汽车研发:车身装配设计防错规范解析!

漫谈君 汽车大漫谈 2019-08-30

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车身装配设计防错规范解析

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前言
汽车白车身上需要焊接上百个零件,有几千个焊点。虽然通过后道检查的方法,可以防止员工取放零部件错误导致的漏焊和错焊,但是再严格的人为检查也会出错,而且一旦出错,就会影响产品质量,并对后续返修带来很大麻烦。


在产品设计阶段就需要做好各个零部件的防错设计,以及后期的制造过程容易出错的工装上安装合适的防错装置,不仅能够有效的防止漏焊、错焊,且对保证产品质量起到了事半功倍的效果,特别是在多车型共线时更容易产生混装和漏装。因此,零件防错设计及其防错装置的作用显得更加重要有效。




分类

车身防错设计对象可分为下面几类:凸焊标准件防错设计、焊点位置防错设计、零件装配防错设计和车身装配件防错设计。

1

凸焊标准件防错设计

对于车身单个零件而言,为满足最终白车身提供安装固定的要求,首先在单个零件上凸焊相应的焊接螺母或螺栓,相应构成了带标准件的零件小总成。在焊接标准件凸焊环节上,也经常存在因为设计上的原因导致标准件位置凸焊错误。
凸焊标准件焊接错误类型主要是:
1)标准件凸焊位置错误;
2)单件本身需凸焊多个类型的螺栓或螺母,导致相应孔位标准件类型焊接错误。
如下图所示,零件四个孔位大小相同,其中一侧两个孔凸焊M6螺母,另一侧两个孔为定位孔,本身结构几乎对称,无法很好辨别焊接标准件孔位,通常误将定位孔凸焊标准件。


通常零件设计中,特意放大或缩小定位孔尺寸。缩小孔尺寸,可以保证凸焊时螺母销不能插入该孔,同时经过工人判断,也很容易识别是否是凸焊孔。增大孔径,也有助于工人主观识别,若该孔进行螺母凸焊,孔径过大,也很容易判别。

有的公司在预防不同类型的焊接标准件误焊的做法中,通常在零件相应凸焊标准件孔位附近增加凸包,帮助识别。

如车身上标准件的防错是在标准件附近增加鼓包防错:凸焊螺母1个,凸焊螺栓2个,植焊螺钉3个,如下图所示。但考虑到零件上增加凸包,需要对冲压件进行增加特征,同时也要求螺母,螺栓等焊接标准件定义不可更改,对车身开发过程控制要求很高。



总之,对于凸焊标准件的设计防错,主要通过零件结构设计进行区分避免,包括孔径的差异化,零件结构。

2

焊点位置防错设计

车身焊接时,特别是在人工焊接时,焊点要求在确定的范围内,需要靠工人的主观识别判断焊点所在位置。但在操作面一侧看不到焊点的位置,容易发生焊接位置错误,导致焊接质量发生。所以焊点打点位置防错设计也是整个白车身防错设计的一个重要部分焊点位置防错设计的最关键因素在于在操作面一侧,工人能够很明确确认焊点所在位置,并方便可靠的实现焊点。这里主要从零件结构设计角度来进行焊点位置实现防错设计说明。


明确焊点在所定义位置上实现,主要基于一方面要满足设计要求,保证白车身碰撞等方面的性能要求,另一方面是要确保焊点不能错位,导致四层板焊出现,不可见侧结构不贴合造成的焊点缺陷等问题。
在车身结构设计时,从焊点防错角度,通常有缺口标记,凸台标记和压痕标记。如下图所示,在零件上设计波浪型焊接边,方便操作人员明确焊点位置,可避免错焊。这可以认为是一种缺口标记识别。


如下图所示,焊点位置设计为凸台,可以根据凸台配合,依次实现焊点位置点焊,简单直观。此外,相当一部分焊点位置防错设计是通过工装夹具来实现,通过设计相应限位结构来实现焊点位置防错。


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零件装配防错设计

零件装配防错设计是车身零件从单件开始,保证零件的位置状态,直到整个白车身总成焊接装配完成,这整个过程的无差错过程,这里主要是焊接过程。
对于白车身而言,涉及到的零件防错设计的对象、类型和方法很多。在下面描述中重点讲解的内容也主要是以零件装配防错设计展开。


4

车身装配件防错设计

车身装配件主要指白车身上装配零件的安装防错。
对于整个白车身,安装支架,前后保横梁总成等安装件在装配时可能会存在错装的可能性。虽然相对几率较小,但在设计初期,也要考虑车身装配件及装配总成发生误装的可能,进行装配件的防错设计考虑。如下图所示左右侧通用设计应用。


