基于VisVSA軟件的三維偏差分析方法

朱立君 王浩

【摘 要】隨著汽車市場競爭日益激烈，降低成本、縮短開發(fā)周期及提高產(chǎn)品質(zhì)量成為汽車生產(chǎn)企業(yè)競爭的焦點，可視化模擬仿真的三維偏差分析越來越受到企業(yè)的重視。文章介紹了偏差分析常用的3種方法：極值法、統(tǒng)計分析法、蒙特卡羅模擬法，并且以上汽通用五菱汽車股份有限公司某新車型尾門、尾燈的裝配為例，著重介紹了基于VisVSA軟件的三維偏差分析方法。通過VisVSA軟件對新產(chǎn)品進(jìn)行三維建模與數(shù)理統(tǒng)計仿真，然后用來進(jìn)行偏差分析與優(yōu)化，從根本上解決了產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計過程中的尺寸問題，提高了新產(chǎn)品的核心競爭力。

【關(guān)鍵詞】VisVSA；偏差分析；蒙特卡洛模擬法；尺寸工程

【中圖分類號】U463.82 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）09-0058-07

0 引言

隨著人們的生活水平日益提高，汽車曾經(jīng)的代步角色正在發(fā)生變化，汽車的外觀感知質(zhì)量與舒適性越來越受到人們的重視，因此整車尺寸偏差的控制在整個汽車開發(fā)過程中開始占據(jù)重要的地位。20世紀(jì)80年代末，日本汽車企業(yè)依靠全面質(zhì)量管理體系使車身制造綜合尺寸偏差控制在2 mm以內(nèi)，良好的車身制造質(zhì)量使日本轎車品牌得到了全球人們的認(rèn)可。20世紀(jì)90年代初，美國三大汽車制造公司通過著名的“2 mm工程”，使尺寸偏差從1993年的4～5 mm減少到1996年的2 mm以內(nèi)，用短短的3年時間趕上世界先進(jìn)水平，迅速奪回了市場[1]。2005年，J.D.Power對不同汽車部件的用戶關(guān)心度進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查結(jié)果顯示，汽車用戶對車身外觀的關(guān)心度最高[2]。

公差的設(shè)計與控制是決定汽車外觀質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，偏差分析是產(chǎn)品尺寸工程管理過程的核心部分。尺寸偏差分析是根據(jù)車身裝配環(huán)節(jié)上零部件的尺寸分布和公差，考慮偏差的傳遞和累積，計算裝配體尺寸偏差的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，尋找產(chǎn)生裝配偏差的原因或分析尺寸策略合理性的過程。目前，通過電腦進(jìn)行三維建模仿真與模擬，對設(shè)計開發(fā)階段的新產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)偏差分析發(fā)現(xiàn)，及時改進(jìn)和優(yōu)化其中的設(shè)計問題，可以最大限度地減少后期被動的昂貴的設(shè)計變更；對新產(chǎn)品的裝配工藝過程進(jìn)行匹配偏差分析，可以減少生產(chǎn)線調(diào)試階段零部件公差匹配的時間及模具調(diào)試的工作量，提高單件或總成的尺寸質(zhì)量，從而達(dá)到新產(chǎn)品的質(zhì)量要求，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品競爭力。因此，產(chǎn)品公差的設(shè)計與控制成為其質(zhì)量和成本控制的源頭，在整個制造業(yè)中越來越受到重視。

1 3種常見偏差分析方法及其算法

目前，常說的偏差分析是基于尺寸鏈的公差分析模型，描述了尺寸偏差、幾何特征偏差和動態(tài)調(diào)整等特征。尺寸鏈?zhǔn)侵冈诹慵庸せ蚩偝裳b配過程中，由相互聯(lián)系的尺寸按一定順序首尾相連排練而成的封閉尺寸組。在加工或裝配過程中最終被間接地保證精度的尺寸成為封閉環(huán)，其余尺寸成為組成環(huán)?；诔叽珂湹某Ｓ闷罘治龇椒ㄓ袠O值法、統(tǒng)計分析法和蒙特卡洛模擬法。

