產品幾何精度設計控制驗收管理平臺

基于功能/成本/風險控制的產品幾何精度設計/檢測/評定/控制/驗收

近年來，隨著汽車消費群體的日漸龐大，汽車產品的質量問題也變得越來越突出，產品質量已經成為消費者在購車時所參考的重要因素。隨著我國從2013年10月1日起三包政策的落地，各個整車廠面臨著緊迫地提高產品質量的要求。根據J.D Power 對全球汽車產品質量關鍵問題調查評估報告顯示：有41%的汽車產品質量問題是由車身制造尺寸偏差所造成。如何要在質量，成本，風險控制中保持平衡，這讓所有的整車廠都遭遇了調整和尷尬。

產品質量從何來？

產品質量是制造出來？產品質量是檢驗出來？你只說對了20% 。

80%的產品質量是設計出來；是管理出來。我們需要從如下三個方面考慮提高產品質量：

1. 設計質量控制

2. 制造質量控制

3. 檢測質量控制

如果我們定義了明確的標準、規范體系；過程控制方法；過程管理與執行。那么就能制造出符合期望品質的產品。

產品幾何精度/尺寸公差管理

尺寸管理是一種結合計算機仿真技術(如3DCS/VSA)的工程方法和手段，是用來通過控制制造偏差和優化公差設計來提高產品尺寸質量和減低產品生產成本的系統工程；尺寸管理確保產品的功能、裝配和外觀設計要求；尺寸管理應該貫穿整個產品開發周期。

尺寸（公差）管理首先是一個工程的方法，對象是偏差和設計，內容涉及產品設計和虛擬驗證，檢測，評定，控制，驗收，目的是提高質量降低成本。就國內汽車行業來說，由于缺乏完善的幾何精度設計流程與規范，設計的公差合理性非常值得懷疑，目前基本上是依靠經驗值；所以國內的尺寸（公差）管理范圍要不僅要對尺寸公差進行優化及驗證，提出改進建議，還需要對設計進行指導，幫助主機廠制作質量控制GD&T，同時對產品、總成及白車身、整車進行檢測基準書的輸出等工作。所以國內的整車廠和零部件供應商迫切需要建立基于質量、成本、風險控制的產品幾何精度設計、檢測、評定、控制、驗收的管理平臺。

幾何精度是機械產品質量和品質的根本，同時也是產品成本控制中必須考慮的一個重要因素。歐美制造強國極為重視產品幾何精度的設計、控制技術，以德國為主導ISO國際標準體系，以每年一個新版本的速度在調整和充實幾何技術規范和標準，以適應現代制造、數字化技術發展及成本控制技術的高速發展，而美國ASME（美國機械工程師協會）也頒布了新的美國標準。這些新的技術標準為產品幾何精度技術提供了新的技術、手段、方法、保障及管理流程。下面是新的標準體系與我國原來標準體系的主要差別比較。

從上面的比較中可以看出，新的國際標準（ISO）和國標（GB）中包括了新的設計理念、控制方法、驗證方法等整體解決方案。

目前國內的機械工程師總體上處于老的知識體系，精度設計理念和相關技術幾乎處于上世紀80年代水平，這嚴重阻礙了企業的創新設計、技術進步、產品質量。即使我們今天使用了和國外同樣的軟件、硬件、設備，如果我們不在設計思想保持同步，我們依然無法設計并制造出與國外競爭的一流產品，獲取高額利潤與企業的良好口碑。這就需要從工程師的創新能力、設計能力、制圖能力、讀圖能力、質量控制、產品驗收等方面，結合目前最新的國際（ISO）和國家(GB)及國外先進的設計控制理念，進行全面的知識更新，并重點解決以下問題：

1. 從產品功能要求到幾何功能要求的轉換及風險控制，特別是復雜幾何系統空間尺寸鏈分析和優化及技術風險評估技術的應用。

2. 基于三維的數字化設計與驗證技術、用工程語言（圖紙）準確表達基于功能的控制要求，包括最新的基于功能和檢測驗收的

   圖 紙標注方法。

3. 相關技術人員和操作人員能正確理解各類工程圖紙的技術要求。

4. 測量人員能正確的采用數字化和傳統測量方法，完成相關測量任務。

5. 質保人員能有效地根據工程圖紙和測量結果，進行產品合格性判斷與產品驗收，杜絕驗收糾紛。

6. 產品精度設計、分析、加工、檢測和驗收的整個過程，特別是反復驗證過程并將在有效的理監督和信息化系統的管理下展開。

7. 在上述基礎上能有效地展開成本控制。

8. 企業技術文件的標準化和形成過程的標準化管理。

技術標準，源于國外一流企業多年的實踐和提煉，更具有良好的可操作性，是企業技術進步的臺階。因此，在企業應用與貫徹最新的國際/國家標準，是我國企業趕超國外技術水平的臺階和必由之路。

