數(shù)字化虛擬裝配技術(shù)在汽車開發(fā)中的應(yīng)用

趙有鋒 李兵

【摘 要】裝配偏差分析技術(shù)是汽車尺寸工程的核心技術(shù)之一，通過數(shù)字化虛擬裝配偏差建模，以數(shù)字樣車代替物理樣車來評估和優(yōu)化裝配工藝，減少物理樣車的裝配數(shù)量，從而縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。文章分析數(shù)字化虛擬裝配技術(shù)的工作流程和方法，結(jié)合東風(fēng)柳州汽車有限公司某車型的車身開發(fā)案例，建立最優(yōu)的零部件公差分配方案，案例研究表明該技術(shù)可以有效縮短開發(fā)周期與降低開發(fā)成本。

【關(guān)鍵詞】汽車；數(shù)字化；尺寸工程；裝配；偏差

【中圖分類號】U463 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）05-0071-03

汽車車身是由大量鈑金件裝配通過點(diǎn)焊焊接而成的復(fù)雜薄板產(chǎn)品[1]，車身尺寸精度對于產(chǎn)品外觀質(zhì)量、安全性、可靠性和舒適性等性能有重要影響，直接影響產(chǎn)品的整體性能，最終影響市場競爭力。汽車車身由400多個薄板沖壓件在上百個工位上由幾千個焊點(diǎn)裝配而成，歷經(jīng)數(shù)十道乃至上百道加工工序裝配焊接，由于“人、機(jī)、料、法、環(huán)”等因素引起的誤差在制造過程中傳遞和累積形成產(chǎn)品的綜合偏差，最終影響產(chǎn)品性能，因此各主機(jī)廠要高度重視車身裝配技術(shù)。汽車車身的數(shù)字化裝配偏差分析是通過三維軟件建模仿真與計(jì)算來預(yù)測裝配風(fēng)險(xiǎn)和優(yōu)化已有的裝配工藝，達(dá)到降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)、提高效率、降低成本的目的。從當(dāng)前國內(nèi)外現(xiàn)狀來看，尺寸工程不僅覆蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、制造控制、優(yōu)化改進(jìn)的整個產(chǎn)品生命周期，更涉及標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)的綜合應(yīng)用，甚至涵蓋整個汽車幾何質(zhì)量技術(shù)的迭代和技術(shù)進(jìn)化。作為尺寸工程的核心技術(shù)之一的裝配偏差分析技術(shù)已成為提升汽車裝配質(zhì)量和效率的一種手段，針對汽車研制與量產(chǎn)需求，建立面向數(shù)字化虛擬控制裝配偏差的質(zhì)量控制體系，對實(shí)現(xiàn)汽車裝配技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

1 尺寸工程的主要內(nèi)容

尺寸工程又叫尺寸管理，以現(xiàn)狀或預(yù)期的制造能力為出發(fā)點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)合理的定位、合理地分配和制定公差及設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)募庸づc裝配工藝，使產(chǎn)品達(dá)到既定的匹配和功能要求，并且通過應(yīng)用尺寸鏈分析或公差虛擬仿真技術(shù)對上述尺寸設(shè)計(jì)和尺寸要求進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估和預(yù)防的一系列活動[3]。尺寸工程是面向產(chǎn)品全生命周期（幾何）質(zhì)量的一種系統(tǒng)工程，是“工業(yè)4.0”等先進(jìn)制造模式不可或缺的一項(xiàng)基礎(chǔ)且核心的系統(tǒng)化技術(shù)，也是ISO 9000質(zhì)量體系、ISO產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范與驗(yàn)證（GPS&V）標(biāo)準(zhǔn)體系在幾何質(zhì)量領(lǐng)域的具體工程實(shí)踐。