1.1 極值法

極值法是最壞情況下使用的分析方法，即假設(shè)尺寸鏈中所有零件尺寸都處于最大偏差（也就是說公差同時處于上偏差或者下偏差）時，進(jìn)行計算得到裝配偏差的極限值。一般用于一維尺寸鏈的偏差計算與分析，具體計算公式如下：

F=■|ai| fi

其中，ai為誤差傳遞系數(shù)，一維時，ai=1，二維或三維時，ai=δy/（δxi）；F為封閉環(huán)的公差，fi為第i個組成環(huán)的公差。

實際生產(chǎn)中不會出現(xiàn)制造出的零件尺寸同時處于極值狀態(tài)，因此極值法雖簡單但過于保守，會造成加工成本增加，不適合用于產(chǎn)量大的零件。

1.2 統(tǒng)計分析法

統(tǒng)計分析法是根據(jù)零件誤差分布確定裝配誤差總體分布的方法，一般用于一維尺寸鏈和二維尺寸鏈偏差計算與分析，具體計算公式如下：

F=Z ■

其中，Z、zi分別是封閉環(huán)和第i個組成環(huán)的偏差系數(shù)（當(dāng)各組成環(huán)和封閉環(huán)都為正態(tài)分布時，Z=zi）。統(tǒng)計分析法通常是建立在零件制造偏差服從正態(tài)分布的基數(shù)上，而有些誤差（機(jī)床誤差和配料裝配誤差等）不完全服從正態(tài)分布，而是存在一定的偏移量。

1.3 蒙特卡洛模擬法

蒙特卡洛模擬法是將誤差統(tǒng)計與合成思想運用于分析設(shè)計裝配誤差的一種分析方法，是一種統(tǒng)計試驗法。VisVSA軟件就是基于蒙特卡洛模擬法的三維偏差分析軟件。蒙特卡羅算法的基本思想如下：當(dāng)所求解問題是某種隨機(jī)事件出現(xiàn)的概率，或者是某個隨機(jī)變量的期望值時， 通過某種“實驗”的方法，以這種事件出現(xiàn)的頻率估計這一隨機(jī)事件的概率，或者得到這個隨機(jī)變量的某些數(shù)字特征，并將其作為問題的解[3]。為了便于描述，先定義公差函數(shù)。公差函數(shù)是尺寸鏈中欲求解封閉環(huán)或組成環(huán)與已知組成環(huán)和封閉環(huán)函數(shù)關(guān)系的表達(dá)式，設(shè)公差函數(shù)如下：

Y=y（x1，x2，x3，…，xn）

式中，Y為欲求解的封閉環(huán)或組成環(huán)的尺寸及偏差； n為已知組成環(huán)和封閉環(huán)的個數(shù)；x1，x2，…，xn為相互獨立的已知的組成環(huán)和封閉環(huán)的尺寸及偏差。當(dāng)用蒙特卡羅模擬法來模擬單個零件的制造時，其分析原理如圖1所示。

當(dāng)用蒙特卡羅模擬法來模擬大批量零件的制造時，其分析原理如下：虛擬裝配過程并測量裝配后尺寸（如圖2所示），對測量結(jié)果統(tǒng)計，進(jìn)行曲線擬合（如圖3所示）。

基于蒙特卡羅模擬法的VisVSA分析軟件具有三維尺寸偏差分析和優(yōu)化的功能，能夠在三維空間模擬零件的平移、轉(zhuǎn)動、實際裝車順序等，彌補(bǔ)了一維、二維的平面公差直接分析法的缺陷。通過對產(chǎn)品的三維建模進(jìn)行動態(tài)模擬裝配方式來進(jìn)行仿真分析，并導(dǎo)出仿真報告，查看前位的貢獻(xiàn)因子和敏感度。在這個平臺上，產(chǎn)品工程師、尺寸工程師及制造工程師等相互合作共同對產(chǎn)品的尺寸公差進(jìn)行優(yōu)化，最終通過控制制造偏差和優(yōu)化設(shè)計來提高產(chǎn)品尺寸質(zhì)量和降低產(chǎn)品成本。

正態(tài)分布是蒙特卡羅模擬法中使用最多的模型，產(chǎn)品特性在[μ+3σ， μ-3σ]內(nèi)為可信值，概率值為99.73%。工藝能力一般根據(jù)Cp、Cpk評定，具體計算公式如下：

