朱立君+王浩

摘 要：整車尺寸工程覆蓋新車型開發(fā)的整個過程，這個過程中需要完成上百零件的公差設(shè)計。為縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，并且制造出的新產(chǎn)品能夠精確地達到設(shè)計的產(chǎn)品目標(biāo)，高效準(zhǔn)確的前期三維偏差分析與控制成為尺寸公差設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。本文介紹了常用的三維偏差分析基本原理和偏差分析軟件使用的假設(shè)條件，并且以公司某車型尾燈到尾門的裝配為例，介紹了在考慮重力影響下的三維尺寸偏差分析模型的創(chuàng)建。本文采用VisVSA軟件提供的添加孔銷浮動的自定義裝配功能，模擬重力影響下前大燈和翼子板的裝配，達到預(yù)期的研究目的。這種考慮重力因素影響下的三維偏差分析方法，可適用于汽車上其他零件的尺寸偏差分析。

關(guān)鍵詞：VisVSA；偏差分析；蒙特卡洛模擬法；尺寸工程

中圖分類號：U462.2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）03-0045-06

A study on the three dimensional deviation analysis model to create for simulating under the influence of gravity

ZHU Li-jun， WANG Hao

（ SAIC General Motors Wuling CO.Ltd. Liuzhou545007， china ）

Abstract： Dimensional engineering covers the whole process of the new vehicle development. Hundreds of parts' tolerance design is needed during vehicle development. In order to reduce product design cycle and manufacture accurately proposed product target， the efficient and accurate variation analysis is needed during tolerance design period. In this paper the basic principles of frequently-used variation analysis software and the assumed conditions for the software are introduced. Then taking the “rear lamp-liftgate” assembly as an example， the creation process study for the dimensional variation analysis is introduced. This paper simulates the “headlamp-fender” assembly process under gravity condition with the “add-float” method which is provided by VSA software for pin-hole assembly， and achieves the desired objective. This three dimensional variation analysis method under gravity condition is also proved to be effective to make simulations for other parts in vehicle.

Key Words： VisVSA； Variation analysis； Monte Carlo simulation； Dimension engineering

引 言

汽車行業(yè)迅速發(fā)展，每個人對自己愛車的外觀尺寸以及整車性能越來越重視，因此，整車尺寸的控制在整個汽車開發(fā)過程所占地位愈發(fā)重要。尺寸偏差分析作為整車尺寸控制的重要一環(huán)，是根據(jù)車身裝配工藝流程、零部件尺寸公差，計算累積尺寸偏差的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，尋找產(chǎn)生裝配偏差的原因或分析零件尺寸策略合理性的過程。尺寸偏差分析的目的是根據(jù)前期偏差分析的偏差源理論來驗證零部件的前期設(shè)計的公差分布是否滿足實際裝配功能要求，進一步評估整車實際制造裝配的合理性與可行性。并且也能發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的問題并及時改進，實現(xiàn)產(chǎn)品的穩(wěn)健型設(shè)計。

目前偏差分析以歐美先進汽車企業(yè)為代表，正在為行業(yè)內(nèi)熟知重視。 歐美汽車企業(yè)以精確的偏差分析軟件作為設(shè)計技術(shù)工具，將整車尺寸鏈通過這些精確模擬仿真的方式貫穿整個汽車尺寸研發(fā)工程。使用公差分析軟件有一些假設(shè)條件，比如1）所有零件都是剛性體；2）所有零件不考慮重力因素[1]等，但實際制造過程中，零件重力因素的影響是必然存在的，因此如何盡可能地模擬實際裝車情況是我們面臨的一大難題。本文基于VisVSA軟件，以某車型前大燈與翼子板的裝配為例，使用VisVSA提供的添加孔銷浮動自定義裝配功能來模擬重力因素的影響，進而分析前大燈和翼子板的間隙段差。

