車門手工裝配控制點選取的研究

李瑞婷，姚森

(北京奔馳汽車有限公司，北京 100176)

0 引言

將車門裝配到車身上，需要使用工裝，選取合理的控制點，調(diào)整到工藝要求的范圍。不同的控制點選取方式，對成車的間隙平順度狀態(tài)有著不同的影響。正確地選取車門裝配控制點，不但可以保證成車的裝配質(zhì)量，還可以顯著提高工人的工作效率。通過對E級轎車兩種車門控制點選取的方法進(jìn)行實例分析，旨在得到每種定位方式的利弊，對實際裝配過程進(jìn)行指導(dǎo)，提高成車的間隙質(zhì)量。

1 車門裝配控制點選取的一般原則

車門裝配時，需要空間6個定位點將車門完全定位，即遵循“6點定位法則”，其中3個定位點確定坐標(biāo)平面，另外2個定位點確定坐標(biāo)軸方向，最后1個定位點確定第3個坐標(biāo)方向，也就是“3-2-1”規(guī)則。6點定位限制零部件6個自由度，使零部件在空間的位置能夠完全確定下來。

除了“6點定位法則”之外，基準(zhǔn)的選取還要遵循傳遞原則，通過保證定位基準(zhǔn)一致性，使得基準(zhǔn)在制造、裝配、測量中是逐級傳遞的[1-2]，這樣便于分析車身尺寸偏差問題，能夠有效地進(jìn)行問題分析，使得白車身裝配精度容易得到控制[3]。因此，車門裝配時6個控制點的選取應(yīng)該盡量與車門和側(cè)圍的基準(zhǔn)點重合，同時控制點還需要是零件上尺寸比較穩(wěn)定的點。

2 使用2Z+1X控制點與前后門下間隙分析

以奔馳E級轎車后門為例，車門總成的測量基準(zhǔn)點如圖1所示。

Y向3個點(表示為3Y)，Z向2個點(表示為2Z)，X向1個點(表示為1X)，6個點將車門完全定位，建立坐標(biāo)系進(jìn)行測量。車門裝配時，Y向3個點分別對應(yīng)車門的上、下兩個鉸鏈和后續(xù)在總裝安裝的鎖柱。Z向2個點分別是B柱處與側(cè)圍的高度、車門C柱與側(cè)圍腰線的臺階，如圖2所示，同時這兩個Z向控制點都是沖壓件的成型面，尺寸穩(wěn)定。對于X定位，如果是自動化裝配，可以根據(jù)車門總成測量的X建系點進(jìn)行X位置的確定。對于人工裝配，工人不方便直接通過車門總成的X建系點確定車門的X方向位置。通過三坐標(biāo)在線測量發(fā)現(xiàn)，車門與側(cè)圍間隙處的自動化滾邊尺寸十分穩(wěn)定，σ值為0.08，故將X方向建系點轉(zhuǎn)換為后門與側(cè)圍的間隙。這樣6個點完成了車門的定位，其中5個點均與車門總成的建系點基本一致，1個點的選取采取了基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的方法。

圖2 車門裝配控制點選取

如上所述為E級轎車后門的裝配控制點選取方法，前門與后門一致，均采用3Y+2Z+1X。這樣工藝檢測點可以分為兩大類：一類是這6個直接控制點，另一類是其余的受到這些點影響的點。在前后門均完成裝配之后，各非直接控制點受到直接控制點和總成件尺寸的累計偏差影響。由于Y向的3個點由單獨(dú)的鉸鏈和門鎖工裝胎決定，裝配時工人只在Y平面內(nèi)調(diào)整，故下述的分析不考慮Y向3個直接控制點的影響，僅考慮Z方向與X方向。

在使用該種控制點的情況下，車輛出現(xiàn)了部分車中縫間隙不均勻、下間隙超差的現(xiàn)象。針對該現(xiàn)象，對下間隙的影響因子進(jìn)行分析。前后門的下間隙，受到Y(jié)平面內(nèi)前后門各個直接控制點的影響。將該點定義為因變量Y，則它受到自變量X包含后門B柱高度(定義為X1，后依次類推)、后門臺階、后門與側(cè)圍間隙、前門高度、前門臺階、前門與后門間隙，共計6個自變量的影響。