汽車車身尺寸工程包含了間隙面差值的定義、裝配工藝方案設(shè)計(jì)、公差設(shè)計(jì)、制造裝配階段的裝配偏差分析等，從而進(jìn)一步延伸并影響零件的模具設(shè)計(jì)、檢具設(shè)計(jì)、夾具設(shè)計(jì)、測量設(shè)計(jì)及持續(xù)改進(jìn)等。因此，尺寸工程的實(shí)施可以系統(tǒng)性地監(jiān)控和改善車身制造質(zhì)量[4]。

2 三維裝配偏差分析與尺寸工程的關(guān)系

三維裝配偏差分析技術(shù)是在已知零件數(shù)據(jù)和裝配樹、零件定位策略（CDLS）、DTS控制目標(biāo)及公差要求、工裝設(shè)備的公差等條件下，通過利用三維分析軟件（3DCS或VSA）進(jìn)行建模，運(yùn)用蒙特卡羅計(jì)算方法，進(jìn)行一定樣本量（通常取5 000個樣本量）的虛擬裝配，并計(jì)算裝配累積偏差的數(shù)字化仿真過程。通過數(shù)字化三維偏差分析技術(shù)，分析影響公差積累的原因，評估和優(yōu)化原有的裝配工藝方案和設(shè)計(jì)公差，達(dá)到減小生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)、降低試制成本、提高生產(chǎn)效率的目的。數(shù)字化虛擬裝配偏差分析技術(shù)是尺寸工程的核心技術(shù)之一，在開展整個尺寸工程項(xiàng)目中起著銜接設(shè)計(jì)與制造的作用，既對前期的裝配工藝初步方案和設(shè)計(jì)的公差進(jìn)行評估，建立最優(yōu)的零部件公差分配方案，又為汽車開發(fā)后期的質(zhì)量控制提供依據(jù)。

2.1 裝配偏差分析技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，整車開發(fā)周期速度越來越快，隨著國家提出“中國制造2025”即“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念，各主機(jī)廠研發(fā)體系開始變革，紛紛引入日系、德系、美系等先進(jìn)的開發(fā)模式，架構(gòu)其標(biāo)準(zhǔn)，在這樣的平臺上，融合“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念，搭建尺寸開發(fā)模式。2014年年末，上海大學(xué)李明教授、泛亞汽車技術(shù)中心胡敏博士、神龍汽車龍從林教授級高工、深圳計(jì)量院于冀平教授級高工等業(yè)內(nèi)專家提議成立尺寸工程方面的技術(shù)聯(lián)盟，以構(gòu)建專業(yè)的組織和技術(shù)交流平臺，集全國之力實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破和應(yīng)用推廣，加速中國制造幾何質(zhì)量技術(shù)的提升速度。該倡議很快就得到了全國幾乎所有汽車主機(jī)廠的響應(yīng)，并由上海乾振汽車會議部連續(xù)組織舉辦了四屆聯(lián)盟年會。

2018年，在第四屆尺寸工程技術(shù)年會上，“上汽乘用車”“泛亞”等車企，不僅在設(shè)計(jì)中融入了軟件的自動化操作，更開始探索智能化技術(shù)的應(yīng)用，而這些都是在前期多年的技術(shù)積累和流程標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的基礎(chǔ)上展開的，有效地提升了尺寸工程的實(shí)施效率?！伴L安汽車”提出了通過利用軟件在汽車開發(fā)不同階段虛擬匹配分析，逐步取消UCF和PCF的理念，縮短汽車開發(fā)周期。以“吉利汽車”為代表的自主品牌在學(xué)習(xí)國外經(jīng)驗(yàn)的同時，不懈地在探討具有中國特色的尺寸工程模式，構(gòu)建了從設(shè)計(jì)到制造的全新技術(shù)和管理體系，為企業(yè)的高速發(fā)展提供了技術(shù)支撐。針對設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)人員不足，人手不夠，短時間內(nèi)需要交付成熟產(chǎn)品等問題，“長城汽車”對前期設(shè)計(jì)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，減少尺寸鏈的計(jì)算分析過程，從而減少設(shè)計(jì)失誤，提高工作效率。