1 三維偏差分析軟件及其算法

三維偏差分析軟件是通過動態(tài)模擬裝配方式反映總成零件在實際裝配中的情況，進而進行建模計算。目前主流的三維偏差分析軟件有VSA、3DCS和CETOL三種，3DCS和VSA都是基于蒙特卡洛模擬法的三維偏差分析軟件。蒙特卡羅算法的基本思想為：當(dāng)我們所要求解的問題是某個隨機事件的期望值，或者為某種隨機變量所要出現(xiàn)的概率時， 運用現(xiàn)有某種“試驗” 的方法，通過隨機事件所要出現(xiàn)的頻次估算這一隨機變量將要出現(xiàn)的概率，或能夠解得我們所要求的這個隨機事件一些數(shù)學(xué)特征，如均值標(biāo)準(zhǔn)差等，并將它作為我們所要求解問題的解[2]。為了便于描述，先定義公差函數(shù)。尺寸工程中的尺寸公差函數(shù)就是整車尺寸鏈中我們所要求解組成環(huán)或者封閉環(huán)與已知尺寸鏈中封閉環(huán)或者組成環(huán)所能構(gòu)成的數(shù)學(xué)關(guān)系式。因此，先設(shè)尺寸公差函數(shù)為：

F = f （x1，x2，x3，…，xn）

其式（1）中， F為我們所要求解的封閉環(huán)或組成環(huán)的尺寸及偏差； n為已知組成環(huán)和封閉環(huán)的個數(shù)； x1， x2， …， xn為我們所已知的相互獨立的組成環(huán)或者封閉環(huán)的尺寸及偏差。其中，上述我們所定義的公差函數(shù)也是封閉環(huán)尺寸鏈F要滿足的制造裝配以及整車功能等技術(shù)的要求[3]，所以其也要滿足下面的數(shù)學(xué)關(guān)系式：

F∑min≤F（xn）≤F∑max

其式（2）中，F(xiàn)∑min為我們所要求解的封閉環(huán)最小尺寸，在尺寸匹配關(guān)系中表現(xiàn)表現(xiàn)為最大過盈（或最小間隙）；F∑max為我們所要求解的封閉環(huán)最大尺寸，在尺寸匹配關(guān)系中表現(xiàn)為最小過盈（或最大間隙）。目前，蒙特卡羅模擬法進行運算流程圖[4]，見下圖1所示：

2 偏差分析中的假設(shè)條件

對于VSA、3DCS等軟件的常規(guī)三維偏差分析，像其他模擬分析方法一樣，偏差分析過程有如下假設(shè)條件[5]：

（1）所有零件假設(shè)為沒有形變的剛體，不考慮零件受外力而產(chǎn)生的變形；

（2）在模擬運算過程中，現(xiàn)有的模擬軟件不能將無法定量的物理因素（柔性裝配件的柔性等），重力因素，熱度因素（涂裝的油漆等） 等這些影響因子作為尺寸三維偏差分析時的輸入條件；

（3）因為人為的在線調(diào)整以及返修等無法預(yù)測的制造工藝，無法在三維偏差分析虛擬模擬中運算，在三維偏差分析中模擬運算的仿真結(jié)果不能反映實際制造生產(chǎn)中環(huán)境的變化；

（4）貢獻率分析基于幾何線性關(guān)系。

3 模擬重力影響下的三維偏差分析模型創(chuàng)建的研究

3.1 不考慮重力影響的模型創(chuàng)建

由于尾燈是直接裝在尾門總成上，尾燈與尾門的間隙只和這兩個零件有關(guān)，因此創(chuàng)建模型時只需要這兩個零件的數(shù)模。尾燈和尾門間隙要求：U/D方向1.5+/-1.0。

首先是尾燈上安裝點的選擇。根據(jù)尾燈的GD&T圖（見下圖2），選定尾燈上的安裝點，如下表1所示，然后在VisVSA軟件中創(chuàng)建模型。

在GD&T圖中B，C尺寸標(biāo)記為對手件安裝孔理論尺寸，在創(chuàng)建偏差分析模型時選擇后大燈B，C處銷子的尺寸。

創(chuàng)建完成尾燈的模型，再創(chuàng)建尾門的模型。根據(jù)后大燈的安裝點，對應(yīng)選定尾門上的安裝點，如下表2所示，然后創(chuàng)建尾門的模型。

根據(jù)尾燈和尾門的GD&T圖，設(shè)置安裝點和測量點公差，創(chuàng)建尾燈到尾門的裝配，并創(chuàng)建尾燈到尾門的間隙測量。在VisVSA軟件中，創(chuàng)建模型節(jié)點如下圖4所示：

