前副车架焊接夹具精度分析方法

潘垚锟，刘 波，陈小民

(1.中北大学 机械与动力工程学院，山西 太原 030051)(2.太原精铖自动焊接系统设备有限公司，山西 太原 030051)

前副车架焊接夹具精度分析方法

潘垚锟1，刘 波1，陈小民2

(1.中北大学 机械与动力工程学院，山西 太原 030051)(2.太原精铖自动焊接系统设备有限公司，山西 太原 030051)

为保证前副车架的焊接后尺寸、形状和位置参数，针对焊接夹具精度变化和隐蔽的特征，采用Excel 与VBA 对前副车架自动检具检测的数据进行正态分布分析，实现对夹具精度的分析和判断。结果表明：该方法能够及时发现夹具使用过程中由于磨损、受力变形等引起的精度变化，方便技术人员对焊接夹具进行及时调整和修理，避免出现不合格品。

前副车架；焊接夹具；精度分析；正态分布

汽车正逐渐成为一种大众化的交通工具，其生产制造已实现了规模化和自动化。前副车架是汽车的重要焊接部件，制造时，在自动化的生产线上按照顺序将各个零件按照“夹具定位夹紧—焊接机械手自动焊接”的工序依次焊接在一起。在这个过程中，夹具是保证焊接质量的关键。由于夹具在使用过程中的磨损、受力变形等会降低其定位精度，影响焊接后前副车架的尺寸、形状和位置参数，甚至会出现不合格品。因此，夹具在使用一段时间后，需要及时进行调整和修理。

汽车部件在焊接完成后，会利用自动检具对相关参数进行检测，并将检测结果记录到Excel 表格中。Excel 拥有大量的内置公式和VBA(Visual Basic Application)程序设计功能，具有非常强大的数据分析处理能力，可对表中的数据进行诸如正态分析等数据处理工作，且容易生成相关的图表[1]。因此利用Excel软件及其VBA程序设计功能，对前副车架焊接参数检测记录中的数据进行正态分析判断，从而确定夹具是否需要进行调整和维修，以便及时调整夹具，避免因出现不合格品带来的损失，成为企业保证生产计划顺利实施的一种较好的选择。

1 前副车架简介

汽车的副车架可看作是前后车桥的骨架,是前后车桥的组成部分，属于汽车的底盘部分[2]。由于副车架的存在，相当于在悬架和车身之间增加了一级缓冲，有效地阻隔振动和噪声，减轻车身的负荷，可以起到明显改善整车平顺性和操纵稳定性的作用。装有前副车架的汽车驾驶起来会感觉底盘非常扎实、紧凑，具有更好的舒适性。为同时保证良好舒适性和操控性，在设计上前副车架常采用一些复杂结构[3]，如图1所示。仅从外观来看，前副车架多孔多曲面，形状极其不规则，焊装工艺复杂，对相应的焊接夹具要求较高，夹具的细微变化将极大地影响整个前副车架焊接效果。

图1 汽车前副车架

2 数据分析原理

在机械零部件的加工制造过程中，通常利用正态分布理论来对其加工误差进行统计分析，发现误差变化的规律，进而找出并解决影响加工精度的因素，以提高加工精度[4-5]。本文借鉴这一思想和方法，结合在机械加工中对加工误差进行统计分析时常用的“±3σ”原则来对自动检具检测的数据进行正态分析，以确定焊接夹具是否需要进行调整和维修，下面简要介绍其原理。

在工业生产加工过程中，成批量的加工某种零件时，因存在各种误差的相互影响，其加工尺寸或者偏差总在一定范围内变动。这个变动是由很多相互独立的随机误差综合作用的结果，其中如果没有一个起决定作用的随机误差，整个加工后的零件尺寸将近似满足正态分布[6]。正态分布的概率密度函数表达式为：

其分布函数是：

由此式可知，F(x)为正态分布曲线上下积分限间包含的面积，它表征了随机变量x落在区间(-∞，x)上的概率。

由以上分析可知，当z=±3时，即x-μ=±3σ时，2F(3)=99.73%，可认为正态分布的随机变量分散范围是±3σ。这就是在研究机械加工误差中应用广泛的所谓的“±3σ”原则。

6σ的大小代表着一种加工方法在一定的条件下所能达到的精度。在一般情况下，标准差σ和公差带宽度T之间存在如下关系：6σ

在前副车架的焊接生产中，随着焊接夹具使用时间的增加，夹具出现磨损、受力变形等变化是不可避免的，这导致生产的工件尺寸实际分布并不近似于正态分布。当焊接夹具发生较为显著的磨损时，其对应尺寸的标准差、最大值、最小值均发生变化，尺寸的算术平均值是移动的，反映到曲线中，表现为分布曲线的顶部变为平顶。此时，可根据分布曲线样式形状对其变化趋势进行大致的预测，提前判断焊接夹具的修整位置和时间节点。

借助上述理论与思想，可完成对前副车架焊接质量的分析判断，进而达到对焊接夹具精度的分析判断和其修整时间节点的预测，有助于提高工厂的生产效率，保证汽车前副车架的焊接质量和生产节拍。

