Cubing在汽车零件匹配分析中的应用

米富争，王永涛，刘 攀，田 浩

（北京奔驰汽车有限公司，北京 100176）

引言

目前，很多汽车厂家新车型投产之前，都具备新车型的Cubing模型，为了验证零件的生产状态，确定零件改进方向，以及零件实际装车效果，整车厂都会要求零件供应商，在试生产阶段，集中所有的内外饰件进行零件匹配的Cubing workshop，经过多次的匹配试装，达到提升零件质量的效果。所以Cubing在车型投产初期的应用尤为重要，Cubing的应用缩短了零件优化的周期，为零件优化提供准确的方向，验证了零件装车状态，对于汽车零部件的匹配来说，是不可缺少的一部分。汽车零件出现问题，第一要找的就是问题出在哪里，是自己的问题，还是对手件问题。分析问题需要借助标准样件，而Cubing的应用就是要解决零件之间的相互匹配问题，所以Cubing在汽车厂已经得到广泛应用。

1 Cubing定义

Cubing是根据车身数模按照“零”偏差制作的综合检具，精度高，模块化，易于拆卸，对于零件匹配安装有高度模拟性，Cubing是用来发现车身本身的制造偏差和零件本身的匹配情况，从而达到精确匹配测量的效果。

2 Cubing的应用

Cubing早期主要应用于零件的匹配试装，零件优化，矫正设计缺陷，前期的工艺调整，工装调试等。用标准来检验生产加工中出现的零件偏差，这就是标准车身的作用，Cubing的出现就是为了实现零件的实际匹配状态，及时发现问题并结合测量数据给出零件偏差方向，对零件的初期修改起到很大帮助。零件优化完成后模具也定了，对于零部件供应来说降低了成本，提高了效率[1]。

2.1 精准装配

因目前生产线上有些装配还是手动安装，虽然安装工艺是一样的，但是与人员培训效果，熟练程度有关，这就涉及每个人的安装手法，对零件装车质量有一定要求，也相当于解决人、机、料、法、环中的人，由于操作人员的安装手法导致的平顺度和间隙问题，是我们要控制的。如流水槽盖板，在车身上会有与前端翼子板间隙大，左右流水槽盖板与侧围平顺度高低不一致，与后风挡玻璃间隙不一致等问题。经过与安装人员了解，发现当加工人安装零件时，都是后面先对齐，在往前按压安装，由于流水槽盖板是个比较长的零件，在按压过程中发现会有窜动的情况，这是导致流水槽盖板与后风挡间隙不一致的原因。因为车身上安装零件找不到定位的点，我们可以借助Cubing和三坐标测量机，达到精准安装的效果，对熟练性安装进行测量调整，安排安装人多次安装，多次测量，记点安装，直到安装操作人员能熟练安装到合适的位置，安装零件到公差范围内，这也是侧面培训操作人员的方法。

2.2 验证零件 Cubing workshop

零件验证目前已经不是简单的安装上，然后查看状态，要有对零件的安装过程可行性，灵活性验证过程。主要模仿在线零件安装过程，在安装过程中发现问题，找到问题，解决问题，降低零件供应商的优化成本。

新车型投产前期，会分几个阶段，如：BF，WF，ET，Lot1，Lot2，Lot3，PT1，PT2，PT3，SOP等。零件验证是早期完成，也就是LOT1—3阶段。因为要在零件的模具成型之前把零件和模具都要调整好，避免后期调整模具带来巨大损失。

Cubing workshop是由多方面配合完成，邀请供应商对零件进行评价，零件投产前的手工样件测试，三个阶段的Cubing workshop 是一个零件逐步优化提升的过程。我们要在每一个Cubing workshop后对零件状态进行评价，明确目的后再推动跟踪零件优化进度。

为了解决零件安装上的问题，集中所有部门进行零件的安装与评价，根据零件本身的状态，并重点对零件的自身尺寸状态进行评价，零件与零件之间的匹配间隙平顺度，按照不同的区域和功能状态进行划分，涉及A面的里零件评判要有针对性，质量问题客观评价，根据内、外饰件划分两大部分，然后再分为四个程度，分别为：（1）buildability；（2）quality；（3）gap and flushness；（4）other risks。

在这四项的基础上，对每项进行红色、黄色、绿色、评价。绿色项为合格项，黄色项为建议改进项，红色项为不合格项。在整个的workshop过程中要对70多个零件进行评价。评价完成后，还要对零件改进状态进行跟踪，与供应商工程师探讨每个零件的具体优化改进方案，要从哪个区域改进。敲定时间节点等。

