基于3DCS的前蓋與翼子板平整度偏差分析

曹 倩

（上汽通用汽車有限公司尺寸工程科，上海 201206）

前言

隨著汽車造型日新月異的變化，前端造型和尺寸匹配愈發(fā)重要，一般車企會在前期開發(fā)時利用虛擬分析的手段進行前端的尺寸偏差分析。3DCS是目前常用的三維尺寸與公差分析軟件，廣泛應用于汽車、航空航天等領域[1]。

某車型在前期設計階段，利用3DCS軟件分析前蓋和翼子板的尺寸匹配情況，發(fā)現靠近擋風玻璃區(qū)域的平整度超差概率超過標準值。通過敏感度分析報告找到貢獻量最大的因子，綜合評估了定位策略、裝配工藝、零件尺寸公差等維度，最終決定對車身數據、車身 GD&T圖紙做了調整優(yōu)化。在重新計算3DCS之后，超差概率大大降低。

1 3DCS仿真分析

3DCS是用于裝配偏差模擬的尺寸分析工具，工程師可通過它在虛擬環(huán)境中重復裝配帶有偏差的零部件來進行基于蒙特卡洛法的尺寸分析，零件的偏差來源于指定的公差范圍和分布條件下生成的隨機偏差值，而仿真結果有助于評估設計的穩(wěn)健性，對后續(xù)產品的設計改進起到非常關鍵的作用。

如圖1，偏差分析模型的建立開發(fā)流程包括[2]：

●數據準備：3D數模、GD&T圖紙、裝配工藝

● 建立DCS點：零件定位點、工裝定位點、測量點

●建立Move：建立裝配

●輸入公差：尺寸公差、形位公差

●優(yōu)化調整：定位策略、公差

●輸出報告：計算所用數據信息、裝配方案、定位策略等，顯示超差概率、敏感度分析報告等。

圖1 3DCS分析流程

2 前蓋與翼子板平整度3DCS分析

2.1 前蓋與翼子板平整度計算

如圖2，前蓋和翼子板的靠近風擋玻璃處的平整度屬于U/D向匹配。出于精品車的質量驅動，結合制造能力、內控風險評估和項目經驗等，此處設計公差定義為+/-0.75mm。

圖2 平整度公差要求

在3DCS軟件中，根據零件裝配順序和定位策略建立裝配，在所需區(qū)域建立測量，按圖紙輸入公差信息后開始模擬計算。圖3是前蓋和翼子板平整度模擬分析結果，可見取樣次數 20000次[3]，6sigma值為+/-1.57mm，公差設計上/下偏差值為+/-0.75mm，總的偏差超差率為 14.83%，表明前蓋和翼子板平整度在設定公差下超差風險較大。

圖3 3DCS計算結果優(yōu)化前

圖4是敏感度分析報告，從貢獻因子的分布情況可以看出，占比最大的因子是[4]避震塔上的翼子板工裝U/D向定位點，占比40.30%，因此要降低計算結果的超差率，優(yōu)先嘗試優(yōu)化翼子板工裝U/D向定位點。

圖4 敏感度分析

2.2 工裝定位點優(yōu)化

如圖5爆炸圖，前端零件裝配到車身上的順序為：前蓋鉸鏈→翼子板→前蓋。其中，車身上的翼子板U/D向定位小支架有兩個，前端小支架是在廠內焊裝車間用工裝定位焊接，U/D向尺寸相對較易控制，而后端小支架出于成本等原因，集成在外購件上縱梁分總成上，進廠后焊接到車身上，所以U/D向尺寸鏈較長且不易控制。

圖5 爆炸圖

如圖6，翼子板工裝定位方案含4個U/D向定位，前端兩個U/D定位點位于前橫梁上，后端兩個點位于避震塔上。車身焊接方案是避震塔和上縱梁分總成在廠內焊接到車身上，而翼子板U/D向定位小支架在供應商處焊接到上縱梁分總成上，故工裝定位點和翼子板小支架定位點的U/D向尺寸鏈較長。相應的，車身圖紙上避震塔的面輪廓度公差帶為1.7mm，翼子板小支架的面輪廓度公差帶為2mm，公差范圍較大，不利于尺寸控制。

圖6 工裝定位優(yōu)化前

一般優(yōu)化方案可以從調整裝配順序、公差范圍或定位方案三個方面考慮。

●由于焊裝工藝和既有生產線的限制，裝配順序改動困難，且對尺寸鏈沒有優(yōu)化，故不適用本文案例。

●調增公差范圍通常指縮小公差帶，意味著對制造能力提出更高的要求，制造部門需要研究現有的生產能力是否能夠實現目標，以及評估潛在的成本增加。另外，公差帶小幅度的收窄并不能有效改善計算結果，反之則極有可能會導致零件合格率降低、返修率上升，對供應商或主機廠都帶來成本的增加。所以直接調整公差往往不是最優(yōu)的解決方案。

●分析工裝定位方案可行性。根據車身焊接工藝，避震塔和上縱梁分總成都在廠內焊接到車身上，翼子板U/D定位小支架在供應商處焊接到上縱梁分總成上。那么，翼子板工裝避震塔上的U/D定位點和翼子板支架上的翼子板U/D向定位點的尺寸鏈要考慮車身焊接偏差。如圖7，為了去除這個偏差因素，嘗試將避震塔上的工裝定位點移動到上縱梁上，同時在車身圖紙上定義上縱梁面輪廓度為子基準，而小支架到子基準面輪廓度要求設置為1mm。這樣不僅縮短了翼子板工裝和翼子板定位支架的尺寸鏈[5]，同時起到了收緊公差范圍的效果。

圖7 工裝定位優(yōu)化后

2.3 方案驗證

在3DCS軟件中，分別在左右上縱梁的U/D向型面上建立兩個新的工裝定位點，再取前橫梁上兩個U/D向型面上的定位點做動態(tài)中點，然后重新選擇“Move”中的 U/D向點并輸入新的公差要求，完成后再次運行計算。如圖8，總的超差率下降到6.09%，有明顯改善。

圖8 3DCS計算結果優(yōu)化后

3 3DCS優(yōu)化方案措施實施

在實際生產中落實優(yōu)化后的方案。首先將翼子板工裝 4個U/D向定位布置在前橫梁和上縱梁上，其次，由于上縱梁分總成是外購件，所以為了滿足車身圖紙上翼子板支架和上縱梁型面的U/D向相對位置關系，如圖9，更改上縱梁分總成的圖紙控制要求。

圖9 上縱梁圖紙

4 結束語

3DCS軟件可以虛擬制造過程[6]，幫助工程師在設計階段盡早發(fā)現問題，并且可以比較不同方案的尺寸偏差表現，為項目團隊做決策提供支持。3DCS是前期分析的重要評估工具，其模擬真實的裝配工藝、定位策略、采用圖紙公差要求，使其計算結果最大程度上接近實際情況。目前3DCS已成為重要的參考指標，在汽車領域受到廣泛應用。