圖3 按照2Z+1X裝配

從在線測量上獲取裝配的833輛車數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性的假設(shè)檢驗，得到前后門下間隙Y與各個X的相關(guān)性結(jié)果如表1所示。從結(jié)果上看到，幾個直接控制點與Y的假設(shè)檢驗P值均小于0.05，說明相關(guān)性較強(qiáng)，即幾個因子對下間隙都有影響。

表1 前后門下間隙Y與各控制點的相關(guān)性分析

再對結(jié)果進(jìn)行回歸分析，可以得到回歸方程如下：

Y=2.048-0.768 9X1+0.823 6X2-0.122 6X3+0.274 5X4-0.817 0X5+0.580 2X6

(1)

S=0.198 483 mmR-sq=69.12%R-sq(調(diào)整 )=68.90%

從上述分析可以看到：使用該模型的預(yù)測值與實際值接近，有68%左右的準(zhǔn)確率，誤差2S約0.396 mm。需要說明一點，之所以準(zhǔn)確率沒有達(dá)到90%以上，是因為目前該模型包含的影響因子對前后門下間隙均有貢獻(xiàn)，但并不是全部的X，前門總成在該點尺寸X7、后門總成在該點尺寸X8也是影響該點間隙的重要因子，由于沒有獲得數(shù)據(jù)，未能加入該模型，但是該模型足以反映裝配過程對于下間隙的影響。

從公式(1)上可以看到：后門臺階與前門臺階這兩個影響因子，系數(shù)均在0.8左右，比重很大，也就是說這兩點中任何一點波動1 mm，會帶來下間隙0.8 mm的波動。這兩點的公差都是±0.5 mm，假設(shè)工人裝配兩輛車，其中一輛后門臺階取上限值0.5 mm，同時前門臺階取下限值-0.5 mm，另外一輛后門臺階取下限值-0.5 mm、前門臺階取上限值0.5 mm，則兩輛車的間隙相差Y1-Y2=1.64 mm。下間隙公差為±0.75 mm，也就是說這兩輛車至少有一輛已經(jīng)超差。當(dāng)直接控制點都在各自公差內(nèi)時，受這些直接控制點影響較大的前門下間隙已經(jīng)超差，表現(xiàn)為成車的中縫間隙不均(A形間隙或者V形間隙)。實際生產(chǎn)采用該裝配方法進(jìn)行裝配，得到的前后門下間隙數(shù)據(jù)分布如圖4所示，σ值為0.31，下間隙的公差大小為±0.75 mm，按照正態(tài)分布進(jìn)行概率估計，約有1.56%的車下間隙超差。

對于人工裝配，工人一般只會考慮直接控制點是否滿足公差要求，并不能在短時間內(nèi)完成累積誤差的計算，所以想要得到合格的產(chǎn)品，就需要對各直接控制點進(jìn)行穩(wěn)定性控制。之前在考核某個直接控制點的裝配情況時，評價標(biāo)準(zhǔn)首先是是否超差，其次是穩(wěn)定性如何，當(dāng)看到σ值較低時，會產(chǎn)生一個疑問，從質(zhì)量成本的角度看，σ過低是否已經(jīng)過度控制。但是通過上述分析可以看到，即便每個直接控制點都在公差內(nèi)，依然會造成受這些點綜合影響的其他點超差，所以說，最大程度地降低各直接控制點的波動，是最終獲得合格產(chǎn)品所必須的。

圖4 按照2Z+1X裝配下間隙的數(shù)據(jù)分布

3 使用2X+1Z控制點與前門高度分析

通過上述的分析可知，下間隙受到各個直接控制點的綜合影響，容易出現(xiàn)超差的現(xiàn)象，也就是容易出現(xiàn)中縫間隙不均勻的現(xiàn)象，影響客戶評價。如果將這點從“間接影響”改為“主動控制”，則可以極大地降低間隙超差的可能。

由于前門裝配是在后門完成之后進(jìn)行，所以沒有必要改變后門的裝配方法，只考慮將前門改為2X+1Z，這樣將所有的誤差累積到了前門A柱處的高度上，如圖5所示。由于前門高度的設(shè)計公差是±1 mm，相比中縫的下間隙公差±0.75 mm要大，所以理論上采用該裝配方法可行。將前門高度定義為Y，其他所有自變量定義為X1～X6，以此類推，根據(jù)在線測量得到的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行相關(guān)性假設(shè)檢驗分析，如表2所示。

