详情

原文传递轿车车身装配偏差流的状态空间建模方法及应用基础研究

论文题名：	轿车车身装配偏差流的状态空间建模方法及应用基础研究
关键词：	轿车车身;装配偏差;空间建模;行驶平顺性;车身密闭性;装配质量;车身尺寸
摘要：	轿车车身通常由数百个冲压件在数十个工位的上百套夹具装配而成，夹具定位偏差、零件偏差在装配过程中传递、累积与耦合，汇聚成装配尺寸偏差流，并最终形成车身综合尺寸偏差。车身尺寸偏差的大小直接影响到车身密闭性、关门效果、外观质量以及行驶平顺性，进而影响到整车的市场竞争力。各汽车公司对此给予高度重视。传统的车身尺寸偏差控制技术首先通过关键产品特征(KPC)检测进行车身装配质量评价，采用多元统计方法实现质量数据特征分析和偏差源的诊断，通过关键控制特征(KCC)的调整实现过程控制。但由于缺乏车身装配偏差流的描述模型，传统的车身装配工艺设计和误差源诊断方法主要是针对单工位工况，多工位装配过程的检测测点布置、夹具优化和偏差源诊断方法难以摆脱依赖经验的模式。如何建立车身多工位装配过程偏差流模型、如何通过测点优化设置实现偏差源的完全诊断、以及如何通过夹具优化设计提高装配过程的稳健性，对学术界和工业界提出了严峻挑战。本文围绕车身装配偏差流传播、诊断与控制开展了较为系统的研究，首先建立了多工位薄板装配偏差流描述的状态空间方程，使偏差流状态空间模型适合更通用的夹具模式；在此基础上，提出面向偏差源完全可诊断的多工位测点优化和面向敏感度的测点优化方法，提高了车身多工位装配系统偏差源的诊断效率：然后，提出多工位装配夹具的优化设计方法，提高了装配质量对夹具偏差的稳健性；最后，将状态空间模型应用到车身多工位装配公差设计上，提出面向过程的多工位装配公差综合方法。其主要研究内容和创新工作如下： (1)改进的多工位薄板装配偏差流状态空间描述模型传统的多工位薄板装配偏差流状态空间模型不适用于通用的夹具构型方式，而且由于模型中存在冗余的夹具偏差分量，使系统即使设置再多的测点也不能达到偏差源的完全诊断。针对传统模型的不足，本文提出了更通用的多工位薄板装配偏差流状态空间模型。在该模型中，定位槽不再局限于平行于X轴或平行于两定位销之间的连线，而是可以选择任意角度；同时，通过对导致装配偏差的定位元素分析，删除了传统模型中冗余的夹具偏差元素。修正后的状态空间模型，不但能更广泛地适用于各种3-2-1定位方式，而且夹具偏差向量的维数与零件偏差模式数量相等，使系统偏差源在合理设置测点的情况下可实现完全诊断。该模型的建立为本文进行偏差源可诊断性分析、测点优化布置和夹具优化提供了基础。 (2)车身多工位装配偏差源诊断和测点优化由于传统的偏差流状态空间模型本身固有的缺陷，其偏差源通常是不能完全诊断的。因此，此前的研究主要集中在偏差源可诊断行分析，面向诊断的测点优化只研究特定夹具构型的情况，不具有一般性。而且，测点的优化过程依赖于对偏差流模型进行大量的矩阵计算，过程十分繁琐。本文在修正的偏差流模型的基础上，通过研究夹具构型和偏差传递率的内在关系，提出了一套面向诊断的测点优化新方法。该优化方法将各种装配方式分为TP装配和MTP装配两种形式，指出只有TP装配工位的偏差传递率可能小于1，而MTP装配工位的偏差传递率恒等于1。通过两种装配方式偏差传递率的研究，提出了简化的面向诊断的多工位测点优化布置策略。通过该优化方法，面向诊断的测点优化只需要根据夹具构型便可实现，避免了传统方法需要大量数学计算的缺点，大大提高了测点优化效率。此外，本文在面向诊断的测点优化基础上，研究了面向敏感度的测点优化，提高了测量数据对夹具偏差的敏感度，减小了装配过程中随机误差对测量数据的影响，提高了测量数据的稳健性。 (3)车身多工位装配夹具设计评价方法及优化由于对夹具构型进行了过分严格的限制，传统的多工位夹具优化只研究通过调整夹具定位元素坐标提高装配系统的稳健性，忽略了零件定位槽倾角变化对装配稳健性的影响；对夹具定位元素坐标和零件定位槽倾角同时进行优化的案例仅限于单工位工况。本文克服了上述两种方法的缺点，采用通用夹具构型，在修正的多工位偏差流状态空间模型基础上，提出了层次化夹具设计评价指标；根据评价指标，利用多工位状态空间模型建立了夹具优化的目标函数，采用遗传算法实现了多工位夹具优化设计。该优化设计方法能同时对多工位工况下夹具定位元素坐标和零件定位槽倾角进行优化，相对于传统的夹具优化设计，进一步提高了装配系统的稳健性。 (4)面向过程的多工位装配公差综合针对传统面向产品的公差综合方法只考虑零件配合面尺寸偏差，而忽略夹具定位偏差对装配质量影响的不足，本文提出了面向过程的多工位装配过程公差综合方法。该方法首先研究了单工位工况下，夹具定位元素(KCC)公差与KPC公差间的定量关系：考虑单工位装配过程中定位元素磨损对KPC公差的影响，并建立了两者之间的量化关系；在单工位分析的基础上，采用多工位偏差流状态空间模型，建立了基于最小成本的优化目标函数，并采用遗传算法实现了多工位夹具定位元素公差综合优化。面向过程的公差综合方法将传统的面向产品的公差综合方法中的零件互换性扩展为过程互换性，保证了全生命周期内装配质量的稳定性。本位围绕多工位车身装配过程，重点研究了更通用的偏差流传递状态空间模型，描述了偏差流在多工位间的传递、累积和耦合过程；在此模型基础上，研究了偏差源诊断方法，并依次提出了面向诊断和面向敏感度的测点优化方法；建立了旨在提高装配质量为目的的夹具优化设计方法；提出了面向过程的多工位夹具定位尺寸公差综合方法。本文的研究为进一步提高车身尺寸装配质量提供了新的思路，对飞机、家电等薄板装配产品的设计和质量控制也具有借鉴意义。
作者：	田兆青
专业：	车辆工程
导师：	来新民;林忠钦
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2008
正文语种：	中文