3DCS公差分析技術(shù)在汽車設(shè)計中的研究及應(yīng)用

文/張國兵，陳文琳，趙烈偉，崔禮春，鄧岷生·安徽江淮汽車股份有限公司

3DCS公差分析技術(shù)在汽車設(shè)計中的研究及應(yīng)用

文/張國兵，陳文琳，趙烈偉，崔禮春，鄧岷生·安徽江淮汽車股份有限公司

尺寸工程是汽車企業(yè)應(yīng)用最廣泛且行之有效的優(yōu)化工具，它貫穿于車身開發(fā)的各個階段，例如造型開發(fā)、設(shè)計開發(fā)、設(shè)計驗證、量產(chǎn)階段。本文從尺寸工程的角度出發(fā)，為確保裝配精度，分析了公差設(shè)計在尺寸工程中的重要性，同時闡述了尺寸工程中GD&T設(shè)計的主要內(nèi)容以及制定的準(zhǔn)則，并對DTS的制定、RPS的制定以及公差分配方法進行研究。

隨著我國汽車行業(yè)的井噴式發(fā)展，企業(yè)之間競爭激烈程度持續(xù)加劇，各汽車廠家爭相推出新車型以滿足市場需求。汽車車身尺寸偏差會嚴(yán)重影響整車的質(zhì)量，國內(nèi)主機廠經(jīng)過多年的逆向?qū)?biāo)及自主研發(fā)嘗試后，在汽車車身的尺寸控制上積累了一定的經(jīng)驗。近年來，計算機技術(shù)的高速發(fā)展為尺寸公差設(shè)計提供了廣闊的平臺，利用計算機進行尺寸公差分析設(shè)計是國內(nèi)外汽車企業(yè)研究的熱點之一，越來越受到重視，對縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、提高裝配尺寸精度、降低開發(fā)成本、保證批量生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定和持續(xù)改進具有重要意義。

尺寸工程概述

尺寸工程貫穿于產(chǎn)品造型開發(fā)、設(shè)計開發(fā)、設(shè)計驗證、量產(chǎn)等各個階段，主要包括造型開發(fā)的整車目標(biāo)設(shè)定（DTS)、設(shè)計開發(fā)的零件定位基準(zhǔn)設(shè)計（GD&T)、零件的公差設(shè)計及分析優(yōu)化、目標(biāo)檢查、測量計劃制定以及尺寸管理等。尺寸工程流程圖如圖1所示，在設(shè)計開發(fā)階段需要多次進行目標(biāo)檢查并不斷修正。因此，設(shè)計開發(fā)階段在整個尺寸工程中起著重要作用。

圖1 尺寸工程流程圖

1)整車目標(biāo)設(shè)定側(cè)重研究整車內(nèi)外尺寸配合公差，負責(zé)關(guān)鍵間隙、面差以及通用公差、功能性要求等的制定，并根據(jù)工藝、制造能力制定目標(biāo)公差。

2)定位基準(zhǔn)及公差設(shè)計的目的是建立整車、零件定位體系及公差。GD&T圖紙體現(xiàn)了公差設(shè)計部門對汽車零件制造公差的要求，并指導(dǎo)和約束工裝廠家對模具、檢具、夾具的設(shè)計和開發(fā)，使零件實物尺寸精度達到設(shè)計要求。

3)通過公差仿真分析軟件檢查初步設(shè)計的模型，判斷裝配的誤差，識別關(guān)鍵尺寸特征，從而減少零件成本及缺陷。

4)一旦確定仿真模型，就可以對試制樣件進行實際檢查，幫助主機廠監(jiān)控尺寸波動情況，快速有效地進行尺寸的再次修正。

5)對零件進行檢測、過程能力統(tǒng)計評價、白車身焊接總成檢測和整車內(nèi)外觀尺寸評價等。

3DCS公差建模與分析

在利用3DCS進行建模與公差分析時，需要一些基本假設(shè)：

⑴建模時所有零件都假設(shè)為剛體，不考慮彈性形變。

⑵建模時不考慮磨損、裝配力、熱膨脹、重力、人工調(diào)整及焊接的影響。

⑶模擬計算時以裝配5000輛車為計算基礎(chǔ)進行統(tǒng)計分析。

⑷所有零件公差制造能力達到6σ水平，即99.73%的合格率，且遵循正態(tài)分布。

⑸使用的數(shù)學(xué)原理為蒙特卡洛（Monte-Carlo)模擬法。

⑹仿真結(jié)果超差率在5%以內(nèi)合格。

模型的創(chuàng)建

根據(jù)重點關(guān)注的問題創(chuàng)建需要分析的3DCS模型，對于整車分析時用于三維建模的數(shù)據(jù)為下車體總成、上車體總成及開閉件總成，各總成分別由單件建模。每一個大總成由許多小總成及單件構(gòu)成，在建立模型時，我們要根據(jù)分析目標(biāo)，把涉及影響分析目標(biāo)的零件參與公差累計計算。計算的方式首先按照焊裝的工藝流程，依次裝配成小總成，然后再把小總成裝配成大總成。

