轎車車身裝配偏差流的狀態(tài)空間建模方法及應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、轎車車身通常由數(shù)百個(gè)沖壓件在數(shù)十個(gè)工位的上百套夾具裝配而成，夾具定位偏差、零件偏差在裝配過(guò)程中傳遞、累積與耦合，匯聚成裝配尺寸偏差流，并最終形成車身綜合尺寸偏差。車身尺寸偏差的大小直接影響到車身密閉性、關(guān)門效果、外觀質(zhì)量以及行駛平順性，進(jìn)而影響到整車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。各汽車公司對(duì)此給予高度重視。傳統(tǒng)的車身尺寸偏差控制技術(shù)首先通過(guò)關(guān)鍵產(chǎn)品特征(KPC)檢測(cè)進(jìn)行車身裝配質(zhì)量評(píng)價(jià)，采用多元統(tǒng)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)特征分析和偏差源的診斷，通過(guò)關(guān)鍵控制特

2、征(KCC)的調(diào)整實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制。但由于缺乏車身裝配偏差流的描述模型，傳統(tǒng)的車身裝配工藝設(shè)計(jì)和誤差源診斷方法主要是針對(duì)單工位工況，多工位裝配過(guò)程的檢測(cè)測(cè)點(diǎn)布置、夾具優(yōu)化和偏差源診斷方法難以擺脫依賴經(jīng)驗(yàn)的模式。如何建立車身多工位裝配過(guò)程偏差流模型、如何通過(guò)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)置實(shí)現(xiàn)偏差源的完全診斷、以及如何通過(guò)夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)提高裝配過(guò)程的穩(wěn)健性，對(duì)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。 本文圍繞車身裝配偏差流傳播、診斷與控制開展了較為系統(tǒng)的研究，首先建

3、立了多工位薄板裝配偏差流描述的狀態(tài)空間方程，使偏差流狀態(tài)空間模型適合更通用的夾具模式；在此基礎(chǔ)上，提出面向偏差源完全可診斷的多工位測(cè)點(diǎn)優(yōu)化和面向敏感度的測(cè)點(diǎn)優(yōu)化方法，提高了車身多工位裝配系統(tǒng)偏差源的診斷效率：然后，提出多工位裝配夾具的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，提高了裝配質(zhì)量對(duì)夾具偏差的穩(wěn)健性；最后，將狀態(tài)空間模型應(yīng)用到車身多工位裝配公差設(shè)計(jì)上，提出面向過(guò)程的多工位裝配公差綜合方法。其主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新工作如下： (1)改進(jìn)的多工位薄板裝配偏

4、差流狀態(tài)空間描述模型 傳統(tǒng)的多工位薄板裝配偏差流狀態(tài)空間模型不適用于通用的夾具構(gòu)型方式，而且由于模型中存在冗余的夾具偏差分量，使系統(tǒng)即使設(shè)置再多的測(cè)點(diǎn)也不能達(dá)到偏差源的完全診斷。針對(duì)傳統(tǒng)模型的不足，本文提出了更通用的多工位薄板裝配偏差流狀態(tài)空間模型。在該模型中，定位槽不再局限于平行于X軸或平行于兩定位銷之間的連線，而是可以選擇任意角度；同時(shí)，通過(guò)對(duì)導(dǎo)致裝配偏差的定位元素分析，刪除了傳統(tǒng)模型中冗余的夾具偏差元素。修正后的狀態(tài)空間模

5、型，不但能更廣泛地適用于各種3-2-1定位方式，而且夾具偏差向量的維數(shù)與零件偏差模式數(shù)量相等，使系統(tǒng)偏差源在合理設(shè)置測(cè)點(diǎn)的情況下可實(shí)現(xiàn)完全診斷。該模型的建立為本文進(jìn)行偏差源可診斷性分析、測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置和夾具優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。 (2)車身多工位裝配偏差源診斷和測(cè)點(diǎn)優(yōu)化 由于傳統(tǒng)的偏差流狀態(tài)空間模型本身固有的缺陷，其偏差源通常是不能完全診斷的。因此，此前的研究主要集中在偏差源可診斷行分析，面向診斷的測(cè)點(diǎn)優(yōu)化只研究特定夾具構(gòu)型的情

