DCS在长安公司的应用及展望.doc

DCS在长安公司的应用及展望
贾信朝，龚成云
长安汽车工程研究院
【摘要】 介绍了尺寸管理及DCS软件的应用意义。就DCS在长安公司的应用的现状作了较详细的说明，同时对长安公司业在某车型基础上已开展的DCS分析工作进行了简单的介绍。
【关键词】 尺寸管理 DCS 公差分析

The Application of DCS in Changan Company
Jia Xinchao，Gong Chengyun
Changan Automobile Engineering Institute
Abstract: Introduce the Dimensional Management and describe the application signification of the DCS software. Also introduce the application of DCS by a new model in Changan Company.
Key words: Dimensional Management DCS Tolerance Analysis

1 引言
近年来中国汽车消费市场日益成熟，消费者的消费理念也日趋理性。人们购车时往往乐于在外观、价格、性能等方面寻求合适的平衡点，其中外观及性能即是对质量的直接要求，而且随着汽车社会的发展这种要求也越来越高，而保证外观及性能的基础则是较高的车身尺寸水平。民族品牌汽车要想在国内激烈的市场竞争中立于不败之地，甚至参与国际竞争，就必须加快成长步伐，保证较高的产品质量，这就对汽车车身尺寸水平提出了较高的要求。同时，有市场竞争力的车型往往会在推出时机和价格上有着明显的优势，这又对产品的研发及投产周期提出了更高的要求。
如何保证在有限的周期内研发、制造出较高尺寸水平的车身是汽车产品设计部门与制造部门之间永恒的话题。在长安公司，制造部门与设计部门同步开发的工作方式已经得到了广泛的应用，并已取得良好的效果，但是如何在设计过程中即行开始对尺寸的管理与优化，减少产品试制及投产期的设计变更量是我们应该考虑的最大的问题。因为在所有影响产品开发周期的因素中，控制产品和装配尺寸的偏差对制造成本和制造周期有很大的影响。这样可以有效地缩短开发周期、降低成本。
为满足车身在较短时间内获得较高尺寸水平的需求，优化尺寸管理的问题，长安公司于2007年引进了一款专业的尺寸分析的软件——DCS。
2 DCS概述
2.1 DCS基本概念简介
就DCS本身而言，它是美国DCS公司推出的专注于尺寸管理领域一款软件，全称Dimensional Control System：公差分析系统。这类软件广泛的应用于汽车、航空、开关等工业制造领域，目的在于推动在设计阶段而非制造阶段对产品的各零部件的尺寸公差进行合理分配并对分配的结果进行仿真分析，根据分析的结果公差的分配进行调整或者对产品、工艺的设计提出修正意见，以达到优化产品、工艺设计的目的，同时更重要的是为整个产品的尺寸体系提出了优化的公差。
长安公司引进的DCS软件分为1DCS和3DCS两个模块，分别针对一维和三维公差分配状态进行分析。
2.2 DCS的应用意义
在产品开发初期通过对产品尺寸要求的全面定义清晰地理顺在设计产品和工艺设计的过程中尺寸管理的重点和要点。我们知道，在国内很多设计工作中并没有明确提出对所设计产品的尺寸需求。在引进DCS之前，长安公司也面临着很多诸如此类的问题。借助DCS软件的应用，可以建立一套严格的公差分析工作流程，包括每个阶段工作的输入和输出。
在设计阶段进行尺寸的公差分析，最大程度的优化零部件、工装的公差分配，协调各相关部门以及供应商对产品的尺寸质量进行系统的和科学的管理、优化、和改进，及时整改设计和工艺，提高单件或总成的尺寸质量，减少生产线调试阶段的零部件公差匹配时间，并减少在试生产阶段昂贵的设计变更。在实际是生产过程中，往往存在这种问题：供应商不明确产品的设计要求。如某个安装点的位置公差应该是多少？或某个零件的翻边的面轮廓公差是多少？很多情况下只是给出了笼统的要求：±1.5mm或±0.7mm，这显然是不合理的。这样造成供应商按这种公差分配做出来的零件存在较多的匹配性问题。DCS较大程度上克服了这类问题的大量出现，它以产品提出的位置公差或面轮廓度为基础，应用统计学原理对这些公差产生的结果进行模拟仿真分析，同时认为地可以对不合理的公差的分配进行优化，然后进行再分析，直到得到满意的结果为止。这是DCS软件工作的核心部分。优化后的公差分配很大程度上减少了试生产期间的零件整改、模具调试的工作量。与在试生产阶段发现问题—整改—检验问题是否仍存在的传统方式相比，缩短了调试周期，节约了成本，如图1所示：

