虛擬偏差分析軟件在整車(chē)DTS開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用分析

李偉

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司 545007）

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)汽車(chē)市場(chǎng)的銷(xiāo)量也讓中國(guó)成為了全球最大的汽車(chē)消費(fèi)國(guó)，各品牌車(chē)型之間的競(jìng)爭(zhēng)已達(dá)白熱化。作為普通的消費(fèi)者，大部分人在購(gòu)車(chē)過(guò)程中第一眼看到的整車(chē)外觀會(huì)留下很重要的印象，而尺寸技術(shù)規(guī)范DTS（Dimensional Technical Specification）設(shè)計(jì)的好壞決定著整車(chē)外觀的間隙面差水平，是靜態(tài)感知質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)。如果DTS設(shè)計(jì)的公差過(guò)嚴(yán)，會(huì)造成汽車(chē)裝配工藝精度要求的提高，導(dǎo)致成本上升。如果公差過(guò)松，會(huì)導(dǎo)致整車(chē)靜態(tài)感知質(zhì)量較差，從而降低客戶的滿意度和購(gòu)買(mǎi)欲，因此需要通過(guò)虛擬偏差分析軟件進(jìn)行DTS工程可行性分析[1]。

1 目標(biāo)DTS設(shè)定

尺寸工程貫穿了整車(chē)研發(fā)的全過(guò)程，包括項(xiàng)目前期的造型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、零件制造和生產(chǎn)裝配等過(guò)程，涉及到靜態(tài)感知質(zhì)量分析、零部件定位策略（CDLS）、DTS開(kāi)發(fā)、虛擬偏差分析、夾檢具設(shè)計(jì)、測(cè)量設(shè)計(jì)以及幾何尺寸和公差開(kāi)發(fā)GD&T（Geometric Dimensioning and Tolerancing）等。

DTS開(kāi)發(fā)從項(xiàng)目初期階段就開(kāi)始介入，一般在完成造型A面設(shè)計(jì)之后我們就需要把DTS確定下來(lái)發(fā)給造型區(qū)域，以便調(diào)整A面的間隙面差。本文以某車(chē)型的后擾流板與后擋風(fēng)玻璃間隙為DTS驗(yàn)證目標(biāo)，介紹虛擬偏差分析軟件的應(yīng)用。車(chē)輛后擾流板總成、后擋風(fēng)玻璃和行李艙蓋總成的裝配工藝如圖1所示。裝配順序是先將后擋風(fēng)玻璃裝配在行李艙蓋上，然后裝配后擾流板總成。

圖1 擾流板裝配工藝

圖2 DTS目標(biāo)值

在新項(xiàng)目立項(xiàng)之后，我們根據(jù)新項(xiàng)目的市場(chǎng)定位確定競(jìng)品車(chē)型，然后對(duì)競(jìng)品車(chē)型在售成品車(chē)進(jìn)行分析。整車(chē)后擾流板與后擋風(fēng)玻璃匹配區(qū)域的控制目標(biāo)主要是2個(gè)零件分縫處的間隙要求，此處也是客戶視角容易觀察到的位置。如果此處間隙大，會(huì)增加雨天出現(xiàn)漏水的風(fēng)險(xiǎn)，需嚴(yán)加控制。我們對(duì)國(guó)內(nèi)競(jìng)品車(chē)型進(jìn)行測(cè)量分析得出結(jié)論，目前此處間隙國(guó)內(nèi)主流制造裝配工藝水平大致為 1.5±1.5 mm，因此設(shè)定此區(qū)域的DTS目標(biāo)值（圖2）。圖中的“Gap”為間隙，名義值和競(jìng)品車(chē)型一致為1.5 mm，但是公差收嚴(yán)為±1.0 mm，“Gap”下的“∥”為平行度要求，要求最大值減去最小值小于1.5 mm。

2 用虛擬偏差分析軟件驗(yàn)證目標(biāo)

2.1 虛擬仿真偏差分析簡(jiǎn)介

虛擬仿真尺寸偏差也叫尺寸鏈仿真分析，這是一種工程工具，是近幾年開(kāi)始在全球各大知名主機(jī)廠（如大眾、通用和福特等）頻繁使用的先進(jìn)技術(shù)。目前世界上使用較多的有3DCS和VisVSA兩種軟件，這兩者都是通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的計(jì)算方法來(lái)模擬仿真分析和評(píng)估在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中零部件的制造偏差及裝配工藝偏差是如何影響產(chǎn)品各種“關(guān)鍵產(chǎn)品特征（KPC）”的。

2.2 虛擬仿真尺寸偏差分析的原理

3DCS和VisVSA軟件都是利用蒙特卡洛原理來(lái)對(duì)總成零件進(jìn)行成千上萬(wàn)次模擬裝配，然后測(cè)量模擬裝配結(jié)果得出多組數(shù)據(jù)。再用統(tǒng)計(jì)學(xué)正態(tài)分布原理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，得出標(biāo)準(zhǔn)偏差（δ）、工序性能（CP）和工序能力（CPK）等關(guān)鍵指數(shù)[2]（圖3）。