3.2 模擬重力影響下的模型創(chuàng)建

在實際裝配中，尾燈是有重量的，尾燈掛在尾門上時，受重力會往下墜。尾燈上的定位銷裝在尾門上時，會貼著尾門定位孔的下邊緣，如下圖5所示。尾燈銷和尾門孔的浮動方向是往車底單向方向浮動而不是360°的浮動。

在VisVSA軟件中，可以使用“添加浮動”的方法來模擬上述情況。添加浮動是VisVSA中自定義裝配的一種功能，添加浮動功能對話框如下圖6所示：

當(dāng)孔銷的浮動為單向浮動時，通過設(shè)置偏移方向矢量來實現(xiàn)。在此尾燈裝配到尾門的實例中，因模擬重力的影響，除創(chuàng)建尾燈到尾門的普通裝配外，還需對B，C兩銷創(chuàng)建添加單向浮動的自定義裝配。以B銷添加浮動為例，各參數(shù)設(shè)置如下表3所示：

通過設(shè)置一個（0，0，-1）的偏移變量，來創(chuàng)建一個單向浮動的自定義裝配，模擬了重力影響下尾燈和尾門的配合情況。

3.3 研究結(jié)果的驗證

為了驗證我們創(chuàng)建的裝配操作實現(xiàn)了我們的預(yù)期目的，我們新建了一個測量，測量尾燈上B銷和尾門上B孔的最小間隙，如果上述裝配操作實現(xiàn)了我們的預(yù)期研究目的話，那孔銷的最小間隙的名義值應(yīng)該為0.0（即尾燈B銷和尾門B孔貼在一起）。反之，孔銷的最小間隙的名義值和不添加孔銷浮動時孔銷的最小間隙的名義值相同，為：

設(shè)置蒙特卡洛仿真2000次，對比結(jié)果如下圖7、圖8。不考慮重力因素影響的情況下，孔銷最小間隙名義值為0.35mm，考慮重力影響下，孔銷最小間隙名義值為0.0。與之前分析保持一致，達到預(yù)期目的。

4 模擬重力影響下偏差分析模型創(chuàng)建的基本思想及其運用

4.1 模擬重力影響下偏差分析模型創(chuàng)建的基本思想

綜上第3章節(jié)所述，創(chuàng)建三維尺寸偏差分析模型時，使用VisVSA中提供的自定義裝配功能，通過增加“孔-銷”單向浮動的方法，模擬了重力對尾燈裝配的影響。同時，也驗證了通過使用VisVSA提供的“add float”添加單向浮動的方法，來模擬重力影響下創(chuàng)建偏差分析模型的正確性。

運用VisVSA提供的“add float”添加單向浮動的方法來模擬重力影響下偏差分析模型創(chuàng)建的基本思想為首先評估零件重力矢量大小及其影響方向，然后通過設(shè)置偏移方向矢量來實現(xiàn)孔-銷等配合的單向浮動，見下表4所示，進而進行裝配custom assembly并創(chuàng)建運算模型。模擬重力影響下的偏差分析模型創(chuàng)建的流程一般是確定分析區(qū)域相關(guān)零件→確定零件裝配順序→定義幾何尺寸及功能特征→分析零件裝配尺寸鏈→定義零件公差及測量點→創(chuàng)建add float→定義裝配操作與測量→模擬運算以及導(dǎo)出報告與分析。

4.2 模擬重力影響下偏差分析模型的運用與分析

有很多零部件的尺寸偏差分析需要考慮重力因素的影響，如前大燈的間隙段差匹配、前門中門的間隙段差匹配等。下面以公司CN200S前大燈與翼子板的匹配為例，使用VisVSA提供的“add float”添加單向浮動的方法，來模擬前大燈的重力影響，進而分析前大燈與翼子板匹配的間隙段差。

公司CN200S項目量產(chǎn)后，車間經(jīng)常出現(xiàn)前大燈后上部與翼子板的間隙段差超差變大（問題車臺數(shù)較多），前大燈后部中間與翼子板間隙超差較?。▎栴}車臺數(shù)一定量），前大燈后下部與翼子板間隙超差較大（問題車臺數(shù)一定量）。在新項目CN200S前期尺寸設(shè)計分析時，前大燈與翼子板的間隙段差是合格的，具體下圖9所示：

