基于3DCS軟件的抬頭顯示裝配偏差分析及系統(tǒng)優(yōu)化

賈青　姜立偉

摘? ?要： 抬頭顯示系統(tǒng)是一種車輛安全輔助系統(tǒng)，但其在整車生產(chǎn)流水線中時(shí)常出現(xiàn)標(biāo)定不合格的情況，嚴(yán)重影響投影圖像質(zhì)量。聚焦于抬頭顯示裝配偏差問題，對(duì)其四個(gè)零件——車身橫梁支架、H型支架座、小支架、投影儀的裝配工藝進(jìn)行分析，得到裝配關(guān)鍵要素?；?DCS偏差分析軟件，采用Monte Carlo模擬法，對(duì)抬頭顯示裝配偏差進(jìn)行建模仿真，得到各個(gè)偏差源的貢獻(xiàn)度、敏感度以及6-Sigma值，確定主要偏差源為小支架安裝夾具的孔銷位置度偏差。對(duì)抬頭顯示安裝夾具的公差和設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，即把小支架安裝夾具的孔銷位置度公差值從±0.2 mm改為±0.1 mm，并取消小支架的特征孔而改為小支架上端平面的第三個(gè)特征點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)跟蹤三個(gè)月表明標(biāo)定一次性合格率由70%提升至96.7%。

關(guān)鍵詞： 抬頭顯示;裝配偏差;Monte Carlo模擬法;3DCS軟件;6-Sigma

中圖分類號(hào)：TH? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2095-8412 （2020） 01-069-06

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http： //www.china-iti.com? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.01.014

引言

近年來，道路交通和車輛安全的智能技術(shù)已經(jīng)成為熱門的研究對(duì)象，特別是抬頭顯示系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“抬頭顯示”），作為一種車輛安全輔助系統(tǒng)，引起了業(yè)界的關(guān)注[1]。在汽車上安裝抬頭顯示，可以使駕駛員在不低頭的情況下，通過投影在前擋風(fēng)玻璃上的圖像，得到重要的駕駛信息，從而有效抑制因低頭而引起的注意力分散或視覺盲區(qū)問題，大大提高了行車安全度[2-3]。

為保證投影圖像能夠正確清晰地顯示在擋風(fēng)玻璃上，在整車生產(chǎn)流水線中，需要對(duì)安裝好的抬頭顯示進(jìn)行標(biāo)定。然而在實(shí)際的汽車生產(chǎn)中，時(shí)常有抬頭顯示標(biāo)定不合格的情況出現(xiàn)，主要有以下三個(gè)原因：1）抬頭顯示裝配偏差;2）抬頭顯示產(chǎn)品本身偏差;3）擋風(fēng)玻璃偏差（光學(xué)影響）。國(guó)內(nèi)外研究大多針對(duì)2）和3），鮮有關(guān)于1）的報(bào)道。

本文基于3DCS軟件，采用Monte Carlo模擬法，對(duì)抬頭顯示裝配偏差進(jìn)行研究，以期為汽車內(nèi)外飾的零件裝配偏差控制提供參考依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)偏差分析的有效反饋。

1? Monte Carlo模擬法與3DCS軟件

目前面向剛性裝配的偏差分析方法有極值法、統(tǒng)計(jì)分析法和蒙特卡羅（Monte Carlo）模擬法這三種方法[4]，其中極值法適用于一維尺寸鏈的偏差計(jì)算與分析[5]，統(tǒng)計(jì)分析法可以用來分析一維和二維尺寸鏈的裝配偏差[6]，而Monte Carlo模擬法是一種將誤差統(tǒng)計(jì)和綜合思想應(yīng)用于設(shè)計(jì)裝配偏差分析的方法[7]。Monte Carlo模擬法的原理是，首先建立零件偏差分布的概率模型;然后隨機(jī)抽樣，對(duì)零件進(jìn)行裝配;最后對(duì)裝配偏差進(jìn)行分析，得到裝配偏差的分布[8]，用來分析三維尺寸鏈的偏差[9-10]。由于抬頭顯示裝配過程屬于三維尺寸鏈安裝，因此Monte Carlo模擬法適用于此。

