呂路 魏龍 冉熊濤 那琛 劉武生

摘 要：偏差分析方法分為一維尺寸鏈和三維尺寸鏈分析，其中通過三維軟件仿真分析能夠實現(xiàn)空間多維度的尺寸鏈模擬計算，如三維角度偏差仿真分析。文章針對ADAS前毫米波雷達安裝基準面角度偏差要求，基于3DCS分析軟件，采用蒙特卡洛模擬法，對雷達安裝面偏差建模分析，通過仿真分析結果確定設計結構及相關鏈環(huán)的公差定義是否合理，并進行優(yōu)化設計。

關鍵詞：ADAS;毫米波雷達;角度偏差;3DCS 軟件;蒙特卡洛

中圖分類號：U467 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）20-137-04

Abstract： The deviation analysis method is divided into one-dimensional and three-dimensional dimension chain analysis， in which the three-dimensional software simulation analysis can realize the multi-dimensional dimension chain simulation calculation， such as the three-dimensional angle deviation simulation analysis. In this paper， deviation analysis is based on 3dcs， and according to the requirements of the angle deviation of the installation datum plane of ADAS front millimeter wave radar， Monte Carlo simulation method is used to model and analyze the deviation of the installation surface of radar. Through the simulation analysis results， whether the definition of the design structure and the tolerance of the relevant links are reasonable or not， and optimizing the design.

Keywords： ADAS; Millimeter wave radar; Angle deviation; 3DCS Software; Monte Carlo

CLC NO.： U467 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）20-137-04

前言

隨著汽車行業(yè)快速進入電動化和智能化，無人駕駛已經(jīng)成為各主機廠主要研究和開發(fā)的方向，現(xiàn)階段無人駕駛仍在研發(fā)階段，而高級輔助駕駛功能已經(jīng)在高端汽車上廣泛普及。高級輔助駕駛系統(tǒng)簡稱ADAS，其通過傳感器主要有攝像頭、雷達、激光和超聲波等探測光、熱、壓力或其它用于監(jiān)測汽車狀態(tài)的變量，控制模塊利用采集的實時信息進行駕駛輔助。

毫米波雷達是ADAS系統(tǒng)的主要傳感器，它在整車上的裝配位置應選取尺寸穩(wěn)定的裝配點，通常毫米波雷達裝配在前防撞梁中部。為保證毫米波雷達的探測范圍與車輛的行駛軸線一致，整車下線后需在專用的標定平臺上對雷達進行探測角度校準。實際生產(chǎn)中若出現(xiàn)雷達主動校準失效，其中一種原因是雷達安裝面偏差大于要求，因此在設計階段應進行雷達安裝面偏差校核。

因一維尺寸鏈計算無法實現(xiàn)雷達安裝面角度偏差校核，本文基于3DCS軟件，采用蒙特卡洛模擬方法，對毫米波雷達安裝面偏差進行三維仿真分析。

1 偏差分析和3DCS軟件

目前面向剛性裝配的偏差分析方法有極值法、統(tǒng)計分析法和蒙特卡洛模擬法這三種方法[1]。其中極值法適用于一維尺寸鏈的偏差計算與分析[2]，統(tǒng)計分析法可以用來分析一維的裝配偏差[3]，而Monte Carlo模擬法是一種將誤差統(tǒng)計和綜合思想應用于設計裝配偏差分析的方法[4]?；?DCS的三維公差分析的核心是蒙特卡洛（Monte Carlo）方法，其基本原理是利用三維數(shù)模，通過輸入零部件定位信息和公差信息，根據(jù)工裝夾具等工藝方案進行虛擬裝配，建立三維偏差分析模型，用來模擬實際裝配時可能出現(xiàn)的尺寸匹配問題[5]。毫米波雷達裝配后的角度偏差屬于三維空間上的偏差，因此3DCS軟件適用于該案例的偏差分析。

2 尺寸鏈環(huán)分析和3DCS模型建立

2.1 分析目標

ADAS前毫米波雷達安裝偏差（±3°）是指將雷達安裝在支架上，在校準之前，雷達天線軸線與車輛行駛軸線的夾角，如圖1。

分析目標確定后，綜合分析影響雷達安裝面精度的零件結構、公差分配、工藝以及前輪中心軸線偏差量等，通過3DCS建立三維偏差分析模型，驗證設計狀態(tài)是否能達到目標。

2.2 裝配工藝流程分析

底盤確定車輛行駛軸線的是前懸架中的前輪前束角，其中副車架不但是前輪、前減震、前制動及轉向等部件的裝配載體，同時也是前懸架系統(tǒng)與車身合拼的定位部件。為了簡化建模，本文前輪中心的偏差采用現(xiàn)有懸架系統(tǒng)3DCS模型輸出的經(jīng)驗偏差值進行簡化建模。

根據(jù)現(xiàn)有相關的裝配工藝流程是：雷達安裝到雷達支架上，雷達支架安裝到前防撞梁上，前防撞梁總成安裝到車身前縱梁上，車身總成與副車架合拼，具體裝配流程如圖3。

各零部件的裝配定位方式如下：

（1）雷達安裝到雷達支架：雷達自帶3根螺柱，通過可調節(jié)螺母自定位到雷達支架;

