MBD技術在汽車尺寸工程數(shù)字化虛擬匹配中的運用

摘要：介紹了MBD技術在汽車尺寸工程專業(yè)數(shù)字化虛擬匹配中的運用，通過MBD技術搭建整車數(shù)據(jù)模型，并在工業(yè)化階段，將整車零部件制造數(shù)據(jù)導入到數(shù)字模型中，進行尺寸鏈裝配分析，提前預測零部件制造公差給整車DTS帶來的缺陷，對零部件進行入廠攔截或提前制定廠內臨時措施，保證廠內整車DTS的快速達成。

關鍵詞： MBD；尺寸工程；數(shù)字化虛擬匹配；DTS

隨著汽車迅猛發(fā)展，整車研發(fā)周期逐步縮短，在整車工業(yè)化生產階段，尺寸工程領域的問題能否快速被識別和解決則顯得至關重要。目前大部分主汽車制造廠商的整車零部件都靠人工檢測、人工判斷影響，零部件入廠后才能發(fā)現(xiàn)對整車的影響，問題發(fā)生后再去被動地分析問題、制定臨時措施、缺陷車下線返修，這種傳統(tǒng)的工作流程成為了制約生產效率提升的關鍵一環(huán)，從而大大延長了整車量產周期。MBD技術的大量運用無疑加快了尺寸工程在數(shù)字化、智能化轉型的進程，通過MBD模型來實現(xiàn)整車調試階段的數(shù)字化虛擬匹配，大大縮短調試周期，保證車型快速量產。

MBD技術介紹

MBD技術，即基于模型的設計（Model-Based Design），是一種利用模型作為主要工具進行項目開發(fā)的方法，最早應用于飛機制造領域[1]。

MBD技術的核心優(yōu)勢在于：

（1）提高開發(fā)效率" 通過使用模型來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的代碼編寫和調試過程，可以極大地提升項目的開發(fā)效率。

（2）友好的學習曲線" 對于新手來說，從模型的角度入手學習汽車電子等領域的知識，更加容易上手，學習起來也更快。

（3）數(shù)字化定義產品" MBD技術是基于三維模型的產品數(shù)字化定義技術，它支持面向制造的設計和生產過程。

（4）縮短研發(fā)周期" 將MBD技術應用于產品設計、工藝設計等過程中，可以有效縮短產品的研發(fā)周期，并提高生產質量。

（5）集成的三維實體模型" MBD使用集成的三維實體模型來完整表達產品定義信息，包括公差的標注規(guī)則和工藝信息的表達方法，使得三維實體模型成為生產制造過程中的唯一依據(jù)。

（6） SOLIDWORKS MBD" MBD技術的一個應用實例是SOLIDWORKS MBD，它是一種在2D圖紙上標注尺寸和公差的方法，可以提高工程設計的質量和效率。

MBD技術的應用非常廣泛，尤其在汽車電子領域，許多大公司和大項目都在使用這種方法。隨著技術的發(fā)展，MBD技術也在不斷完善和演進，為產品設計和制造帶來了革命性的變化。

在汽車領域，尺寸工程MBD數(shù)字化模型：是將原有整車數(shù)據(jù)（無裝配邏輯）打散，然后在打散的零部件上賦予各自的產品公差信息（含零部件定位點、公差信息、測點信息等），最后系統(tǒng)通過識別零部件定位點、進行自動裝配，裝配后的整車數(shù)據(jù)（有裝配邏輯關系）即尺寸工程MBD數(shù)字化模型。

尺寸工程數(shù)字化虛擬匹配技術介紹

尺寸工程數(shù)字化虛擬匹配：在整車開發(fā)工業(yè)化階段，通過大數(shù)據(jù)AI運用實現(xiàn)尺寸工程數(shù)字化虛擬仿真分析（匹配分析技術）。零部件供應商上傳的《零部件測量工藝卡》至“尺寸測量統(tǒng)計分析平臺”，平臺自動識別和自動抓取測量點實際偏差值（抓取測點空間坐標值實現(xiàn)），進行整車虛擬裝配分析（運用尺寸工程MBD數(shù)字化模型），實現(xiàn)缺陷自動化快速識別、分析及對策方式制定，質量前移、提升尺寸工程工作效率、縮短車型開發(fā)量產周期。

