偏差分析法不能满足整车偏差分析需求，需要通过三维偏差分析法计算，以概率统计理论为基础的数值计算方法，虚拟装配过程并测量装配后的尺寸。

3.4.1.1 一维偏差分析方法：

A、极值法（Limit Stacks）：

极值法又叫极大值极小值解法，通过尺寸链组成的封闭环，计算封闭环各增环的最大极限尺寸和各减环的最小极限尺寸的方法。极值法计算方法简单，体现了组成环的极限尺寸，零部件可实现完全互换性。[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）：

根据概率学理念，零件的尺寸分布符合正态分布均方根法。制造生产不要求产品100%符合精度要求，允许有部分失效，从而降低制造成本。因此，以统计学为基础的均方根法更适用于生产。均方根法顾名思义，就是把尺寸链中的各个尺寸公差求平均和，再开根号的计算方法。[4]

一维偏差分析方法一次只能计算单一方向以及线性尺寸链，对于空间尺寸链及非线性尺寸链无法处理。

TT-Total Variation

T1，T2，T3，Tn，Individual Component Variation

Examples--Gap and flush calculation

3.4.1.2 三维偏差分析方法：

三维偏差分析方法：采用Monte carlo方法模拟单个零件的制造。蒙特卡洛法是以概率統计理论为基础的数值计算方法，蒙特卡洛法是一种用于模拟随机抽样统计来评估计算结果的方法，体现了装配的随机性。计算结果的精确度取决与取样的数量，取样数量越大越具有科学性。对比一维偏差分析方法，三维偏差分析法更能处理各种复杂的情况，能通过模拟操作更真实的反映问题的原因。[4]

常用的三维偏差分析软件有3DCS和VSA。VSA是根据零部件装配的工艺顺序，建立三维尺寸模型，并将零部件的尺寸公差输入到尺寸模型里，通过三维仿真分析及模拟计算，反馈出尺寸偏差中的贡献因子。我们经过对贡献因子的尺寸公差、工艺顺序调整等方法，从理论上优化装配系统的尺寸偏差和定位方案。

3.5 GD&T图纸：

GD&T是Geometric Dimensioning and Tolerancing 的缩写，即“形状与位置公差”。[1]它一种在国际上被广泛使用的符号性工程语言，几何地描述了产品的设计意图以及为产品的质量控制提供一个文件化的基础。

GD&T图纸包含图纸设计标准及依据、零件基准定位系统设计、零件尺寸公差设计及零件匹配型面零件等信息，公差设计包括尺寸公差、形位公差。

3.6 测量系统规划：

规划满足产品开发质量要求的检测工具及设备，开发和完善质量监控手段。

3.7 功能评估：

功能评估（FE）是在产品验证过程中，通过尺寸同步工程验证方法，以尺寸控制管理为目的，建立跨部门的联合小组。FE联合小组需要对对前期定义（包括基准、公差、DTS、测点等信息）的验证，解决新产品开发时零部件配合、生产线装配、过程质量重复性&再现性等问题，保证产品在批量生产前整车外观匹配状态满足DTS要求，零部件互换满足生产质量要求的工作模式。

FE评估分为FE1、FE2、FE3三个阶段。

FE1-1：FE1-1仅适用于白车身冲压件。可在模具供应商处进行。评估方式为：在冲压件检具上评估全工装试模零件的可接受性。

FE1-2：FE1-2仅适用于分总成零件及白车身，可使用由模具供应商或零部件供应商FE1-1评估整改后的试模零件拼成的分总成及白车身。评估方式为：经过FE1零件整改，评估分总成零件在检具上的质量表现及其可接受性，焊接成白车身的质量表现及可接受性。

FE2：FE2适用于白车身以及外观匹配的内、外饰零件，需求零件为全工装状态。评估方式为：整车检具评估的可接受性，零件拼成的整车的可接受性。

FE3适用于白车身及内外饰零件。使用零件供应商按正常生产设备、工艺、节拍、测量系统连续制造（25件）的零件。评估方式为：整车检具评估的可接受性，零件拼成的整车的可接受性。

3.8 数据收集与分析：

数据采集的方法有很多，有零部件检测数据，白光/蓝光扫描数据，CMM测量数据，在线测量工具等。将各个渠道中获得的偏差、波动数据电子化，并进行统计分析，监控整个制造过程，快速发现和控制质量缺陷。

4 结语

本文阐述了尺寸工程在汽车开发中工作方法、流程等，尺寸工程在产品开发过程中扮演着很重要的角色，它贯穿整个产品开发过程，通过定位/基准设计、尺寸链计算、模检夹的设计、FE验证、测量系统监控计等，减少不必要的变更，降低开发成本。新产品开发，通过尺寸工程优化产品设计、收集并搭建尺寸偏差分析数据库、制定尺寸测量控制系统，统筹控制从零部件到整车尺寸精度，提升整车制造水平。[1]

参考文献：

[1]安珂，李金山，李彦贺，鲍磊.浅谈尺寸工程在汽车开发中的应用.工艺装备，2018（08）：109-111.

[2]朱启维，穴洪亮，吴贵新.尺寸工程在汽车内外饰零件开发中的应用.机电技术，2017（02）：114-115，120.

[3]杨凤兵.简析汽车白车身尺寸精度控制方法.时代汽车，2017（07）：99-101.

[4]张争，曾心延，黄高翔.基于三维偏差分析技术的零件尺寸优化.装配制造技术，2017（06）：166-170.