尺寸工程助中国车身几何质量追上了世界先进

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尺寸工程助中国车身几何质量追上了世界先进水平

李明（上海大学）

一、序言

在年上海国际汽车工业展览会上，我们惊喜地发现除个别顶级品牌外，参展汽车外形质量的差别已被基本抹平，其背后是中国汽车人对汽车几何质量和尺寸工程技术的持续研究和深化应用。下图为年上海国际汽车工业展览会上展出的部分汽车外形示意。

今天的汽车行业有着最充分的市场竞争、最严格的监管和召回机制。其工程实践的成功，值得我们探讨。

二、尺寸工程的基本概念

有形的产品都存在几何质量问题。它是产品质量不可分割的一个重要部分。

产品几何质量可以理解为“由零部件几何精度决定的产品功能和性能”。

产品几何质量往往是一个隐性问题，即其对总体质量的影响有时并不直接和即时，但却是实实在在存在的。美国著名的咨询公司J.D.Power经过对全球汽车质量问题的调查后认为，41%的汽车质量问题是由汽车车身的几何质量问题造成的。

产品几何质量还是一个系统性问题，因为它涉及到产品的全生命周期。

解决系统问题，就需要采用系统思维和技术，在汽车领域，应对几何质量问题的技术就是尺寸工程，一个从几何质量定义、设计、实现和保障的系统工程。

尺寸工程到目前还没有统一的定义，可以理解为：“保证产品全生命周期几何质量的一个规范操作集”。

《ISO-2:Geometricalproductspecifications(GPS)--Generalconcepts--Part2:Basictenets,specifications,operators,uncertaintiesandambiguities》（产品几何技术规范（GPS）--通用概念—第2部分：基本原则、规范、操作、不确定度和模糊度）定义了规范操作集：

规范操作集（SpecificationOperator）：一组有序的规范操作。

从尺寸工程定义的讨论来看，其有以下的特点：

尺寸工程的使命是通过几何质量保障产品质量尺寸工程的服务周期是产品的全生命周期尺寸工程的工作对象是零部件几何要素的几何精度总之，尺寸工程是制造业的基础技术和系统技术。

尺寸工程在汽车领域的成功实践为中国制造的高质量发展提供了标杆，其在航空航天、船舶轨交、重汽*工、医疗器械、装备制造、3C家电、电子器件，以及计量检测、工业软件等领域的推广应用，将极大地助力中国制造的高质量发展。

三、尺寸工程的工作流程和管理体系

从尺寸工程作为系统工程的命题来看，其整个工程实践完全符合基于模型的系统工程（ModelBasedSystemsEngineering，MBSE）的基本要求。下图是根据《ISO/IEC/IEEE-Systemsandsoftwareengineering–Systemlifecycleprocesses》、美国国防部（DepartmentofDefense，DoD）对相关核心文件的要求绘制VV-A(VerificationValidationandAccreditation，验证确认和审核)工作流程。

基于MBSE理论，在分析总结国内外尺寸工程实践的基础上，特别是对国内多家车企尺寸工程工作流程和工程实践的分析、提炼和汇总的基础上，本文在下图中给出了涵盖数字转型的尺寸工程工作流程和管理体系。

尺寸工程的基本工作流程包括了：

1.涵盖了产品构思、功能定义、指标界定、理想模型、精度设计、工艺设计、质量检测、质保设计、过程控制、验收交付、维保支持的整个生命周期

2.完整体现了设计、验证、确认、审核和保障的VV-A模式，充分贯彻了ISO中给出的过程方法、循证决策、改进和基于风险的思维等原则和思维方法。同时也是面向协同的一种工作模式