因此,在前保横梁总成安装端板为自身水平对称的平板零件,因此在前保横梁总成安装中,自身旋转不影响总成安装,会导致错装。对于图中设计,图示中总成中部有安装点结构,可以很好的作为安装位置识别标记,避免错装。
对于没有明显防止错装的识别特征标记,常用的做法是:
1)相容性:无论如何装都不影响其功能;
2)唯一性:设计自身可以被动避免错装,比如更改安装点相对距离,避免错放的可安装性。


车身防错设计原则

这一部分将介绍一些车身防错设计原则。

1

通用性原则

白车身生产模式式为大批量,甚至多车型共线生产方式。钣金零件类型、数量众多,特别对于近似的零件和近似的对称件,员工在零件装配焊接中很难区分,容易导致位置放错,导致零件焊接错误,即使及时发现,也会造成零件取放的反复,影响生产节拍。
因此,在设计中要尽量考虑零件的通用性设计,结构尺寸近似的零件能够做成通用件。如下图所示,连接板零件为左右对称件,无论在零件外形结构上,还是局部特征都十分相似。通过两件重合一起比较,相似度非常高。根据零件本身位置,通过调整匹配结构,可以设计为平移通用,避免零件左右错放发生。


2

差异性原则

同通用性原则相反,在零件实际设计过程中,如果近似件不能设计为通用件,那么就应该放大零件之间的差异性,使员工能通过观察和某些防错设备很容易区分。即通过更改近似零件的结构形式,或局部增加特征,提高近似零件的差异性,方便进行零件识别。
下图为左右对称件,因为及其相似,导致难以区分,在设计上,通过增加一三角筋进行了区识别。但差异结构并不明显,也只能作为一种标识识别。在车身零件设计上,更可靠的防错方法是尽量放大近似零件的差异性,避免零件混淆。但很多零件设计上比较难以避免结构近似,需要采用其他原则方法实现防错。


3

唯一性原则

车身装配过程中,很多零件误装都是由于在零件装配时没有选择正确的零件,同时误取的零件能够在该工位上实现焊接,即使有些不匹配,但不容易察觉。此外,即使在零件装配时选择了正确的零件,但角度变化情况下,也能实现焊接。
这个误放过程有两个方面的原因:
1)零件本身的近似性,导致在在开始取件的时候误取。零件在工位夹具上放置时,误取的非正确零件能够满足夹具装夹功能,最终导致误焊;
2)正确的零件,但由于角度旋转等原因放置时,能够满足夹具装夹功能,导致误焊。
对于第一个原因,前述两个原则能够避免零件的误识别。
对于第二个原因,零件设计时,同时包括夹具设计时,要保证特定的零件在工装夹具上只有唯一的一种放置位置方式。
这样无论哪种原因,都会避免零件装配的误操作。比如通过设计不同间距的定位孔,偏向对称面一侧的定位孔设计以及零件特征同工装夹具相适应设计。


4

相容性原则

相对唯一性原则,相容性原则是指零件在放工装夹具上放置时,不需要过多考虑零件自身的位置,无论如何放置,不会影响其功能,对于零件自身的位置没有特别要求。主要指一些自身中心面、中心轴对称的零件。
而对于一些零件设计为自身对称零件,在夹具装夹上,无论如何旋转放置,因为零件自身是对称的,不影响其功能。可以不需要考虑零件位置放置的防错要求。实际上,通过多位置的可接受性,消除对位置有严格要求的防错考虑。
如下图所示,零件为某车型排气管安装支架,本身为YZ和XZ两基准面自对称,相应定位孔大小位置也是对称设计。在夹具装夹过程中,旋转180°放置都不影响零件焊接及其他功能。对于该类零件,主要放置错误也是180°位置错放,在设计上确保零件自身对称,消除位置影响,也相应的解决了零件需要防错的考虑。



下图所示为某车型的备胎固定支架,为车身零件中典型零件,也是几乎所有车型都沿用的支架。从其自身特点来看,为一个中心对称的零件设计,焊接边上相应均布了三个平筋,满足提高刚度,防止回弹和涂装漏液的功能。除了工装夹具压块要稍微考虑位置,从功能上,旋转角度不影响功能。



车身装配防错设计方法

这一部分主要是介绍车身装配防错的设计方法。

1

标识防错

标识防错主要在对称件,及近似零件打上相应的标记符合,进行识别。最主要的是在于物流过程中的识别。
在车身装配过程中,也可以通过零件上面的标记进行相应识别,预先区分,防止误取。特对对于多个类似零件,也打上相应的标识作为识别,有助于初步的零件区分确认,比如顶盖顶横梁,属于功能相近的类似件。
标识防错属于多个零件的主动防错。但标记防错属于一种最基本最初步的防错方法,可以起到预防的效果。但单纯依靠标记方法防错,不能完全消除误放的可能。假如零件误取已经发生,还需要其他防错设计方法真正实现正确零件及位置放置,纠正错放。


