趙有鋒 李兵

【摘 要】裝配偏差分析技術(shù)是汽車尺寸工程的核心技術(shù)之一，通過數(shù)字化虛擬裝配偏差建模，以數(shù)字樣車代替物理樣車來評估和優(yōu)化裝配工藝，減少物理樣車的裝配數(shù)量，從而縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。文章分析數(shù)字化虛擬裝配技術(shù)的工作流程和方法，結(jié)合東風(fēng)柳州汽車有限公司某車型的車身開發(fā)案例，建立最優(yōu)的零部件公差分配方案，案例研究表明該技術(shù)可以有效縮短開發(fā)周期與降低開發(fā)成本。

【關(guān)鍵詞】汽車；數(shù)字化；尺寸工程；裝配；偏差

【中圖分類號】U463 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）05-0071-03

汽車車身是由大量鈑金件裝配通過點焊焊接而成的復(fù)雜薄板產(chǎn)品[1]，車身尺寸精度對于產(chǎn)品外觀質(zhì)量、安全性、可靠性和舒適性等性能有重要影響，直接影響產(chǎn)品的整體性能，最終影響市場競爭力。汽車車身由400多個薄板沖壓件在上百個工位上由幾千個焊點裝配而成，歷經(jīng)數(shù)十道乃至上百道加工工序裝配焊接，由于“人、機(jī)、料、法、環(huán)”等因素引起的誤差在制造過程中傳遞和累積形成產(chǎn)品的綜合偏差，最終影響產(chǎn)品性能，因此各主機(jī)廠要高度重視車身裝配技術(shù)。汽車車身的數(shù)字化裝配偏差分析是通過三維軟件建模仿真與計算來預(yù)測裝配風(fēng)險和優(yōu)化已有的裝配工藝，達(dá)到降低生產(chǎn)風(fēng)險、提高效率、降低成本的目的。從當(dāng)前國內(nèi)外現(xiàn)狀來看，尺寸工程不僅覆蓋產(chǎn)品設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計、制造控制、優(yōu)化改進(jìn)的整個產(chǎn)品生命周期，更涉及標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)的綜合應(yīng)用，甚至涵蓋整個汽車幾何質(zhì)量技術(shù)的迭代和技術(shù)進(jìn)化。作為尺寸工程的核心技術(shù)之一的裝配偏差分析技術(shù)已成為提升汽車裝配質(zhì)量和效率的一種手段，針對汽車研制與量產(chǎn)需求，建立面向數(shù)字化虛擬控制裝配偏差的質(zhì)量控制體系，對實現(xiàn)汽車裝配技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

1 尺寸工程的主要內(nèi)容

尺寸工程又叫尺寸管理，以現(xiàn)狀或預(yù)期的制造能力為出發(fā)點，通過設(shè)計合理的定位、合理地分配和制定公差及設(shè)計恰當(dāng)?shù)募庸づc裝配工藝，使產(chǎn)品達(dá)到既定的匹配和功能要求，并且通過應(yīng)用尺寸鏈分析或公差虛擬仿真技術(shù)對上述尺寸設(shè)計和尺寸要求進(jìn)行風(fēng)險評估和預(yù)防的一系列活動[3]。尺寸工程是面向產(chǎn)品全生命周期（幾何）質(zhì)量的一種系統(tǒng)工程，是“工業(yè)4.0”等先進(jìn)制造模式不可或缺的一項基礎(chǔ)且核心的系統(tǒng)化技術(shù)，也是ISO 9000質(zhì)量體系、ISO產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范與驗證（GPS&V）標(biāo)準(zhǔn)體系在幾何質(zhì)量領(lǐng)域的具體工程實踐。

汽車車身尺寸工程包含了間隙面差值的定義、裝配工藝方案設(shè)計、公差設(shè)計、制造裝配階段的裝配偏差分析等，從而進(jìn)一步延伸并影響零件的模具設(shè)計、檢具設(shè)計、夾具設(shè)計、測量設(shè)計及持續(xù)改進(jìn)等。因此，尺寸工程的實施可以系統(tǒng)性地監(jiān)控和改善車身制造質(zhì)量[4]。