目前整個行業(yè)，此技術為行業(yè)首創(chuàng)，具有領先的技術思維，統(tǒng)籌運用了所有尺寸工程新技術。

尺寸工程數(shù)字化虛擬匹配實施方案

1.產品零部件3D版GDamp;T圖樣技術運用

尺寸工程師需將原有2D版GDamp;T（drwing格式）技術進行升級，在車身數(shù)模（product文件）或零部件數(shù)模中直接進行編輯，提取孔、邊和面，最后賦予公差信息即3D版GDamp;T圖樣[2，3]。

（1）焊接、安裝面的提取" 將需制做3D GDamp;T的零部件（后文稱目標零部件）裝配在整車數(shù)模中，將目標零部件定義為編輯狀態(tài)，使用相交命令將環(huán)境件（與目標文件有接觸的零部件）與目標零部件相交生成封閉曲線（目標零部件與環(huán)境件的焊接、安裝面等的交線），如圖1所示。

（2）面特征提取" 提取整個目標零部件表面特征（“提取面”），以相交生成的封閉曲線為輪廓線對“提取面”進行分割，分割后得到的面即為GDamp;T所需標注的焊接、安裝面等，如圖2所示。

（3）孔、切邊特征的提取" 提取目標零部件表面得到“提取面”，使用“邊界”命令提取“提取面”的邊界，即為GDamp;T所需標注的孔或切邊，如圖3所示。

（4）3D GDamp;T圖樣的標注" 將目標文件切換進“Functional Tolerancingamp;Annotation”模塊中，對零部件的定位、公差信息等進行標注，標注信息鏈接在提取的點、線、面等特征，如圖4所示。

2. 零部件3D測點自動創(chuàng)建技術運用

尺寸工程師需在自研的3D測點自動創(chuàng)建軟件“I-MP”中實現(xiàn)DTS測點、孔點和面點的創(chuàng)建（讀取3D版GDamp;T中的孔面信息），用于后續(xù)建模中DTS測量創(chuàng)建及白車身孔點、面點創(chuàng)建，以DTS測點創(chuàng)建技術為例。

“I-MP”中DTS測點創(chuàng)建" 在零件上手動選擇間隙兩側曲面。選擇間隙位置的起止點，需要選擇間隙一側的端點確定DTS測點生成的范圍，如圖5所示。

輸入測點參數(shù)，選擇DTS測點的基準面，選擇面差點方向。確認參數(shù)無誤后點擊確定按鈕，等待測點生成完成，如圖6所示。

測點創(chuàng)建原理：根據(jù)選擇的端點計算出間隙邊界，按照參數(shù)設置的取點模式（間距/數(shù)量）在邊界上創(chuàng)建斷面，斷面與零件的交線上創(chuàng)建DTS測點。

讀取圖紙：獲取零件中的形位公差，根據(jù)公差中標記的測點范圍確認邊界，如圖7所示。

3. 虛擬匹配在“尺寸測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析平臺”運用實施

虛擬匹配是基于“尺寸測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析平臺”，利用平臺上各零部件的實際監(jiān)控數(shù)據(jù)，通過裝配分析模塊進行裝配計算，最終得到整車DTS測點的匹配數(shù)據(jù)，運用此匹配數(shù)據(jù)作為整車質量的監(jiān)控以及質量問題整改的依據(jù)。

裝配分析模塊主要分為虛擬裝配和DTS測量計算。

虛擬裝配是將零件及工裝夾具通過裝配層級進行裝配（按照控制方案/實際裝配層級），每一個層級的裝配，均按照定位特征點一一進行關聯(lián)約束，最終實現(xiàn)模型搭建。每一個裝配定義為一個Move，需按照定位進行一一約束定位。

DTS測量計算是在虛擬裝配創(chuàng)建完成后需根據(jù)整車DTS測點文件創(chuàng)建DTS測量，系統(tǒng)根據(jù)創(chuàng)建的DTS測量計算得到仿真結果。

（1）虛擬裝配" 流程如圖8所示：

1）加載數(shù)據(jù)" 在“尺寸測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析平臺”數(shù)據(jù)分析模塊，進入裝配分析界面，分別添加裝配需要的產品數(shù)模（白車身/左前門/左前門工裝），如圖9所示。