“德國蔡司”“積夢科技”“冀邁工程”等供應(yīng)商，在提供專業(yè)的系統(tǒng)技術(shù)工具的同時，開始探索尺寸工程中的工業(yè)大數(shù)據(jù)、系統(tǒng)化管理和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)和實(shí)際工程應(yīng)用，并帶來了實(shí)際的工程應(yīng)用實(shí)例。

基于尺寸工程技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，偏差分析技術(shù)也得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用，但當(dāng)前偏差分析理論研究僅適用于剛性條件下，柔性薄板和非金屬件的仿真還存在不足，有待于進(jìn)一步地開發(fā)和研究。

2.2 數(shù)字化虛擬裝配技術(shù)

數(shù)字化虛擬裝配技術(shù)偏差分析工作主要包括數(shù)據(jù)輸入、仿真建模及仿真計(jì)算和工藝方案優(yōu)化等內(nèi)容。

2.2.1 數(shù)據(jù)輸入

在進(jìn)行三維偏差分析前，應(yīng)先準(zhǔn)備好偏差分析所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，具體如下：數(shù)模，根據(jù)數(shù)模分析零件結(jié)構(gòu)、零件基準(zhǔn)及測點(diǎn)信息；裝配工藝，即零件裝配順序及裝配關(guān)系；DTS技術(shù)要求；EPL表，即零部件明細(xì)表；GD&T圖紙。在整車偏差分析時，GD&T圖紙可能還未編制完成，此時可先行參考以往類似車型的GD&T圖紙，用于公差方案的定義；基準(zhǔn)定位策略（CDLS文件）。

2.2.2 仿真建模

2.2.2.1 定義裝配

根據(jù)CDLS中的定位策略及工藝流程定義零件裝配。在定義裝配時，務(wù)必確保裝配順序及裝配關(guān)系準(zhǔn)確，裝配順序的差異可能會導(dǎo)致分析結(jié)果存在較大的偏差。在3DCS中，同級的零件前后順序?qū)ψ罱K的結(jié)果沒有影響，但原則上按照安裝的前后順序排列，方便閱讀模型（VSA的前后順序有影響）。

2.2.2.2 定義公差

根據(jù)GD&T圖紙中的公差要求，建立各零件及總成的基本公差，包括輪廓度、位置度、直線度、平面度等；根據(jù)實(shí)際情況中白車身同一零件上的點(diǎn)具有一定的相關(guān)性，建模時需以復(fù)合公差的形式添加約束；對有功能尺寸要求的地方，需將功能尺寸以復(fù)合公差的形式在模型中體現(xiàn)。

2.2.2.3 定義測量

在數(shù)模中獲取測點(diǎn)坐標(biāo)及方向矢量，并根據(jù)DTS要求在3DCS中定義測量，包括間隙測量、面差測量、平行度測量、對稱度測量等。

2.2.3 仿真計(jì)算和工藝方案優(yōu)化

2.2.3.1 仿真計(jì)算

運(yùn)用三維偏差分析軟件，通過工藝能力指數(shù)分析和偏差影響因素貢獻(xiàn)度分析，對預(yù)先設(shè)定的裝配工藝方案進(jìn)行評估與DTS校核。從分析結(jié)果中可以獲得各測點(diǎn)的偏差情況及其影響因素。

2.2.3.2 工藝方案優(yōu)化

通過仿真計(jì)算輸出的影響因素報(bào)告，可以優(yōu)化定位策略、零部件精度、裝配順序等對裝配偏差的影響因素，運(yùn)用仿真迭代計(jì)算，建立最優(yōu)的裝配工藝方案。車身裝配工藝評估與優(yōu)化的三維裝配偏差仿真分析技術(shù)流程如圖1所示。

