产品约束体系对检具开发和产品尺寸检测的影响

刘庆上

(南京塔塔汽车零部件系统有限公司,江苏南京 211102)

0 引言

在汽车车身、饰件的开发中，产品的尺寸检测是非常重要的一环。产品开发时所有与尺寸的有关要素都涉及检具。例如在开发流程上有尺寸认可报告，这是开发供应商提供给客户的关键文件。在实际开发时，检具更是产品的尺寸检验的一把特殊的尺子，工程师要用它对产品进行测量以便对产品进行改进。在生产中，更是质量控制的重要手段之一。所以检具的设计与开发是产品尺寸检测的前置开发内容之一。

但是对于这样重要的工具，在实际开发中，由于对产品的约束体系不能正确把握而导致检具开发(甚至要追溯到产品的开发体系)出问题的情形时有发生。主要有以下表现：

(1)产品缺少定位，导致检具开发无所适从。

(2)检具开发不能较好模拟产品的连接和紧固形式。

产品在检具的安装状态(即后文所说的产品检具状态)有两个极端表现：检具开发过度使用约束导致产品的检具状态过于“优秀”，约束不足则导致产品不合格。

(3)抛开检具而过分强调产品的自由状态。

以上的3条既有产品开发者的问题，也有检具开发者理解产品约束不彻底所导致的问题。

1 检具与测量介绍

1.1 检具的基本构成

在讨论产品与检具的影响前，先对要涉及的检具稍作介绍。图1为检具示意图。检具大致包括检具的支撑部分与检测模块，还有一些其他辅助结构以及必要的附件。

图1 检具示意

检具底板是属于检具自身的支撑构件，如图2和图3所示，是整个检具的支撑底座，是检具的安装基础，也是检具加工的基准。

检具检测基准(小型的检具一般3～4个)属于检测模块，其作用是产品测量时用于三坐标设备找正或识别检具的车身三坐标体系，在检具交付使用时的尺寸检验也用到此基准。

检具模拟块属于检测模块，如图2和图3所示，是对产品的轮廓或外形的模拟，用以检测产品的轮廓尺寸，而负责孔位置度检测的有位置度销(分为主基准与子基准)如图3所示。

图2 检具剖面示意

夹钳负责固定产品，在检具中代表对产品约束的模拟，夹钳只是诸多形式之一。

除了以上所说这些，还有模拟产品安装的其他构件(属于产品的支撑与安装构件)。如产品基准销的安装孔(图2)。在检具上还有负责移动的吊环、汽车整车坐标的百位线等其他机构或标识，与文中关系不大，从略。

在图2和图3中给了其剖面图。在该图中展示了产品安装在检具上的状态。

1.2 产品的测量要素

产品固定在检具上之后，要实现的测量无非是产品的形位公差。在汽车的车身或者内外饰的塑料件中，最常用的主要有轮廓度和位置度两种。在饰件专业所发布的图纸中，集成度比较高的主机厂关心的是间隙和面差，如图2所示。这在检具上主要是靠检具的模拟块来实现的。检具模拟块给相关人员以直接的视觉显示，给出来的是尺寸链累积下的最终结果。如果想知道具体的测量值，可以通过间隙测量而测得，也可以通过三坐标设备工具进行测量。最终间隙与面差体现在产品上基本都是轮廓度。对于位置度，检具上也可以用位置度(孔、销特征)等进行模拟测量，如图3所示。

图3 产品位置度检测示意

1.3 检具复杂度

有一类简易检具，只提供产品必要的固定、约束，没有复杂的模拟块，这种检具大多只能配合三坐标设备进行测量，优点是制作成本比较低，这种检具常被习惯地称为测量支架。若想让检具发挥更大的作用，常常要带模拟块和其他位置度检测销等机构或构件。

对于容易拆分且自身约束健全的零部件，都可以做检具。在检具初期可以制定相应的清单和方案，以达到检具数量较少而作用比较大的情形。这就需要前期就进行一定的规划。

2 检具开发的基本原则

检具制作的基本原则是检具设计应尽可能地模拟产品的真实安装环境。这一条原则是从产品的使用角度对检具设计提出的基本要求。应与纯粹的检具自身的设计原则进行区分。比如检具应便于移动等等，不是文中要讨论的内容。

2.1 产品约束体系对检具开发的影响

(1)检具给产品提供的定位应拷贝或参考原设计关系

在不对检具设计方案造成重大影响的情况下，应尽可能地用原产品设计的关系。在图2中，与产品的定位销配合的孔特征本来属于周边零件(图4)，在检具中其孔的特征被检具继承(图4中只体现了一个产品定位销，关于产品体系的知识，可参考相关文献 [1]，若是完全严格拷贝，以图4中产品的定位销为例，检具的模拟定位销的金属块也应将周边件钣金孔的厚度考虑进去，很显然，图2并不是这样的，由于塑料产品常常有拔模，所以图2所示的检具结构也是允许的，这是一种检具的方便处理)。同时检具的孔径也应严肃地对待。

