基于功能尺寸的车身尺寸质量控制

摘 要：在现代汽车制造中，为了提升白车身关键尺寸对整车匹配的影响，在三坐标常规监控的过程中，引入功能尺寸的概念并付诸实施，该文主要讨论针对批量生产的车型，如何在三坐标单点测量的基础上，建立功能尺寸，包括测点的选取，公差的设置，最终将功能尺寸投入正常使用。

关键词：尺寸链 功能尺寸 白车身三坐标

中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（c）-0099-06

在汽车产品的所有特性中，什么才是消费者最关心，也是厂商最注重的因素呢？毫无疑问，那就是质量。其实相对于任何产品，质量始终是第一竞争力，提高质量才是真正获得消费者认同的正确途径。而对于质量而言，又能分成很多角度来评判，从设计质量，到制造质量；在其中有一项是曾经较容易被忽略，而现在却越来越被业内业外关注的质量标准，那就是尺寸精度质量，也叫做尺寸匹配质量或尺寸质量[1]。

因此，如何提高尺寸质量也逐渐成为各整车企业关注的重点，在此背景下，本文将针对整车企业中提高尺寸质量工作中的一个环节，即白车身尺寸测量环节进行讨论，并研究在量产车型的测量中加入功能尺寸的应用，以此来提高整车尺寸监控有效性。

在建立了功能尺寸体系后，将其纳入日常正常尺寸监控中，通过大量的数据测量获得产品数据将这些功能尺寸数据趋势与对应整车匹配数据趋势进行对比，确定其对应关系是否线性。通过相关性对比研究常规测量与功能尺寸对整车匹配的对应关系，从而证明了功能尺寸相对于常规单点监控更好的与整车匹配对应。

1 尺寸链的概念

尺寸链（dimensional chain），在零件加工或机器装配过程中，由互相联系的尺寸按一定顺序首尾相接排列而成的封闭尺寸组。组成尺寸链的各个尺寸称为尺寸链的环。其中，在装配或加工过程最终被间接保证精度的尺寸称为封闭环，其余尺寸称为组成环。组成环可根据其对封闭环的影响性质分为增环和减环。若其他尺寸不变，那些本身增大而封闭环也增大的尺寸称为增环，那些本身增大而封闭环减小的尺寸则称为减环。尺寸链的主要特征有两点，其一为封闭性，由有关尺寸首尾相接而形成；其二为关联性，有一个间接保证精度的尺寸，受其他直接保证精度尺寸的支配，彼此间有确定的函数关系。尺寸链按其构成空间位置可分为线性尺寸链、平面尺寸链、空间尺寸链，按其组合形式可分为串联尺寸链、并联尺寸链、混联尺寸链，按其用途可分为零件尺寸链、工艺尺寸链（又叫工序尺寸链）、装配尺寸链，按其几何特征可分为长度尺寸链和角度尺寸链等。利用尺寸链，可以分析确定机器零件的尺寸精度，保证加工精度和装配精度[2]。

为分析与计算尺寸链的方便，通常按尺寸链的几何特征，功能要求，误差性质及环的相互关系与相互位置等不同观点，对尺寸链加以分类，得出尺寸链的不同形式[3]。

各大汽车企业对整车尺寸匹配有较高的要求，从设计阶段一直到批量生产整车质量检验过程中均有匹配标准的不断完善。

对于整车，在其所有内外饰涉及匹配的区域，都会制定相应的尺寸标准，尺寸标准制定的意义有两个，首先是考量生产的稳定性，及批量生产后的产品是否可以始终达到要求，以此来衡量生产过程是否处于一个稳定的状态。其次，质量标准用于确保整车尺寸匹配的稳定性，也保证了整车的外观是满足要求的，其美观程度是具有保障的。当然，标准制定的是否严格，从专业角度，也是用于衡量整车厂设计、工艺能力的标竿。

为了满足整车质量标准以及设计标准，则整车生产过程中的各个环节以及各个零部件也都需要满足某些标准，从而支持整车质量标准的达成。而最重要的分解指标就是落实到白车身以及各个零部件的尺寸标准。

通过上述尺寸后五步的介绍，可以很清楚的看到，后五步的主要内容就是将设计标准向制造过程转移，赋予制造各种能力以确保在实际制造过程中，尺寸控制可以被监控，同时通过正常工艺可以保证尺寸可以达到设计标准。所谓功能尺寸，是一种与目前主要谈及的普通尺寸不同的概念，针对整车测量点，除了单独测量考察每个测点的合格性外，针对有装配相对关系的测点，将其相对位置作为考量合格与否的依据，这些相对位置的尺寸关系就定义为功能尺寸。基于整车厂对最终产品尺寸要求的定义，将影响整车的所有最终匹配区域的控制点的相对位置关系形成一种新的间接控制尺寸，通过监控这些间接尺寸，来更直接的反应对于实车的影响。