Cp=設(shè)計偏差/過程偏差=（UDL-LDL）/6σ

Cpk=Min（UDL-LDL）/3σ

公式中，UDL為Upper Design Limit；LDL為Lower Design Limit。

2 蒙特卡羅模擬法偏差分析步驟

使用蒙特卡羅模擬法進(jìn)行三維偏差分析時，需要輸入的設(shè)計參數(shù)信息有CDLS（基準(zhǔn)定位策略）、DTS（尺寸技術(shù)規(guī)范）、裝配順序信息、制造工藝能力及測量計劃等。像其他模擬分析方法一樣，基于蒙特卡羅模擬法的VisVSA三維偏差分析過程，有以下假設(shè)條件[4]。

（1）所有零件假設(shè)為沒有形變的剛體，不考慮零件本身因為重力或外力而產(chǎn)生的變形。

（2）目前的技術(shù)手段無法預(yù)期的物理因素（薄板零件的柔性、運動件慣性運動等）、重力因素、熱因素（油漆工藝）等無法作為三維偏差分析的輸入條件，這些因素是不可預(yù)測的；這些因素會帶來匹配偏差，需要根據(jù)實際生產(chǎn)情況調(diào)整消除。

（3）偏差分析模型中的分析結(jié)果無法反映生產(chǎn)工廠中環(huán)境的變化。三維偏差分析技術(shù)可以預(yù)測的是偏差波動， 無法預(yù)測均值偏移。在線調(diào)整、返修等特殊工藝三維偏差分析虛擬樣車系統(tǒng)中未計入。

蒙特卡羅模擬法進(jìn)行三維尺寸鏈偏差分析的具體步驟如下：①明確各組成環(huán)的分布規(guī)律；②根據(jù)計算精度要求確定隨機(jī)模擬次數(shù)N；③根據(jù)各組成環(huán)尺寸的分布規(guī)律和分布范圍，分別對其進(jìn)行隨機(jī)抽樣，從而得到一組已知組成環(huán)和封閉環(huán)尺寸的隨機(jī)抽樣（x1，x2，x3，…，xn）；④將隨機(jī)抽樣（x1，x2，x3，…，xn）代入公差函數(shù)，計算未知的封閉環(huán)或組成環(huán)尺寸，得到該尺寸的一個子樣；⑤將步驟③、④重復(fù)N次，即可得到封閉環(huán)尺寸的N個子樣，構(gòu)成一個樣本；⑥對求解的封閉環(huán)或組成環(huán)樣本進(jìn)行統(tǒng)計處理，從而確定封閉環(huán)尺寸的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和公差等。蒙特卡羅模擬法的公差分析流程框圖如圖4所示。

3 尾燈到尾門的裝配模型的創(chuàng)建與測量報告分析

基于蒙特卡羅模擬法的VisVSA分析軟件是一款三維偏差分析軟件，依據(jù)蒙特卡羅模擬法原理對產(chǎn)品的裝配工藝過程進(jìn)行模擬仿真，每次虛擬裝配前，軟件會給零件隨機(jī)賦予在公差定義區(qū)間內(nèi)的尺寸值，然后隨機(jī)選取零部件，按定義的裝配順序進(jìn)行裝配仿真，裝配完成后，再按定義好的測量點進(jìn)行測量，以此仿真過程執(zhí)行事先設(shè)定好的模擬仿真次數(shù)，將多次運行獲得的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，以圖表的形式輸出仿真測量報告。

根據(jù)輸出的仿真分析測量報告，對偏差源進(jìn)行分析診斷。1997年，Hu提出了綜合考慮零件結(jié)構(gòu)分析與統(tǒng)計分析的偏差流理論[5]，并推算出了偏差傳遞的概括性公式如下：

[U]=[S]·[V]

公式中，[U]為裝配偏差矩陣，[S]為裝配偏差對偏差源的敏感度矩陣，[V]為偏差源矩陣。

偏差源理論揭示了裝配過程中偏差的傳遞規(guī)律，根據(jù)零件設(shè)計結(jié)構(gòu)、零件偏差及定位穩(wěn)定性等，分析確定各誤差源的貢獻(xiàn)率和敏感度。在對偏差源進(jìn)行分析和診斷時，偏差源對裝配偏差的影響通過2個指標(biāo)值來反映，一個是貢獻(xiàn)度，表示偏差源對裝配偏差的貢獻(xiàn)大小；一個是敏感度，反映的是偏差源傳遞對裝配偏差時被放大的倍數(shù)。