图4 实际产品与周边件的关系

在检具设计中，检具的孔径有自己的算法。在特殊情形下，产品工程师、检具工程师应与检具设计开发者商讨其技术细节，以适应后期的产品开发、检测工作(产品开发中，定位销有可能会做微调)。

(2)检具给产品提供的约束安装应尽可能参考原设计

对于同一样产品来说，不同的约束系统，其表现可能完全不同。这些有性能的表现，如安装与固定点增多，可以提高产品整体模态；有产品尺寸方面的表现，如产品固定点多，安装尺寸更容易保证。当然，无形中有可能(不是一定)也增加了成本。那种不考虑安装状态的想法是比较危险的。这个情形的一个极端便是过度考虑产品的自由状态(毕竟，没有约束也是一种安装状态)，在文中会进行解释。

参考意味着实际中会有变通。在这一点上定点与紧固是共通的。实际中的螺栓点在检具设计时可以用夹钳或其他类似的结构来代替，这倒不是说螺栓的锁紧值与夹钳的固定力分毫不差，而是因为它们对产品的约束效果来说都足够了，也就意味着检具可以用某一个机构代替产品的约束，毕竟检具也要考虑使用方便与经济性，检具只是给产品提供了一个模拟的环境。在图4中，产品用螺栓固定，此螺栓的固定方法在检具中可由不同的类型的强力固定装置代替，最好的方式是检具中也用类似的螺栓拧紧。

2.2 检具设计所需的产品信息技术输入

在不对检具设计方案造成重大影响的情况下，应尽可能地用原产品设计的关系。这就表明2D图纸是检具开发早期的必要前置输入的技术文档之一。但这常常还不够，在进行检具设计时，无论是为了帮助检具开发者理解图纸，还是为了方便检具的设计，给检具开发者提供必要的周边3D数据是必要的。这常常是主机厂工程师所不能理解的地方——为什么在一个纯制造项目中，该产品的制造商常常要索取其所制造零件或系统的周边数据。文中当然不能排除，在一些情况下，一张完善的2D图纸就足够了。

3 产品约束的重要性以及对检具开发的意义

对产品约束体系的重要性无论如何强调都不算过分，除了其中产品装配的作用，对于检具开发的作用也意义重大。这里不妨从相反的方面探讨一下，这是工作开发中常遇到的问题，出现频次较高且影响较大。

3.1 产品定位不合理

由于产品图纸已经有了较为完善的基准，所以检具设计只需要抽取相应技术信息，做出定位结构即可，但工作中并非如此简单。有许多设计公司错误地使用了定位概念，导致产品无基准可用，于是检具设计就陷入了两难境地。由于原产品定位不足[2-3]，若是按照产品的设计开发检具，产品放在检具上，将会出现窜动情况(这和装在车上的趋势是一样的)，这样对于高精度测量必定无法满足。若是检具设计工程师自己找一个基准体系进行检具设计，这样对于产品的检测是可以进行的，但是这样做的结果是不能反映实际无基准的情况。避免此问题最佳的手段，就是产品上要有合理的基准，而不是随便指定一个基准。如果不懂得定位体系，这样既无法设计出合格的装配产品系统，对夹具等加工过程中出现的工装问题也必然无法理解，当然也谈不上正确地开发设计。这就是前文提到的缺少基准，让人无所适从的问题。

检具工程师也会犯同样的错误，没有遵循检具开发的基本原则。一个完善的产品却设计出来一个不好用的检具，不能起到应有的检测作用。常常会导致产品在装车时并没有问题，而在检具上的检测却是不合格的。

由于更改会涉及产品体系以及产品的模具和检具的更改，这会产生经济及时间成本，若多次进行更改而无效的话，产品开发的隐性成本将变得极大。

3.2 检具设计的连接点设计不当

产品连接点有很多类型：塑料卡扣、螺栓等。检具可以对一些对手件进行模拟，而另一些则不易模拟。检具的实质是尽量模拟安装环境，暴露出开发中的问题，所以有几个固定点，在检具上就会出现相应的固定点，作用只要和实际相当即可。大多数情况下，这是没有问题的。不过在特殊情况下，就要小心了。比如实际中使用的是与产品注塑一体化的卡扣(SNAP)结构[4]。检具设计以夹钳代替这种卡扣，会使得产品在检具上的表现大大优于实际。在实车上装配产品，卡扣的固定力比较小，固定不住产品，产品出现翘起情况，而检具上却由于夹钳力很大，将产品强行固定住，测量结果是合格的，这就出现了差异，影响了对产品实际情况的判断。对这种差异要小心评估。