目前开发一辆整车，从工程部门研发并且标准还是以单点位置及公差为主，而作为现有量产车型而言，目前的测量监控依然以评价单点合格率为主。该文通过对量产车型结构分析，结合功能尺寸定义，为其重新制定功能尺寸，并且通过研究，为每一个功能尺寸定义明确的公差，在正常生产的监控中进行流程化监控，从而提高整车质量表现。

目前行业内对于整车尺寸匹配都在进行非常深入的研究和改进，整车匹配基本上又可以分为三个层面，分别是零部件尺寸质量，白车身尺寸质量以及总装装配尺寸质量。对于整车厂制造而言，更加关注的是后两者，而基于监控层面进行的研究目前均处于起步阶段，如何通过系统化的监控来得到制造尺寸有用的信息，是很多企业正在进行研究的，也是本论文将进行研究的。

基于以上谈及的各种要求，以及上文对功能尺寸的定义，就可以发现，不论从正向的质量预防，合格率提升，还是从逆向的实际问题分析，功能尺寸都能够提供一个更为直接的判断依据，而基于对功能尺寸的系统化监控，以及数据的收集，分析，则不仅可以在生产车身时提供尺寸改进的方向，也可以在遇到整车匹配问题时，提供分析问题的依据。

2 功能尺寸的设计原理

设计功能尺寸。举例而言，在车身上有A，B两个安装点，A点位安装尾灯的定位点，B点为安装后盖得定位点，在水平垂直于整车前进方向上（Y向），A和B各自相对于理论值差异之差即代表了尾灯和后盖在安装后在该方向上的相对位置，如果理论状态尾灯和后盖在Y向有间隙3 mm，那么A与B在Y方向的偏差之差就直接影响了尾灯与后盖的Y向间隙，所以就可以把A与B在Y向上的偏差之差定义为对应尾灯与后盖间隙的功能尺寸。由此可见，如果撇开尾灯和后盖零件本身尺寸偏差不谈，也许A和B由于各种原因，分别都偏离了名义值，且偏差超过了允许范围，即超公差了，但是如果A与B的偏离值是同向且大小相近，那么对于整车尾灯与后盖间隙这一个特征来讲，车身的偏差是没有影响的。换言之，只要能够控制好A与B的功能尺寸，那么就能较好的控制尾灯与后盖的间隙。由此，通过针对功能尺寸的选取，测量，分析等，来更直观的反映实际车身制造状态，从而可以更加有效的开展尺寸问题的分析，改进。以下举例来进行介绍（图1）。

（图1）中标识了某车型尾灯安装定位孔的位置，从测点定义来看，为1199号测点。同时也标注了后盖调整平整度基准点的测点，为U411号测点。

图2为该测点在空间Z方向，也就是高低方向的数据，可见该数据的波动较大，设计公差为+/-0.5 mm，实际有部分超差。

图3为U411在Z向的数据，从数据看，其波动也较为明显，也有部分超差，公差为+/-0.75 mm。

但如果将这两个高低方向的数据结合在一起看，就会发现其高低方向的落差并没有单点表现的那么明显，且波动也比较稳定。如图1。

从图4可以看到，两者波动趋势一致，高低差异保持在0.3～0.6 mm之间，并且比较稳定，对于整车尺寸标准对于后盖与尾灯高低方向平整度的最终尺寸要求，从白车身的影响量也就主要体现在这两者之间的差异。因此，对于整车匹配来说，只要设法确保两者之间相对位置稳定即可，而单点尺寸表现并不一定可以直接代表该处尺寸。

通过以上案例可以知道，功能尺寸的研究与单点测量系统有差异，功能尺寸完全是根据最终整车匹配结果为导向，逆向分解尺寸链，并在白车身上寻找针对整车匹配对应测点来确定的尺寸。

3 功能尺寸公差制定原则

功能尺寸的设计主要从两方面来开展，即测量关系的确定以及功能尺寸公差的确定。下面将分别进行介绍。

首先，需要针对研究车型确定所有功能尺寸测点。针对每一个在产车型，都有大量的整车尺寸标准，根据上文提高的设计原理，需要针对这些标准进行逆向分解，最终找到白车身上的对应功能点。所以针对建立功能尺寸工作的第一个步骤，就是针对整车匹配要求，确定高关注匹配区域。

其次，在确定了这些高关注匹配区域之后，需要识别哪些匹配具有建立功能尺寸监控的价值。不是所有的高关注匹配点都需要在白车身上建立功能尺寸，这是因为基于整车结构，有部分的匹配关系，其通过零件尺寸或者安装来保证，与车身上的安装点无关。所以根据这一原则，确定哪些匹配需要建立功能尺寸。

