白車身制造誤差補(bǔ)償方法的研究

王靈犀，李 釗

(沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

白車身制造誤差是汽車制造企業(yè)普遍存在的質(zhì)量問題，車身尺寸誤差的大小直接影響到整車的外觀質(zhì)量和使用性能。車身裝配是一個多層次復(fù)雜的裝配過程，制造過程中的零件誤差、夾具誤差等各種誤差因素影響著車身制造質(zhì)量[1]。車身試制階段是保證車身制造質(zhì)量和減少開發(fā)成本的重要環(huán)節(jié)，然而目前樣車試制中多依靠工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行車身拼裝、誤差診斷和夾具調(diào)整，致使車身在裝配過程中的誤差累積和傳播難以系統(tǒng)的控制，車身開發(fā)成本較高，嚴(yán)重影響了新車型的投產(chǎn)時間。

針對上述問題，本文利用車身試制階段焊裝夾具的可調(diào)性，在車身制造過程中設(shè)置一個誤差補(bǔ)償環(huán)節(jié)，將上游誤差予以消除。各個沖壓薄板件的尺寸誤差、焊裝夾具的制造和安裝不準(zhǔn)確所帶來的裝配偏差、裝配工藝過程的系統(tǒng)誤差都可以用調(diào)整裝配夾具的方法進(jìn)行補(bǔ)償，以使裝配體的關(guān)鍵尺寸符合設(shè)計(jì)規(guī)范，改善車身的制造質(zhì)量。

1 夾具調(diào)整流程

車身試制階段利用夾具位置的可調(diào)性補(bǔ)償車身裝配誤差，采用虛擬仿真的方法，減少實(shí)際依靠經(jīng)驗(yàn)調(diào)整夾具的次數(shù)，節(jié)約了時間和降低了成本。夾具調(diào)整流程如圖1所示。整個流程主要由三部分組成：零件制造信息提取、夾具調(diào)整有限元仿真和仿真結(jié)果評價。完成仿真結(jié)果提取和評價后，確定關(guān)鍵測點(diǎn)是否符合尺寸要求，提出夾具調(diào)整的方案。

圖1 夾具調(diào)整流程

1.1 獲取零件制造信息

①利用非接觸光學(xué)掃描儀對各個零件及總成進(jìn)行掃描，獲取到能反映零件實(shí)際制造誤差的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

②從產(chǎn)品的工藝文件中獲取零件的RPS(Reference Point System)統(tǒng)一基準(zhǔn)點(diǎn)定位信息，傳統(tǒng)的剛性件采用3-2-1定位方式，車身柔性薄板件通常采用N-2-1定位方式，增強(qiáng)板件在焊裝上的定位剛度[2]。

③獲取裝配體的關(guān)鍵測點(diǎn)分布信息。用關(guān)鍵測點(diǎn)的誤差信息評價裝配體的關(guān)鍵尺寸[3]。

④利用Geomagic Qualify軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)模進(jìn)行比對，全面評價零件的制造質(zhì)量，提取裝配體的定位點(diǎn)誤差數(shù)據(jù)和關(guān)鍵測點(diǎn)誤差數(shù)據(jù)，根據(jù)定位點(diǎn)的誤差數(shù)據(jù)初步確定夾具的調(diào)整方案。

1.2 有限元仿真

利用有限元分析的方法進(jìn)行夾具調(diào)整仿真。按照逆向建模的流程，點(diǎn)云經(jīng)過點(diǎn)階段、多邊形階段、形狀階段，利用許多細(xì)小的空間三角片還原零件實(shí)際模型。快速成形逆向軟件Studio，把點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)這些流程生成NURBS曲面，最大限度的保持零件的制造誤差[4]。 網(wǎng)格的精度影響仿真的精度和效率。把反求曲面導(dǎo)入Hyper Mesh中劃分網(wǎng)格，控制好網(wǎng)格的質(zhì)量[6]；施加邊界條件，主要施加的邊界條件有零件定位約束和夾具調(diào)整量；在ANSYS中進(jìn)行計(jì)算分析并導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果。