在三維偏差分析技術(shù)方面，上海交通大學(xué)與國內(nèi)知名企業(yè)開展“產(chǎn)、學(xué)、研”合作，進(jìn)行了一些基礎(chǔ)性研究，并開發(fā)了AVA偏差分析軟件，在數(shù)字化協(xié)調(diào)、典型結(jié)構(gòu)的定位與基礎(chǔ)公差庫、DTS質(zhì)量控制目標(biāo)仿真測量等方面建立了初步的規(guī)范和方法，為開展車身虛擬裝配分析工作奠定基礎(chǔ)。

3 虛擬裝配技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

數(shù)字化虛擬裝配技術(shù)在國內(nèi)汽車開發(fā)中得到廣泛的應(yīng)用。近年來，“東風(fēng)柳汽”應(yīng)用數(shù)字化虛擬裝配技術(shù)開發(fā)了“東風(fēng)風(fēng)行”“東風(fēng)景逸”等系列新車型，通過數(shù)字化偏差仿真建模與計(jì)算技術(shù)，評估設(shè)計(jì)裝配工藝方案，并進(jìn)行優(yōu)化，以數(shù)字樣車代替物理樣車，減少物理樣車的數(shù)量，從而減小生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)、明顯縮短了開發(fā)周期，不斷迅速地推出新車型，同時車身質(zhì)量有了很大的提升。圖2為“東風(fēng)景逸”系列車型前照燈與翼子板的DTS三維偏差分析結(jié)果。

從圖2中可以看出，G5和G6的超差率最高，分析偏差最大點(diǎn)（G5、G6）的影響因素（見表1）。

根據(jù)分析結(jié)果及其影響因素，對偏差較大的測點(diǎn)制定優(yōu)化方案。

（1）定位優(yōu)化：根據(jù)影響因素分析結(jié)果可知前照燈F/A3定位面輪廓度、翼子板定位點(diǎn)處輪廓度是主要影響因素，分析兩處的定位方案發(fā)現(xiàn)，定位方案不合理，因此需要優(yōu)化定位方案。定位優(yōu)化方案如圖3所示。

（2）公差優(yōu)化：根據(jù)影響因素分析結(jié)果可知前照燈卡銷安裝孔處輪廓度是主要影響因素，對其進(jìn)行公差優(yōu)化。

通過定位優(yōu)化和公差優(yōu)化以后，重新進(jìn)行仿真計(jì)算，其結(jié)果有很大的改善（見表2）。

4 總結(jié)

傳統(tǒng)的車身尺寸功能評估是通過實(shí)際零件在檢具或夾具上的匹配來評估產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)。這種功能評估將消耗大量的人力和物力，車身開發(fā)成本非常高，同時影響了新車型開發(fā)速度。而數(shù)字化虛擬匹配技術(shù)是對零件基準(zhǔn)、裝配關(guān)系、公差分配等建立剛?cè)狁詈系谋“逖b配三維偏差分析模型，通過仿真計(jì)算，可以從經(jīng)驗(yàn)的定性分析提升到定量分析來預(yù)測裝配偏差，建立整車零部件公差的分配方案，以數(shù)字樣車替代物理樣車，解決傳統(tǒng)建模方法效率低和精度差的難題，形成薄板鈑金公差精確預(yù)測，減少物理樣車的裝配數(shù)量，縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。數(shù)字化虛擬匹配技術(shù)對提升汽車裝配技術(shù)水平具有重要意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]來新民，林忠欽，陳關(guān)龍，等.轎車車體裝配尺寸偏差控制技術(shù)[J].中國機(jī)械工程，2000（11）：1215-1220.

[2]胡仕新.美國汽車車體裝配與焊接研究現(xiàn)狀[J].中國機(jī)械工程，1997，8（1）：24-26.

[3]張婷婷.車身尺寸工程淺析[C].四川省第十二屆汽車學(xué)術(shù)年會論文集，2015.

[4]胡敏.轎車車身尺寸工程概述[J].上海汽車，2002（7）.

[5]胡敏，來新民，林忠欽，等.車體多柔性體裝配的誤差分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，34（10）：1365-1368.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]