本文以上汽通用五菱汽車股份有限公司的新車型的尾燈到尾門的裝配為例，通過模擬仿真測量尾燈B與尾門的間隙Gap大小，介紹基于VisVSA軟件的三維偏差分析方法。

3.1 確定裝配順序

把所需要零件與組件的3D數(shù)模都轉(zhuǎn)換為jt格式后，根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)線中相應(yīng)零部件的裝配順序或者焊接工藝科提供的最新BOP，作為虛擬仿真的裝配順序，其模擬裝配工藝順序如圖5所示。

3.2 確定裝配基準(zhǔn)

根據(jù)該新車型CDLS（基準(zhǔn)定位策略），與焊接工藝科的工程師共同確定裝配基準(zhǔn)，裝配基準(zhǔn)內(nèi)容包括基準(zhǔn)位置及其所控制的定位方向。為了簡潔易懂，本文只以測量尾燈B與尾門的間隙Gap大小為例進(jìn)行介紹。尾燈B與尾門的定位基準(zhǔn)如圖6、圖7所示。

3.3 設(shè)計公差

根據(jù)初步公差設(shè)定，白車身公差為±1.5 mm。尾燈B與尾門的公差設(shè)定如圖8所示，其余與此次分析模擬仿真無關(guān)的零件，其公差不再一一詳述。

3.4 建立模型樹與測量點

創(chuàng)建模型樹主要包括（按照工藝順序）總成、工裝、零件、裝配、測量的創(chuàng)建。在要輸入的數(shù)據(jù)確定后，把所有相關(guān)設(shè)計信息導(dǎo)入VisVSA軟件，建立模型樹，然后創(chuàng)建測量點（如圖9、圖10所示）。

在完成基準(zhǔn)創(chuàng)建、公差設(shè)定、裝配創(chuàng)建及測量點創(chuàng)建后，可以開始進(jìn)行模擬仿真，設(shè)定仿真次數(shù)為10 000次。

3.5 導(dǎo)出測量報告與分析優(yōu)化

在模擬仿真結(jié)束后，導(dǎo)出模擬仿真測量報告，測量報告以數(shù)值和圖形形式顯示。在盒狀偏差圖中，深陰影部分的代表超差部分，淺陰影區(qū)域代表合格部分（如圖11、圖12所示）。

由上述模擬仿真測量報告可知，尾燈B與尾門的間隙Gap大小超差率達(dá)到了5.58%>5%（設(shè)計要求），需要對尾燈B與尾門的尺寸偏差源進(jìn)行診斷與優(yōu)化。由偏差流理論可知，通過改變公差大小來改變偏差源輸入[V]，也可以通過調(diào)整裝配方式來改變敏感度矩陣[S]。根據(jù)貢獻(xiàn)因子報告圖可知：尾門上控制Y向與Z向的尾燈B安裝孔（B基準(zhǔn)孔）貢獻(xiàn)率達(dá)到37.38%，排在了第一位。

召開新產(chǎn)品開發(fā)小組討論會，與產(chǎn)品工程師、沖壓工程師等一起討論，并在軟件上反復(fù)模擬驗證，決定優(yōu)化尾門上控制Y向與Z向的尾燈B安裝孔（B基準(zhǔn)孔）的位置度，由位置度1.5改為1.0。在VisVSA軟件上單一改變尾門上控制Y向與Z向的尾燈B安裝孔（B基準(zhǔn)孔）的位置度后，再進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果如圖13所示。