1.3 仿真結(jié)果評價

仿真運(yùn)算后，輸出零件有限元模型的關(guān)鍵測點(diǎn)及其他所有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值，利用Matlab將這些數(shù)值轉(zhuǎn)變成點(diǎn)云分析軟件Geomagic能讀取的數(shù)據(jù)，再將仿真數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)模進(jìn)行比對，提取關(guān)鍵測點(diǎn)仿真前后的數(shù)據(jù)，評價補(bǔ)償后的零件制造質(zhì)量，如果關(guān)鍵測點(diǎn)出現(xiàn)超差現(xiàn)象，在仿真基礎(chǔ)上進(jìn)行修改調(diào)整夾具方案,直至裝配體的關(guān)鍵尺寸沒有超差。

2 實(shí)例分析

在車身試制階段過程中，發(fā)現(xiàn)輪罩總成有嚴(yán)重的扭曲現(xiàn)象。右后輪罩總成由輪罩內(nèi)板、后座椅右前支撐板、后座椅右后支撐板組成。輪罩是0.8mm的冷軋薄鋼板沖壓而成，第一基準(zhǔn)面在Y方向，即板件在Y向有較大的柔性。前后支撐板由1.0mm的鋼板沖壓而成，整體剛度比輪罩的大。輪罩總成作為下一層裝配的零件，將影響與后地板總成、右后縱梁總成和右側(cè)圍總成的裝配。輪罩尺寸誤差嚴(yán)重影響車身制造質(zhì)量。

2.1 輪罩制造信息獲取

利用OKIO系列掃描儀對輪罩總成及各個單件進(jìn)行掃描，獲得的輪罩總成點(diǎn)云如圖2所示。

圖2 輪罩總成點(diǎn)云圖

輪罩總成是由三個沖壓件通過兩個工位焊接而成。前后支撐板在工位1上焊接成子裝配體，子裝配體和輪罩內(nèi)板焊在工位2上焊接輪罩總成。RPS基準(zhǔn)點(diǎn)系統(tǒng)沿著沖壓零件、子裝配、總成的工藝順序就有繼承性。子裝配體和輪罩內(nèi)板的RPS基準(zhǔn)點(diǎn)定位信息如圖3所示。

圖3 輪罩總成各件的定位信息

裝配體上測量一些關(guān)鍵點(diǎn)的尺寸誤差評價裝配體制造質(zhì)量。該輪罩總成共有18個關(guān)鍵測點(diǎn)。其中有3個關(guān)鍵測點(diǎn)在后座椅右前支撐板上，3個點(diǎn)在后座椅右后支撐板上，其他的12個點(diǎn)均分布在輪罩內(nèi)板上。關(guān)鍵測點(diǎn)分布如圖4所示。

圖4 輪罩總成關(guān)鍵測點(diǎn)

利用計(jì)算機(jī)輔助檢測軟件Geomagic Qualify，將零件總成的點(diǎn)云模型與CAD模型對齊，進(jìn)行3D比較，生成結(jié)果對象并以三維彩色偏差圖模型的形式呈現(xiàn)出來，反應(yīng)了整個零件各部位的誤差狀態(tài)[5]。輪罩總成3D比較結(jié)果如圖5所示。

圖5 輪罩總成3D比較結(jié)果

由圖5可知，輪罩右下方有最大8mm的Y向正偏差，左下方和正上方有4mm左右的Y向負(fù)偏差。提取輪罩總成的18個關(guān)鍵測點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)大部分關(guān)鍵測點(diǎn)都出現(xiàn)超差現(xiàn)象，嚴(yán)重影響零件的功能和裝配。

通過Geomagic Qualify的注釋功能將整個結(jié)果對象的指定位置點(diǎn)進(jìn)行注釋，獲取該點(diǎn)的誤差信息。表1是輪罩總成在焊裝夾具定位點(diǎn)的誤差數(shù)據(jù)。

