基于3DCS的車門運(yùn)動(dòng)尺寸分析

徐明洋，闞天水，丁劍峰

（愛馳汽車有限公司，上海 200082）

前言

隨著尺寸工程在汽車行業(yè)的廣泛發(fā)展，尺寸鏈分析得到越來越多汽車公司的重視。通過對公差進(jìn)行尺寸鏈累計(jì)分析，汽車行業(yè)逐步建立了一套科學(xué)的尺寸公差問題解決方案[1]。

1D尺寸鏈計(jì)算由于能夠滿足大部分的初級公差分析要求，在線性的尺寸鏈分析中如汽車內(nèi)飾匹配等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。對于復(fù)雜的空間接口，通常會(huì)引入3D尺寸鏈分析軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，其在大燈周邊、門蓋外觀匹配以及底盤裝配等汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3]。目前3D分析軟件3DCS和VSA兩種主流軟件，都是采用蒙特卡羅模擬算法，其基本思想是把封閉環(huán)尺寸公差的問題轉(zhuǎn)化為求解一個(gè)隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)問題來處理，封閉環(huán)尺寸公差的確定，采用隨機(jī)模擬和統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)的方法求解[4]。

汽車門蓋開啟或關(guān)閉過程中如果設(shè)計(jì)間隙過小，可能會(huì)出現(xiàn)干涉碰撞問題。不考慮公差累計(jì)的運(yùn)動(dòng)校核，難以計(jì)算出公差累計(jì)后的真實(shí)最小間隙。通過3DCS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，可以有效反映空間狀態(tài)下零件的工藝公差累計(jì)結(jié)果并計(jì)算出在具體某個(gè)位置時(shí)的最小間隙，從而評估尺寸技術(shù)要求以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性。本文以后門到車身的DTS設(shè)計(jì)間隙3.5±0.5mm為例，通過三種運(yùn)動(dòng)分析方法計(jì)算出其最小運(yùn)動(dòng)間隙。

1 裝配與工藝

后門的安裝工藝如圖1所示。鉸鏈分裝成鉸鏈總成，并通過工裝安裝到后門總成上；后門帶鉸鏈總成通過機(jī)器人自動(dòng)裝配工裝裝配到白車身上。

后門自動(dòng)裝配的定位基準(zhǔn)如圖2所示，后門總成前部通過鉸鏈與車身進(jìn)行打緊，作為Y向定位；其余X/Y/Z向定位通過工裝與車身進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)。

圖2 后門總成工裝定位示意圖

針對后門與側(cè)圍間隙，本文總結(jié)了三種3D計(jì)算方法，并對三種方法的優(yōu)劣性及適應(yīng)范圍進(jìn)行分析對比。

方法一：傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)校核法（DMU+一維尺寸分析）；

方法二：最差點(diǎn)運(yùn)動(dòng)校核法（DMU+3DCS靜態(tài)分析）；

方法三：動(dòng)態(tài)尺寸校核法（3DCS Mechanical運(yùn)動(dòng)分析）。

2 后門與車身最小間隙運(yùn)動(dòng)分析

2.1 傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)校核法

傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)校核法流程見圖3：

后門與車身間隙DTS公差設(shè)計(jì)要求為3.5±0.5mm，運(yùn)用CATIA軟件自帶的DMU Kinematics運(yùn)動(dòng)分析方法，評估運(yùn)動(dòng)包絡(luò)過程中最小的間隙能否滿足最小安全間隙要求（標(biāo)準(zhǔn)為1.0mm）。

DMU Kinematics為可以模擬運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模塊，在數(shù)據(jù)中能夠做出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析。它依照運(yùn)動(dòng)學(xué)的原理，通過約束自由度的方式建立機(jī)構(gòu)，并且分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與移動(dòng)軌跡。

圖3 傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)校核法流程圖

在本例分析中，將DMU Kinematics分析角度設(shè)置為0.5到-1度（后門從內(nèi)向往打開），后門鉸鏈每0.1度測量一次理論最小間隙并記錄最小間隙處后門上的Z向坐標(biāo)值。分析結(jié)果如圖4所示。累計(jì)為mm，該值則為最惡劣公差值。公式中公差設(shè)置：車身間隙面公差為±0.5mm，工裝調(diào)整公差為±0.15mm，后門間隙面公差為±0.5mm。

