尺寸工程中标准和测量技术的现状与发展对策

2021-12-31李明苏志勇韦庆玥

汽车工艺师 2021年5期

李明，苏志勇，韦庆玥

1.上海大学上海 20444

2.一汽集团吉林长春 130000

几何质量是有形产品质量的重要组成部分。对汽车而言，据美国著名咨询公司JD.Power的全球调查统计，42%的汽车质量问题与车身的几何误差有关。从车身误差的形成过程来看，涉及到车身几何质量定义、几何精度设计、加工过程控制、车身误差检测和匹配调整，以及最终的产品验收等整个过程，这个过程被称为尺寸工程，其核心目标是产品几何质量，其实施基础，包括核心技术和管理过程则是产品几何技术规范和验证（Geometry Product Specification and Verification，GPS&V）系统标准和技术产品文件（Technical Product Documentation，TPD）。

尺寸工程相关标准的现状

产品的几何质量是整个企业质量体系的一个重要组成部分，是以ISO 9000为代表的现代质量体系的理念、思想和方法在尺寸工程领域中的实际应用。从目前国际上最先进的标准体系来看，其主要涉及到两个方面的标准体系：

1）由ISO/TC213主持制订的产品几何技术规范与验证系列标准，目前标准总数超过了150个，其主要规范了产品几何质量规范（公差）的给出、工程图样解读、误差过程控制和检测验收操作。

2）由ISO/TC10主持制订的技术产品文件系列标准，这个系列由150多个标准构成，其主要规范了产品各类技术要求在载体上的表达规范与方式。这个载体包括文档、2D/3D工程图样和基于模型的定义（Model based Definition，Mbd）。其中，MBD缩写还有一个意思为基于模型的设计（Model Based Design，MBD），为表示区别，特将基于模型的定义的缩写后二个字母写为小写。

上述这两个标准体系被合称为技术产品规范（Technical Product Specification，TPS），它规范地承载了设计（包括产品设计和加工工艺设计）对产品几何质量的要求，是制造过程控制，质量过程控制与验收的依据。这二个标准体系主要给出的规范有：

1）产品几何质量标准体系的架构（GPS&V矩阵）和标准体系间各标准的关联，核心标准为：《ISO 14638（GB/Z 20308）产品几何技术规范与验证（GPS）矩阵模型》。

2）产品几何质量设计的基本思路和相关原则，核心标准为：《ISO 8015（GB/T 4249）产品几何技术规范与验证（GPS）基础概念、原则和规则》，给出了从功能出发给出的综合功能要求、制造过程控制要求和最终检测验收等整个生命周期中规范操作的基本思路和规范方法。

3）产品几何质量规范和控制的理论基础，特别是数字化过程的基础。核心标准为：《ISO 17450（GB/T 24637）产品几何技术规范与验证（GPS）通用概念》系列标准，涉及到几何规范和验证的模式、基本原则、规范的过程、操作集、不确定度和模糊度等以及风险控制方法。

4）产品几何质量要求的规范方法，即公差的标注方法，核心标准为《ISO 1101（GB/T1182）产品几何技术规范与验证（GPS）几何公差形状、方向、位置和跳动公差标注》和《ISO 14405产品几何技术规范与验证（GPS）尺寸公差》系列标准。

5）产品质量测量结果合格性和产品质量符合性判定方法，核心标准为《ISO 14253（GB/T 18779）产品几何技术规范与验证（GPS）工件与测量设备的测量检验》系列标准，给出了检测验收的相关原则、测量不确定估算方法和对测量不确定度表述达成共识的规范流程，以及归责方法。

6）面向测量任务的测量不确定度估算方法，核心标准为《ISO 15530（GB/T 24635）产品几何技术规范与验证（GPS）坐标测量机（CMM）确定测量不确定度的技术》，给出了运用多次多方面检测、相似原理、经验方法和大数据方法估算现场测量不确定度的规范方法。

