趙云 張磊 薛強 章雨亭

（上海通用汽車有限公司）

隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的快速發(fā)展，市場競爭日趨激烈，各大汽車廠商爭相推出新車型以滿足市場需求。提高汽車質(zhì)量和縮短開發(fā)周期成為汽車廠商贏得市場競爭的關(guān)鍵。質(zhì)量控制貫穿整個開發(fā)周期，涉及設(shè)計、材料、工藝及制造等。在制造過程中，控制零部件尺寸是控制質(zhì)量的一個重要方面。汽車尺寸工程傳統(tǒng)的方法是用檢具對零件尺寸進行評估，只能通過有限的測點進行量化，對于匹配的不可見區(qū)域和狹小而無法測量區(qū)域，很難進行尺寸評估；在無檢具的條件下，無法對零件進行尺寸評估。基于以上問題，文章提出一種虛擬匹配方法，實現(xiàn)無檢具條件下對零件的測量，包括全尺寸測量、不可見區(qū)域的測量。同時通過虛擬測量，可在早期對產(chǎn)品尺寸進行評估，指導(dǎo)產(chǎn)品修改。

1 尺寸工程

1.1 尺寸工程的工作內(nèi)容

尺寸工程已成為汽車開發(fā)中的核心工程之一，尺寸工程和其它專業(yè)的關(guān)系，如圖1所示。

尺寸工程的工作流程，如圖2所示。產(chǎn)品開發(fā)階段的尺寸目標制定（DTS）、定位及公差設(shè)計（GD&T）、虛擬制造（VA）到測量計劃的測點開發(fā)（MPD）、測量系統(tǒng)規(guī)劃實施（MS）、投產(chǎn)階段尺寸管理中匹配活動（MC）。文章詳細介紹幾個關(guān)鍵的工作內(nèi)容。

DTS側(cè)重在整車內(nèi)外觀匹配區(qū)域的間隙、面差尺寸目標及外觀美學(xué)要求，并根據(jù)工藝、制造能力制定整車尺寸公差目標[1]。零部件及總成的公差設(shè)計最終滿足整車的DTS要求。所有尺寸工作都圍繞著DTS展開。DTS的組成，如圖3所示。

GD&T包含定位基準及被測要素公差要求。GD&T圖紙是產(chǎn)品尺寸公差設(shè)計部門對于汽車零部件制定的具體制造公差要求。

MPD是根據(jù)產(chǎn)品GD&T圖紙要求，制定適當(dāng)?shù)碾x散的點來代表，反映整體零件尺寸，供產(chǎn)品測量使用。

1.2 傳統(tǒng)的尺寸匹配方法和局限性

在傳統(tǒng)的尺寸匹配活動中，主要使用檢具對零件尺寸進行評估。檢具是一種用來測量和評價零件尺寸的專用檢驗工具，檢具上零件的定位基準必須符合GD&T圖紙中的要求。車燈檢具實物圖，如圖4所示。

沒有檢具的條件下，無法實現(xiàn)對零件的測量；當(dāng)用檢具測量時，只能獲取有限的測點位置的尺寸，不能進行全尺寸評估，同時無法測量不可見區(qū)域和狹小受限區(qū)域。

針對上面的問題，引入虛擬匹配技術(shù)，實現(xiàn)無檢具條件下對零件的測量，包括全尺寸測量、不可見區(qū)域或狹小受限區(qū)域的測量。同時通過虛擬測量，可在早期對產(chǎn)品尺寸進行評估，指導(dǎo)產(chǎn)品修改。需要說明的是虛擬匹配技術(shù)適用于剛性較好的零件或者剛性環(huán)境下的零件，如：鈑金件、燈等，或者定位于檢具或者支架上的零件，需確保零件沒有形變。

2 虛擬匹配方法

匹配是批量生產(chǎn)前采用真實工裝生產(chǎn)的樣件，全面驗證產(chǎn)品、零件、工藝和工裝的過程[2]。

虛擬匹配是軟件模擬真實的過程，因此如有真實零件對應(yīng)的模型數(shù)據(jù)模擬檢具的定位系統(tǒng)，就能實現(xiàn)零件間的匹配分析。虛擬匹配實施的前提條件是以零件對應(yīng)的數(shù)模和DG&T圖紙為標準，使用激光掃描儀獲取零件的點云作為待評估的零件。

虛擬匹配是利用掃描技術(shù)，獲取零件3D點云數(shù)據(jù)，通過軟件進行尺寸匹配分析。目前某公司執(zhí)行虛擬匹配活動的軟硬件環(huán)境，如圖5所示，包括?？怂箍礡omer關(guān)節(jié)臂、Perceptron V5激光掃描頭、InnovMetric公司的Polyworks點云處理軟件及一些必要的簡易支架。

使用檢具定位的過程是零件的定位基準和檢具的定位基準配合，實現(xiàn)把零件定位到車身坐標系上。模擬檢具定位是在定位點即裝配基準處建立參考點，使用3-2-1原則定位對齊到車身坐標系。