2 三維裝配偏差分析與尺寸工程的關(guān)系

三維裝配偏差分析技術(shù)是在已知零件數(shù)據(jù)和裝配樹、零件定位策略（CDLS）、DTS控制目標(biāo)及公差要求、工裝設(shè)備的公差等條件下，通過利用三維分析軟件（3DCS或VSA）進(jìn)行建模，運(yùn)用蒙特卡羅計算方法，進(jìn)行一定樣本量（通常取5 000個樣本量）的虛擬裝配，并計算裝配累積偏差的數(shù)字化仿真過程。通過數(shù)字化三維偏差分析技術(shù)，分析影響公差積累的原因，評估和優(yōu)化原有的裝配工藝方案和設(shè)計公差，達(dá)到減小生產(chǎn)風(fēng)險、降低試制成本、提高生產(chǎn)效率的目的。數(shù)字化虛擬裝配偏差分析技術(shù)是尺寸工程的核心技術(shù)之一，在開展整個尺寸工程項目中起著銜接設(shè)計與制造的作用，既對前期的裝配工藝初步方案和設(shè)計的公差進(jìn)行評估，建立最優(yōu)的零部件公差分配方案，又為汽車開發(fā)后期的質(zhì)量控制提供依據(jù)。

2.1 裝配偏差分析技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，整車開發(fā)周期速度越來越快，隨著國家提出“中國制造2025”即“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念，各主機(jī)廠研發(fā)體系開始變革，紛紛引入日系、德系、美系等先進(jìn)的開發(fā)模式，架構(gòu)其標(biāo)準(zhǔn)，在這樣的平臺上，融合“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念，搭建尺寸開發(fā)模式。2014年年末，上海大學(xué)李明教授、泛亞汽車技術(shù)中心胡敏博士、神龍汽車龍從林教授級高工、深圳計量院于冀平教授級高工等業(yè)內(nèi)專家提議成立尺寸工程方面的技術(shù)聯(lián)盟，以構(gòu)建專業(yè)的組織和技術(shù)交流平臺，集全國之力實現(xiàn)技術(shù)突破和應(yīng)用推廣，加速中國制造幾何質(zhì)量技術(shù)的提升速度。該倡議很快就得到了全國幾乎所有汽車主機(jī)廠的響應(yīng)，并由上海乾振汽車會議部連續(xù)組織舉辦了四屆聯(lián)盟年會。

2018年，在第四屆尺寸工程技術(shù)年會上，“上汽乘用車”“泛亞”等車企，不僅在設(shè)計中融入了軟件的自動化操作，更開始探索智能化技術(shù)的應(yīng)用，而這些都是在前期多年的技術(shù)積累和流程標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的基礎(chǔ)上展開的，有效地提升了尺寸工程的實施效率?！伴L安汽車”提出了通過利用軟件在汽車開發(fā)不同階段虛擬匹配分析，逐步取消UCF和PCF的理念，縮短汽車開發(fā)周期。以“吉利汽車”為代表的自主品牌在學(xué)習(xí)國外經(jīng)驗的同時，不懈地在探討具有中國特色的尺寸工程模式，構(gòu)建了從設(shè)計到制造的全新技術(shù)和管理體系，為企業(yè)的高速發(fā)展提供了技術(shù)支撐。針對設(shè)計經(jīng)驗人員不足，人手不夠，短時間內(nèi)需要交付成熟產(chǎn)品等問題，“長城汽車”對前期設(shè)計進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，減少尺寸鏈的計算分析過程，從而減少設(shè)計失誤，提高工作效率。

“德國蔡司”“積夢科技”“冀邁工程”等供應(yīng)商，在提供專業(yè)的系統(tǒng)技術(shù)工具的同時，開始探索尺寸工程中的工業(yè)大數(shù)據(jù)、系統(tǒng)化管理和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)和實際工程應(yīng)用，并帶來了實際的工程應(yīng)用實例。