7）2D工程图样的规范表达方法，包括投影、视图、剖切面、向视、透视、线型、字体、图幅、注释及公差标注等方面，ISO在几年前已停止更新2D工程图样，把主要精力放在基于模型的3D表达规范和标准的制订。

8）基于模型的产品几何质量要求3D表达方法，其核心标准是《ISO 16792（GB/T 24734）产品技术文件（TPD）数字化产品数据定义通则》，给出了基于3D模型，如何进行3D标注的规范方法。

在产品几何质量方面，美国有一个独立于ISO标准的完整标准体系，其以《ASME y14.5 Geometry Dimension and Tolerancing（GD&T））标准为核心，给出了产品几何质量的定义和规范标注方法。美国ASME标准除在质量要求的具体表达方面与ISO标准有所不同外，数字化方面与ISO存在着代差。这方面将是美国GD&T标准今后修制订的努力方向，这一点可以从美国的《ASME Y14.5-2018 Dimensioning and Tolerancing》标准中看到。

但美国在质量要求规范表达与信息化技术融合方面走在了ISO标准的前面，其主要是以《ASME Y14.41－Digital Product Definition Data Practises》为核心的基于模型的设计系统标准，这个标准给出了基于CAD模型的产品质量要求信息化标注方法。

同时，美国还在美军标准《MIL-STD-31000 Technical Data Package》的基础上制订全新的面向MBD的《ASME y14.47 Technical Data Package》

根据产品几何质量要求信息化规范和应用的目标，美国还制订了《ANSI/DMSC QIF 3.0–2018 Quality Information Framework (QIF)–An Integrated Model for Manufacturing Quality Information》给出了产品质量信息规范和应用的规范流程和应用方法。

国内在产品几何质量要求规范表达、过程控制和信息化方面的标准制订与国外存在着较大的差距，目前国内基本上没有能力独立制订这些基础性的系列标准和前沿标准，主要是通用等同采用ISO标准的方式转化制订相关的标准，其主要工作和标准包括：

1）对产品几何技术规范与验证（GPS＆V）标准的转化率约为70%，但在标准年号方面，至少存在着5年差距。

2）有部分企业直接采用美国ASME的GD&T标准，这些企业主要为美资企业和部分自主品牌的车企。

3）在标准的应用方面基本上停留在表面，即质量要求的规范表达中，深层次的应用，特别是在设计、控制和验收中全面应用ISO GPS&V标准的企业几乎没有。

4）基于MBD的标注方法仅在个别企业中有初步的应用，但总体上还处于初级阶段，信息化的流转和传递还没有真正开展。

标准的全面落后只是表象，其实质是我们对现代产品几何质量在理解方面的差距。从ISO标准制订的流程，特别是前期的工程实践与验证过程来看，我国在产品几何质量方面在理念、思路、方法和工具应用方面的差距至少有三十年。

尺寸工程相关标准的发展方向

质量已从指标质量时代进化到文化质量时代，产品几何质量同样面临着文化和技术的挑战，而所有这一切都将体现在未来产品几何质量的相关标准中。在未来10-15年内，其主要的发展将有：