參考點對齊方式的實現(xiàn)過程：使用手動對齊或者最佳擬合等手段，使點云和數(shù)模位置靠近，參照GD&T圖紙，在零件數(shù)模的基準處建立參考點理論值，對應(yīng)點云上使用擬合等手段對參考點賦予實際值。軟件在對齊的過程中，先把點云以某個參考點為原點移動到數(shù)模對應(yīng)的理論參考點位置，直到它們的距離達到一定公差，不再發(fā)生移動。所有參考點執(zhí)行以上過程，執(zhí)行完畢后為一輪對齊結(jié)束，然后進入下一輪對齊，一輪為一次迭代，不斷迭代，所有參考點在公差內(nèi)，對齊完成，即把零件對齊到車身坐標系，實現(xiàn)定位功能。若參考點中的某一點在經(jīng)過一定迭代次數(shù)后，無法移動到公差內(nèi)的數(shù)模上的對應(yīng)點，視為對齊失敗，即零件基準一致性差，需要整改基準。

在對齊成功后若A面偏差過大，可使用A面全部或者部分A面與數(shù)模進行最佳擬合，查看A面的偏差情況和基準的偏差量。若A面偏差情況理想，得到的基準偏差量即為零件的基準修改調(diào)整量；若A面偏差情況不理想，同時整改A面和基準，整改基準優(yōu)先，以上一步得到的基準整改量為基礎(chǔ)，根據(jù)工程經(jīng)驗，整改GD&T的參考點的實際值，重新對齊，即執(zhí)行虛擬整改方案仿真，經(jīng)過幾個方案仿真后，最終得到A面和基準的整改量。

3 虛擬匹配在SGM中的應(yīng)用

3.1 檢具上零部件A面的全尺寸評估

將零件安裝到檢具上；利用檢具基準建立坐標系，將零件對齊到車身坐標系；掃描零件的整體形面，在軟件中與數(shù)模進行比較，獲得零件形面的全尺寸評估，整個過程稱為PAQS。

3.2 無檢具條件下對零件的評估

在無檢具情況下（如有必要，使用簡易支架支撐住零件），在零件不位移、不振動及不變形的環(huán)境下進行自由狀態(tài)掃描，獲取點云，在軟件中創(chuàng)建零件GD&T定位基準，作為參考點，與數(shù)模對齊，進行比較，得出零件形面尺寸偏差，這個過程稱為VCF（Virtual Checking Fixture）。掃描時，需要將零件GD&T基準和測量區(qū)域都掃描進去。

3.3 零件整改值的定量和定性分析

在零件尺寸認證過程中，對零件的超差的定量整改，整改方式有整改A面、整改基準和兩者同時整改。在經(jīng)過零件尺寸虛擬評估后，得到基準和A面的偏差情況，有超差的情況下，通過利用零件部分匹配A面進行最佳擬合，獲得基準的偏差，模擬基準整改量，獲取整改零件最佳方案，這個過程稱為ONCA。

3.4 2個零件的匹配分析

2個零件在經(jīng)過零件尺寸虛擬評估后，因它們已經(jīng)定位到車身坐標系，放置在同一文件環(huán)境下，進行零件與零件的匹配評估，對間隙、干涉及平整度給以確認，同時對內(nèi)部不可見的區(qū)域確認，也就是2×VCF的數(shù)據(jù)分析，這個過程簡稱VTAC。

3.5 2個零件匹配后的定量整改方案

在2個零件的匹配過程中，F(xiàn)lush和Gap在公差范圍之內(nèi)，且不存在干涉，則匹配符合DTS標準，若Flush和Gap超差或零件間存在干涉，需要定量的整改零件，通過優(yōu)化間隙和部分或者全部零件ONCA等模擬仿真后獲取零件的整改方法，同時可以對配合內(nèi)部不可見的區(qū)域干涉進行定性定量分析，這個過程簡稱VNV。

3.6 鈑金零件匹配分析

2個或者多個鈑金件使用VCF技術(shù)進行虛擬裝配后，定量分析鈑金件匹配區(qū)域的間隙和干涉,確認單個零件對此影響的區(qū)域。

3.7 前蓋烘烤變形分析

首先掃描烘烤前的前蓋，得到一個狀態(tài)的點云，再掃描烘烤后的前蓋，得到另外一個狀態(tài)的點云，經(jīng)過定位到同一坐標系后，以烘烤前的前蓋點云作為基準，進行全尺寸比對分析，得到變形量，為工藝部門提供依據(jù)。

3.8 氣彈簧引起變形

分析安裝氣彈簧對前蓋的變形影響，具體操作：安裝氣彈簧前后，分別掃描車身前蓋，獲取2個狀態(tài)的點云，將氣彈簧安裝后的前蓋點云與氣彈簧安裝前的前蓋點云比較，分析變形量。