DTS確認

DTS全稱是Dimensional Target Specification(尺寸目標(biāo)規(guī)范)，它規(guī)定了一款整車在尺寸控制方面所達到的目標(biāo)值，對于整車分析目標(biāo)一般是在關(guān)鍵特征部位的截面用GAP（間隙)和FLUSH（面差)，圖2為門蓋系統(tǒng)間隙面差設(shè)定示意圖。在整車層面定義了能代表客戶呼聲的尺寸要求，并以此推動設(shè)計及制造，使產(chǎn)品及過程在統(tǒng)計狀態(tài)下穩(wěn)定。

確定白車身焊接工藝流程

確定白車身焊接工藝流程，主要是為了確定零件的裝配順序，在3DCS建模過程中，就可以按照此裝配順序創(chuàng)建Move，將所有零件裝配在一起。整車分析建模時因裝配層級較深不能全部展示，該車型主要大總成焊接工藝流程樹如圖3所示。

確認定位基準(zhǔn)（RPS和GD&T）

RPS全稱Reference Points System（統(tǒng)一基準(zhǔn)系統(tǒng))是按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分塊，在零件、分總成、總成產(chǎn)品圖紙上逐級設(shè)計選定的產(chǎn)品定位參考系統(tǒng)或精度的主要控制點，是產(chǎn)品設(shè)計、制造和檢測階段共同適用的定位體系。RPS制定的具體步驟：功能研究、公差研究、RPS系統(tǒng)的確定、基本尺寸的確定、公差計算以及最終的RPS圖紙，RPS的制定應(yīng)盡可能的在同一車身坐標(biāo)下，這樣可以避免由于基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換而造成產(chǎn)品的精度降低。

GD&T全稱Geometry Dimension and Tolerance（零件定位基準(zhǔn)設(shè)計)表達了對零件設(shè)計要求的同時，還決定了鈑金件的沖壓工序分配、模具精度、檢具方案、夾具方案，車身GD&T圖是將零件設(shè)計、模具、檢具、夾具連為一體的載體。GD&T包含定位基準(zhǔn)及被測要素公差要求，GD&T圖紙是產(chǎn)品尺寸公差設(shè)計部門對于車身零件制定的具體制造公差要求，用于指導(dǎo)與約束工裝供應(yīng)商模具、夾具、檢具設(shè)計、制造并促使實物零件尺寸精度達到設(shè)計要求，GD&T圖紙為零件的制造精度“立了法”。

確定車身參與裝配零件的定位基準(zhǔn)，即確定零件（或總成)是如何被裝配到車身上去的，為后面的3DCS建模里Move創(chuàng)建做準(zhǔn)備。

圖2 門蓋系統(tǒng)間隙面差設(shè)定示意圖

圖3 焊接工藝流程樹

因汽車上鈑金件及內(nèi)外飾件多是易變形零件，因此在定位時大多采用過約束的N-2-1方法，但在3DCS建模過程中，一般把大多數(shù)零件都視為剛體，這就把N-2-1轉(zhuǎn)換為3-2-1，即6點定位分別控制6個自由度，構(gòu)成主基準(zhǔn)面和第二基準(zhǔn)面的點應(yīng)盡可能的選擇遠一些。對于有些大平板件，在3DCS建模過程中可以采用N-2-1的定位方式進行裝配。

零件的定位基準(zhǔn)可以從GD&T文件中得到，整車模型是從單件建立起來的偏差分析模型，需要每個零件的定位基準(zhǔn)，以及參與裝配的每個小總成、總成的定位基準(zhǔn)。