图1 零件状态评价

2.3 深度解读白车身测量报告模拟白车身状态

以前白车身报告，查看报告只是指导装焊工装夹具调整，这只是初层次报告的应用，我们从更深层次的去利用测量报告，以点看面，从分析问题角度也可以提前预警，可以分析出来如果这些点超差了会引起哪些件的变化，偏差多大后才能趋近危险区域，这也是未来白车身报告预警的方向，研究好这些方向才能更好的做好质量预防，质量控制。

2.3.1 极限预警

目前整车零件安装会发现有的零件在白车身报告中有偏差，但是在安装Cubing上时会发现有一定的容量，但是这各容量是多少时会对零件安装有影响，这是零件安装的极限值，这个极限值不是零件的公差范围，所以在考虑零件安装极限上对零件进行偏差容量的限制。如图2中，如果翼子板的安装孔位置发生偏差，那么偏差多大会对安装有影响，或者是零件的极限在哪，如果长期这样会造成怎么样的后果，对于装配会有多大的影响，导致什么样的风险，这样我们对零件安装状态有一定的了解，这是我们要解决的问题。也是问题预警的前提。

图2 尺寸分析图

翼子板孔位向里偏，导致翼子板与机盖间隙大，无法调整回来，安装过程中会有间隙偏大的风险。对总装和装焊不利，这就要求我们在控制单个零件偏差时的最大偏差量是多少，也就是多少的偏差量是我们能容忍的，超过这个值就会有风险，风险类型是什么，这是我们预警所要做到的。因为装配是多个零件装配在一起，偏差累计会导致装配困难，或者调整无容量。

2.3.2 装配间隙容量预警

零件安装在Cubing上后多大的偏差会导致零件在车身上的风险。各个零件的控制量是多少，尺寸链的计算。反向基准算出零件的活动范围。这就涉及到尺寸链的计算。

（1）尺寸链的概念。

1）装配尺寸链，在零件装配过程中，零件与周围相关零件之间间隙，公差的控制范围。

2）封闭环，在零件装配过程中，最后自然形成的尺寸，称为封闭环。一个尺寸链只有一个封闭环，用A△、 B△、 C△表示。

3）组成环，尺寸链中除了封闭环外的其余尺寸，称为组成环。同一尺寸链的组成环用同一字母表示。如A1、A2、A3或者B1、B2、B3等。

4）增环，在其他组成环不变的情况下，当某组成环增大时，封闭环也随之增大，那么该组成环为增环。

5）减环，在其他组成环不变的情况下，当某组成环增大时，封闭环随之减小，那么该组成环称为减环。

在一个零件或一台机器的结构中，总有一些相互联系的尺寸，这些尺寸按一定顺序连接成一个封闭的尺寸组，称为尺寸链。

尺寸链按应用场合分为：装配尺寸链，零件尺寸链，工艺尺寸链。

图3 尺寸链计算

（2）确定封闭环。

装配尺寸链的封闭环是在装配之后形成的，往往Cubing上装配要求的尺寸，Cubing上“零”偏差基准，零件安装后考虑零件在Cubing上的相对运动间隙，也就是多大的间隙量是允许零件偏差范围。

解算尺寸链的方法有以下两种方法：1）完全互换法（极值法）[2]；2）不完全互换法（概率法）。

完全互换法是尺寸链计算中最基本的方法。概率法，不是在全部产品中，而是在绝大多数产品中，装配时不需要挑选或修配，就能满足封闭环的公差要求，即保证大多数互换。与完全互换法相比，在封闭环公差相等的情况下，不完全互换法可使用组成环的公差扩大，从而获得良好的技术经济效益，也比较科学合理，常用在大批量生产的情况。

