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        基于Taguchi正交試驗(yàn)的側(cè)圍外板定位布局穩(wěn)健設(shè)計(jì)?

        2018-05-22 09:44:13夏玉峰王天宇
        汽車工程 2018年4期
        關(guān)鍵詞:外板穩(wěn)健性公差

        夏玉峰,王天宇,楊 棟,姜 來(lái),趙 佳,龍 帥

        (重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400044)

        前言

        提高B柱裝配質(zhì)量已成為當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)急需解決的熱點(diǎn)問(wèn)題。對(duì)車身B柱而言,過(guò)大的裝配偏差會(huì)嚴(yán)重影響汽車的耐撞性和行駛安全性。當(dāng)前車身的裝配主要依靠經(jīng)驗(yàn),并沒(méi)有具體的方法可循,導(dǎo)致零件制造偏差和夾具定位偏差等在裝配過(guò)程中過(guò)度累積,造成裝配質(zhì)量問(wèn)題,使生產(chǎn)成本增加,生產(chǎn)效率降低。B柱裝配質(zhì)量主要受裝配順序、零件公差和裝配定位布局的影響,隨著越來(lái)越多的裝配質(zhì)量問(wèn)題的存在,穩(wěn)健性設(shè)計(jì)作為一種低成本、高效益的質(zhì)量工程方法越來(lái)越受到關(guān)注,它的目的在于找到一組對(duì)噪聲因素不敏感的工藝設(shè)計(jì)參數(shù),使所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、波動(dòng)小[1]。

        關(guān)于質(zhì)量穩(wěn)健性設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)外已有不少研究。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]針對(duì)公差設(shè)計(jì)較少考慮噪聲因素的影響,提出穩(wěn)健公差設(shè)計(jì)這一概念,并探討了應(yīng)用模糊質(zhì)量損失模型實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健設(shè)計(jì)的兩種方法。文獻(xiàn)[3]中采用連續(xù)的空間填充方法對(duì)多工位裝配過(guò)程的夾具定位布局進(jìn)行穩(wěn)健性研究。文獻(xiàn)[4]中采用數(shù)論網(wǎng)格方法對(duì)公差進(jìn)行采樣,提出一種基于偏差傳遞的二維多工位裝配夾具系統(tǒng)公差可行穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法。上述研究大都是針對(duì)前期的公差分配進(jìn)行穩(wěn)健設(shè)計(jì),改變公差必然涉及到模具的調(diào)整和技術(shù)的更新,導(dǎo)致成本的提高。

        據(jù)此,本文中提出一種低成本的設(shè)計(jì)方法來(lái)提高B柱的裝配質(zhì)量,即對(duì)零件的定位布局進(jìn)行穩(wěn)健設(shè)計(jì)。以側(cè)圍外板為例,首先建立各定位塊坐標(biāo)與測(cè)點(diǎn)偏差的影響曲線,確定合理的坐標(biāo)取值范圍,在此基礎(chǔ)上結(jié)合Taguchi正交試驗(yàn)與3DCS軟件確定穩(wěn)健設(shè)計(jì)方案,最終得到裝配質(zhì)量較好的B柱總成,為后續(xù)實(shí)際生產(chǎn)提供了一定的指導(dǎo)作用。

        1 裝配定位原理

        在板殼類零件的裝配過(guò)程中,常用3-2-1定位原理進(jìn)行裝配,如圖1(a)所示,它包括2個(gè)定位銷和3個(gè)接觸塊[5]。兩個(gè)定位銷約束平面中的3個(gè)自由度,其中,四向定位銷控制零件沿X和Z2個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),兩向定位銷僅限制Z方向的運(yùn)動(dòng),3個(gè)接觸塊限制工件其他的自由度。對(duì)于大而剛度不足的零件,在保障3-2-1定位的前提下,還需要附加定位點(diǎn)來(lái)保證零件的平衡狀態(tài),故采用N-2-1(N≥3)的定位原則進(jìn)行約束[6],如圖1(b)所示。

        B柱的三維結(jié)構(gòu)模型如圖2所示,側(cè)圍外板是柔性薄板件,采用一面兩銷4-2-1夾具方式定位,在3DCS中可用Autobend命令模擬4-2-1裝配。L1~L4分別是側(cè)圍外板上4個(gè)定位塊的原始設(shè)計(jì)位置,P1和P2是兩個(gè)定位銷的位置,Pr是測(cè)點(diǎn)。本文中主要是針對(duì)4個(gè)定位塊的布局進(jìn)行穩(wěn)健設(shè)計(jì)。