（1）各零件相互装配及匹配关系：如果零件是通过简单的单独零件互相装配，不涉及定位与匹配区域是由车身车间焊接，则不需要建立功能尺寸。

（2）安装工艺：如果在总装安装过程中，已经使用工装工具进行定位，不依靠零件本身定位，则不需要建立功能尺寸。

（3）实际整车匹配中高关注区域的实际尺寸表现：在研究阶段，为了更好的跟踪，则选取实际安装匹配过程中失效频次较高，同时又具有较高关注度的区域制定功能尺寸。

即以上五点就是决定该匹配的尺寸链的所有因素，可以发现，其中前保尺寸、翼子板尺寸和安装位置都是独立的因素，需要通过其各自的尺寸来保证，而Tiebar和悬臂则是白车身焊接构成的，也就是说，Tiebar和悬臂就是白车身上的影响因素。因此可以将前保和前盖高低尺寸分解到白车身上Tiebar和前悬臂之间高低相对位置。

以此，即可确定一个功能尺寸来直接对应前盖与前保平整度。

在确定了功能尺寸测点之后，需要做的就是对每一组功能尺寸确定公差。

还是以上述功能尺寸为例，将上述尺寸链中的所有元素公差罗列如图7：

公差分析：从一维计算，累计公差为：+/-3.4，不能满足+/-1.5的要求；从二维计算，可以看到其合格率理论值为94.5%，也较低，如图8。

这里要注意的是，上海通用汽车的尺寸链符合性计算以合格率超过95%为界限，当然，合格率越高对将来尺寸表现的稳定性越有帮助。在实际生产的表现，该区域实际超差表现也较多。对于白车身Tiebar及 悬臂的尺寸，由于受到白车身各因素影响，尺寸波动较大，两个特征均有超差现象发生，图9。从理论分析及问题解决流程来看，要解决问题，必须该两个特征均符合各自的公差要求（图9）。

但作为同为高低方向两个匹配零件的基准，两者均有向上偏高的趋势，所以虽然有部分超差，但两者的实际高低阶差并没有那么多，即，两者相对位置状态尚可，如（图10）。因此，对于白车身的尺寸控制来讲，如果两者相对阶差小于某一范围即可认为对前盖与前保平整度超差没有影响。而车身车间也就可以更加直接的对其相对位置进行控制。

结合车身的实际表现和工艺能力，同时通过逆向二位公差计算，确定该两点的高低阶差控制要求为：+/-1.7。如图11。

通过建立该区域功能尺寸控制要求并进行数据监控，可以达到两个目的：

（1）明确白车身尺寸控制要求，通过功能尺寸的定义，可在原有工装基础上改进结构，增加相关尺寸工艺或工装，从而通过提高功能尺寸合格率来提高整车匹配表现。

（2）在尺寸问题分析时，对于白车身的尺寸可直接确认功能尺寸表现，而不用分别查看各个测点的合格率，给问题分析提升了效率和准确性。

综上所述，制定功能尺寸公差的步骤可以归纳为以下顺序：

（1）确定重点关注的匹配区域；

（2）将该匹配区域进行尺寸链分解；

（3）整理所有尺寸链元素，剔除由零件来料直接影响的部分；

（4）将所有通过安装工装控制的部分剔除；

（5）确定剩余的直接由白车身影响的点；

（6）确定测点影响匹配的空间方向，确定功能尺寸测点；

（7）根据单点公差与最终匹配公差间的关系，通过逆向计算确定功能尺寸公差。

通过以上的方法，即可针对整车所有高关注区域建立功能尺寸控制清单，并且制定控制公差进行监控。

4 对现有车型进行功能尺寸定义

定义尺寸控制点的方法主要如下，首先，需要针对研究车型的造型和匹配关系，需要区分筛选出主要尺寸匹配点。其次，针对这些主要的匹配点，通过分解尺寸链的方法，寻找是否在白车身上存在这样的相对位置关系。针对这些位置关系，分析尺寸链上所有部分的公差并进行计算，通过上文介绍的逆向公差计算法，来确定功能尺寸所对应的公差。

5 功能尺寸控制表建立

选定功能尺寸控制点之后，就需要根据整车匹配公差，尺寸链各个零件公差等进行计算，得到功能尺寸相对关系的公差值，确定完成后，即可形成针对该车型的功能尺寸清单。如表1。