标识防错的常规形式有如下几种:
1)LH/RH或L/R左右件识别
如左右对称件/左右近似件,比如支架及铰链等。
2)1、2、3……或A、B、C……连续件顺序标识
用于结构上接近的多个零件,比如顶盖横梁等。
3)箭头向前或向上标识
箭头标识的增加是指示前、后方向的,防止前后倒置(在平面上旋转了180°),如下图所示。


4)打刻零件号
单纯从单一车型角度,通常只要打刻位置等识别标识即可。但在车身装配车间,通常存在同一平台多个车型共线生产,不同车型同一部位的零件,相似度高,无法通过简单标识进行区分,也不能区分所属车型,只能通过打零件编号进行识别。
5)结构标识
此外,对于左右近似件等会增加一些特征,比如一侧零件增加三角筋缺口等特征作为识别标记,称为结构标识。因为本质上结构标识主要提供作为一种主观识别特征,还是属于标识防错的范畴。不同之处在于在结构设计上有所变化。上述几种形式,主要是打刻符号字母标识或设计相应的结构特征标识进行相应识别区分。


2

结构防错

首先,结构防错不同于上述的结构标识。
结构标识本身其实就是一种标识防错,是一种主动防错,是提供一种特征标识作为预先区分。结构防错,指在零件对象上,配合相关零件甚至工装夹具,实现一种被动防错的方法。结构上防错才可以实现真正的装配防错。
结构防错的方法大致说明如下,具体设计过程和意图在后续章节结合零件防错设计类型详细说明。
1)定位孔设计
在零件防错设计上,通过定位孔的设计可以确保零件装配的位置唯一性。在设计形式上有:定位孔大小,定位孔间距,定位孔相对零件中心对称面偏距设计,如下图所示。


2)零件结构匹配特征设计(零件配合)
零件装配过程中,为避免存在误放情况,在零件设计上,通过配合钣金的结构匹配,可以使非正常位置放置的零件产生干涉,从而提醒进行零件报错,要求调整零件位置。比如通过特征匹配。
3)结构和工装配合
主要通过结构的设计,有意图或被动的利用工装夹具增加相应的的结构进行零件放置位置的确认。比如,零件开设一定的缺口,利用工装夹具挡块实现零件的正确的放置。或通过工装夹具上的防转销,结合零件上的孔位,进行零件的正确放置。


4)通用件设计
对于近似和对称近似零件,尽可能设计为通用件。不仅可以减少零件数量,更重要的是可以避免零件误用的可能性,解决零件“取”的防错问题。对于零件的放置正确与否的问题,还要根据零件的特点,采用相应结构防错设计方法,解决零件“放”的防错问题。
5)自对称件设计
采用零件自对称设计,利用降低对位置的要求,减少出错的风险,本身也就是一种结构设计上的防错方法。前面内容上也有说明,相当于减少位置误放的可能性。


3

工装防错

这里的工装防错主要指完全依靠工装夹具,以及车间一些辅具来实现的零件防错。在这里还有一个前提,不考虑零件设计状态情况,不从零件设计变更角度来考虑防错。否则,就属于结构防错,而不是工装防错。
本质上,在零件设计阶段进行防错设计考虑,完全可以从结构防错角度实现。这里工装防错,主要是在批产阶段,发现零件未考虑防错设计,而从成本及方便性角度,不考虑零件自身的更改,根据具体情况,通过工装更改来实现零件防错。
事实上,工装防错属于一种事后,不更改零件本身的前提下,根据零件特点、匹配关系和工装特点实现的一种防错方法。属于车间单纯从工装夹具角度来是实现防错。当然,从综合成本考虑,还是需要从零件和工装共同考虑,来实现零件防错的。


车身装配防错设计类型

对于各种具体类型的零件防错设计,也就是将各种防错方法和原则融合一起,进行说明。
主要按两大类来说明:两个及以上零件位置防错设计和单一零件自身位置防错设计。


1

两个及以上零件位置防错设计

1)近似零件防错设计
近似零件主要指结构类似的零件,可能位于车身的不同位置。
左下图为某车型安装支架,防错设计考虑前左右件为近似件,功能相同,在工装夹具上容易混淆,不易区分。在此,采用了通用性原则,将左右近似件设计为通用件。采用旋转放置,实现零件通用,避免零件防错要求。设计为通用件的前提是要满足通用件设计条件。在此,通过左件镜像发现,右下图所示,在车身布置位置,镜像零件同左件完全重合,主要满足安装面及孔的对称要求,相对于左右件为对称件。


因为本身左右件为通用件,故要满足对称的前提是本身为自对称件。左下图为以自身安装孔面找出对称面对整个零件进行自身对称的情况,表面零件为自对称零件。右下图为设计后的自对称通用零件示意图。