2）加載基準特征" 在工作界面操作，為Move（定位裝配）所涉及裝配對象/裝配目標，添加恰當?shù)奶卣鼽c（涉及件包括工裝amp;夾具），用于下一步裝配。例：車門裝配到夾具上，此裝配的裝配對象為車門，夾具為裝配目標，如圖10所示。

3）基準對應裝配" 根據(jù)定位控制方案，一一對應點選裝配對象/裝配目標的基準特征點（步驟7），并定義每一對裝配點的自由度控制向量（輸入amp;點選），完成定位約束（12/13/14），如圖11所示。

4）確認保存" 裝配定義完成后，加載樣本實測數(shù)據(jù)，然后進行運算，確認裝配是否正確，如圖12所示。

4. DTS測量計算

（1）創(chuàng)建測量定義

1）裝配Move創(chuàng)建完成之后，我們要建立測量來進行結果分析：選擇對應層級下的 Measures，點擊新增，彈出測量設置對話，如圖13所示。

2）為建立的測量起個名稱；測量類型有三種：點到點的距離（兩點之間的真實距離）、點到面的距離（一個點到一個面的距離，面需要建立三個點形成一個面）、點到點的法向方向的距離（點到一個點的法向距離，要投影的點需要建立一個方向進行投影）。

3）測點類型分別是G——間隙；GP——間隙平行度；F——面差；FP——面差平行度；S——對稱度。

（2）選取測量點" 添加兩個測量點（選取測量對應的兩個零部件上的對應測點），設置上下公差范圍點擊確定，如圖15所示。

（3 ）查看計算結果

1）創(chuàng)建測量完成之后可以點擊Measures批量顯示/隱藏，數(shù)模中我們測量的間隙或面差就會顯示出計算數(shù)據(jù)，如圖16所示。

2）添加完成特征點、裝配、測量之后就可以進行結果分析：點擊Measures，然后點擊查看測量結果就會彈出裝配分析結果。點擊Measures彈出來的是Measures下創(chuàng)建的所有測量，也可以點擊某個測量查看測量結果，如圖17所示。

3）點擊查看圖表彈出圖表分析對話框，我們可以看到測量的理論值、平均值、sigma值和6sigma值、貢獻因子等，如圖18和表1所示。

4）參考仿真結果匯總數(shù)據(jù)，可得出以下信息" "平均值0.661808mm代表計算的樣本結果均偏離中心零位，后續(xù)優(yōu)化方向可以往中心零位進行優(yōu)化整改；6sigma值1.412422mm，IT=2mm，CP=IT/6sig-ma=1.416＞1.33，代表過程能力充足，穩(wěn)定性較好；可以給出匹配整改指令，優(yōu)化平均值。

5. 預警及消息推送

（1）預警規(guī)則設定" 將Measures下的測量批量同步到“尺寸測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析平臺”數(shù)據(jù)庫中，并在預警管理模塊設置對應的預警規(guī)則。針對不同的測量進行單獨或批量預警，預警觸發(fā)條件可選合格與否/過程能力指標/SPC判異原則等，如圖19所示。

（2）消息推送" 對已設定好的預警規(guī)則設置推送規(guī)則，包括推送內容、責任人、抄送人、推送頻次等，推送渠道包括郵件、釘釘、飛書等。新上傳的樣板計算更新后，若上述測量超出閾值，則自動觸發(fā)預警，由“尺寸測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析平臺”后臺自動發(fā)送預警消息至指定對象，實現(xiàn)整車指標匯報、零部件問題預警等功能。

結語

通過“MBD技術在尺寸工程數(shù)字化虛擬匹配中的運用”技術，將以往尺寸工程工業(yè)化調試工作依賴人員數(shù)量和經驗的短板，提升至全自動化、數(shù)字化、智能化分析，大大降低人力成本、提升調試周期和降低返修成本。

參考文獻：

[1] 任向陽. 基于MBD的飛機裝配技術發(fā)展及應用分析[J]. 現(xiàn)代制造技術與裝備，2022，58（01）： 124-126.

[2] 王茜，潘強，劉海博，等.基于MBD的汽車尺寸工程全過程控制技術[C]//中國汽車工程學會（China Society of Automotive Engineers）.2023中國汽車工程學會年會論文集（5）.北京汽車研究總院有限公司，2023.5.

[3] 燕哲，董玉德，何金鑫，等. 面向三維模型的尺寸標注完備性檢查算法 [J]. 中國機械工程，2023，34（16）： 1967-1974.