        2 Taguchi正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        2.1 定位塊坐標(biāo)取值分析

        圖1 定位原理簡(jiǎn)介

        圖2 B柱三維裝配模型

        為得到側(cè)圍外板定位塊L1~L4的合理坐標(biāo)取值范圍,分別將各定位塊坐標(biāo)視為自變量,測(cè)點(diǎn)Pr沿不同方向的偏差視為因變量,在3DCS中進(jìn)行數(shù)值模擬,并將模擬得到的數(shù)據(jù)利用ORIGIN軟件繪制出兩者的關(guān)系曲線圖[7],如圖3所示,其中Lab表示定位塊a的b方向坐標(biāo),ΔPr表示測(cè)點(diǎn)偏差。據(jù)此確定各定位塊坐標(biāo)的合適取值范圍。

        由于各定位塊在Y方向的坐標(biāo)變化很小,故自變量?jī)H考慮X和Z方向,同時(shí),由“4-2-1”定位原理可知,定位塊不限制零件Z方向的運(yùn)動(dòng),故因變量?jī)H考慮測(cè)點(diǎn)沿X和Y方向的偏差變化。

        由圖可見(jiàn):不同定位塊不同方向的坐標(biāo)值變化對(duì)測(cè)點(diǎn)偏差的影響不同;L1和L2的Z方向坐標(biāo)值變化對(duì)測(cè)點(diǎn)的偏差影響較大,X方向的影響則不明顯;L3和L4的X和Z方向坐標(biāo)變化對(duì)測(cè)點(diǎn)各方向偏差均有較大影響。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)裝配偏差有顯著影響的定位塊,其坐標(biāo)取值水平應(yīng)靠近裝配偏差對(duì)坐標(biāo)值變化敏感的區(qū)域,對(duì)裝配偏差影響不明顯的區(qū)域應(yīng)不取值或者少取值。

        圖3 測(cè)點(diǎn)Pr偏差與坐標(biāo)的關(guān)系圖

        2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        根據(jù)圖3,在定位塊L1和L2的Z方向各取3個(gè)值,在L3和L4的X和Z方向分別各取2個(gè)值,其他方向不取。結(jié)合各因素原始設(shè)計(jì)方案,確定側(cè)圍外板各定位塊坐標(biāo)取值水平(見(jiàn)表1),其中各因素的水平1為原始設(shè)計(jì)方案,側(cè)圍外板定位布局設(shè)計(jì)的空間位置如圖4所示。

        影響汽車B柱裝配質(zhì)量的主要因素為定位塊的定位偏差與制造偏差[8-9],作為噪聲因素考慮。側(cè)圍外板的裝配存在8個(gè)噪聲因素,分別為4個(gè)定位塊的制造偏差與定位偏差,分別用F1~F8表示。各噪聲因素取2水平且水平值一致見(jiàn)表2,各偏差源服從正態(tài)分布。本文中定位布局參數(shù)為4因素3水平,偏差源噪聲因素為8因素2水平,因此內(nèi)表選擇L9(34)(見(jiàn)表3),外表選擇L12(211)(見(jiàn)表4)。

        表1 側(cè)圍外板定位布局參數(shù)水平設(shè)計(jì)

        圖4 側(cè)圍外板定位塊的空間布局

        表2 噪聲因素的水平取值

        表3 側(cè)圍外板定位布局正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        表4 側(cè)圍外板噪聲因素正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        3 數(shù)值結(jié)果分析與驗(yàn)證

        3.1 信噪比計(jì)算

        穩(wěn)健性是指因素狀況發(fā)生微小變化對(duì)因變量影響的不敏感性。信噪比是穩(wěn)健性設(shè)計(jì)中用以度量產(chǎn)品質(zhì)量特性的穩(wěn)健性指標(biāo),它是信號(hào)量與噪聲的比率,信噪比越大表示產(chǎn)品越穩(wěn)健[10]。穩(wěn)健性評(píng)價(jià)函數(shù)和質(zhì)量特性函數(shù)一樣,都是連續(xù)且不為負(fù),而且愈小愈好,這樣的函數(shù)稱為望小特性函數(shù)[11]。對(duì)于質(zhì)量特性服從Y~N(μ,σ2)分布的產(chǎn)品,可將信噪比定義為η′=μ2/σ2,為了使η′更加接近正態(tài)分布,可將η′化成分貝值,即SNR=10lgη′。

        對(duì)于本次裝配,B柱裝配質(zhì)量的衡量指標(biāo)為側(cè)圍外板與立柱加強(qiáng)板的間隙值,如圖5所示,對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)Pr,在側(cè)圍外板與中立柱加強(qiáng)板之間取間隙測(cè)量值d0,為了進(jìn)一步衡量裝配結(jié)果的準(zhǔn)確性,另取兩對(duì)間隙測(cè)量值d1和d2,其名義值均為0。對(duì)于表1中9種定位布局方案,對(duì)應(yīng)12種偏差源方案,共需進(jìn)行108次偏差仿真試驗(yàn),利用3DCS的Analyst模塊進(jìn)行分析,得出3對(duì)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)特性的均值與方差。建立裝配質(zhì)量穩(wěn)健性評(píng)價(jià)函數(shù)為