圖4 后門與車身DTS間隙DMU測量結(jié)果

因此，后門與車身的最小間隙為2.03-0.72=1.31mm，其中2.03為DMU計(jì)算下的最小理論間隙，0.72為最惡劣公差計(jì)算結(jié)果。可知，此種分析狀態(tài)下，設(shè)計(jì)規(guī)范能夠滿足最小安全間隙1.0mm的要求。

2.2 最差點(diǎn)運(yùn)動(dòng)校核法

最差點(diǎn)運(yùn)動(dòng)校核法流程見圖5：

由圖4可知，在后門鉸鏈往車內(nèi)方向旋轉(zhuǎn)0.4度的時(shí)候，后門與車身的DTS間隙最小距離為2.03mm；最小距離的位置在車身坐標(biāo)系下為Z向坐標(biāo)1071.86mm。

由于后門與車身采用工裝調(diào)整裝配，即后門通過側(cè)車身在X向自動(dòng)調(diào)整。通過尺寸鏈均方根算法進(jìn)行分析，則公差

圖5 最差點(diǎn)運(yùn)動(dòng)校核法流程圖

在3.1中，運(yùn)用CATIA軟件自帶的DMU Kinematics運(yùn)動(dòng)分析模塊找出后門在開閉過程之中的理論最小距離點(diǎn)（開啟角度0.4度時(shí)，在Z向坐標(biāo)1071.86mm處），通過3DCS基礎(chǔ)模塊靜態(tài)仿真在該狀態(tài)下的公差累計(jì)結(jié)果，從而計(jì)算出最小間隙值。

由于DMU模塊分析的結(jié)果為理論數(shù)據(jù)狀態(tài)，而考慮車身公差累計(jì)之后的最小間隙、角度和位置均會(huì)發(fā)生不同程度的偏移。為了更精確的計(jì)算出公差累計(jì)后的最小間隙、角度和位置，在0.4度附近設(shè)置計(jì)算圓弧公差，公差角度為0.4±0.1度，即在該角度范圍內(nèi)尋找間隙最小的角度值；在后門Z向理論最小距離點(diǎn)附近同時(shí)設(shè)置一定的測量范圍 1071.86±10mm，以找到考慮公差后的最小間隙點(diǎn)。測量的位置如圖6淺白色區(qū)域所示（下部靠近輪眉處）。

圖6 最小間隙點(diǎn)位置分析示意圖

由圖 7的計(jì)算結(jié)果可以看出，公差 6西格瑪值為±0.86mm，最小間隙為 1.10mm，與方法一結(jié)果差別較大。同時(shí)也能夠滿足最小運(yùn)動(dòng)安全間隙1.0的設(shè)計(jì)要求。

圖7 后門0.4度附近時(shí)最小間隙計(jì)算結(jié)果

根據(jù)最小間隙狀態(tài)，測量該狀態(tài)的后門旋轉(zhuǎn)角度，測量結(jié)果約為0.377度，如圖8所示。

圖8 最小間隙時(shí)的旋轉(zhuǎn)測量角度

保持最小間隙數(shù)據(jù)狀態(tài)，用 CATIA基礎(chǔ)測量命令測量最小間隙，從而得出在該狀態(tài)下后門的 Z向坐標(biāo)點(diǎn)為1071.391mm，如圖9所示。

圖9 最小間隙時(shí)的后門坐標(biāo)位置

2.3 動(dòng)態(tài)尺寸校核法

運(yùn)動(dòng)尺寸校核法流程見圖10：

圖10 動(dòng)態(tài)尺寸校核法流程圖

3DCS Mechanical是一個(gè)易于使用的、用于機(jī)械和運(yùn)動(dòng)組件裝配的尺寸偏差分析解決方案。它提供了一個(gè)不同于3-2-1 定位方法的運(yùn)動(dòng)副和約束庫用于建立裝配模型。組件可以是剛體，并可以在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并且可以計(jì)算出在運(yùn)動(dòng)過程中，各步的模擬結(jié)果。

為了減少 3DCS計(jì)算量和提高計(jì)算速度，將 3DCS Mechanical分析角度范圍設(shè)置為0.5到-1度，每0.1度作為步進(jìn)間隔進(jìn)行測量一次。3DCS Mechanical 模塊不同于基礎(chǔ)模塊的輸出格式，該模塊輸出格式為Excel統(tǒng)計(jì)表，而非類似于正態(tài)分布的貢獻(xiàn)因子類型。計(jì)算結(jié)果圖表轉(zhuǎn)換成柱狀圖，如圖11所示。