然而，在三維空間中，傳統(tǒng)的手工算法是很復(fù)雜的[11]。20世紀(jì)70年代以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，傳統(tǒng)偏差分析方法與計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)相結(jié)合，三維偏差分析軟件就此出現(xiàn)[12]。近幾年，利用偏差分析軟件進(jìn)行偏差分析成為一種趨勢(shì)[13]。目前偏差分析軟件主要有3DCS、VSA、CETOL、6-Sigma等[14]，其中3DCS軟件是由DCS公司發(fā)布的，它能完全嵌套在CATIA和UG上使用，能夠采用Monte Carlo模擬法進(jìn)行三維偏差分析[15]，因此也適用于抬頭顯示裝配的偏差分析。

2? 抬頭顯示裝配工藝分析及模型建立

2.1? 抬頭顯示裝配工藝分析

在整車生產(chǎn)流水線中，抬頭顯示的裝配涉及到四個(gè)零件，分別是車身橫梁支架、H型支架座、小支架以及投影儀，如圖1所示。

各零件的裝配定位方式如下：

（1）車身橫梁支架作為焊接件，與車身作為一個(gè)整體，一同進(jìn)入油漆車間噴涂;

（2）H型支架座的X、Y、Z方向由H型支架座夾具在車身框架上定位后，操作工對(duì)H型支架座進(jìn)行螺栓緊固;

（3）小支架X、Z方向由小支架夾具在車身框架上定位，Y方向由H型支架座上的位置定位，然后由人工直接對(duì)小支架進(jìn)行螺栓緊固;

（4）投影儀直接由左右兩個(gè)小支架上的定位銷進(jìn)行定位，操作工對(duì)投影儀進(jìn)行螺栓緊固。

由此得出結(jié)論，抬頭顯示投影儀的位置是由小支架上的定位銷的位置和與投影儀接觸的小支架上端平面進(jìn)行確定的。因此本課題將小支架定位銷的位置度、小支架與投影儀接觸的上端平面的平面度作為關(guān)鍵裝配要素。

2.2? 模型建立

2.2.1? 特征點(diǎn)創(chuàng)建

根據(jù)章節(jié)2.1所述零件信息確定各零件的裝配特征點(diǎn)，如表1所示。

對(duì)于H型支架座，需要?jiǎng)?chuàng)建三個(gè)特征點(diǎn)、兩個(gè)特征孔，用于H型支架座自身的裝配。如圖2所示，三個(gè)特征點(diǎn)為L(zhǎng)AGERBOCK X1、LAGERBOCK X2、LAGERBOCK X3;兩個(gè)特征孔為L(zhǎng)AGERBOCK YZ、LAGERBOCK Z。

對(duì)于小支架，需要?jiǎng)?chuàng)建三個(gè)特征點(diǎn)、一個(gè)特征孔、一個(gè)特征面，用于小支架的裝配。三個(gè)特征點(diǎn)、一個(gè)特征孔用于定位小支架X、Z方向，特征面用于定位小支架Y方向。如圖3所示，小支架（左）三個(gè)特征點(diǎn)分別為HALTER LINKS X1、HALTER LINKS X2、HALTER LINKS YZ;一個(gè)特征孔為 HALTER LINKS Y;一個(gè)特征面為HALTER LINKS Z。小支架（右）特征點(diǎn)創(chuàng)建方式同上。

2.2.2? 虛擬夾具及夾具特征點(diǎn)創(chuàng)建

3DCS中可以添加虛擬夾具。虛擬夾具可以不使用CATIA 實(shí)體、線或點(diǎn)來表達(dá)，而使用特征點(diǎn)表達(dá)。這些特征點(diǎn)作為整個(gè)抬頭顯示裝配模型的安裝目標(biāo)點(diǎn)。

具體操作是通過3DCS創(chuàng)建兩個(gè)虛擬夾具，并分別復(fù)制H型支架座和小支架的零件特征點(diǎn)到每個(gè)夾具上，再修改兩個(gè)夾具特征點(diǎn)的特征參數(shù)，就可以完成虛擬夾具的創(chuàng)建。

2.2.3? 零件及夾具公差創(chuàng)建

該裝配中涉及到的公差有：

（1）零件安裝孔徑銷徑公差;

（2）零件安裝孔銷位置度公差;

（3）零件安裝面輪廓度公差;

（4）夾具定位孔徑銷徑公差;

（5）夾具定位孔銷位置度公差;