國內外尺寸公差的現狀

歐美對尺寸公差的管理有一套很完善的系統，有專門的尺寸部門和尺寸工程師，這些部門和工程師是縱向深入的管理方式，從整車的概念開發階段開始介入，經造型階段、產品開發階段、工藝驗證階段、工裝開發階段、試生產階段、小批量生產階段、一直跟蹤到批量生產階段，整個產品生命周期每個環節都必須有尺寸公差的管理。同時運用公差分析軟件來模擬計算、預測尺寸公差問題，以提前發現并解決。

日韓則是在產品全生命周期內，通過精細化的管理制度，憑借經驗積累和在試生產階段現場的調試來很好的保證尺寸公差問題。近年來日韓也開始使用歐美的分析軟件進行模擬計算與優化，有望在車輛的內外觀間隙、面差方面得到更大的提高。

國內前幾年對尺寸公差幾乎沒有控制，很多主機廠不開檢具，沒有質量控制文件，沒有檢測和驗收的標準；隨著需求的發展，主機廠開始做檢具，隨之國內的檢具廠雨后春筍般的出現，但是主機廠對檢具的要求還是不能很好的控制，甚至出現大量的零件的生產廠家自己制造檢具驗收自己生產的零件的滑稽現象。目前部分主機廠已經開始借鑒日韓對尺寸公差的方法進行管理，同時也吸收歐美的先進的成熟軟件為自主品牌的汽車的尺寸公差控制服務。

建立產品全生命周期的精度設計的目標

隨著設計技術和加工工藝的進步，歐美、日韓都在不斷的提高自己產品的性能和精度來擴大自己的市場占有率。這種趨勢也深深地影響了中國市場，國內的各大主機廠也必須通過尺寸公差的管理來不斷提高自己產品的性能和精度，擴大市場占有率。尺寸公差作為現代汽車制造不可缺少的環節，需要對以下幾個方面的做深入地研究與應用。

1)從產品全生命周期出發，建立基于功能、成本、風險控制的的產品幾何精度設計流程、檢測、評定、控制與驗收管理平臺。

2) 對整車進行尺寸的虛擬驗證。尺寸公差影響著整車制造尺寸的穩定性。整車制造尺寸穩定性是一個整車廠制造水平的體現，尤其是白車身制造的穩定性，對總裝有很大的影響。在新車型投產階段，總裝裝配經常會發現一些裝配干涉現象，有些干涉是由于零部件本身設計或制造質量不好造成的，但是很多時候這種干涉是由于車身車體制造誤差在下游系統的累計效應。所以保證車身車體制造尺寸的穩定性對生產效率有很大的實際意義。

3) 對所有零件輸出質量控制文件。通過在前期接入尺寸公差的管理，提前發現問題，提前解決，在縮短開發周期的同時，降低成本。

4）對總成、白車身、整車進行質量控制。車輛的外飾件的裝配性及內外觀的美感，也是尺寸公差工程的一個重要原因。大燈等外飾件的設計的定位等是否合理，需要尺寸公差的整體驗證，否則可能后出現后期報廢原先開發的大燈，重新設計的情況。整車內外觀的美感除了跟造型設計密切相關外，跟我們的做工是否精致有很大關系。

5) 輸出用于零件、總成、整車等現場驗收的檢測基準書。通過尺寸公差的質量文件對一些面的控制，能起到改善風噪聲、密封性、行駛平穩性等。影響整車性能的作用。整車的裝配是否完美，直接影響到車輛的風噪聲，而這種噪音往往是客戶最為敏感的問題。同時尺寸匹配也會對整車的密封性產生相應的影響，密封性不好，將大大降低了空調等系統的工作效率，同時由于能量的泄漏，對油耗也會產生一定的負面影響。車身車體模態對行駛平穩性有很大的影響，而車身模態是否會有較大的變化在一定程度上是受到車身車體的裝配精度影響的

基于功能/成本/風險控制的產品幾何精度設計、檢測、評定、控制與驗收的尺寸工程管理體系

1）模型設計階段

主要考慮和明確功能要求，盡管也會考慮到一些約束條件，如環境影響和使用工況等，最終還是在理想狀態下，形成了理想模型(公稱模型)。這一模型，也是幾何產品制造的目標和依據。

2）制造規范階段

主要是根據理想模型、功能和質量要求，針對實際的工件，規范其中的幾何要素最大允許的誤差，即所謂的公差標注。根據產品幾何技術規范(Geometrical Product Specifications and Verification，GPS)及相關標準，在公差標注過程中，首先考慮的是功能要求，然后才在綜合考慮質量和成本的基礎上，考慮制造和檢測問題。然后在相關的幾何技術規范(GPS)和技術文件標準的規范(TPD)下，形成規范的工程圖樣。這是后續所有工作的依據。從設計流程上講，后續工作無權自行對工程圖樣進行修改，而只能在其規范的范圍內進行相應的轉化，但不得超越其規范的要求和內容。