圖11 3DCS Mechanical運(yùn)動(dòng)仿真計(jì)算結(jié)果

圖11中結(jié)果可知，在后門旋轉(zhuǎn)0.4度時(shí)， 6西格瑪值為±0.79mm，最小間隙為 1.08mm。，同時(shí)也能夠滿足最小安全間隙1.0mm的設(shè)計(jì)要求。

通過CATIA基本功能將后門旋轉(zhuǎn)0.4度，采用CATIA測量工具測量后門與車身間隙，找出最小間隙Z向坐標(biāo)點(diǎn)。如圖12所示，后門在Z向坐標(biāo)為1071.86mm處，間隙值最小。

圖12 后門旋轉(zhuǎn)0.4度時(shí)最小間隙位置

2.4 三種運(yùn)動(dòng)尺寸分析的對比

通過上述分析結(jié)果可以得出：方法二和方法三結(jié)果相似，與方法一結(jié)果相差較大。針對三種分析方法進(jìn)行優(yōu)劣性對比，對比結(jié)果如表1所示。

針對三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，其適用范圍建議如下：

傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)校核法：適用于產(chǎn)品工程師設(shè)計(jì)的時(shí)候采用，效率較高。對于沒有3DCS軟件的工程師，建議采用DMU+1D公差累計(jì)方式進(jìn)行計(jì)算，能夠相對準(zhǔn)確的分析運(yùn)動(dòng)間隙。

最差點(diǎn)運(yùn)動(dòng)校核法：適應(yīng)于尺寸工程師在時(shí)間充裕的條件下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)間隙分析，特別是計(jì)算精度較為敏感且對功能影響較大的運(yùn)動(dòng)分析。

動(dòng)態(tài)尺寸校核法：建模時(shí)間較短，適用于大部分的運(yùn)動(dòng)間隙分析。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更新基本為最小距離點(diǎn)所在面的調(diào)整，故對最小間隙點(diǎn)的坐標(biāo)不甚敏感，基本能夠滿足大部分的數(shù)據(jù)分析工作，也是最為推薦的一種分析方法。

表1 三種分析方法的優(yōu)劣性對比

3 樣車驗(yàn)證

為了驗(yàn)證新的運(yùn)動(dòng)尺寸分析方法的正確性與合理性，在樣車試制階段，選取5量樣車進(jìn)行測量。每輛車后門往內(nèi)旋轉(zhuǎn)0.4度（需解除密封膠條與鎖扣，以防旋轉(zhuǎn)不了）并固定，從上到下選取5個(gè)測量點(diǎn)。其中測點(diǎn)5為運(yùn)動(dòng)分析出的最小間隙點(diǎn)位置，如圖13所示。

圖13 后門與車身測量位置

測量結(jié)果如圖14所示。

圖14 后門往內(nèi)旋轉(zhuǎn)0.4度與車身間隙測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)圖14計(jì)算可得，測點(diǎn)1到5五個(gè)位置各自的平均值依次為1.33mm、1.44mm、1.37mm、1.33mm和1.24mm，其中測點(diǎn)5間隙處距離最小。由于數(shù)據(jù)樣本較少且樣車尺寸穩(wěn)定性較差，相關(guān)數(shù)據(jù)不足以評判公差控制精度，但能基本反應(yīng)尺寸控制趨勢和本文運(yùn)動(dòng)尺寸分析方法的合理性。

4 結(jié)論

對于傳統(tǒng)的尺寸分析方法，大多還處于尺寸鏈靜態(tài)分析狀態(tài)。對于運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的尺寸鏈分析起來比較困難。本文通過對三種處理運(yùn)動(dòng)間隙分析方法，找到了更加有效、更加科學(xué)的運(yùn)動(dòng)間隙尺寸鏈分析手段。尤其是3D公差分析軟件的采用大大提高了計(jì)算精度，能夠在設(shè)計(jì)階段更精確地識別和評判風(fēng)險(xiǎn)，避免在生成過程之中產(chǎn)生的尺寸問題變更費(fèi)用和變更時(shí)間。隨著3D尺寸鏈分析軟件應(yīng)用的不斷成熟，運(yùn)動(dòng)尺寸分析將變得越來越普遍，且應(yīng)用范圍也將越來越廣。