表1 裝焊夾具定位誤差數(shù)據(jù)

由表1可知輪罩內(nèi)板四個定位面分別有3.74mm、-3.76mm、3.05mm、-3.81mm的Y向誤差值。根據(jù)這些誤差值可初步預(yù)測夾具的調(diào)整量，輪罩內(nèi)板的四個定位面也分別向Y軸方向調(diào)整-3.7mm、3.7mm、-3mm、3.8mm。

2.2 輪罩內(nèi)板有限元仿真

利用快速成形逆向軟件Studio把點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成高質(zhì)量的NURBS曲面，它能最大限度的保持零件的制造誤差，可反求出實(shí)際零件的幾何模型。

利用Hyper Mesh將曲面劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格大小與夾具定位面的大小一致為5mm×5mm。邊界條件包括定位約束的施加和夾具調(diào)整的施加。首先施加定位約束，定位面的模擬是根據(jù)定位面的大小采用多個節(jié)點(diǎn)上施加約束；圓形銷的模擬是將零件定位孔圓周上的所有節(jié)點(diǎn)都施加平面內(nèi)兩個方向的約束；棱形銷的模擬是將零件孔的定位方向的所有節(jié)點(diǎn)施加約束。然后施加夾具的調(diào)整量，在零件夾具定位約束的各個節(jié)點(diǎn)加入調(diào)整的位移值進(jìn)行模擬夾具位置的調(diào)整。 按照上述給出的定位信息和夾具調(diào)整信息施加邊界條件。輪罩內(nèi)板由一個圓形銷RPS1Hzx、一個棱形銷RPS2Hx和四個定位面進(jìn)行定位，子裝配體由兩銷四面進(jìn)行定位。輪罩內(nèi)板四個定位面RPS3Fy、RPS4Fy、RPS5Fy、RPS6Fy向Y軸分別調(diào)整-3.7mm、3.7mm、-3mm、3.8mm。把模型導(dǎo)入Ansys中進(jìn)行求解計(jì)算，并輸出仿真結(jié)果。圖6所示是焊裝夾具補(bǔ)償后的輪罩總成的整體變形圖。

圖6 輪罩總成的整體變形圖

2.3 仿真結(jié)果分析

夾具補(bǔ)償有限元仿真運(yùn)算結(jié)束后，輸出輪罩總成有限元模型變形后的關(guān)鍵測點(diǎn)及其他所有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值。通過逆向校核軟件Geomagic Qualify對仿真模型誤差診斷，檢測夾具補(bǔ)償后各個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的誤差是否在允許的公差范圍內(nèi)。首先利用數(shù)值處理軟件Matlab將這些數(shù)值轉(zhuǎn)變成逆向校核軟件能讀取的數(shù)據(jù)，再將有限元仿真數(shù)據(jù)和輪罩總成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)模導(dǎo)入此軟件進(jìn)行比對分析。

裝配體補(bǔ)償前18個關(guān)鍵測點(diǎn)的誤差值與補(bǔ)償仿真后的結(jié)果如圖7所示。大部分關(guān)鍵測點(diǎn)經(jīng)過夾具補(bǔ)償后誤差值都在±1mm的允許范圍內(nèi)。說明調(diào)整焊裝夾具補(bǔ)償制造誤差的方法是可行的。

圖7 補(bǔ)償后關(guān)鍵測點(diǎn)誤差對比情況

3 結(jié)束語

本文研究了夾具位置調(diào)整補(bǔ)償白車身制造誤差的方法，建立了基于有限元分析的調(diào)整夾具位置補(bǔ)償車身誤差的流程，并應(yīng)用到輪罩總成實(shí)例中。仿真結(jié)果說明：該方法能很好的解決柔性薄板件制造誤差問題。可依據(jù)仿真的結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際裝配中的夾具調(diào)整方案，改善汽車車身柔性薄板件的制造質(zhì)量。

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