從表2 可以看到：幾個影響因子中，后門與側(cè)圍間隙的P值大于0.05，代表相關(guān)性不明顯，所以在后續(xù)的回歸分析中去掉該因子，通過計算得到回歸方程(2)：

Y=0.38+1.663X1-1.637X2+2.201X4-1.966X5+1.737X6

(2)

圖5 按照2X+1Z裝配前門

影響因子相關(guān)性假設(shè)檢驗P值后門高度X10.000后門臺階X20.000后門與側(cè)圍間隙X30.851前門臺階X40.000前門上間隙X50.000前門下間隙X60.000

從公式可以看到：幾個因子的系數(shù)都大于1.5，比重很大，任何因子超過0.5 mm以上的波動，都會造成前門高度接近1 mm的波動。實際生產(chǎn)中采用該種方法裝配得到的前門高度數(shù)據(jù)分布如圖6所示，σ高達(dá)0.58，使用正態(tài)分布概率密度估算，大約有8.5%的車超過±1.0 mm的公差范圍。使用該種控制點裝配的部分車輛出現(xiàn)了與邊梁間隙偏小或者擠壓窗框膠皮以及前門與翼子板特征線Z向不整齊的現(xiàn)象。

圖6 按照2X+1Z裝配前門得到的前門高度數(shù)據(jù)

4 兩種裝配方法總結(jié)對比

綜上所述，采用2Z+1X的裝配方法，很好地保證了基準(zhǔn)的傳遞，可以保證車門的Z向沒有大的波動，特征線整齊，亮條對齊；風(fēng)險為中縫的下間隙會因為累計誤差而超差，產(chǎn)生中縫不勻的現(xiàn)象。而如果前門采用2X+1Z的裝配方法，則中縫間隙均勻，但是前門在A柱處的高度因為大量的累積誤差而高低不穩(wěn)定，與翼子板特征線不齊，與邊梁的間隙出現(xiàn)超差，或者上框與側(cè)圍的間隙超差，使得膠皮外閃。

目前在北京奔馳的幾個手工裝配過程中，以上兩種裝配方法均有使用。通過上述分析可以看到，2Z+1X的控制方法要更加科學(xué)。但是由于E級轎車的考核標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，仍然難以避免超差車輛的出現(xiàn)，并非是只保證控制點在公差范圍內(nèi)就可以獲得合格產(chǎn)品，需要對直接控制點進(jìn)行嚴(yán)格的穩(wěn)定性控制。除了上述兩種方法之外，還有一些車型采用車門底邊定位Z方向的方法，該方法既沒有遵循基準(zhǔn)的傳遞原則，同時車門底邊又不是車門上相對尺寸穩(wěn)定的點，所以該方法只能作為產(chǎn)量較低或者產(chǎn)品質(zhì)量要求不高的粗獷型尺寸控制，不是精確尺寸控制的選擇。

5 關(guān)于智能化裝配的思考

目前國內(nèi)的外覆蓋件裝配使用的基本都是人工裝配，德國奔馳采用的是Bestfit自動化裝配。與德國的Bestfit進(jìn)行裝配結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)：Bestfit的單點穩(wěn)定性并不如人工好，但是中縫上下間隙的一致性卻優(yōu)于人工裝配。這是智能裝配靈活調(diào)整各個直接控制點、以保證其他所有點在公差內(nèi)的證明。

同樣以前門后的裝配為例，采用2Z+1X的建系方法，如果是智能化裝配，則可以按公式(1)進(jìn)行實時計算，當(dāng)后門完成裝配時，則上述公式中與后門相關(guān)的3個X就是已知的，則該公式簡化為三元一次方程，

Y=C+0.274 5X4-0.817 0X5+0.580 2X6

(3)

由于前門高度影響因子較小(0.274 5)，則可以將該點優(yōu)先向中值安裝，然后根據(jù)常量的具體值，結(jié)合前門臺階和上間隙這兩個X的等值曲線(如圖7所示)，進(jìn)行最佳的配合，使得前后門下間隙保證在合格范圍內(nèi)，這樣最終產(chǎn)品的單點穩(wěn)定性可能沒有人工裝配好，但是整體合格率卻高于人工裝配。

人工裝配的局限性，決定了無法進(jìn)行實時反饋以便靈活地調(diào)整下一步的裝配，但是人工裝配為智能化裝配提供了大量的數(shù)據(jù)支持，而智能裝配是提高產(chǎn)品質(zhì)量的必經(jīng)之路。