馮勇先，陳紅燕，崔慶泉

(北汽福田汽車股份有限公司S汽車中國事業(yè)本部，北京 102206)

0 引言

尾燈區(qū)是體現(xiàn)轎車整體造型風(fēng)格的重要組成部分，它與周邊零件的配合間隙和高度差體現(xiàn)了整車的設(shè)計水平和制造裝配水平［1］。尾燈的匹配效果主要受自身的定位策略、制造精度，關(guān)聯(lián)鈑金件的沖壓偏差、焊接工序以及焊接工藝能力的影響。若是簡單的提高尺寸鏈中每個鏈環(huán)公差要求會增加生產(chǎn)成本。各公司都希望通過優(yōu)化定位、采用簡易工裝或者先進(jìn)的制造工藝等方法縮短尺寸鏈環(huán)、減少公差累積。上述方法對最終結(jié)果的影響大小需要進(jìn)行一系列的驗(yàn)證后才能確定。若利用軟件建立虛擬樣車進(jìn)行驗(yàn)證，可以縮短整車開發(fā)周期、減少開發(fā)費(fèi)用。

1 偏差分析的原理以及流程

偏差分析是通過分析裝配環(huán)節(jié)上零部件的尺寸分布和公差，考慮偏差的累積和傳播，來計算裝配體的尺寸分布和總成公差，實(shí)現(xiàn)在設(shè)計階段對結(jié)構(gòu)方案的尺寸質(zhì)量進(jìn)行評估［2］。偏差分析宗旨是在成本、制造能力范圍內(nèi)合理分配零部件制造公差，使每個零部件公差符合設(shè)計要求。但并不是所有的零部件公差都能符合要求，這時候需從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計等方面找出影響因素，減少公差源，或者通過更改結(jié)構(gòu)設(shè)計，將車身公差累積到非重點(diǎn)的特征上(如不影響整車外觀、整車性能等區(qū)域)。

1.1 計算原理

3DCS偏差分析采用的是蒙特卡羅算法。蒙特卡羅算法的基本思想是當(dāng)所求解問題是某種隨機(jī)事件出現(xiàn)的概率，或者是某個隨機(jī)變量的期望值時，通過某種“實(shí)驗(yàn)”的方法，以這種事件出現(xiàn)的頻率估計這一隨機(jī)事件的概率，或者得到這個隨機(jī)變量的某些數(shù)字特征，并將其作為問題的解［3］。在尺寸鏈中由于各組成環(huán)的公差是在零件加工以及裝配過程中得到的，所以其數(shù)值是在其公差范圍內(nèi)并符合一定的分布規(guī)律的隨機(jī)變量。尺寸鏈方程決定封閉環(huán)的尺寸，是組成封閉環(huán)尺寸的隨機(jī)變量函數(shù)，所以是一個隨機(jī)變量。用蒙特卡羅算法求解公差問題，其實(shí)是將求封閉環(huán)尺寸公差的問題轉(zhuǎn)化為求解一個隨機(jī)變量的統(tǒng)計問題來處理;封閉環(huán)尺寸公差的確定，采用隨機(jī)模擬和統(tǒng)計實(shí)驗(yàn)的方法求解，用這種方法得到的結(jié)果比較符合實(shí)際情況［3－4］。

1.2 分析模型建立開發(fā)流程

分析建模的過程其實(shí)是尺寸的同步工程，需要各部門通力合作。產(chǎn)品工程師按照整車開發(fā)節(jié)點(diǎn)將3D數(shù)模上傳到數(shù)據(jù)系統(tǒng);制造工程師提供鈑金焊接裝配規(guī)劃書和總裝件的裝配規(guī)劃書以及對應(yīng)的工裝方案;尺寸規(guī)劃部門提供DTS(尺寸技術(shù)規(guī)范);GD＆T(幾何尺寸和公差)設(shè)計部門提供產(chǎn)品初始公差、基準(zhǔn)信息等。公差分析工程師依據(jù)以上輸入信息進(jìn)行仿真模型的建立和分析，對未達(dá)到尺寸匹配目標(biāo)的區(qū)域召開產(chǎn)品開發(fā)小組討論會。與會人員一起提出和討論優(yōu)化方案以及建議，公差分析工程師根據(jù)決議優(yōu)化模型，評估是否達(dá)到設(shè)定的尺寸匹配目標(biāo)。通過反復(fù)的計算驗(yàn)證，使所有零部件在符合制造能力以及在成本允許下得到一個合理的公差分配，減少試生產(chǎn)期間零件整改的工作量，縮短調(diào)試周期，節(jié)約開發(fā)成本。偏差分析模型的建立開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 3DCS偏差分析模型建立開發(fā)流程

2 側(cè)圍尾燈區(qū)域偏差分析優(yōu)化

尾燈區(qū)域裝配偏差包括尾燈與側(cè)圍總成、尾門總成、后保險杠總成以及兩燈自身之間的間隙和面差，如圖2所示。尾燈區(qū)域的偏差累積不但與各級零件的公差設(shè)定直接相關(guān)，還與尾燈自身的安裝定位方式相關(guān)。以側(cè)圍尾燈與側(cè)圍總成、后保險杠總成的配合誤差為例，對尾燈安裝定位方式以及公差貢獻(xiàn)排序中Top3的尺寸鏈環(huán)進(jìn)行研究。