1.质量要求

对产品质量要求的全面细致的数字化定义，这实际上是一个面向功能的误差建模过程，一个数字孪生（Digit Twin）的过程，其中主要包括：

（1）感知误差的精准数字化定义其主要在汽车、3C产品等的外观方面，包括表面结构、纹理、感知、外观等方面以及基于规范表达的检测和评定方法。

（2）基于产品应用功能的精准数字化定义其基于零部件装配应用、不同使用工况下的几何误差定义，以及基于规范表达的检测和评定方法。

（3）基于加工工艺过程的精准数字化定义其主要是对偶于工艺方式和误差源的几何误差定义以及基于规范表达的检测和评定方法。

2.质量形成过程和过程控制

对产品质量形成过程和过程控制的全面细致的数字化定义，这实际上是一个面向过程的建模过程和数字进程（Digit Thread），其中主要包括以下内容。

1）面向基于模型的设计（MBD）的几何质量信息化表达方式，即将所有相关质量要求信息加载在以CAD模型为核心的模型中。

2）面向后续信息无损传递、快速获取、自动关联要求的信息化标注和表达方法，包括基于CAD模型和基于3Di PDF的规范表达方法。

3）面向信息的模型和数据包（Technical Data Package，TDP）管理规范，为模型定义、模型变迁、模型关联、模型变更、模型封装和模型应用等数字进程提供规范方法。

3.其他

此外，基于ISO标准体系的研究和发展，将有一系列相关的工具软件出现，其中可能出现的有：

1）基于几何功能表述的公差规范自动标注软件（模块）。

2）基于3D CAD模型的尺寸链分析计算和优化软件（模块），即风险分析与评估操作。

3）基于加工工艺的公差分解和加工过程控制要求自动标注软件（模块）。

4）集成误差模型构建工具软件，能将设计的公差、加工系统误差、零件误差离散度、测量不确定度、应用功能相关模糊度等进行关联并建模，并形成相应的分析机制和系统模型。

国内尺寸工程相关标准的发展途径

总体上看，国内和国际先进水平之间的差距非常大，这种差距不仅体现在标准的内容上，更体现在对标准内涵的理解以及基于理解的标准制订、宣传贯彻和应用中。依据国内工业发展的赶超目标，结合技术的发展，对国内产品几何质量标准赶超世界先进水平提出如下建议。

1）用3～5年时间，组织相关专家全面转化ISO和美国ANSI/ASME的相关标准，并在相关行业内全面宣传贯彻使用，用先进标准倒逼中国产品质量的设计、控制水平提升。

2）用3～8年时间，在相关企业，特别是龙头企业构建起一支强大的标准化技术队伍，形成标准化能力，从而使企业能在先进标准的理念、思路和方法的指导下，具有构建面向具体产品和过程的标准制订和实施能力。

3）用5～8年时间，组织相关专家全面学习和深入研讨ISO和美国ANSI/ASME标准体系，争取能跟上ISO和ANSI/ASME的标准研究步伐；

4）争取用15年内时间，结合我们对标准的深度理解和汽车行业基于最先进标准的良好工程实践，形成最前沿标准的提出和制订能力。

此外，鉴于尺寸工程是一个综合的技术体系和系统工程，因此建议在现全国产品几何技术规范标准化技术委员会（SAC/TC 240）和全国产品技术文件标准化技术委员会（SAC/TC10）的基础上，构建面向汽车尺寸工程的标准化技术委员会，全面负责和推广标准的制订和宣贯工作。该技术委员会的专家应在现有领域中扩大到信息化和CAD建模领域。

现代测量技术及其在汽车行业的应用

测量是科学的眼睛，更是工程的眼睛，唯有精准的测量数据才能确定产品与产品技术规范和要求相符合的程度，才会有良好的质量、成本和效率的组合体，测量更是未来制造中大数据的基础，是智能制造的基础之一。

测量操作实际上就是通过已知（已校准）件与被测件比对并赋值的过程，基于这一原理，在实际测量中存在二种具体的方法。

1.基于实物标准器的测量方法

这种测量方法的测量工具皆为实物，常见的实物标准器有卡尺、千分尺、塞尺、通止规及综合功能量规（检具）等。

2.基于虚拟标准器的测量方法（也称数字测量方法）

该方法是通过对被测工件（表面或体）进行离散点获取并载入基于CAD的测量软件后，通过对点云的相关操作及与CAD模型的比对和赋值来进行测量和误差计算。这类测量仪器一般包括了点（点云）测取装置和测量软件两部分。这类测量的常见装备有：三坐标测量仪、关节臂、激光跟踪仪、蓝光/白光/激光测量仪、数字比对仪、圆度仪、轮廓仪以及粗糙度仪等。