完全互换法：

封闭环基本尺寸=所有增环基本尺寸之和-所有减环基本尺寸之和。

对于任何一个总数为N的独立尺寸链，若其中增环数为m，由于其封闭环只有一个，则减环数n为n=N-m。

基本尺寸计算：

上式说明：尺寸链封闭环的基本尺寸，等于各增环基本尺寸之和，减去各减环基本尺寸之和。

（3）Cubing上零件装配尺寸链的计算公式[3]。

An服从正态分布的尺寸链链环，常见的有：面轮廓度，孔位制度，直线度，平行度，孔销直径偏差，其他类型的尺寸公差。

Bn服从均匀分布的尺寸链链环，常见的有：工装定位面轮廓度，定位销的位置度。

Cn服从极值分布的尺寸链链环，常见的有：孔销之间的间隙，焊接变形补偿等。

（4）三维公差分析的遵循条件

零件公差的设定应遵循如下流程：

1）装配顺序严格服从于产品及工艺设计；

2）定位系统严格服从于定位设计及工装设计；

3）各种公差设定严格服从于现有制造水平；

4）除非特别指出，零件的公差均服从正态分布；

5）大部分零件均被认为是刚体不存在变形；

6）除非特别指出，重力变形的影响不考虑在内；

7）单件在总成装配中的磨损不考虑在内；

8）装配夹具和检具的热变形不考虑在内；

9）焊接变形、搬运变形，人工调整，过定位变形不考虑在内。

（5）Cubing上装配零件的尺寸分析步骤

1）区域确定，明确分析区域；

2）找准目标，找准基准；

3）系统边界分析，要控制哪些区域；

4）定位分析，以谁为基准，零部件到总成的定位可行性，稳定性，正确性，统一性；

5）尺寸链分析，找出链环，优化尺寸链；

6）公差计算，尺寸链分析进行精确判断；

7）预警机制，判断超出公差零件，预警风险点，可能出现的极端情况。

图4 Audit 评价标准

2.4 安装基准矫正测量基准

在测量薄壁零件时，平时测量的零件是在支具上，对零件进行夹持，对RPS点也进行矫正，测量出来的结果是经过矫正后的，如果零件取下来就会有回弹，这样在安装在车上时会发现，零件自然状态下是超差的，因受安装点的影响，零件安装在车上会发生形变，与测量状态不一样，这样就导致我们误判零件的状态，认为是没有问题的，结果装车状态又不好。

零件安装在Cubing上后，经过调整，原先在支具上的夹持点释放，零件型面处于自由状态，导致零件与周边件间隙平顺度超差的现象，这也是零件安装在Cubing上反推其RPS点偏差的过程，如：铝制翼子板件，我们在椅子板测量报告中发现边都在公差范围内，但是在Cubing上测量就会发现回弹变形。

图5 翼子板支具和Cubing测量结果

3 Cubing模块优化设计

3.1 镶嵌套的优化设计

在Cubing应用过程中，也是对Cubing本体应用不断提高要求的过程，模块逐渐精细化过程，不断提高零件匹配的实用性。为了模拟车身钣金厚度，Cubing上固定塑料卡扣的位置是安装衬套的，这就要求镶嵌的衬套壁厚，达到和车身钣金一样的厚度0.7 mm，要求衬套的强度和耐磨性高，衬套抗拉拽性能也要非常高，但是在实际应用过程中发现，每次匹配后拆卸零件时都有衬套被零件一起带下来，导致每次安装后都要再次把衬套安装重新定好，而且根据涂胶时效，等涂胶干了后再次使用，至少要两小时后，或者更长时间，不 能连续使用，这样影响零件测量的精度和重复性，影响了零件匹配安装效果。为了解决这一问题，对Cubing上镶嵌的衬套进行设计调整，把原有的结构上进行改革，增加两个固定顶针销，这样的加固作用要比之前的打胶粘贴固定要好很多，强度也有所增强，而且拆卸重复安装也很方便。

图6 镶套固定方式转变

3.2 活动开合机构设计

在Cubing的使用过程中，零件的安装与拆卸对Cubing的考验较大，尤其是易损件的拆卸，几乎是破坏性的拆卸，每次都有报废很多零件，增加了零件匹配的成本，为了减少零件安装的破坏，对Cubing在使用过程中的不易拆卸部分进行调整，调整设计机构，为了达到这一目的，要从根本上解决问题，把要拆卸区域设计成可滑动机构。

图7 活动机构优化设计

4 结语

目前Cubing已经广泛应用于各大主机厂和零部件厂，主要为提高产品质量，缩短产品开发周期，矫正设计缺陷，模拟零件和车身匹配状态，日常零件尺寸控制检查，问题分析等。Cubing的模块化设计让零件安装更方便快捷，查找问题零件更准确。有利于白车身和零件的尺寸控制，尺寸风险提示，前期风险点预警等，现阶段北京奔驰每个车型都有一款Cubing车身，用于日常质量监测，查找问题点等。Cubing的灵活应用提高了整车质量。