（2）雷達支架安裝到前防撞梁：雷達支架上部設計2個安裝孔，通過安裝螺栓Z向固定到前防撞梁上焊接支架上;

（3）前防撞梁總成安裝到車身：前防撞梁通過2個定位孔控制YZ和Z向，再用螺栓X向緊固到車身前縱梁前端面;

（4）副車架與車身裝配：通過工裝定位銷穿過副車架和車身2個定位孔，控制XY和X向，Z向通過6個打緊螺栓緊固。

2.3 相關鏈環(huán)公差分配

根據(jù)裝配工藝流程可以得出雷達安裝面公差累積相關的鏈環(huán)，列出各鏈環(huán)經(jīng)驗公差值以及前輪中心偏差值，如表1。

2.4 模型建立

按照上述裝配工藝和公差定義，在3DCS軟件中建立模型，關鍵步驟如下：

（1）按工藝流程裝配三維數(shù)模;

（2）進入3DCS模塊，在每個零件DCS模型下，根據(jù)定位信息制作DCS點;

（2）使用Move功能，根據(jù)工藝流程和定位信息建立虛擬裝配關系;

（3）根據(jù)公定義，賦予DCS點公差值;

（4）建立測量目標：使用line-plane 命令，建立前輪中心線與雷達3個安裝點之間的夾角測量目標，公差給定為±3°。

3 仿真分析

對已建立的模型進行仿真分析運行5000次，輸出報告。在3DCS中，主要以貢獻度及敏感度兩個指標來分析仿真結果[6]。

3.1 結果分析

如圖4，雷達天線軸線和行駛軸線夾角的6-Sigma值為5.67°，超差率為0%，滿足雷達安裝要求。因該偏差值接近±3°的要求，為了進一步減小安裝偏差，降低雷達因裝配偏差帶來的調整工作，本文將研究進一步減小偏差的可行性。

從公差貢獻度方向分析，獲取最大貢獻鏈環(huán)，分析提升可行性。如圖5，雷達支架與前防撞梁上安裝孔的X向螺栓與孔的貢獻率達40.73%，可進行優(yōu)化。其它鏈環(huán)中車身前縱梁安裝面和前輪中心X向公差值雖然較大，但對該測量值得貢獻度不足1%，無需重點關注。

3.2 優(yōu)化方案

最大貢獻度的鏈環(huán)為雷達安裝支架與前防撞梁裝配工序，通過分析可從螺栓配合間隙優(yōu)化和支架結構優(yōu)化兩個方向進行提升。

（1）原產(chǎn)品設計：雷達支架裝配使用M6螺栓配合φ8mm的孔，為減小該孔銷浮動量，更改裝配孔為φ6.2mm;

（2）從結構設計上，可改變雷達支架結構，設計整體式支架直接焊接在前防撞梁前端面上，消除支架裝配鏈環(huán)，如圖6。

4 優(yōu)化方案結果

按兩個優(yōu)化方案對三維仿真分析模型修改，分別進行仿真分析，仿真結果如圖7和圖8。

從兩個優(yōu)化方案的分析結果可知：

（1）安裝孔徑減小方案：雷達天線軸線和行駛軸線夾角的6-Sigma值減小到1.7°。因安裝面繞Z軸的旋轉主要受銷孔配合X向的間隙影響，減少配合間隙后改善明顯，所以若采用該種裝配結構，設計的裝配間隙要做到≤0.2mm。前防撞梁中部支架與防撞梁是Z向貼合，可實現(xiàn)X向滑動調整，易于制造精度達成及匹配調試工作。

（2）產(chǎn)品結構更改方案：雷達天線軸線和行駛軸線夾角的6-Sigma值為1.42°，該方案仿真結果最優(yōu)，但實際生產(chǎn)中，因防撞梁焊接雷達支架的貼合面為曲面且為強制貼合，實際偏差會大于該仿真結果。

5 結論

本文通過3DCS軟件仿真分析校核雷達安裝偏差角度偏差案例，為行業(yè)內尺寸工程師提供一種毫米波雷達校核的參考方法，同時通過優(yōu)化方案的仿真結果建議雷達支架連接結構如下：

（1）優(yōu)先采用雷達支架與前防撞梁支架螺栓連接方案，孔銷配合間隙≤0.2mm。

（2）采用雷達支架與前防撞梁直接焊接方案。

參考文獻

[1] Huang P S，Zhang C P，Chiang F P，High-speed 3-D shape measure -ment based on digital fringe projectin [J].Optical Engineering， 2003，1（1）：32-33.

[2] 張蕾.基于3DCS的某發(fā)動機艙尺寸偏差分析與研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2015.

[3] 胡敏.車身點焊裝配偏差分析的建模方法研究[D].上海：上海交通大學，2000.

[4] 王恒，寧汝新，唐承統(tǒng).三維裝配尺寸鏈的自動生成[J].機械工程學報，2006（1）：185-191.

[5] 劉海博，潘強，房振飛.基于3DCS某后尾燈區(qū)域公差分析及優(yōu)化[C].中國汽車工程學會論文集，2018：1528-1532.

[6] 賈青，姜立偉.基于3DCS軟件的抬頭顯示裝配偏差分析及系統(tǒng)優(yōu)化[J].工業(yè)技術創(chuàng)新，2020（1）：69-74.