圖2 尾燈裝配偏差

2.1 側(cè)圍尾燈區(qū)域分析的輸入和輸出

(1)輸入:①相關(guān)三維數(shù)據(jù):尾燈A(側(cè)圍端)、側(cè)圍、后保險杠等;②DTS文件;③尾燈A基準(zhǔn)及公差;④側(cè)圍鈑金焊接工序;⑤側(cè)圍和后保險杠的基準(zhǔn)及公差;⑥后保險杠裝配方案。

(2)輸出:①3DCS分析模型和分析結(jié)果;②尾燈A最終定位方案及分析優(yōu)化建議報告。

2.2 尾燈定位方案

在設(shè)計階段根據(jù)DTS公差要求制定出初版的定位方案，如圖3。選擇與白車身配合的燈體安裝面為主基準(zhǔn)，控制X方向平移;與側(cè)圍外板配合的燈體安裝面和尾燈加強(qiáng)板上4方位孔對應(yīng)的燈體螺柱選為第二基準(zhǔn)，控制沿Y方向的平移和繞垂直于YOZ平面軸的轉(zhuǎn)動;與尾燈加強(qiáng)板上4方位孔對應(yīng)的燈體螺柱選為第三基準(zhǔn)，控制Z方向移動，此方案滿足3－2－1的定位思想。

將各項(xiàng)輸入信息體現(xiàn)到仿真模型中，并進(jìn)行5 000次的仿真計算。尾燈與側(cè)圍以及保險杠間隙、面差分析結(jié)果見表1。

圖3 尾燈A定位方案一

從分析結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，尾燈與側(cè)圍的面差、后保的間隙面差仿真結(jié)果很差，最大超差率為23.84%。分析尾燈與后保面差的尺寸鏈環(huán)貢獻(xiàn)排序表，發(fā)現(xiàn)排在第3位尾燈定位點(diǎn)對應(yīng)的車身安裝點(diǎn)的G Factor(敏感度系數(shù))值為1.743716(見圖4)，即此定位點(diǎn)公差將放大1.743716倍。放大倍數(shù)越大，后期匹配的困難度也隨之增加。

圖4 尾燈與保險杠斷面的面差G Factor報告

2.3 定位方案優(yōu)化和公差修正

由以上分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)方案一非最優(yōu)方案，因此制定出定位方案二，如圖5所示。方案二與方案一的差異在于Z方向的定位放在了與側(cè)圍配合的燈體凸臺上。

圖5 尾燈A定位方案二

將新的定位方案輸入到模型中進(jìn)行模擬分析，仿真分析結(jié)果見表1。從表中可看出，尾燈方案二的偏差值和超差率均低于方案一，尾燈與保險杠中排第3位敏感度系數(shù)也由1.743716降低到1.717111(見圖6)，因此方案二作為優(yōu)先選擇方案。

表1 尺寸鏈三維偏差分析結(jié)果對比 /mm

圖6 尾燈與保險杠斷面的面差G Factor報告

2.4 公差與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由表1分析結(jié)果可知，方案二中尾燈與側(cè)圍面差、尾燈與保險杠間隙/面差超差率均高于5%的要求，因此需要考慮對其貢獻(xiàn)較大的鏈環(huán)公差進(jìn)行修正設(shè)計與分析。一般是選擇公差貢獻(xiàn)排在前3位的尺寸鏈進(jìn)行優(yōu)化。

由表2可知，對尾燈與側(cè)圍面差影響較大的公差有尾燈面輪廓度、側(cè)圍外板總成上尾燈Y向安裝面的面輪廓度、側(cè)圍外板總成面輪廓度。通過與燈具工程師溝通，將尾燈面差面輪廓度由1.4 mm控制到1.0 mm;制造工程師反饋可將側(cè)圍外板總成上尾燈Y向安裝面的面輪廓度由1.0 mm控制到0.6 mm，公差修正后仿真分析結(jié)果如圖7。按照以上方法，完成其他界面關(guān)聯(lián)零件的公差優(yōu)化，分析結(jié)果見表3。

圖7 尾燈與側(cè)圍面差分析結(jié)果

表2 尾燈與側(cè)圍面差靈敏度分析結(jié)果

從表3仿真結(jié)果可以看出，公差修正后尾燈區(qū)域DTS間隙和面差超差率均有所減小，從而提高了尾燈區(qū)域匹配質(zhì)量。

表3 方案二公差修正前后分析結(jié)果對比 /mm

3 結(jié)語

通過對某車型尾燈周邊匹配偏差的分析，解決了產(chǎn)品設(shè)計階段尾燈最優(yōu)定位方案的選取以及尺寸鏈環(huán)優(yōu)化問題，降低了尾燈與對手件匹配的超差率。同時方案優(yōu)化選取過程中將尺寸鏈中各鏈環(huán)敏感度系數(shù)大小作為參考項(xiàng)，從而充分考慮到零件安裝定位點(diǎn)的尺寸偏差放大效應(yīng)，提高匹配的穩(wěn)定性，以上方法已在實(shí)車匹配中得到驗(yàn)證。

［1］ 王 鏑.基于尺寸工程的轎車行李箱蓋總成與尾燈裝配偏差分析［J］.材料·工藝·設(shè)備，2004(2):33－36.

［2］ 崔慶泉.轎車尺寸同步工程實(shí)施綜述［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2013(6):191－194.

［3］ 方紅芳.計算機(jī)輔助工序尺寸及其公差設(shè)計［M］.上海:中國紡織大學(xué)出版社，2000.

［4］ 吳昭同，楊將新計算機(jī)輔助公差優(yōu)化設(shè)計［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，1999.