        圖5 側(cè)圍外板與立柱加強(qiáng)板間隙

        在側(cè)圍外板的定位布局穩(wěn)健設(shè)計(jì)中,由于Y的望小特性,總希望σ2和u2都越小越好。若y1,y2,…,yn為y的n個(gè)觀察值,則y2平均值的無(wú)偏估計(jì)為因此,裝配質(zhì)量穩(wěn)健性評(píng)價(jià)函數(shù)的信噪比計(jì)算公式,即SNR為

        式中n為噪聲參數(shù)試驗(yàn)方案數(shù),本文中取12。

        3.2 結(jié)果分析

        進(jìn)行一次公差仿真模擬運(yùn)算時(shí),以裝配2 000次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,取其平均測(cè)量尺寸作為一次仿真測(cè)量結(jié)果。以公差在6σ范圍內(nèi),即合格率要達(dá)到99.73%,仿真測(cè)量結(jié)果超差率低于5%的范圍作為裝配合格的標(biāo)準(zhǔn),在3DCS中模擬得到測(cè)量值。

        對(duì)各種方案下得到的測(cè)量值,計(jì)算其SNR結(jié)果見(jiàn)表3,并進(jìn)行極差分析,結(jié)果見(jiàn)表5。表中K1,K2和K3分別表示9組試驗(yàn)方案下各因素不同水平的SNR之和,R為極差,K值越大,表示該水平下的裝配效果越好。用極差值確定不同因素對(duì)裝配質(zhì)量的影響程度,極差值R越大,表明定位塊的3個(gè)水平之間的差異越大,對(duì)噪聲因素越敏感。

        表5 裝配質(zhì)量的極差分析結(jié)果

        由表5可見(jiàn):

        (1)B柱側(cè)圍外板定位塊布局在L1的1水平、L2的1水平、L3的3水平、L4的2水平下的裝配效果最好,這是因?yàn)檫@些水平的組合使定位塊在側(cè)圍外板的分布更加均勻,對(duì)噪聲因素的敏感度降低;

        (2)R1和R2分別達(dá)到0.214和0.385 6,遠(yuǎn)大于R3和R4的值,因此在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)定位塊L1和L2的偏差應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控。

        3.3 實(shí)驗(yàn)方案模擬驗(yàn)證

        采用3DCS軟件對(duì)此方案進(jìn)行模擬驗(yàn)證。在3DCS中對(duì)側(cè)圍外板的原始定位布局設(shè)計(jì)與穩(wěn)健設(shè)計(jì)分別進(jìn)行仿真模擬,每次模擬執(zhí)行2 000次隨機(jī)裝配,限于篇幅,取其中3組噪聲因素(表4中1~3組)下的裝配結(jié)果d0進(jìn)行比較,并將12組噪聲因素下的裝配結(jié)果平均值進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如表6所示。

        表6 原始設(shè)計(jì)與穩(wěn)健設(shè)計(jì)的數(shù)值結(jié)果對(duì)比

        圖6中深色部分代表測(cè)量的超差率,即2 000次裝配結(jié)果中d0,d1和d2的值超過(guò)±0.5mm的部分,深色部分越小裝配結(jié)果越好。若超差率大于5%,則判定模擬結(jié)果不合格。

        圖6 穩(wěn)健設(shè)計(jì)與原始設(shè)計(jì)裝配結(jié)果比較

        從圖中可以看出,定位布局穩(wěn)健設(shè)計(jì)極大地提高了汽車B柱的裝配質(zhì)量。根據(jù)表6計(jì)算可知,原始設(shè)計(jì)方案裝配質(zhì)量波動(dòng)為10.9%,而穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方案波動(dòng)僅為3%。其中,側(cè)圍外板與中立柱加強(qiáng)板的間隙d0,d1和d2分別降低29%,25%和31.5%,整體平均測(cè)量值降低了27.9%;超差率相應(yīng)降低53.1%,53.6%和 55.1%,平均超差率降低了53.9%。

        實(shí)際生產(chǎn)中采用該方案已經(jīng)顯著地提高了產(chǎn)品裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率。但由于公司的商業(yè)保密性,無(wú)法提供具體的實(shí)物生產(chǎn)驗(yàn)證結(jié)果。

        4 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)某型汽車B柱的分析,研究了側(cè)圍外板不同定位布局對(duì)最終裝配結(jié)果的影響,得出如下結(jié)論:

        (1)側(cè)圍外板上不同位置的定位塊對(duì)裝配結(jié)果的影響不同,定位塊L1和L2對(duì)裝配結(jié)果的影響比L3和L4大;

        (2)B柱側(cè)圍外板定位塊布局在L1的1水平、L2的1水平、L3的3水平、L4的2水平下的裝配效果最好,質(zhì)量波動(dòng)降低 7.9%,平均測(cè)量值減小27.9%,平均超差率降低53.9%,證明了該方法的可行性。

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