2)对称件防错设计

在车身零件中,由于汽车所具有的中心面对称性,对称零件也是重要的一类零件。对于差异性比较大,识别比较容易的尺寸较大的对称件,不存在识别和装夹错误的问题。但对于一些结构类似,小型支架类对称零件,存在着识别易混淆,甚至工装夹具装夹可满足要求的情况。这样会很容易造成零件错焊。

如下图所示,图中左右对称件为某车型的行李箱盖左右铰链加强板,焊接于行李箱盖内板上。从图中可以看出对称零件结构简单,为L型结构,旋转一定角度,两件相似度很高,为对称近似件。


对于这类零件,无特别措施进行防错考虑,很容易导致零件误用。但只要保证零件选择正确,因零件放置只有一种可能,就可以起到防错目的。即有零件“取”的防错,无“放”的防错。

通过对匹配零件分析,行李箱内板上分别有两个小孔,行李箱盖左右铰链加强板相应缺口也是为了避让孔。因此,借用该孔,利用夹具上增加防错销,可以保证零件无法误放,从而保证零件正确性,起到防错的作用。即通过零件的放置的防错,达到零件“取”的防错。



3)功能连续、类似的件防错设计

顶盖横梁零件为车身顶部结构件,构成了满足一定要求的整体框架车身,为典型的功能连续类似零件。如下图所示,为某车型的顶盖横梁示意。对于每个车型,顶盖横梁都设计为多个类似的梁类件,通常也是在同一个工装夹具上完成焊接,会存在诸多需要注意的防错问题。



从上图中可以看出,顶横梁零件按布置次序在车身坐标右侧,从前到后依次设计结构标志1到6,并且设计指向车头方向箭头的标记来指示顶横梁零件放置位置。从结构标志的角度,可以很好的实现顶横梁零件的正确选择和放置。

下图则为各横梁定位孔间距示意。其中桔黄色零件同青色零件分别为不同工位焊接。从图中可以看出,不同横梁零件定位孔间距不同,首先可以确保零件不会在前后位置上发生错误,保证零件在车身上相应顺序位置。
其中各横梁零件定位孔均为8mm,这里只要保证定位孔间距不同,即能确保相应顺序位置。除此以外,利用定位孔径大小的变化,两侧定位孔相对XZ面距离不同,结合定位孔间距,可以增加多个功能相近、近似零件防错设计方法。


2

 单个零件自身位置防错设计

1)角度位置防错
零件在工装夹具中,会存在某一方向转变一定的角度,也能满足零件匹配焊接要求的情况,但不符合零件设计要求状态,也导致零件存在强力放入变形的问题,影响安装点位置要求。在此结合具体的实例及改进建议方法,来对几种角度防错的情况进行说明。
下图为某车型拖钩安装板,为U型结构件,凸焊两个螺母作为安装点,同时也作为零件装配定位孔,放置在后纵梁内侧。

在零件结构上,两侧分别设计了一个圆形三角筋减少零件回弹,同时后纵梁相应位置也设计有匹配三角圆筋结构。但从图示中看出,筋相对两安装孔几乎处于对称位置,并且零件两侧面角度面近似,安装孔几乎也处于中间位置,很容易180°旋转误放。
根据零件特点,将匹配零件三角圆筋位置向一侧偏移,如左下图所示。右下图为零件更改前后对比示意,只是三角筋位置做了相应更改。


2)线性位置防错

对于单个零件自身而言,不仅存在同一位置角度防错的问题,也会存在零件在三个方向上位置误放的可能。甚至,也会存在线性方向和角度方向上同时发生误放的可能。

  • 举例1
下图为顶盖两紧邻顶横梁示意图。零件结构形式类似。对于其中某一顶横梁零件很容易放到相邻顶横梁位置。根据零件自身结构特点分析,保证a≠b,可以防止顶横梁零件前后错放。



  • 举例2

左下图为某小安装支架匹配形式,焊接边上均为平板匹配,不注意零件放置顺序,很容易导致零件在绿色件上下位置搞混淆。在此,在绿色件焊接位置设计一突出筋结构,若小支架防错,将引起零件不匹配,可解决小支架误放问题。右下图以截面形式说明了增加结构特征(筋)后,零件防错的示意。




结语

在车身零件设计过程中,各种防错的设计方法应用比较多,作为一名合格的质量与结构可靠工程师,应了解掌握关于防错的方法、原则,以及技术。防差错意味着“第一次把事情做好”,因为防差错采用一系列方法和或工具防止失误的发生,在设计阶段就查出质量的缺陷。


写在最后

我用持续不断的

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希望换来你

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十分感谢

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由漫谈君根据经验整理,仅供学习、交流!

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