在实际应用中，基于精度、效率和成本的综合考虑，测量操作可能被配置在实验室、车间（在线、在机）等场合。同时，针对具体的测量和控制要求，还会制作专用测量设备进行测量操作。

此外，目前还有将高精度测头配置在数控机床上，配合加工过程中的定位和进给的测量操作。

测量仪器还能与机器人集成，它能极大的提高了测量操作的效率和测量设备的柔性，也能在相当程度上规范测量的操作。

无论是基于实物标准器和基于虚拟标准器的测量，其标准件或测点拾取装置（如坐标测量机）的精度都有相应的要求。国家标准给出了在一般情况下，当标准器的精度小于被测公差（精度）要求的1/3～1/10时，标准器的误差可以忽略。但在实际使用中需要注意，在数字化时代，对测量结果的置信度已采用测量不确定来表达，这是一个数字化的方法。同时，要求送检方和检测方对测量不确度的表述达成共识后，产品符合性（符合图样要求）判定才有价值。

在大批量生产的汽车行业中，还有一种与测量相关的匹配操作，它是通过被测工件在样架上的预装配，将其与匹配检测标准件（Cubing/Meisterbock）或在工件间进行比对和装配状态赋值的测量操作。目前，基于CAD的虚拟匹配技术也在多家企业得到了研发和初步应用。

近年来一种全新的体点测量工具，工业CT已被应用于工业现场，它能直接高精度无损地检测工件内部的几何质量。

目前，上述所有的测量方法都被广泛地应用在汽车制造过程中，其主要应用有：

1）在高精度机加工方面应用，大量采用了三坐标测量机，特别是在动力总成关键零件加工中，三坐标测量机更是直接被配置在生产线中进行在线的测量和数据反馈，以调整和控制加工过程。

2）在车身（钣金件）方面应用：在白车身整车方面广泛采用了高精度三坐标测量臂（双臂/三臂），而在车身零件方面，则采用检具，或定位样架与三坐标测量机、关节臂、激光跟踪仪、蓝光、白光和影像等测量仪相配合的方式进行测量。

3）在内外饰件和压浇铸件方面应用：除了三坐标测量机外，还大量应用蓝光、白光、激光等测量设备对形面进行快速测量。此外，工业CT已被引入，以检测铸件内部的质量。

4）在表面结构方面的应用：粗糙度的应用在机加工方面十分普及，波纹度等在缸体、缸盖、活塞也有深度的应用。

随着数字化测量技术的发展，同时考虑到效率和成本的因素，基于实物标准器的测量方法正在逐步退出生产现场。几何测量的数字化时代已经来临。

我国在几何测量方面与国际先进水平的差距分析

这里以各类测量技术综合应用最多的汽车行业为例进行分析。从测量技术和设备的应用层面来看，目前国内外的水平基本相同特别是在一些独资和合资的企业，其应用技术水平基本上与国外持平，但从技术内涵及对核心技术的掌握层面来看，国内车企与国外存在着很大的距离，其主要表现在以下几个方面：

1）所有的高端测量仪器，特别是数字化的检测装备全部来自国外。国内的测量装备在生产实际中的应用极少，其主要原因在于仪器精度、可靠性、软件功能等方面。

2）在基于实物标准器的测量领域，包括综合功能量规（检具）、匹配样架方面，国内已有能力制造并全面替代了国外产品。

3）测量传感器大多购自国外，这导致在国内自制的专用测量装备上核心部件受制于国外。

4）测量软件方面国内测量装备存在大量使用国际市场化测量软件的现象，自主开发软件功能相对欠缺。

5）在测量数据应用方面，尽管汽车领域有数据统计分析（SPC）的要求，但在实际应用中无论是SPC工具的应用还是最终分析数据的反馈应用等，都与国外存在差距，其核心是对质量过程控制的理解以及方法的设计和应用未到位。