3.同步工程的应用，充分融合了技术和管理两条线，不仅涉及到项目的全生命周期，还涉及到项目进行过程中所有的有关相关方

4.标准和规范的工作流程和管理模式，不仅有效地控制了尺寸工程的实施质量，也为数字化转型提供了技术基础

总之，在今天中国汽车的尺寸工程实践中，有着国内企业中最规范的最完整的技术流程、最先进的工程语言和分析工具、可操作的标准规范和过程管理、最齐全的工程数据和信息系统、最有效的沟通机制和协同机制等。已全面对接了几何质量方面最先进的理念、思路和方法。

四、尺寸工程的核心技术和工作内容

基于尺寸工程的通用流程，在实际操作中，各企业会根据实际情况有不同的工作流程和内容。下图为一个简化的尺寸工程的基本工作内容和操作流程：其主要包括：

1.几何质量可行性分析（GeometryQualityFeasibilityanalysis，QFA）

基于产品功能和性能，以及初步的产品结构，进行几何质量要求定义和分解，并就可制造性、可控制性和可调整性进行可行性分析、验证、确认和审核，并形成管理文件

2.制订几何质量管理计划（GeometryQualitymanagementplan,QMP）

基于产品几何质量总体指标，以及制造和控制能力和资源，进行总体指标分解、设计、验证、确认和审核，制订几何质量控制计划并形成管理文件

3.制订DTS（DimensionalTechnicalSpecification,DTS）

制订零部件几何精度的总体控制规范、分解控制原则和验收规范

4.制订基准和坐标系传递策略（Datum、RPSandCoordinate,DRC）

根据零部件特点及制造工艺，制订几何精度设计、检测验收过程中的基准体系（DatumSystem）及定位参考点体系(Referencepointsystem，RPS)策略，以及规范要求的测量数据描述表达的坐标系（Coordinatesystem，CS）,以确保基准体系的正确传递和测量数据表达的正确性。并形成设计规范文件

5.生成基于功能的GDT图样（GeometryDimensionandTolerencing，GDT）

基于零部件应用功能要求进行几何精度设计，即建立基于装配功能的几何误差模型。并按标准进行规范标注，形成规范的2D、3D或两者结合的工程图样，或基于PMI的MBD模型

6.开展基于功能的公差分析（VariationAnalysis，VA）

在基于装配功能的几何误差模型基础上，开展基于3D的尺寸链分析验证，并生成产品几何质量的设计风险报告

7.生成基于控制的GDT图样（GeometryDimensionandTolerencing，GDT）

在基于零部件功能的GDT图样上，结合加工工艺和制造系统控制能力，开展基于加工过程控制要求的几何精度设计和加工尺寸链分析验证，并生成几何精度过程控制风险报告

8.构建并验证制造系统（Manufacturingsystem，MS）

基于GDT图样，构建并验证加工制造系统，验证参数一般包括Cpk、Cmk、Ppk等，生成验证和过程控制、调整计划

9.制订测量计划（MeasurePlan，MP）

基于GDT图样、几何精度测量和控制要求、质保要求，设计生成测量计划、测量工艺、测量频度、统计分析、控制计划，以及测量数据关联和保存要求

10.构建并验证测量系统（Measureandgaugesystem，MGS）

基于测量计划，构建和（PUMA流程）优化测量系统，并评估测量系统的能力，包括GRR、测量不确定度等，并生成评估报告和控制调整计划，以确保测量数据可信。在此基础上，形成对测量不确定表述的共识，并结合GDT图样，形成几何精度符合性判定指标

11.测量数据采集与分析（DatacollectionAnalysis，DCA）

根据测量计划和测量工艺，开展测量操作和控制测量过程，并按要求关联和保存测量数据。验证零部件精度是否符合GDT图样和验收要求

12.基于实际几何精度状态的装配分析（Matching）

根据测量获取的零部件实际几何精度状态，进行零部件装配和实际功能的预估和分析，并制订相应的整改和调整策略

13.装配控制和功能实现（Functionrealization，FR）

运用测量辅助装配（MeasurementAidedAssemble,MAA）技术，实现产品功能，并配合生成总装精度检测和验证报告

14.持续改进（Continueimprovement，CIP）

整个尺寸工程不仅是一个同步工程（SynchronizationEngineering，SE）/并行工程(ConcurrentEngineering，CE),更是一个持续调整、改进、验证、确认和审核的过程，在尺寸工程的背后，需要构建一套完整的，跨专业、跨部门、跨流程的沟通和管理机制

