□ 韋慶玥 □ 李 明 □ 詹高偉 □ 柳 靜 □ 肖武華

上海大學(xué) 智能制造及機器人重點實驗室 上海 200072

基于產(chǎn)品的數(shù)字化擬實虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)的研究

□ 韋慶玥 □ 李 明 □ 詹高偉 □ 柳 靜 □ 肖武華

上海大學(xué) 智能制造及機器人重點實驗室 上海 200072

提出一套基于產(chǎn)品的數(shù)字化擬實虛擬裝配流程規(guī)范，解決目前普遍使用的僅基于CAD模型的虛擬裝配與實際裝配時存在的差異問題，著重研究在整個擬實虛擬裝配流程規(guī)范中影響最終結(jié)果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以實際零部件數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，制定出一套具有指導(dǎo)性的調(diào)整及裝配規(guī)范。使裝配更加便捷，成本和精度之間達到一個最優(yōu)化。

尺寸工程 擬實裝配 鈑金件 測量規(guī)范

尺寸工程是一個系統(tǒng)的、新興工程領(lǐng)域，也是從各工程制造領(lǐng)域的傳統(tǒng)工作方法中提取出來用以規(guī)范化、系統(tǒng)化開展此類工作的全新系統(tǒng)，它以滿足客戶質(zhì)量需求為目標。

汽車尺寸工程是以車身裝配尺寸精度為核心，從車身造型、結(jié)構(gòu)、工藝、制造、檢測和管理等各個環(huán)節(jié)對車身尺寸與公差系統(tǒng)進行優(yōu)化。根據(jù)產(chǎn)品功能要求，設(shè)計部門設(shè)計CAD模型，同時可以運用虛擬裝配軟件進行虛擬裝配，對尺寸及公差進行調(diào)整，檢驗裝配的可行性；生產(chǎn)部門根據(jù)GD&T（Geometric Dimensioning and Tolerancing）要求生產(chǎn)零件；檢驗部門對加工好的零件進行單零件檢測及匹配階段的CUBING（車身主檢具又稱為綜合檢具或者功能主模型 （Functional Master Model））檢測，結(jié)果進行反饋，檢驗合格后進入裝配階段。在實際裝配時，人工進行調(diào)整裝配，生產(chǎn)過程如圖1所示，圖中虛線部分為具體操作內(nèi)容。

該過程中對產(chǎn)品零件匹配檢測方法包括后期的CUBING及前期的虛擬裝配技術(shù)。CUBING是相對于車身設(shè)計數(shù)模，按1∶1比例制作的一個標準化的車身模型，可以說是零偏差，是三維數(shù)模的真實再現(xiàn)，主要用于外覆蓋和內(nèi)外飾件的匹配和評價。高精度的CUBING制造及日常維護費用很高，為了降低成本，企業(yè)普遍在設(shè)計階段運用虛擬裝配技術(shù)提前檢查裝配情況。但是不論是CUBING或虛擬裝配，都是基于CAD理想數(shù)模進行匹配，不能完全模擬整個車身在實際生產(chǎn)中的狀態(tài)，不能完全分析出車身偏差對零部件在車身狀態(tài)上的影響，這就導(dǎo)致現(xiàn)場工人仍然要根據(jù)實際零件情況長時間進行調(diào)整和裝配，與此同時也容易造成對零件誤判，導(dǎo)致報廢，最終出現(xiàn)高成本、低效率的情況。

筆者針對以上情況提出了在理論分析的基礎(chǔ)上，形成基于具有代表性數(shù)據(jù)的數(shù)字化擬實虛擬裝配過程規(guī)范，本規(guī)范不但實現(xiàn)CUBING及虛擬裝配的功能，同時規(guī)范中給出合理的零件調(diào)整方案及實際裝配操作調(diào)整方案，大大提高了零件裝配時的指導(dǎo)性作用，使現(xiàn)場裝配便捷快速，同時對設(shè)計公差進行優(yōu)化，大幅降低了產(chǎn)品成本。

1 基于產(chǎn)品的數(shù)字化擬實虛擬裝配的研究

1.1 虛擬裝配的概念

虛擬裝配VA（Virtual Assembly）是產(chǎn)品數(shù)字化定義中的一個重要環(huán)節(jié)，在虛擬技術(shù)領(lǐng)域和仿真領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用和研究，也就是應(yīng)用數(shù)字化對模型約束，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的形狀特性、精度特性，真實地模擬產(chǎn)品三維裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實模擬裝配過程，以檢驗產(chǎn)品的可裝配性。