1.公差分配优化
2.问题容易分析清楚
3.问题分析整改验证周期短
4. 设计变更及工艺变更发生在设计阶段，周期短，费用低
1.没有公差优化的过程
2.问题不易分析清楚
3.问题分析整改验证周期长
4. 较多的设计变更及工艺变更易产生在试生产期间，周期长，设变费用高

工艺设计
初步公差
零件制造
试生产
问题发现
问题验证
量产
产品设计
初步公差
零件制造
试生产
问题发现
问题整改
问题验证
量产
优化的公差
传统设计制造方式
尺寸优化
设计制造方式
产品设计
产品设计变更
工艺变更
工艺设计
设计变更
工艺变更
问题分析整改
实物数据收集
与模拟结果比较
DCS公差分析

图 1 优化设计方式与传统方式相比较示意图
在DCS分析工作中，需要注意一些输入限制条件，例如某供应商提出某个零件的公差要求对它来说太高，它无法满足这个要求；或者某个零件的公差可以实现，但是实施的成本较高。这些限制情况都需要在分析中就给与考虑。
在产品的试生产阶段, 根据生产测量数据对前期仿真输入和结果的校验来及时发现实际生产中的问题，并迅速寻求问题的缘由和解决方案。模拟分析结果的好坏与分析人员的经验、工作严谨程度等方面存在很大的联系，实物测量的数据和模拟分析的数据对比分析为模拟人员经验的提高及零件公差的更优化分配提供一种解决方案。
所有在产品开发过程中就尺寸管理所做的整改和经验教训可在下一个车型设计制造过程中得到继承和体现。有利于产品和工艺设计最佳方案的经验共享化，推动产品尺寸质量持续改进，缩短产品开发周期。
3 DCS在长安公司应用现状
3.1 DCS在长安公司应用简介
DCS引进长安公司以来，在工作上逐渐建立起了一套初步的流程，这个流程在今后的项目工作中将会得到逐步的完善。诚如2.2.所描述的作用，DCS的引进使长安公司在产品设计上的工作内容更加丰富、完善，同时现在与供应商交流过程中已增加了对供应商输出能力掌握的内容，这些都为DCS分析的开展打下了较好的基础。
DCS的具体应用是结合公司当年在研的某A级车项目进行的，但引进之初是针对白车身的精度而来，所以还未进行过总装零部件装配的公差分析。由于刚开始进行尺寸方面的研究，对DCS软件的熟悉仍有待深化，所以在该项目中进行了发动机仓焊接总成及白车身外观的公差分析优化。公司的其他项目也逐渐开始使用DCS进行某些总成的分析。
3.2 DCS在长安公司应用的初步流程
DCS在长安公司应用的初步流程是结合尺寸管理、公差分配的一般原理与长安公司目前研发的CA-PDS流程而制定出来的，即在CA-PDS流程基础上明确了尺寸管理的各个阶段工作及相应的责任部门，同时也明确了各个阶段的输入输出物。如图2所示长安DCS尺寸管理工作流程，图3所示长安DCS软件操作流程。目前此流程为总体工作流程，在此基础上可派生出各个阶段的详细流程，同时此流程显得较为初步，需要经过多个项目的验证后进行完善。