實際制造裝配過程中，前大燈與翼子板的尺寸匹配超差嚴(yán)重且不穩(wěn)定，與圖9模擬結(jié)果不一致。在基于VisVSA模擬運算時，使用“add float”添加單向浮動的方法（見下圖10所示），增加前大燈的重力影響，其模擬運算結(jié)果與實際制造裝配尺寸匹配狀態(tài)一致，其模擬結(jié)果如下圖11所示：

由上述分析可知，前大燈與翼子板匹配的測量點1的間隙與段差都是上限超差，即易出現(xiàn)匹配的間隙段差超差變大現(xiàn)象；測量點2很少量的下限超差，即偶爾會出現(xiàn)匹配間隙較小狀態(tài)；測量點3的間隙基本都是上限超差易出現(xiàn)匹配的間隙超差變大問題。可知，考慮重力影響下的模擬分析結(jié)果與實際裝配制造狀態(tài)一致。

根據(jù)上述分析結(jié)果以及實際制造狀態(tài)，優(yōu)化了前大燈的定位結(jié)構(gòu)以及上部定位孔的大小，具體見下圖12所示：

在前大燈結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，基于VisVSA進行建模分析，其運算結(jié)果如下圖13所示，可知模擬運算結(jié)果得到了優(yōu)化。同時，實際制造裝配狀態(tài)也得到了明顯改善，總裝車間問題車數(shù)量顯著減少。

在三維偏差分析時，考慮重力因素的影響，使模擬運算結(jié)果與實際裝配結(jié)果更吻合。我們應(yīng)該積極主動地運用好add float尺寸虛擬分析技術(shù)，校核新產(chǎn)品設(shè)計的合理性以及裝配精度，驗證零部件公差設(shè)計的合理性，從而減少了后期新產(chǎn)品設(shè)計變更的被動性以及其所帶來的高昂成本。

5 結(jié)論與展望

本文介紹了模擬重力因素影響下的尺寸三維偏差分析模型的創(chuàng)建，并對創(chuàng)建的模型進行了驗證分析。在模擬重力因素模型的運用探討中，可知尺寸偏差分析時，考慮重力因素的影響，可使模擬運算結(jié)果與實際裝配結(jié)果更加吻合。目前，國內(nèi)各大汽車主機廠在尺寸前期偏差分析時，基本是不考慮重力因素的影響或者直接忽略重力因素的影響，以致后期新車型量產(chǎn)后出現(xiàn)了大量的尺寸匹配問題。另外，在實際生產(chǎn)裝配過程，存在許多的薄板沖壓件和柔性件，本次建模時沒有考慮它們的柔性變形。因此，在實際造車裝配過程中，尺寸工程師需要及時對實際造車問題測量數(shù)據(jù)進行分析，進而進行偏差分析模型優(yōu)化與調(diào)整。同時，如何及時地在偏差分析中反映這些優(yōu)化和調(diào)整也是非常必要的，這樣能幫助我們快速對實際造車質(zhì)量問題進行實時控制和有效診斷。根據(jù)偏差診斷結(jié)果提出來的優(yōu)化和調(diào)整，也許不一定是最優(yōu)方案，如何建立“質(zhì)量—成本”模型，通過計算機尋找最優(yōu)方案，實現(xiàn)質(zhì)量和成本的最佳控制，也需要進一步的研究。

VisVSA軟件只是一個進行公差管理和分析的工具，人的因素才是關(guān)鍵的。如果我們在進行汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中有意識地推行尺寸管理的理念，應(yīng)用這些工具，使尺寸管理這項工作完全融合在整個產(chǎn)品開發(fā)流程中。在整個產(chǎn)品生命周期中，時時刻刻都發(fā)揮它的作用并指導(dǎo)產(chǎn)品的品質(zhì)提升，降低開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，進而實現(xiàn)產(chǎn)品的穩(wěn)健型設(shè)計。尺寸管理工作的最終成效就會體現(xiàn)在產(chǎn)品上，提高了產(chǎn)品競爭力，形成企業(yè)的核心競爭力。

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