圖3 模擬裝配計(jì)算結(jié)果

2.3 創(chuàng)建3D模型進(jìn)行虛擬偏差分析

2.3.1 定位分析

后擾流板和后擋風(fēng)玻璃的定位策略都可以遵循N-2-1定位原則（N≥3），一般在零件投影面積最大的面上選取N個(gè)點(diǎn)，這樣就可以控制2個(gè)方向的自由度（擾流板控制U/D面，擋風(fēng)玻璃控制F/A面）。然后再用2個(gè)定位銷(xiāo)或者孔控制其他4個(gè)方向的自由度，這樣就可以完全控制零件的6個(gè)自由度[3]。

2.3.2 公差分配

按照以往的經(jīng)驗(yàn)，通常擾流板和擋風(fēng)玻璃的基準(zhǔn)點(diǎn)公差都是0，然后我們?cè)跀_流板上選取3個(gè)測(cè)量點(diǎn)均勻分布在左、中、右處，這3個(gè)測(cè)點(diǎn)的公差設(shè)定為±0.5 mm。同時(shí)我們?cè)诤髶躏L(fēng)玻璃上選取對(duì)應(yīng)的3個(gè)點(diǎn)，公差也設(shè)定為±0.5 mm。這樣，通過(guò)測(cè)量模型上點(diǎn)和點(diǎn)之間的距離變化就可以判斷DTS設(shè)定是否合理。行李艙蓋總成由于用了焊接工藝，所以上面的擾流板和后擋風(fēng)玻璃的安裝點(diǎn)公差設(shè)定為±0.75 mm[4]。

2.3.3 建立模型

按照上述擾流板、擋風(fēng)玻璃、行李艙蓋定位和公差策略進(jìn)行建模，把相關(guān)零件數(shù)模導(dǎo)入。然后，通過(guò)賦予基準(zhǔn)、測(cè)量點(diǎn)公差，來(lái)創(chuàng)建裝配過(guò)程和測(cè)量點(diǎn)要素（圖4）。分別對(duì)擾流板、擋風(fēng)玻璃和行李艙蓋賦予公差，然后創(chuàng)建裝配步驟，把擾流板和擋風(fēng)玻璃裝配到行李艙蓋上（裝配基準(zhǔn)逐一對(duì)應(yīng)），最后創(chuàng)建三組點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的測(cè)量要素。

圖4 建模結(jié)構(gòu)樹(shù)

圖5 模型運(yùn)行結(jié)果

表1 模型超差率

2.4 模擬裝配結(jié)果分析

我們根據(jù)上述模型模擬裝配2 000次，結(jié)果如圖5所示。可以看到左、中、右3個(gè)測(cè)點(diǎn)的正態(tài)分布圖基本一致，三個(gè)測(cè)點(diǎn)超差概率接近10%，比較高，都是負(fù)偏差概率較大，且CPK指數(shù)不高。這種情況下裝配結(jié)果達(dá)不到DTS目標(biāo)值，具體數(shù)值如表1所示。

2.5 公差優(yōu)化

以中間的測(cè)點(diǎn)M2為例，查看影響這個(gè)測(cè)點(diǎn)偏差的因子（圖6）。從圖中可以看到，行李艙蓋上的擾流板Z2安裝點(diǎn)影響率將近60%，超過(guò)第二個(gè)因子7倍，因此如果提升這個(gè)點(diǎn)的公差，可以把超差率顯著降低。當(dāng)前行李艙蓋上這個(gè)點(diǎn)的公差是±0.75 mm，如果我們把行李艙蓋上擾流板的3個(gè)安裝點(diǎn)公差控制在±0.5 mm以?xún)?nèi)，重新運(yùn)行模擬裝配，模擬得到的超差率如表2所示。裝配超差率降低了很多，已低于5%，滿足要求。將這個(gè)結(jié)果反饋到上游區(qū)域，在開(kāi)發(fā)行李艙蓋的GD&T圖紙時(shí)把擾流板安裝點(diǎn)公差設(shè)置為±0.5 mm，才能較好滿足擾流板與擋風(fēng)玻璃DTS目標(biāo)值。

圖6 影響偏差的因子

表2 新模型運(yùn)行結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上案例可以看到，在DTS開(kāi)發(fā)階段，運(yùn)用VisVSA等虛擬偏差分析軟件可以最大限度地驗(yàn)證DTS目標(biāo)可行性，同時(shí)也可以針對(duì)影響較大的因子進(jìn)行修正，然后反饋給其他區(qū)域。這可以避免后續(xù)制造階段需要修模、工裝調(diào)整等補(bǔ)救措施。在當(dāng)前國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈的汽車(chē)行業(yè)下，能夠熟練掌握該類(lèi)型軟件可以幫助主機(jī)廠降低研發(fā)成本，提高車(chē)型的尺寸精度，以達(dá)到消費(fèi)者的購(gòu)買(mǎi)期望。