經(jīng)過優(yōu)化后，在VisVSA軟件上進(jìn)行模擬仿真，由上述仿真結(jié)果可知：尾門上的尾燈B安裝孔貢獻(xiàn)率由37.38%降到了20.97%，具有一定的效果。由貢獻(xiàn)因子報告圖可知：目前排在第一位、第二位的是尾燈B與尾門的面輪廓度，貢獻(xiàn)率都是31.70%。與產(chǎn)品工程師和沖壓工程師等召開討論會，根據(jù)公司乘用車尺寸標(biāo)準(zhǔn)，一致認(rèn)為尾燈B與尾門的面輪廓度為1.5，有較大的優(yōu)化空間。因此，把尾燈B與尾門面輪廓度改為1.0。再次在VisVSA軟件上進(jìn)行模擬仿真，其測量報告如圖14所示。

在經(jīng)過2次尺寸設(shè)計優(yōu)化后，由上述模擬仿真測量報告可知：尾燈B與尾門的間隙Gap大小超差率只有0.78%<5%（設(shè)計要求），其中Cp為0.91、Cpk為0.8，也得到了提升。具體對比見表1。

從表1的優(yōu)化結(jié)果可以看出，優(yōu)化尾門上控制Y向與Z向的尾燈B安裝孔（B基準(zhǔn)孔）的位置度后，具有一定的效果；如果優(yōu)化尾門上控制Y向與Z向的尾燈B安裝孔（B基準(zhǔn)孔）的位置度和優(yōu)化尾燈B與尾門的面輪廓度同時執(zhí)行，對裝配質(zhì)量有較好的提高，效果明顯。除了調(diào)整公差大小來提升測量目標(biāo)的裝配質(zhì)量外，還可以通過優(yōu)化零件定位方案和優(yōu)化零件裝配順序，來改變偏差源的敏感度，以提升測量目標(biāo)的裝配質(zhì)量，但此方法只是對個別裝配目標(biāo)會帶來顯著的提升效果。

根據(jù)模擬仿真測量報告，我們還可以分析貢獻(xiàn)因子中2個或者3個相近特征的幾個因子，能否合并為同一個特征（例如改到同一個特征面上）；對靠前的幾個特征是否能夠建立功能尺寸（例如車身功能尺寸）作為關(guān)鍵尺寸控制，進(jìn)而定義尺寸關(guān)鍵點和測量計劃。通常較大的敏感度（例如大于1.5）的，說明零件定位結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，應(yīng)盡可能改進(jìn)定位結(jié)構(gòu)來減少敏感系數(shù)。

4 結(jié)論

本文介紹了常用的3種偏差分析方法，并介紹了各自的基本原理。利用基于蒙特卡羅模擬法的VisVSA三維分析軟件對公司新車型的尾燈與尾門的裝配進(jìn)行了10 000次模擬仿真，以測量尾燈B與尾門的間隙Gap大小為例，詳細(xì)介紹了基于VisVSA的一種三維偏差分析方法。同時，闡述了尺寸工程中的偏差流理論與偏差傳遞的概括性公式。偏差源診斷是尺寸偏差分析過程中最重要的一環(huán)，它能有效地幫助我們找到產(chǎn)品尺寸超差率過大的原因，是尺寸優(yōu)化的重要依據(jù)?；赩isVSA的三維偏差分析方法，不但可適用于汽車上其他零件的尺寸偏差分析，也適用于其他車型的零件尺寸偏差分析，具有普遍推廣意義。

VisVSA軟件只是一個進(jìn)行公差管理和分析的工具，人的因素才是關(guān)鍵的。如果我們在進(jìn)行汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中有意識地推行尺寸管理的理念，應(yīng)用這些工具，使尺寸管理這項工作完全融合在整個產(chǎn)品開發(fā)流程中。在整個產(chǎn)品生命周期中，時時刻刻都發(fā)揮它的作用并指導(dǎo)產(chǎn)品的品質(zhì)提升，降低開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，進(jìn)而實現(xiàn)產(chǎn)品的穩(wěn)健型設(shè)計。尺寸管理工作的最終成效就會體現(xiàn)在產(chǎn)品上，提高了產(chǎn)品競爭力，形成企業(yè)的核心競爭力。

本文的優(yōu)化方案是根據(jù)偏差源診斷結(jié)果提出的，并結(jié)合了公司現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與制造能力，不一定為最佳方案。如何建立“質(zhì)量—成本”模型，通過電腦模擬尋找最佳方案，實現(xiàn)質(zhì)量與成本的最佳控制，還有待進(jìn)一步研究與開發(fā)。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]