6）测量结果的应用存在问题，其主要原因在于测量要求，即GD&T标注和应用未完全体现在功能和控制的要求，导致测量结果无法对应实际工况，引发测量数据无效。

7）测量数据的合格性问题突出，主要表现在对测量规范制订和测量过程管理的不到位，特别是对测量系统分析（MSA）工具的应用不够充分，最终引发测量数据的可信度问题，以及测量数据的比对问题。

8）在对制造系统能力的评估中，对测量技术和工具远远不够，包括Cmk、Ppk、Cp、Cpk等制造系统能力数据的获取和应用等。

9）对新测量技术的应用不够，如在国外的汽车发动机领域和汽车电子领域中，工业CT已得到了广泛的应用。这其中一方面是工业CT的价格问题，更关键的是设计对质量的深层次理解和高端测量技术的应用能力问题。

10）测量数据管理的信息化程度较低，导致数据深层次分析和集成应用问题突出。

汽车几何测量技术的发展和对策

从测量技术的发展来看，在汽车领域，特别是新能源汽车的发展，测量技术的应用将会有根本性的变化，其主要表现为：

1）测量要求的变化：测量要求将被明确地分为面向零件装配功能和加工控制，从而使测量结果能够直接对偶到实际工况，这方面变化已在相应的国际GPS&V标准中体现。

2）高精度扫描测量技术，特别是高精度CT的全“体”测量技术，将在相当程度上淘汰绝大多数的测量操作，并将彻底改变现有的几何质量定义、控制和检测的方法和流程。

3）测量技术的应用将形成全尺寸、全方位、全过程的特点，同时，数据的精准度和可信度、信息的完整度和有效性、大数据的价值性，包括数据集的关联性和可挖掘性等。

4）测量操作的自动化将成为主流，可以预见的是今后在后端的测量操作将以机器人等智能装备搭载测量装备和自动测量机为主。

5）对测量系统的数字建模和优化迭代将成为数字孪生的一个重要组成部分，同时对测量数据的管理将成为数字进程（Digit Thread）的必不可少的一个过程，整个模型将围绕着测量不确定度展开，测量不确定度管理流程（Procedure for Uncertainty Management,PUMA）将成为系统迭代和优化的主要工具。

6）测量系统及测量数据都将被集成在智能制造系统中，特别是数字进程的标准构建和应用是这项工作的核心，目前美国ANSI已构建了两版的质量信息架构标准，即QIF2.0（Quality Information Framework），从而将测量系统和测量数据/信息完全融入到企业的信息化体系。

基于上述对测量技术现状的分析和对发展趋势的研判，建议我国汽车领域在测量技术研发和应用方面重点突破和提升途径为：

1）用3～5年时间，在企业着力贯彻ISO 9000“循证决策”的原则，充分运用先进测量工具，完成对质量状态的全面数字化，从而使质量状态及过程显性化和可视化。

2）用5～10年时间，结合车企的实际测量与控制需求和国家重在仪器研发战略，争取在高精度数字化测量装备这部分有所突破。

3）用3～5年时间，结合车企对质量状态数字化和信息化需求，结合国家工业软件研发战略，在测量数据处理、模型重构、数据和模型应用、数据管理、实验室管理等方面软件和模块的研发和应用方面有所突破。

4）用5～10年时间，在测量系统建模和优化方面开展工程实践，并将测量数据和测量系统融入到企业的信息化架构中。

5）用3～5年时间，在学习参考ISO和美标的基础上，结合我国车企的应用需求，形成具有中国特色的QIF标准体系。

6）用3～5年时间，重点开展工业CT技术在新能源汽车方面的应用研究，形成相应的测量规范和评判标准，为新能源汽车质量和安全保驾护航。

总之，还是以标准的宣贯和应用为抓手，从系统角度考虑设计和测量的一体性，这也是GPS&V标准的基本思路。