（6）夾具定位塊輪廓度公差。

根據(jù)零件圖紙和夾具產(chǎn)品圖紙?jiān)O(shè)定公差，其中夾具定位孔銷位置度公差、夾具定位塊輪廓度公差設(shè)為±2 mm。

2.2.4? 測(cè)量目標(biāo)與裝配創(chuàng)建

由章節(jié)2.1得到的關(guān)鍵裝配要素，即小支架定位銷的位置度、小支架與投影儀接觸的上端平面的平面度，根據(jù)3DCS軟件的測(cè)量功能以及生產(chǎn)工藝要求，建立以下測(cè)量參數(shù)以及偏差標(biāo)準(zhǔn)值范圍：小支架（左）定位銷位置度;小支架（右）定位銷位置度;小支架（左、右）定位銷的距離;小支架（左）上端平面的平面度;小支架（右）上端平面的平面度;小支架（左、右）上端平面的平面度一致性。小支架定位銷位置度與距離偏差范圍設(shè)為±1 mm，小支架上端平面度和平面度一致性偏差范圍設(shè)為±2 deg。

由偏差分析的理論前提以及3DCS軟件的基本情況，采用3-2-1裝配定位方案對(duì)零件進(jìn)行裝配。主要步驟是將零件上的5個(gè)特征分別與夾具上對(duì)應(yīng)的5個(gè)特征一一進(jìn)行移動(dòng)。

3? 仿真分析

對(duì)抬頭顯示裝配模型執(zhí)行2 000次運(yùn)算進(jìn)行模擬裝配。在3DCS中，主要以貢獻(xiàn)度及敏感度兩個(gè)指標(biāo)來分析仿真結(jié)果，其中：

（1）貢獻(xiàn)度表示偏差源對(duì)裝配偏差的貢獻(xiàn)大小;

（2）敏感度則表示偏差源對(duì)裝配偏差的影響大小。

3.1? 小支架定位銷位置度及距離

小支架（左）定位銷位置度、小支架（右）定位銷位置度、小支架（左、右）定位銷的距離分別如圖4、圖5、圖6所示。小支架（左、右）定位銷的位置度超差率、小支架定位銷的相對(duì)距離超差率均為0%，說明這三個(gè)測(cè)量目標(biāo)在小支架裝配過程中是較為穩(wěn)定的，偏差波動(dòng)較小。

3.2? 小支架與投影儀接觸面平面度

小支架（左）上端平面的平面度、小支架（右）上端平面的平面度分別如圖7、圖8所示。小支架（左、右）上端平面的平面度超差率均為0%。與章節(jié)3.1同理，說明這兩個(gè)測(cè)量目標(biāo)在小支架裝配過程中是較為穩(wěn)定的，偏差波動(dòng)較小。

3.3? 小支架與投影儀接觸面一致性

小支架（左、右）上端平面的平面度一致性如圖9所示。小支架兩上端平面的一致性超差率為2.55%，上下偏差均有超出，其中上限偏差有1.15%超過標(biāo)準(zhǔn)偏差，下限偏差有1.4%超過標(biāo)準(zhǔn)偏差。影響小支架上端平面一致性的6-Sigma值最大為2.861 3，對(duì)應(yīng)的最大偏差源為小支架安裝夾具的4個(gè)孔銷的位置度偏差，它造成了仿真超差，其貢獻(xiàn)度高達(dá)70.415%，其余偏差源的貢獻(xiàn)度均較小，都在5.67%以下。在敏感度方面，小支架安裝夾具的4個(gè)孔銷位置度偏差敏感度為7.021 4，其余偏差源的敏感度在1.802 0以下。從數(shù)據(jù)上看，小支架安裝夾具的4個(gè)孔銷位置度偏差被放大了7倍多，且由于其貢獻(xiàn)度最大、對(duì)抬頭顯示安裝的影響最大，因此生產(chǎn)過程較不穩(wěn)定，影響工廠的一次性報(bào)交合格率，是需要進(jìn)行優(yōu)化的。而其他偏差源的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于第二個(gè)夾具上4個(gè)孔銷位置度偏差的影響。

4? 優(yōu)化方案

對(duì)裝配模型的修改可以考慮兩個(gè)方面：一是改變零件公差、改變零件設(shè)計(jì);二是改變夾具公差、改變夾具設(shè)計(jì)。由于裝配零件產(chǎn)品已固定，無法進(jìn)行修改，因此在這個(gè)模型中，不考慮對(duì)零件的公差及設(shè)計(jì)，僅針對(duì)夾具的公差和設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。