表1内除了功能尺寸的相对位置点关系外，还需要包括空间方向，上下公差等信息。将表三数据导入三坐标测量系统内，即可直接计算和查询这些功能尺寸表现。

6 功能尺寸与实车匹配数据的对比与跟踪

为了验证功能尺寸在实际尺寸监控和问题解决等各个环节具有比原有单点监控更加准确，就需要在功能尺寸的实际应用环节进行比较，来证明功能尺寸的优越性。具体做法如下：

在测量系统中选取一个特征匹配，根据已经制定的功能尺寸列表选出其对应的功能尺寸监控点，同时也就找到了原有的单点监控。后续需要进行一定量的数据积累。首先针对白车身，测量并收集其单点的数据，以及对应功能尺寸的数据。其次，跟踪测量过白车身的车到总装车间，成为整车后，再对应测量其关键匹配的实际数据。将两者数据进行对应比较，得到最终的比较结果。数据收集需要一定数量的累积，由于考虑到现实中三坐标在每个工作日只能测量研究对象一个白车身，因此以收集30组数据来进行对比。

在本文中，我们依然选择前盖与前保险杠平整度这一特征进行研究（图12）。

经过之前的尺寸链分析，已经明确了在去除安装公差，前保险杠零件，前盖以及翼子板单件公差之外，在白车身对应相关测点经过选定，取点为0126和1007两个测点，分别代表Tiebar横梁和翼子板悬臂梁的高低位置，如图13。

在第二章已经介绍了将该两测点的高低位置对应关系作为功能尺寸进行监控，其公差设置为+/-1.7 mm，并根据此进行数据的收集。

7 功能尺寸与整车匹配相关性分析

根据三坐标测量结果，对相应的整车进行数据收集，数据结果如表2。

共测得30组数据，根据这30组数据，以整车平整度为X轴，以功能尺寸数据为Y轴作出散点图（图14）。

从图中可以看出，两者具有较好的相关性表现。

8 单点尺寸与整车匹配相关性分析

同样的，将0126单点的数据与整车数据相结合进行对比，数据如表3。

共测得30组数据，根据这30组数据，以整车平整度为X轴，以单点数据为Y轴作出散点图（图15）。

从图15可以看出，单点数据与整车数据具有一定的相关性，但是相关性比功能尺寸差，并且有部分测点有较明显的偏移。

9 相关性对比和结论

将上述散点图合并到一个散点图中，可以更加直观的反映出功能尺寸与单点尺寸对于整车实际表现的相关性。如图16。

除了通过散点图进行直观对比之外，另外再对两者进行相关性计算，可以得到更加量化的相关性关系。

经过比较，可以发现功能尺寸与整车数据的相关性更强。当然，功能尺寸的数据本来就来源于单点测量值的计算，功能尺寸的优势在于将整车相关测点相对于基准的同向波动进行了过滤，而如果将计算功能尺寸的两个单点测量值共同计算相关性，则该相关性与功能尺寸计算所得的相关性是一致的。也就是说，通过功能尺寸的定义，可以将基于测量基准的整体波动予以消除，同时，将两组甚至更多组数据的对比分析过程省略了，因此给尺寸监控，问题分析等带来了便利，也提升了效率。

10 结语

该文通过研究功能尺寸，探索其在白车身批量生产过程中结合三坐标测量进行白车身关键尺寸监控，并在实际生产中加以应用，重点针对功能尺寸的定义，功能尺寸的制定方法，公差的定义方法，以及功能尺寸的实际应用案例等展开研究和介绍。

该文的研究主要包括了以下内容。

（1）介绍了汽车制造过程中尺寸监控的现状，并且通过其现状的分析和在实际生产中对于尺寸监控的薄弱环节和需求，引出了功能尺寸的定义和其在批量生产中的实用价值。

（2）介绍了尺寸控制在批量生产中的应用方法，包括从设计到制造再到零部件尺寸要求等一系列步骤。重点介绍了在本企业尺寸设计的所有环节，以及这些环节中尺寸控制的实际设计方法。

（3）介绍了在量产中原有尺寸测量监控的状态，以及其中存在的不足，从而引出了功能尺寸的优势以及其实际应用价值，同时详细介绍了功能尺寸公差定义的原理和方法，以及利用功能尺寸在实际尺寸问题监控和分析过程中的使用，来进一步证明了功能尺寸的优势。

通过功能尺寸的应用，结合在现生产中原有的单点三坐标监控，并且结合目前更加新的Vision技术，形成了一套较为完整并且完善的三坐标尺寸监控方法，并且形成了流程，在生产中正式进行使用。

对比功能尺寸和原有单点测量尺寸对于整车匹配的相关性，可以发现功能尺寸的关联性更强，也进一步证明了功能尺寸在解决尺寸匹配问题方面存在的优势。

参考文献

[1] 陈熙.车身质量控制[J].上海汽车，2000（2）：31-35.

[2] 刘嘉敏，潘英俊，张根保，等.OFRG模型中功能尺寸和非功能尺寸的设计[J].机械，2000（27）：4-6.

[3] 李琴兰.零件图尺寸标注中常见问题诌议[J].天水师范学院学报，2011（31）：83-85.