上述所有的操作，都是建立在企业的规范操作要求和所制订的规范操作集下开展的，同时这些规范要求也是整个尺寸工程实施和过程管理的依据。

上述描述的是一个泛的尺寸工程流程，企业将根据产品、企业和供应商的特点，设计自己的规范操作流程和具体的规范操作。

五、支撑尺寸工程的基础标准

标准化是工业化的基础，离开标准化讲现代工业，或者讲转型升级，都是耍流氓。下图是尺寸工程实施过程中必须执行到位，并能对尺寸工程实践起到全面支撑作用的相关标准和标准体系。

其中：

1.ISO标准体系:ISO是一份关于质量，甚至是关乎企业生存和发展的纲领性文件，其给了帮助组织构建挑战过去重未有过质量场景的能力，且面向未来和质量转型的理念、思路、方法和工具。它还包括ISO(要求)、（应用导则）、（管理改进）等。是一切企业管理、质量管理和有效操作的基础

2.ISO标准系列：是ISO标准的要求在各工作场景的补充和拓展。与尺寸工程相关的主要标准包括组织行为准则指南（ISO）、监控和测量指南（ISO）、质量计划指南（ISO）、项目管理（ISO）、技术状态管理（ISO）、质量工具和应用（ISO）、测量过程和测量设备要求（ISO2）、文本信息指南（ISO）、统计技术指南（ISO）等等。这些标准对ISO系标准进行了实操转化和贯标深化。

3.ISOGPSV标准体系：产品几何技术规范和验证（GeometryProductSpecificationandVerification,GPSV）标准体系的主体包括了多个标准，是一个已实现了数字化转型的ISO标准体系，涵盖了最先进的产品几何精度设计的理念和思路、几何误差的数字化模型、设计和产品的数字化验证方法，以及产品交付验收交付准则等。同时还给出了完整的公差标注工程语言，是保障产品几何精度和几何质量的基础规范。

4.ISOTPD标准体系：技术产品文件（TechnicalProductDocumentation,TPD）标准体系的主体包括了多个标准，主要涉及到制图规范、工艺文件规范、CAD建模规范、基于PMI(ProductManufactureInformation)的三维标注规范、MBd（ModelBaseddefinition）和MBD(ModelBasedDesign)模型规范等，是工程图样和工艺文件的基础标准，更是工程图样数字化信息化的基础标准

5.ISO的行业实施标准：这类标准是相关行业对实施ISO标准的细化和展开，也是这些行业的准入标准，一般都需要认证。这些标准使ISO标准成为可操作。如

汽车行业的ISO/IATF

轨交行业的ISO

医疗器械行业的ISO

航空航天领域的AS

核领域的ISO

油气领域的ISO2等。

这些标准不仅会给出ISO要求在具体行业实施中的管理方法，还会给出相应的工具，包括质量功能展开（QFD）、前期质量计划和控制计划（APQP/CP）、风险控制工具（FMEA等）、测量系统分析(MSA)、统计过程控制（SPC）、生产件批准程序（PPAP）等

6.ISO自动化系统和集成标准体系：涉及到产品全生命周期的各类信息接口标准，包括设备、工业软件间等。还有数字孪生(DigitalTwin)、数字线程（DigitalThread）,质量信息架构（QualityInformationFrameworks,QIF）等规范标准。这些标准对于信息传递、数字化、信息化操作是必不可少的

此外，美国ANSI、ASME和MIL也发布了许多相关的标准，有部分上述的ISO标准来源自美国标准，特别是数字化信息化方面的标准。

对于各类文件和规范的设计、验证、确认和审核，还有一个标准体系值得