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2021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2021年上海国际汽车工业展览会上展出的部分汽车外形示意。
图1 2021年上海国际汽车工业展览会上部分汽车外形注：所有照片来源于网络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 17450-2:2012 Geometrical product specifications(GPS) -- General concepts -- Part 2: Basic tenets, specifications, operators,uncertainties and ambiguities》（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（Specification Operator）：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、重汽军工、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（Model Based Systems Engineering，MBSE）的基本要求。下图是根据《ISO/IEC/IEEE 15288-2015 Systems and software engineering – System lifecycle processes》、美国国防部（Department of Defense，DoD）对相关核心文件的要求绘制V&V-A (Verification & Validation andAccreditation，验证&确认和审核)工作流程。
图2 系统生命周期操作流程基于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。
图3 面临数字化转型的尺寸工作流程与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V&V-A模式，充分贯彻了ISO 9000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：
图4 尺寸工程的基本工作流程和操作内容1. 几何质量可行性分析（Geometry Quality Feasibility analysis，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（Geometry Quality management plan, 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（Dimensional Technical Specification, 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 、RPS and Coordinate, 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（Datum System）及定位参考点体系(Reference point system，RPS)策略，以及规范要求的测量数据描述表达的坐标系（Coordinate system，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GD&T图样（Geometry Dimension and Tolerencing，GD&T）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（Variation Analysis，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GD&T图样（Geometry Dimension and Tolerencing，GD&T）在基于零部件功能的GD&T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（Manufacturing system，MS）基于GD&T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（Measure Plan，MP）基于GD&T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（Measure and gauge system，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GR&R、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GD&T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（Data collection & Analysis，DC&A）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GD&T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（Function realization，FR）运用测量辅助装配（Measurement Aided Assemble , 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（Continue improvement，CIP）整个尺寸工程不仅是一个同步工程（Synchronization Engineering，SE）/并行工程(Concurrent Engineering，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。
图5 支撑尺寸工程的基础标准其中：1. ISO 9000标准体系: ISO 9000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 9001(要求)、9002（应用导则）、9004（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 10000标准系列：是ISO 9000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 10001）、监控和测量指南（ISO 10004）、质量计划指南（ISO 10005）、项目管理（ISO 10006）、技术状态管理（ISO 10007）、质量工具和应用（ISO 10009）、测量过程和测量设备要求（ISO 100012）、文本信息指南（ISO 10013）、统计技术指南（ISO 10017）等等。这些标准对ISO 9000系标准进行了实操转化和贯标深化。3. ISO GPS&V标准体系：产品几何技术规范和验证（Geometry Product Specification and Verification , GPS&V）标准体系的主体包括了150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. ISO TPD标准体系：技术产品文件（Technical Product Documentation, TPD）标准体系的主体包括了150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(Product Manufacture Information)的三维标注规范、MBd（Model Based definition）和MBD(Model Based Design)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 9000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 9000标准成为可操作。