实际中检具的过度约束常常会被滥用，也就是说检具上存在着大量产品上的不存在的约束(若有特殊原因除外)。

4 产品的安装状态探讨

为了进一步阐明产品的约束作用以及与检具在检测工作中的作用，这里补充说明两个概念：产品的检具状态与自由状态。

在工程开发中，有许多工程师对于产品的自由状态的变形极为在意，这本身没有太大的问题，但有一些开发者走向了极端，过度关注自由状态，甚至到了脱离产品的应用环境而单纯地追求自由状态，对产品的认可造成了很多困惑。

如果工艺能将产品做到几乎没有变形，那么产品开发任务就相当简单了。因为如果这样，无论如何设计，工艺能力都将极为富余，所以不会因为产品变形的问题而增加不必要的约束点，但这是一个不太可能的事实。在当前竞争极为残酷的情形下，工艺能力往往都是不足的(这也意味着合理的约束设计是降低了工艺难度的)。最关键的一个事实是，对于柔性相当大的塑料产品，其自由状态其实也不存在，只存在于想象之中。对于一个刚性较好的产品，将产品放置在工作台上，变形可以忽略不计。即使没有检具，如果有较好的特征存在(如平面)，也可以以此为基准，在三坐标下进行测量(由于这种测量方式不在检具上，测量精度也是打折扣的)。因为三坐标是可以进行临时的基准模拟的。但是一个柔性的大产品，如仪表板、保险杠放在地上，会由于自重引起变形而导致尺寸不再准确。那么准确的产品何在？

4.1 产品的检具安装状态

产品在检具上定位安装好以后，称之为产品的检具状态。如果检具的设计较为合理，那么产品在检具上的状态基本上可以认为是在车身安装好的状态最好的反映。不过，车身状态下用的件都是实际产品，所以会导致偏差出现。为了找出到底谁对问题贡献度比较大而制作了检具，这也是检具存在的意义之一。通常认为，产品在检具上合格，此产品也就达到了事前定义的设计状态。但有时即使达到了检具上的测量要求，实际总成仍然存在着尺寸问题。造成这种情况的原因有很多，比如有时候是由于检测者提出更严格的要求，属于偏主观的现象;有时候是由于事前开发定义的尺寸不够合理。由于产品的复杂性，即使很有经验的工程师也无法事前杜绝这种现象。从做一个合格产品的大目标来说，在实际中大都会选择进一步调整使得产品合格，这可能意味着新的精力与经济投入，这已经不属于文中的探讨范围。

即使将来出现重新定义产品精度的情形，检具依旧是最好的参考标准。

4.2 产品的自由状态

产品的自由状态是指产品在没有安装定位情形下的状态。在这种状态下，产品呈现了自由的变形状态。这种变形看起来似乎主要由工艺水平决定。实际是大的产品，其变形程度也和如何放置、支撑有一定的关系，如随手摆在地上，每次的变形都不一样，甚至相差相当大。

但是基于产品的设计，正是基于各种真实产品的需要和可能出现的问题进行设计的。工艺可行性就是基本的考虑因素之一。有经验的设计工程师会根据经验对产品变形进行一定的预测，从而做出相应的设计，所以设计可以弥补工艺的不足。在产品进行检测时，是基于产品的检具状态做出测量。过分强调产品的自由状态是没有实际意义的。

(1)根本不存在所谓标准的自由状态。对于大的塑料件产品，如仪表板、保险杠，摆放方式不同，在自身质量的影响下，每种状态下的产品状态相差很大。在这种情况下，自由状态的实际意义大打折扣。如假设下面一个所谓的数模设计状态，如图5(a)所示；竖直放置的变形，如图5(b)所示；而横放，其自重变形又如图5(c)所示。其变形不但很大，而且变形趋势不同。只有对于强度很高的零件，去测自由变形是有意义的。这里并不是完全否定自由状态，这主要看目的是什么。有理由相信，如果没有重力等外力因素影响，是存在一个所谓自由状态，并且在这个“假想”的自由状态下，产品做得越准确，越靠近3D数据，此时把产品放在检具上，产品的外形尺寸也就越准确。

图5 柔性塑料件在不同放置方式下的变形趋势

(2)即使真要考虑自由状态，将产品放置在检具上，也是最佳的选择。

因为产品在安装情况下所展示的变形既是最真实的变形状态之一，也是最靠近使用状态的情形。考察产品的变形时，将它置于产品的安装状态合情合理，符合工程实际。这时的自由变形由于接近实际状态，对于变形评估也是最有意义的。

通过以上讨论可知，不同的约束与放置类似于产品的技术状态发生了改变。

5 结束语

通过文中的讨论，进一步深化对产品约束体系的了解。不同的约束将影响产品的性能，更影响产品的尺寸，也影响后期开发的产品检测工作以及高质量的交付能力，完善的约束体系减轻工艺压力，提高了工艺窗口。约束体系的合理布局完全有可能在不增加成本的情况下进行，最终带来的是产品开发的效率提高及隐性成本的极大降低。

这一部分知识同样适用于检具开发。如果不了解这些知识，对于工装夹具等开发也会带来很多问题。这不仅给开发带来困扰，也给工程进度、开发成本带来影响。