虛擬裝配技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)漸漸取得重要的地位，它已應(yīng)用到如：美國空軍F18戰(zhàn)斗機的改進型，德國佛郎霍夫工業(yè)工程研究所研究的人造衛(wèi)星，清華大學(xué)開發(fā)的用于裝配關(guān)系、裝配對象管理、實時碰撞檢測等方面。

1.2 基于產(chǎn)品的數(shù)字化擬實虛擬裝配概念

虛擬裝配雖然有成本低、數(shù)字化裝配便捷等優(yōu)點，并被眾多企業(yè)應(yīng)用，但是其裝配基礎(chǔ)還是處于CAD的理論數(shù)模下進行，更偏重于設(shè)計階段的公差設(shè)計合理性的分析，對實際加工成形后的零件裝配幫助有限。筆者提出基于產(chǎn)品的數(shù)字化擬實虛擬裝配概念，它選取具有代表性零件的數(shù)據(jù)且能夠真實反映零件裝配時的狀態(tài)，包括數(shù)據(jù)的提取狀態(tài)及方法、零件制造能力指數(shù)、制程準確度、制程精密度等。在虛擬裝配分析過程中，型面等選擇也都成為規(guī)范的研究內(nèi)容。

基于產(chǎn)品的數(shù)字化擬實虛擬裝配過程形成的一條封閉、完整、不斷優(yōu)化的尺寸鏈，使數(shù)字化虛擬裝配技術(shù)的優(yōu)點更為明顯。通過基于產(chǎn)品的數(shù)字化擬實虛擬裝配，減少檢具的制造費用，提高基于CAD虛擬裝配的預(yù)判準確性，減少人工裝配的時間，大大降低了產(chǎn)品的成本，同時真正達到高效的裝配目的。數(shù)字擬實裝配產(chǎn)品生產(chǎn)過程如圖2所示，圖中虛線框表示加入擬實裝配階段。

▲圖1 汽車車身生產(chǎn)過程

▲圖2 數(shù)字擬實裝配產(chǎn)品生產(chǎn)過程

2 汽車鈑金件數(shù)字擬實虛擬裝配分析

汽車的車身是由薄鋼板沖壓成側(cè)圍、底板、四門兩蓋等零件組成，通過焊接、安裝，將各個零件組裝成白車身，油漆車身，最后進行總裝。

在此過程中必須對白車身的車身零件的安裝基準、車身輪廓面、車身孔形進行精度檢測?？偝珊螅捎诹慵谋旧碚`差、安裝誤差、安裝變形、裝配工藝等原因，往往造成裝配后零件與零件之間形成匹配誤差，這就涉及到車身總成精度：車身孔位、車身輪廓面、面差、間隙，如圖3所示。這些誤差影響了汽車外形造型、內(nèi)外飾的配合、工藝性，而這正是客戶對汽車滿意度評價中除了汽車的性能、油耗、安全外，最為關(guān)注的地方。

汽車制造是一個集成系統(tǒng)，由14 000～16 000個零部件組成，從零件的檢測到裝配完成，最終形成數(shù)字化擬實虛擬裝配規(guī)范，過程中各個環(huán)節(jié)都會影響到得出的裝配策略是否合理。本文以汽車鈑金件為例，分析了汽車鈑金件在數(shù)字擬實虛擬裝配中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

本文基于汽車總成誤差分析，制訂出一套適用于汽車鈑金件的數(shù)字化擬實虛擬裝配流程，包括三大部分：零件數(shù)據(jù)提取、單件車身零件的調(diào)整策略及規(guī)范、多零件擬實虛擬裝配調(diào)整策略及規(guī)范。分別對圖紙正確解讀，得到正確測量值的條件；根據(jù)不同狀態(tài)的單件零件進行最合理的調(diào)整；最后進行零件擬實裝配，最終制訂出裝配策略方案書。

▲圖3 汽車總成檢驗圖

3 汽車鈑金件數(shù)字擬實虛擬裝配流程關(guān)鍵因素

基于產(chǎn)品的數(shù)字化擬實虛擬裝配最終制定的裝配方案書，能對實際裝配時起到正確的、有方向性的指導(dǎo)作用，達到降低成本、提高裝配效率的目的。擬實虛擬裝配的零件與實際裝配零件保持一致就是該規(guī)范流程中的基礎(chǔ)，也是重中之重。鈑金件數(shù)字化擬實虛擬裝配流程如圖4所示。