6、況，不具有一般性。而且，測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化過(guò)程依賴于對(duì)偏差流模型進(jìn)行大量的矩陣計(jì)算，過(guò)程十分繁瑣。 本文在修正的偏差流模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究夾具構(gòu)型和偏差傳遞率的內(nèi)在關(guān)系，提出了一套面向診斷的測(cè)點(diǎn)優(yōu)化新方法。該優(yōu)化方法將各種裝配方式分為TP裝配和MTP裝配兩種形式，指出只有TP裝配工位的偏差傳遞率可能小于1，而MTP裝配工位的偏差傳遞率恒等于1。通過(guò)兩種裝配方式偏差傳遞率的研究，提出了簡(jiǎn)化的面向診斷的多工位測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置策略。通過(guò)該優(yōu)化方

7、法，面向診斷的測(cè)點(diǎn)優(yōu)化只需要根據(jù)夾具構(gòu)型便可實(shí)現(xiàn)，避免了傳統(tǒng)方法需要大量數(shù)學(xué)計(jì)算的缺點(diǎn)，大大提高了測(cè)點(diǎn)優(yōu)化效率。此外，本文在面向診斷的測(cè)點(diǎn)優(yōu)化基礎(chǔ)上，研究了面向敏感度的測(cè)點(diǎn)優(yōu)化，提高了測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)夾具偏差的敏感度，減小了裝配過(guò)程中隨機(jī)誤差對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響，提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)健性。 (3)車身多工位裝配夾具設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法及優(yōu)化 由于對(duì)夾具構(gòu)型進(jìn)行了過(guò)分嚴(yán)格的限制，傳統(tǒng)的多工位夾具優(yōu)化只研究通過(guò)調(diào)整夾具定位元素坐標(biāo)提高裝配系統(tǒng)的

8、穩(wěn)健性，忽略了零件定位槽傾角變化對(duì)裝配穩(wěn)健性的影響；對(duì)夾具定位元素坐標(biāo)和零件定位槽傾角同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化的案例僅限于單工位工況。本文克服了上述兩種方法的缺點(diǎn)，采用通用夾具構(gòu)型，在修正的多工位偏差流狀態(tài)空間模型基礎(chǔ)上，提出了層次化夾具設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)；根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用多工位狀態(tài)空間模型建立了夾具優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法實(shí)現(xiàn)了多工位夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)。該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能同時(shí)對(duì)多工位工況下夾具定位元素坐標(biāo)和零件定位槽傾角進(jìn)行優(yōu)化，相對(duì)于傳統(tǒng)的夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)

9、，進(jìn)一步提高了裝配系統(tǒng)的穩(wěn)健性。 (4)面向過(guò)程的多工位裝配公差綜合 針對(duì)傳統(tǒng)面向產(chǎn)品的公差綜合方法只考慮零件配合面尺寸偏差，而忽略?shī)A具定位偏差對(duì)裝配質(zhì)量影響的不足，本文提出了面向過(guò)程的多工位裝配過(guò)程公差綜合方法。該方法首先研究了單工位工況下，夾具定位元素(KCC)公差與KPC公差間的定量關(guān)系：考慮單工位裝配過(guò)程中定位元素磨損對(duì)KPC公差的影響，并建立了兩者之間的量化關(guān)系；在單工位分析的基礎(chǔ)上，采用多工位偏差流狀態(tài)空間模

10、型，建立了基于最小成本的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并采用遺傳算法實(shí)現(xiàn)了多工位夾具定位元素公差綜合優(yōu)化。面向過(guò)程的公差綜合方法將傳統(tǒng)的面向產(chǎn)品的公差綜合方法中的零件互換性擴(kuò)展為過(guò)程互換性，保證了全生命周期內(nèi)裝配質(zhì)量的穩(wěn)定性。本位圍繞多工位車身裝配過(guò)程，重點(diǎn)研究了更通用的偏差流傳遞狀態(tài)空間模型，描述了偏差流在多工位間的傳遞、累積和耦合過(guò)程；在此模型基礎(chǔ)上，研究了偏差源診斷方法，并依次提出了面向診斷和面向敏感度的測(cè)點(diǎn)優(yōu)化方法；建立了旨在提高裝配質(zhì)量為目的