如Ø 汽车行业的ISO/IATF 16949Ø 轨交行业的ISO 22163Ø 医疗器械行业的ISO 13485Ø 航空航天领域的AS 9100Ø 核领域的ISO 19443Ø 油气领域的ISO 29001等。这些标准不仅会给出ISO 9000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(Digital Twin)、数字线程（Digital Thread）,质量信息架构（Quality Information Frameworks , 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关注，那就是长期存档和检索（Long Term Archiving and Retrieval，LOTAR ）标准体系，尽管该标准目前多用于航空航天，但对于尺寸工程的规范运作，同样具有参考价值。上述这些标准，是企业规范运行和良好管理的基础，更是质量的基础。在尺寸工程做得好的企业，一定，也确实能看到成体系的标准的实际应用。这一点在今天中国的车企已是普遍现象了。六、对汽车尺寸工程成功实践的讨论正是因为车企站在系统工程的角度对待车身精度问题，在拥有先进的质量控制理念、思路和方法的同时，让尺寸工程的实践始终在标准规范的基础上得以规范、有序的实现。在实践过程中，国内车企还基于各自产品、技术和资源特点，细化制订了一系规范的操作流程和管理方法，其中主要有：1. 组建了专门的尺寸工程团队，这是一个跨专业、跨部门、跨流程的专业技术团队，这是体制和机制上的保障2. 基于ISO标准理念，细化制订了覆盖尺寸工程所有工作流程的标准规范，为尺寸工程的实施管理提供依据3. 制订了基于同步工程的协同研发和管理机制，确保在部门、流程、专业，甚至供应商之间的同步、沟通、协调、确认、审核等操作的有效实现。同时制订大量的细化操作规范，如上游对下游的要（求）件、下游对上游的（期）望件、定期协调会议机制等4. 制订了产品几何质量设计、实现和保障的验证-确认-审核（V&V-A）流程，其实质量是PDCA的一种具体实践。它对于已完全协同化的汽车制造而言，具有特殊的意义。它不仅全程存在于研发设计阶段，也存在于生产制造阶段，为循证决策和改进提供了全程支持5. 制订了对批产和维保的应用支持管理机制，确保尺寸工程工作成果在后期实际应用和问题反馈，为改进提供支撑6. 运用了先进的几何精度设计语言，如ISO GPS&V、ASME GD&T标准等，确保了误差模型的“真”。只有设计成“真”，才有产品质量的“真”。这同样是国内车企实施尺寸工程的基础。如果不用这些新的标准工具，设计要求不可能成“真”，后续数字化、信息化工作就失去了根本的意义。7. 运用了先进的基于3D的尺寸链分析技术，这是一种零部件精度设计和装配风险的仿真分析技术，通过相应的工业软件实现。这项工作展开的前提是设计的误差模型是“真”的。说到底，公差分析是一种仿真，只有设计是“真”，仿的才能“真”，并给出风险提示8. 运用数字化测量手段，将几何精度、几何过程质量信息数字化，通过数据透明，实现了对几何质量形成过程的有效监控9. 设置了基于零部件实际精度状况的装配分析工序，即匹配操作（Match）,从而为后期批产时的装配调整和装配效率提供技术支撑10. 质量数据库和工艺库的建立，包括市场目标车型数据、企业设计、制造和过程数据信息，以及供应商的质量信息。这些都为尺寸工程的有效开展提供了支撑上述所有的内容在今天国内车企同样是真真切切存在的，尽管各家有自己的规范、流程和方法也有所不同，但所有这些为汽车研发从10年前的40个月左右缩短到了今天的18个月左右做出了实质性的贡献。也为中国汽车车身质量追上国际先进水平奠定了基础。七、对汽车尺寸工程发展方向的讨论数字化转型，同样是尺寸工程的转型需求，从2021年4月中国尺寸工程联盟组织召开的，由200多位工程技术人员参加的“第7届汽车几何质量和尺寸工程高峰论坛”上可以看到，国内车企已全面拉开了尺寸工程数字化转型的序幕，其工程实践和转型途径值得关注。笔者一直认为，标准化是工业化，中国的车身质量就是在规范和有序下得到了实足的提升。而数字化、信息化技术的介入，将起到降本、提速、增效的作用，目标是如此的丰满，但现实还是那样的骨感，为此，中国尺寸工程人开始了研究和探讨，其具体的工程实践有：1. 数字化、信息化转型，需要顶层设计，作为已非常规范操作的车企尺寸工程而言，其已有极好的转型基础，但大家似乎并没有从顶层开始，不是说尺寸人没有去探讨顶层设计，而是现有的那些顶层设计并不完全适用于尺寸工程，或者说并不能真正解决尺寸工程的痛点。这正应了数字化、信息化是个性化的，特别对于专业性极强的系统，那绝对具有异构的特点。这也许是to B遇到的共性问题，真要解决这一问题，一定需要构建以尺寸工程团队为主的融合机制，这种操作模式，互联网、信息化的人会干吗？这也是车企需要深度思考的问题2. 针对尺寸工程的系统性，各车企的尺寸工程团队都在进一步强化规范化和标准化操作，规范化不仅让尺寸工程更具实际的可操作性，也让尺寸工程团队收获了成果。同时也为数字化、信息化的介入和转型打下了更扎实的基础3. 基于尺寸工程的痛点，各车企在更细致规范的基础上，开始研究在操作点上的实现机器辅助、机器介入，甚至机器换人的方法。从今天多家车企的实践来看，无论是基于APP的即时标杆车型参数采集、还是分析汇总报告自动生成，工程实践的效果都非常好，降本、提速、增效的效果明显。当更多的点被突破以后，离整个系统的转型就不远了。这种关注底层痛点的解决方案值得关注4. 开始探讨设计行为模型对过程转型的作用，以期实现操作流程的机器介入，包括某些过程的一键操作、新员工的设计辅助等5. 开始探讨应用数字测量和逆向建模技术，开展模拟实际工件精度状态的拟实匹配操作，从而尽可能提前尺寸工程在制造阶段的介入，节约后期匹配样架和标准件成本。从实施过程来看，效果良好6. 运用基于模型的定义（MBd）技术，对原2D工程图样进行3D标注转化，并参考原车身2D图样制作相关模板，通过2D的View实现了3D工程图样的规范信息表达和向后传输，该方法目前已在多家车企得到了应用7. 加强了数字孪生技术在尺寸工程中的应用，以“真”为目标，运用先进的工程语言，定义、描述和构建各个层级的模型，包括设计阶段的基于虚拟的孪生模型，以及制造应用阶段的基于虚实的孪生模型，这些孪生模型将成为后续数字转型的主角8. 加强了数字线程技术的应用，通过基于模型的设计（MBD）技术的应用，开始探讨设计阶段各层级模型的关联性，以及模型的衍生、变迁和派生，特别是孪生模型的管理问题，以解决设计阶段前端模型变更、制造阶段后端数据变更的快速响应和验证问题9. 开始探讨大数据、知识图谱技术在尺寸工程中的应用，以进一步提升尺寸工程对问题的响应速度和处置能力10. 基于数字孪生、数字线程、MBd/MBD技术，以及已收集的设计、过程和供应商数据，开始探讨整个尺寸工程系统模型和大数据的应用，该模型不仅可以用于产品的研发和迭代，还可以支撑尺寸工程及技术的迭代结束语国内汽车业在车身几何质量方面的成功实践，值得国内制造业思考和借鉴。1. 标准化、规范化的流程和操作，以及V&V-A模式的应用2. 先进标准、工程语言和规范要求表达形式的应用3. 充分的数据采集、管理和应用4. 基于同步工程的沟通和管理机制5. 独立的专业团队6. 充分考虑了新技术的融合应用，并在考虑体系架构的思路下，从底层痛点开始转型升级总之，标准化、规范化和系统化操作，让中国汽车的车身几何质量赶上了国际先进水平。而数字化、信息化转型将对尺寸工程进行降本、提速和增效。话外：常有人说，汽车这样做，搞这么复杂，是因为他们有批量的要求。确实是这样。同时由于大批量生产，使他们还可能有调节的余地。但对于小批量，甚至单件的产品的高精度质量要求而言，我们关注的不应该是一次成功率吗？这可是比汽车尺寸工程有更高的要求。如果大家认为“修配”可以解决问题，那么在这样“作坊式”的工作模式下，标准化确实就失去了意义，那数字化转型的意义又何在呢？ 作者为上海大学教授，同时也是中国尺寸工程联盟召集人。