為了能有效地規范公差標注過程，特別是評估功能轉換中的相關問題和風險，ISO專門規定了一個專業術語——相關不確定度(Correlation Uncertainty)，并正在研究相關的評估方法，試圖用數字化的方法來評估和控制功能轉化的風險。

當功能要求明確后，在具體公差標注過程中，同樣需要考慮質量成本問題，同時還有可能存在相關的轉換標注問題，因此，這部分可能引起的風險同樣需要控制，ISO對這部分的風險評估是用規范不確定度(SpecificationUncertainty)及其相關評估方法來進行的。

在這里有一點需要明確，我們可以看到在國際/國家標準體系(GPS)中，還有一個詞為驗證(Verification)，從中可以看到國家標準的核心思想與控制流程，即先控制設計，然后控制驗收，這一頭一尾，也恰恰是目前全球化生產模式對產品質量保障的核心。

基于上述考慮，在該階段還有一項非常重要的工作，那就是根據圖樣要求，制訂產品合格驗收的規范。而對于現代產品設計而言，工程圖樣的發放，應該包括了這份驗收規范，這是一種新的理念，是需要我們去理解和執行的。而這也是目前國內絕大部分企業沒有及時跟上，以致在產品驗收時產生相關問題的一個重要原因。

3）產品制造階段

從某種角度講，當圖樣和驗收規范的文檔版本釋放后，后續具體如何實施是承擔制造工作企業的事。但無論是加工工藝制訂過程中對公差的轉換，還是加工過程的相關測量與控制方法，都不應、也不能突破工程圖樣的公差要求。

如果在此過程中發現圖樣的問題，那也需要通過規范的流程，提出相應的反饋意見和改進建議，返回到設計部門去解決圖樣上的相關要求及公差標注等問題。

4）產品驗收階段

產品驗收的依據就是，也只能是設計發布的工程圖樣以及相關的驗收規范。但由于圖樣上的尺寸與公差標注有可能并不覆蓋所有的具體測量過程要求，更何況還存著著多種測量工藝可供選擇。所以一般而言，隨圖樣提供的驗收規范，很多時候還達不到全面規范測量過程的要求。事實上，許多時候也并不需要專門約束具體的測量工藝，因為這里同樣有一個質量成本問題。

從測量的角度來看，所有的測量結果都是有條件的。為此，在實際驗收時，一般會根據圖樣的要求以及相關驗收規范和標準，制訂更為詳盡的具體測量工藝，并對整個測量系統進行相應的評估，這就是需要用到所謂的測量不確定度(Measurement Uncertainty)，同時還必須對誤差評定的過程進行相應的評估。

為了有效地控制和評估這一階段工作相關問題可能帶來的風險，ISO標準專門規定了一個術語----符合不確定度(Compliance Uncertainty)。這其中包括了規范不確度和測量不確定度。

在這樣的驗收規范和不確定度評估的控制下，測量結果才是可信的，也具有可比性。所以，規范是驗收的根本，也是涉及、覆蓋和指導到最具體測量過程的。

5）公差優化階段

在常規的產品設計和公差設計中，一般的流程是單向的。即所謂的設計、加工工藝、制造、檢驗與控制、產品驗收等。但隨著數字化設計、制造和質量控制技術的發展，公差的動態調整技術正逐步成熟并被應用到制造過程中。

基于數字化平臺的尺寸工程(Dimension Engineering, DE)就是一種貫穿于幾何精度形成過程的精度控制技術。其主要工作包括：

1. 基于公差設計結果的容差分析與優化，其核心技術是空間尺寸鏈技術和統計技術的結合

2. 綜合了實際質量狀況的公差分析與優化，其核心除空間尺寸鏈和統計技術外，還包括了現場質量信息的動態融合技術

應用尺寸工程的前提應該是過程控制能力(Cp、CPK等指標)的到位與可控，同時還必須有數字化平臺和完整的規范化管理流程的支撐。

運用基于質量控制能力的尺寸工程技術，就有可能使我們在現場質量控制能力的支撐下，將設計工作分別向品質和成本這二個目標進發，從而從理想王國，走向自由王國。

從上面對整個對整個產品幾何精度形成的過程來看，幾何技術規范(GPS)的規范和控制作用，特別是基于計量數學的理論和基于不確定度技術的數字化控制方法的作用是顯而易見的，盡管這部分的標準目前正在研究和制訂中，但其中許多新的理念和方法，需要我國的企業，技術人員，特別是高層的技術管理人員去學習，去更新我們的知識。

來源：機械工程師聯盟