3.9 Seal Margin測量

分別掃描門內(nèi)板和車身側(cè)圍，通過在門上放置靶球進行基準轉(zhuǎn)換，將門內(nèi)板和車身側(cè)圍的點云置于同一個機器坐標系，實現(xiàn)對Seal Margin的測量，可支持分析門的關(guān)緊力和車身密封性等問題

3.10 IP與門飾板間隙測量

分別掃描門內(nèi)飾板和IP飾板，通過在門上放置靶球進行基準轉(zhuǎn)換，將門內(nèi)內(nèi)板和IP飾板的點云置于同一個機器坐標系，可分析測量門內(nèi)飾板和IP飾板的間隙與平整度配合。

3.11 整車測量

在總裝車間發(fā)動機等安裝后，無法實現(xiàn)將整車放置于三坐標holding測量的情況下，使用車體的部分的穩(wěn)定特征作為坐標參考點，以三坐標測量值或均值為理論參考值，建立局部的車身坐標系，可對該區(qū)域的尺寸進行測量分析。

4 案例介紹（尾燈尺寸評估）

利用Virtual Matching虛擬匹配技術(shù)，在項目階段對某新車型尾燈進行尺寸評估，支持尾燈尺寸的改進。

首先準備好尾燈零件、數(shù)模及GD&T圖紙，通過使用GD&T基準信息建立基準坐標系對齊到車身坐標系下，實現(xiàn)對其它相關(guān)基準和型面的測量評估。

4.1 掃描尾燈

用簡易支架固定支撐住尾燈，在不振動、不變形、基準及型面不被遮擋的環(huán)境下進行掃描。尾燈的GD&T基準和測量區(qū)域都要被掃描到，勻速掃描，確認掃描區(qū)域完整。

4.2 全型面測量分析

4.2.1 GD&T主基準對齊到車身坐標系

在進行操作前，先分析零件的GD&T圖紙，確認GD&T的定位基準位置、公差等信息。

根據(jù)GD&T圖紙，在數(shù)模上使用數(shù)字化定義建立基準信息，點云經(jīng)過最佳擬合處理后，A基準通過選中基準區(qū)域的點云，以擬合的方式創(chuàng)建平面，所選點云的中心點的位置值做為測量值賦予對應(yīng)基準，B,C基準是通過先創(chuàng)建銷/孔投影面，再創(chuàng)建銷/孔，以相交方式創(chuàng)建B，C圓心。所有基準建立后，如圖6所示。

4.2.2 基準一致性測定

因該尾燈存在7個約束（4個A基準面、四位銷B、二位銷C），過定位，若4個A基準的一致性有偏差，可能引起零件形變。分析4個A基準的一致性，結(jié)果有一定偏差。如圖7所示，以A1，A2，A3，B，C建立坐標時，測定零件中間的A4基準偏高0.28 mm，這種情況可能會引起尾燈在檢具上緊固時產(chǎn)生形變。

4.2.3 基準平面度測定

分析零件的 A1（圖 8），A2，A3 基準平面度，A1，A2，A3基準面平面度偏差分別為 0.5，0.24，0.27 mm。

4.2.4 全尺寸評估分析

GD&T基準對齊后，尾燈點云與數(shù)模進行比對，得出全尺寸的偏差彩圖結(jié)果，如圖9所示，全型面的偏差根據(jù)顏色和彩條判斷其偏差區(qū)域。對于重點關(guān)注的測點位置，可輸入測點文件，使用比較點查看測點的具體偏差值。

4.3 獲取零件的整改方案

根據(jù)VCF結(jié)果，零件A面尺寸存在偏差，需要修正。以A面匹配一圈的形面與數(shù)模擬合，ONCA對齊，求出基準的偏差，如圖10所示，紅色框標示ONCA后得到的整改量，綠色框表示按上面數(shù)值整改后的基準偏差。

修正基準偏差到0，發(fā)現(xiàn)左尾燈A面有形變，無法整體與數(shù)模對齊，即無法實現(xiàn)通過單一整改基準實現(xiàn)對零件的整改，若要進一步對A面尺寸進行改善，需要多次調(diào)整，獲取一個最佳的整改方案，使用我們自己開發(fā)的虛擬匹配插件仿真，得到整改方案為：A1，A2，A3 Y向基準整改量分別為 -0.86，0.76，-0.86 mm，C基準Z向為 -0.57 mm，B基準X，Z向分別為 1，0.7 mm。該整改方案，使A面整改量最小。

5 結(jié)論

目前某公司的整車開發(fā)流程中虛擬匹配得到了初步的應(yīng)用，該公司的長期目標是利用虛擬匹配技術(shù)，在項目階段盡可能早的發(fā)現(xiàn)零件尺寸問題，并通過仿真修改，減小實物零件修改的次數(shù)，提高效率，降低成本。項目啟動階段，在公司內(nèi)通過掃描測量供應(yīng)商的零件，支持項目組分析零件尺寸和匹配問題原因，輔助零件的改進。