3 实现方法

由于前副车架焊接参数所用自动检具的检测结果保存在Excel文件“record.xlsx” 中，因此，本文在Excel中利用VBA应用程序开发工具，编写相应的脚本程序完成数据的分析处理和人机界面的生成。如图2所示，本文利用4个工作表来完成相关工作：sheet1为人机界面，提供良好的人机交互环境；sheet2用于保存从“record.xlsx”中复制的原始数据,以防在“record.xlsx”文件中直接进行操作可能造成的数据丢失和修改现象；sheet3用于存放按时间范围从sheet2中筛选出来的数据，即要分析处理的数据；sheet4用于存放数据分析处理过程中的中间计算结果。

图2 人机界面

图2所示的人机界面上方包括组合框控件、日期控件、按钮控件和标签控件等，其下方为分析结果显示区域。使用时，通过组合框控件的下拉列表选择要分析的参数；利用两个日期控件选择时间范围。点击“确定”按钮，执行VBA应用程序，对选中的参数进行分析并生成分析结果。点击“下一组”按钮，清除分析结果，为下一次分析做准备。

为实现上述功能，需要在Excel中采用VBA应用程序开发工具，编写相应的脚本程序。程序主要包括两大部分：初始化和数据处理，其编程环境如图3所示。

图3 VBA编程界面

a.初始化。

打开分析文件“data_analyse_v2.0.xlsx”， 使用ThisWorkbool对象的Workbook_Open()事件执行初始化程序。初始化程序主要用于生成分析过程中所用的4个表格和初始化组合框的下拉列表，包括以下3个步骤：

步骤1,生成新表。因为之前使用该模块进行数据分析处理，会存在分析的表，这将影响模块进行新的分析处理,所以该步骤将依次判断是否存在工作表sheet2、sheet3和sheet4，如果存在，将其删除并新建工作表。

步骤2,复制原始数据。从“record.xlsx”中复制原始数据到sheet2中。

步骤3,初始化组合框控件的下拉列表。只有执行该部分程序，在sheet1上点击组合框的下拉箭头时，分析参数才会出现在下拉列表中可供选择。

b.数据分析处理。

数据分析处理程序主要用于对选中的参数进行正态分布分析和生成人机交互界面，主要利用“确定”和“下一组”两个按钮控件对应的“点击”事件执行数据分析处理程序。利用“确定”按钮的“CommandButton1_Click()” 事件可以实现数据的分析和图形、标准差等分析结果的显示；根据所选的时间范围，将符合时间要求的所有数据从sheet2中筛选出来复制到sheet3中；将数据分析处理过程中的中间计算结果存放在sheet4中等。利用“下一组”按钮的“CommandButton2_Click()” 事件可以清空之前的数据和图形(包括sheet3和sheet4中的数据)，为下一次的数据分析、处理做准备。

4 具体案例分析

本文所分析的前副车架焊接生产线已处于生产阶段，总产量已超过8 000件，剔除调试和试生产时的工件，选择正式连续生产的工件进行分析，最终得到7 000件前副车架的检测数据。将这7 000 件前副车架的检测数据以500 件为一组进行分组，共分成14组，通过分析这14组数据变化趋势，进而对焊接夹具精度的变化进行判断和预测，以便技术人员及时对焊接夹具进行调试。

自动检具需要对前副车架上的36个参数进行检测判断，选择960.7这个参数，以标准差σ作为分析对象，在程序中对这14组数据分析完后，在Excel中记录分析结果，并做折线图分析。14组数据(按时间顺序排列)的标准差如图4所示。

图4 标准差折线图

分析时选择的参数960.7公差带宽度为3，依据“±3σ”原则，标准差σ与公差带宽度T具有以下关系：6σ

5 结束语

文中所提精度分析方法使用方便灵活，结果准确、直观，可大大节省人工计算时间，提高工作效率。该方法可以用于其他汽车零部件制造质量和对应的夹具精度的分析中，也可稍作改进，增加回归分析等其他统计分析方法做进一步的分析，值得在行业中推广。

[1] Excel Home 论坛. Excel2007 图表实战技巧精粹[M]. 北京：人民邮电出版社, 2013.

[2] 王霄锋.汽车底盘设计[M]. 北京:清华大学出版社,2010.

[3] 郑灏．汽车前副车架有限元分析及优化[D] ．武汉：武汉理工大学，2012.

[4] 闫恒兴. 应用正态分布规律改善轴孔配合精度[J]. 煤炭技术, 1999, 18(2): 31-32.

[5] 丁伟. 截尾正态分布理论及其在机械工程上的应用[J]. 重庆职业技术学院学报, 2008, 17(1): 145-148.

[6] 王先逵. 机械制造工艺学[M]. 北京：机械工业出版社, 2009.

Accuracyanalysismethodofweldingfixtureforfrontsub-frame

PAN Yaokun1, LIU Bo1, CHEN Xiaomin2

(1.North University of China, Taiyuan, 030051, China)(2.Taiyuan Jingcheng Automatic Welding System Equipment Co., Ltd., Taiyuan, 030051, China)

To ensure the welding size, shape and position parameters, the automatic welding production lines for automobile front sub-frame mainly rely on the positioning of welding fixture. To realize the analysis and judgment for the accuracy of the fixture, it uses normal distribution with Excel and VBA to analyze data from automatic checking-tool. The method can detect the change of precision caused by wear and deformation timely, be convenient for technical personnel to adjust and repair welding fixture without appearance of unqualified products.

front sub-frame; welding fixture; accuracy analysis; normal distribution

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.10.008

2014-09-02

潘垚锟(1990—)，男，江西玉山人，中北大学硕士研究生，主要研究方向为机电液系统的状态监测及智能控制。

TP311

B

2095-509X(2014)10-0037-04