3.1 數(shù)字化擬實虛擬裝配檢驗流程關(guān)鍵點分析

數(shù)字化擬實虛擬裝配流程的關(guān)鍵點之一是獲取零件的實際裝配狀態(tài)，它直接影響到最終的裝配方案。在車身測量的應(yīng)用中，由于工件本身的形狀復(fù)雜，且在一定程度上具有柔性特點、工況要求變化多樣、被測對象涵蓋常規(guī)形狀和曲面曲線、鈑金工件回彈、沖裁光亮帶窄且形狀誤差大等問題，獲得穩(wěn)定的和實際裝配狀態(tài)一致的測量值難度大大提高。

3.2 數(shù)字化擬實虛擬裝配檢驗流程數(shù)據(jù)提取規(guī)范

（1）工件檢測狀態(tài)規(guī)范。只有在實際工況下提取零件的數(shù)據(jù)才能夠正確地反映裝配時零件真實狀態(tài)，而鈑金件易變形的特性必須對裝夾方法提出一定的要求，即鈑金件裝夾后的狀態(tài)與實際裝配時一致。

（2）零件測量規(guī)范。對鈑金件測點的數(shù)量、分布及對特征擬合方法等設(shè)置，與特征提取后的結(jié)果有很大關(guān)系，因此，必須對零件點云提取方法、特征的擬合及基準建立制訂規(guī)范。

（3）代表性數(shù)據(jù)。數(shù)字化擬實裝配是針對批量零件而非單獨零件，需要統(tǒng)計出具有代表性的零件信息，可以正確地進行批量調(diào)整及修改。

3.3 單件車身零件的調(diào)整策略及規(guī)范

由于不同質(zhì)量狀態(tài)的鈑金件對后續(xù)的裝配工作會有不同的裝配方案，對單件車身鈑金件制定一套評價及調(diào)整階段規(guī)范。單件鈑金件在GD&T下進行評價，對不合格鈑金件可進行形面擬合調(diào)整、修改或部分零件暫時不作調(diào)整等多種方案。以上需要一定量的具有代表性的數(shù)據(jù)進行分析，給出分類方法。

通過單件車身鈑金件的檢測，可對鈑金件進行修正指導(dǎo)及裝配指導(dǎo)。在進行檢測前，可用虛擬裝配軟件進行公差分析，找出影響控制要求的關(guān)鍵因素，在評價中重點關(guān)注關(guān)鍵因素。

3.4 多零件擬實裝配調(diào)整策略及規(guī)范

在實際的匹配問題分析過程中，一個缺陷往往不只是某個零件單獨產(chǎn)生的，常與若干個零件有關(guān)，也有可能每個零件都不超差，但匹配到一起就會產(chǎn)生缺陷，這也就是偏差累計，多零件虛擬裝配調(diào)整階段就要解決這一問題。該階段根據(jù)GD&T要求，進行虛擬裝配，當(dāng)不合格時，選擇對形面的擬合分析來制訂調(diào)整及修改零件的策略是該階段的關(guān)鍵點，最后制訂出實際零件裝配調(diào)整方案。在該階段，通過 VSA（Variation Simulation Analysis）軟件也可以從實際出發(fā)對產(chǎn)品的公差設(shè)計進行優(yōu)化。

基于產(chǎn)品的擬實虛擬裝配流程，更具針對性，更適用于對現(xiàn)場裝配的調(diào)整，從實際出發(fā)，事前發(fā)現(xiàn)及解決裝配中可能產(chǎn)生的誤差原因，使汽車在最后裝配階段更便捷，整個汽車制造效率提高，成本大大降低。對汽車鈑金件數(shù)字擬實虛擬裝配流程的完善，需要大量的數(shù)據(jù)以形成一個有效的數(shù)據(jù)庫，對不同的零件進行分類，這也是今后的研究方向，同時數(shù)字擬實裝配規(guī)范應(yīng)根據(jù)實際調(diào)整狀況，增加某些規(guī)范。

▲圖4 鈑金件數(shù)字化擬實虛擬裝配流程圖

4 結(jié)論

針對復(fù)雜產(chǎn)品，利用數(shù)字擬實裝配技術(shù)可優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，避免或減少物理模型的制作，縮短開發(fā)周期，降低成本，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的并行開發(fā)，提高裝配質(zhì)量和效率，改善產(chǎn)品的售后服務(wù)。擬實裝配在航空航天、汽車、船舶、工程機械等領(lǐng)域的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計及其裝配工藝規(guī)劃具有重要的意義，受到國內(nèi)外的普遍關(guān)注。

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2014年8月