4.1? 改變夾具公差

通過3DCS軟件修改小支架安裝夾具上的孔銷位置度公差，把公差值從±0.2 mm改為±0.1 mm，重新進(jìn)行仿真。

重新仿真后的平面度一致性如圖10所示，可見更改小支架安裝夾具上的孔銷位置度公差對(duì)小支架平面度一致性影響較大，超差率從原來的2.55%降為0.15%。

至于偏差源小支架安裝夾具孔銷位置度公差偏差源，其6-Sigma值從2.861 3降為1.231 3，貢獻(xiàn)度從70.415%降為38.165%。然而，敏感度沒有變化，說明更改夾具公差無法減弱偏差源的影響大小，可考慮嘗試更改夾具設(shè)計(jì)。

4.2? 改變夾具設(shè)計(jì)

在此課題建立裝配模型時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況對(duì)仿真模型設(shè)計(jì)了裝配中的孔銷浮動(dòng)，因此考慮取消裝配特征孔，改為小支架上端平面的第三個(gè)特征點(diǎn)，重新進(jìn)行裝配仿真，如圖11所示。

修改夾具設(shè)計(jì)之后，超差率下降為0%。偏差源小支架安裝夾具定位銷位置度偏差的貢獻(xiàn)度從38.164%降為27.759%，敏感度從7.021 4降為2.681 5，6-Sigma值從1.231 3降到了0.556 4。至于除小支架安裝夾具定位塊輪廓面偏差之外的其他偏差源，它們的6-Sigma值也有一定程度的下降，敏感度也有下降，從另一側(cè)面證實(shí)了偏差源的敏感度只能通過更改夾具設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

在實(shí)際操作中，使用檢具對(duì)小支架定位夾具上的夾緊點(diǎn)進(jìn)行重新定位，使其偏差范圍控制在±0.1 mm以內(nèi)，并取消小支架定位夾具上的對(duì)應(yīng)小支架上端平面處定位孔的定位銷，增加一個(gè)上端平面夾緊塊。在優(yōu)化措施的實(shí)施后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的標(biāo)定實(shí)際情況跟蹤三個(gè)月，標(biāo)定一次性合格率由70%提升至96.7%，與優(yōu)化前相比得到了較大的提升。

5? 結(jié)論

利用3DCS軟件對(duì)抬頭顯示裝配進(jìn)行建模仿真，可以得到影響最大的偏差源，從而有針對(duì)性地進(jìn)行偏差優(yōu)化，大大提升了抬頭顯示標(biāo)定的一次性合格率。該項(xiàng)課題可以為今后汽車內(nèi)外飾零件的裝配偏差控制提供依據(jù)。

致謝

感謝在撰寫論文過程中給予幫助的學(xué)者和導(dǎo)師，感謝審稿專家的認(rèn)可和指點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：

賈青（1979—），女，上海人，碩士生導(dǎo)師。研究方向：車輛工程。

姜立偉（1989—），通信作者，女，上海人，工程師。研究方向：車輛工程。

E-mail： 175725941@qq.com

（收稿日期：2020-01-09）

Assembly Deviation Analysis and Systematical Optimization of Head up Display Based on 3DCS Software

JIA Qing1， JIANG Li-wei2

（1. Tongji University， Shanghai 200000， China;

2. SAIC VOLKSWAGEN， Shanghai 200000， China）

Abstract： The head up display system is a kind of vehicle safety auxiliary system， but its calibration failure often occurs in the vehicle production line， which seriously affects the quality of projected image. Focusing on the assembly deviation issues of the head up display， the assembly process of its 4 parts， namely， body crossbeam bracket， H-Bracket seat， small bracket and projector， are analyzed to obtain the key assembly elements. Based on the 3DCS deviation analysis software， using its Monte Carlo simulation method， the modeling and simulation of the assembly deviation of the head up display are carried out， so that the contribution， sensitivity and 6-Sigma value of each deviation source are obtained. It shows that the main deviation source is the hole/pin position deviation of the small bracket installation fixture. The tolerance and structure of the installation fixture of the head up display is optimized： first， the hole/pin position tolerance of the small bracket installation fixture is modified from ± 0.2 mm to ± 0.1 mm; second， the feature hole of the small bracket is modified into the third feature point of the upper plane of the small bracket. 3 months of field tracing shows that the one-time calibration qualification rate increases from 70% to 96.7%.

Key words： Head up Display; Assembly Deviation; Monte Carlo Simulation Method; 3DCS Software; 6-Sigma