3DCS建模及輸出結(jié)果

利用3DCS按照其裝配流程進行Move，并對其關(guān)鍵間隙、面差進行Measure，具體步驟為：

⑴三維模型的導(dǎo)入。將零件的CATIA模型導(dǎo)入到3DCS環(huán)境中，并修改模型參數(shù)。

⑵DTS測量點創(chuàng)建。鑒于經(jīng)驗以及競爭車型的數(shù)據(jù)分析，在關(guān)鍵部位建立測量點。

⑶Move創(chuàng)建。按照白車身焊接工藝流程的裝配順序并參考GD&T圖紙中各部件的基準(zhǔn)定位信息完成Move。

⑷Tolerance創(chuàng)建。3DCS模型中的公差設(shè)置主要是設(shè)置Target(目標(biāo)體)上跟Object(工具體)相匹配的孔和面的位置度和輪廓度公差，另外一個就是創(chuàng)建Measure時兩端點的位置度或輪廓度公差，將模型中所有Move相關(guān)的零件上的孔或面設(shè)置位置度和輪廓度公差。公差值range按鈑金件GD&T圖紙中所規(guī)定的信息。

⑸Measure創(chuàng)建。在關(guān)鍵部位建立測量點，即定義檢測點、控制點尺寸及公差目標(biāo)，依次完成各個測點的測量。

⑹進行分析。DCS模型創(chuàng)建完成后，點Run Analysis就可以進行模擬分析了。最后輸出公差的模擬結(jié)果、敏感度分析以及幾何影響因子分析，分析結(jié)果見表1。

表1 公差分析結(jié)果匯總表

初次建模分析發(fā)現(xiàn)超差點主要集中在中滑門區(qū)域，雖然中滑門后期可以通過返修來調(diào)整，但是調(diào)整工時會比較長，調(diào)整效果也不會太好。

方案及優(yōu)化

針對初次建模分析重新梳理超差區(qū)域，充分識別中滑門在車身上各方向限位，通過兩套工裝方案對中滑門區(qū)域進行優(yōu)化分析。滑門與前門的面差（Y向)優(yōu)化前6σ=3.86，超差14.25%；滑門與側(cè)圍的間隙（Z向)優(yōu)化前6σ=3.28，超差7.56%。

方案一：焊裝開發(fā)一套裝具，使用裝具將3個滑輪裝配到中滑門總成上，在此裝具上控制滑輪與中滑門的X、Y、Z向相對位置，然后將滑門總成整體裝到車身上，具體的裝配流程如圖4所示。

方案二：焊裝開發(fā)一套裝具，以車身側(cè)圍為基準(zhǔn)，使用裝具將滑門總成裝配到車身上，滑門在半打開狀態(tài)下打緊滑輪的螺釘，控制Y、Z向相對位置，具體的裝配流程如圖5所示。

方案一優(yōu)化后尺寸鏈環(huán)及分析結(jié)果：滑門與前門的面差（Y向)優(yōu)化后6σ=3.59，超差11.08%，優(yōu)化0.27；滑門與側(cè)圍的間隙（Z向)優(yōu)化后6σ=2.74，超差2.76%，優(yōu)化0.54。

圖4 方案一裝配流程圖

圖5 方案二裝配流程圖

方案二優(yōu)化后尺寸鏈環(huán)及分析結(jié)果：滑門與前門的面差（Y向)優(yōu)化后6σ=1.93，超差0.00%，優(yōu)化1.93；滑門與側(cè)圍的間隙（Z向)優(yōu)化后6σ=1.31，超差0.00%，優(yōu)化1.97。

由以上兩個方案的分析結(jié)果可以看出不同裝配流程對產(chǎn)品的外觀質(zhì)量有著不同的影響，根據(jù)優(yōu)化分析結(jié)果可以得出方案二以車身為基準(zhǔn)，使用裝具的裝配順序更能保證其間隙質(zhì)量，故采用方案二作為最終方案。

結(jié)束語

尺寸工程是一個貫穿產(chǎn)品設(shè)計、零件制造、裝配等產(chǎn)品全生命周期的系統(tǒng)概念，借助于計算機進行合理的公差設(shè)計、分析及優(yōu)化，可以解決或最大限度地減小產(chǎn)品功能、裝配、外觀等問題，對于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、產(chǎn)品持續(xù)改進有很重要的實際意義。本文利用三維尺寸偏差軟件進行分析，通過調(diào)整定位安裝方式從理論上提高了產(chǎn)品的DTS合格率，并將其運用到實際裝車，經(jīng)過驗證，該新車型合格率較以往車型有了很大提高。借助3DCS公差分析技術(shù)對某MPV側(cè)圍、翼子板及四門兩蓋三維數(shù)模進行公差建模和分析，并對分析結(jié)果進行處理，從而做出相應(yīng)的調(diào)整，使裝配更合理。