图2 长安DCS尺寸管理初步工作流程

图3 长安DCS软件操作流程

3.3 DCS在长安公司某车型的应用示例
3.3.1 DCS分析的假设基础
零件公差的设定应遵循如下的流程：
1）讨论达成一致意见并将其体现在各部门共同遵守的文件中；
2）完成产品或样件的数据建模；
3）相关公差文件的编制。
公差分析假设基础如下：
1）除非特别指出，零件的公差均服从正态分布；
2）所有的零部件均被认为是刚体，不存在变形；
3）除非特别指出，重力的影响不考虑在内；
4）单件在总成装配中的磨损不考虑在内；
5）装配夹具和检具的变形不考虑在内；
6）夹具和检具的热变形及热膨胀不考虑在内；
7）一般三维数据模型中的尺寸是公称尺寸；
8）仿真计算的次数（样本数）为2000。
3.3.2 DCS分析的输入条件
1）产品3D数据。这是DCS分析的基础之一，DCS中将3D数据的点、线、面定义成点，在这些元素中，部分定义为基准，部分赋予公差，然后进行仿真分析。
2）产品数据初步公差值。这是初步的公差数据，是DCS工作的另一个基础，整个分析工作的内容就是通过仿真模拟，优化产品公差。
3）产品功能尺寸要求草图。这是公差分析的目标值，稳定满足此目标的零部件均应视为合格。如果在实际分析中发现经过多方努力，零部件达不到预定的目标或者实现此目标的成本很高，则应考虑调整此目标。
4）零件/总成的MLP。描述零部件的制造中定位基准，这是产品公差的基础。
5）关重组件的装配工艺。这里主要针对车门、发动机等重要组件的，其他的零部件在工艺流程中体现。
6）车身工艺流程。
7）供应商输出的工艺能力。
8）初步测量计划。这在DCS分析中用来确认需要控制的测量点，这都应反映在产品功能尺寸要求草图中。在试生产时期，这可作为SPC计划，并可将实测结果与DCS分析阶段的模拟结果相互比较，优化分析后确定新的公差，同时分析人员积累相关经验以利于下一个项目的规避。
3.3.3 3DCS在某车型发动机仓焊接总成分析中的应用示例
在长安公司某车型开发过程中，对发动机仓焊接总成进行了DCS分析，按照以上DCS流程进行了初步公差分配，并在此基础上结合已有的工艺流程、MLP等进行仿真模拟分析。对仿真的结果进行分析，提出了一些工艺流程的修改建议、MLP的优化建议、零部件公差分配的建议等，这些为实物零件在试生产时期取得较好的装车效果打下了坚实的基础。图4为发动机仓焊接总成工艺流程，图5为MLP示意图，图6为功能尺寸要求图，这在优化的过程中逐渐发展成为初步测量计划。

图 4 发动机仓焊接总成工艺流程

图5 MLP示意图

图 6 功能尺寸要求图
在公差分配方面，各零件的在定位基准下的公差均可预先赋予一个经验值，在此基础上进行DCS分析，同时为取得更优化的公差值，往往对已有的公差进行调整，对比不同的分析结果，平衡考虑成本及尺寸精度选择合适的作为最终分配的结果。如图7所示，夹具定位面为不同情况下的四个结果，综合考虑，夹具中定位面精度选择为±0.1mm或±0.15mm比较合适。

a) b)

c) d)
图 7 不同夹具定位面精度下的公差分析结果
夹具定位面精度：a) ±0.05mm b) ±0.1mm c) ±0.15mm d) ±0.2mm

在公差分析的结果对MLP的编制也有着一定的优化意义。如图8所示，零部件定位方式为不同情况下的两个结果，定位方式二模拟分析的结果比定位方式一得到更小的6σ值，所以优先考虑这种定位方式。

a) b)
图 8 不同定位方式下的公差分析结果
夹具定位面精度：a) 6σ=0.9mm b) 6σ=0.7mm
3.3.4 1DCS在某车型地板总成局部分析的应用示例
虽然3DCS的功能较为强大，同时也较直观的反应了零件在不同公差、不同定位基准下的波动情况，但是DCS真正大量使用的却是1DCS，因为1DCS在一维尺寸上的分析更为快速、简洁明了；不过这往往对公差分析人员的现场工艺经验提出了较高的要求。图9、图10所示为某车型地板总成与门槛搭接结构应用DCS进行公差分析的实例。经过1DCS分析，底部搭接的结构更为合理。

a)

b)
图 9 某车型地板与门槛搭接的两种结构
a) 侧面搭接 b) 底部搭接

图 10 某车型地板与门槛搭接的两种结构优化分析
4 结束语：DCS在长安公司应用前景展望
根据市场形势，产品的更新换代的加快是产品取得市场先机的条件之一，长安公司的项目从立项到投产整个周期的将会越来越短，这对产品设计提出了较高的要求，DCS在尺寸管理方面的优势将更为明显。当然，目前DCS存在某些方面的不足，例如将零件视为刚体的假设在侧围等尺寸较大、柔性较强的零件上不适用，不过目前这些不足仍不会影响到现阶段长安公司在尺寸管理方面的需求，这将会是以后尺寸管理需求的提高而依靠软件自身来解决的问题。
目前长安公司对较多的总成的公差只分解到了供货状态的零部件，随着尺寸管理工作的深入开展，将所有的对结构尺寸影响较大的总成分解到单件状态是可能的。同时由于目前公差分析的流程在长安公司处于初步建立的状态，需要多个项目的验证完善，尺寸管理及公差分析工作方面真正形成较高水平、有效的能力还需要3-5年的时间。
总之， DCS分析的尺寸管理方案在整个汽车行业包括长安公司将会得到越来越广泛的应用。

参考文献
1 马玥，崔树礼. 基于虚拟现实的产品公差分析. 系统仿真学报，2001，13：573-575.