基于尺寸工程技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，偏差分析技術(shù)也得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用，但當(dāng)前偏差分析理論研究僅適用于剛性條件下，柔性薄板和非金屬件的仿真還存在不足，有待于進(jìn)一步地開發(fā)和研究。

2.2 數(shù)字化虛擬裝配技術(shù)

數(shù)字化虛擬裝配技術(shù)偏差分析工作主要包括數(shù)據(jù)輸入、仿真建模及仿真計算和工藝方案優(yōu)化等內(nèi)容。

2.2.1 數(shù)據(jù)輸入

在進(jìn)行三維偏差分析前，應(yīng)先準(zhǔn)備好偏差分析所需的各項數(shù)據(jù)，具體如下：數(shù)模，根據(jù)數(shù)模分析零件結(jié)構(gòu)、零件基準(zhǔn)及測點信息；裝配工藝，即零件裝配順序及裝配關(guān)系；DTS技術(shù)要求；EPL表，即零部件明細(xì)表；GD&T圖紙。在整車偏差分析時，GD&T圖紙可能還未編制完成，此時可先行參考以往類似車型的GD&T圖紙，用于公差方案的定義；基準(zhǔn)定位策略（CDLS文件）。

2.2.2 仿真建模

2.2.2.1 定義裝配

根據(jù)CDLS中的定位策略及工藝流程定義零件裝配。在定義裝配時，務(wù)必確保裝配順序及裝配關(guān)系準(zhǔn)確，裝配順序的差異可能會導(dǎo)致分析結(jié)果存在較大的偏差。在3DCS中，同級的零件前后順序?qū)ψ罱K的結(jié)果沒有影響，但原則上按照安裝的前后順序排列，方便閱讀模型（VSA的前后順序有影響）。

2.2.2.2 定義公差

根據(jù)GD&T圖紙中的公差要求，建立各零件及總成的基本公差，包括輪廓度、位置度、直線度、平面度等；根據(jù)實際情況中白車身同一零件上的點具有一定的相關(guān)性，建模時需以復(fù)合公差的形式添加約束；對有功能尺寸要求的地方，需將功能尺寸以復(fù)合公差的形式在模型中體現(xiàn)。

2.2.2.3 定義測量

在數(shù)模中獲取測點坐標(biāo)及方向矢量，并根據(jù)DTS要求在3DCS中定義測量，包括間隙測量、面差測量、平行度測量、對稱度測量等。

2.2.3 仿真計算和工藝方案優(yōu)化

2.2.3.1 仿真計算

運(yùn)用三維偏差分析軟件，通過工藝能力指數(shù)分析和偏差影響因素貢獻(xiàn)度分析，對預(yù)先設(shè)定的裝配工藝方案進(jìn)行評估與DTS校核。從分析結(jié)果中可以獲得各測點的偏差情況及其影響因素。

2.2.3.2 工藝方案優(yōu)化

通過仿真計算輸出的影響因素報告，可以優(yōu)化定位策略、零部件精度、裝配順序等對裝配偏差的影響因素，運(yùn)用仿真迭代計算，建立最優(yōu)的裝配工藝方案。車身裝配工藝評估與優(yōu)化的三維裝配偏差仿真分析技術(shù)流程如圖1所示。

在三維偏差分析技術(shù)方面，上海交通大學(xué)與國內(nèi)知名企業(yè)開展“產(chǎn)、學(xué)、研”合作，進(jìn)行了一些基礎(chǔ)性研究，并開發(fā)了AVA偏差分析軟件，在數(shù)字化協(xié)調(diào)、典型結(jié)構(gòu)的定位與基礎(chǔ)公差庫、DTS質(zhì)量控制目標(biāo)仿真測量等方面建立了初步的規(guī)范和方法，為開展車身虛擬裝配分析工作奠定基礎(chǔ)。

3 虛擬裝配技術(shù)的應(yīng)用實例

數(shù)字化虛擬裝配技術(shù)在國內(nèi)汽車開發(fā)中得到廣泛的應(yīng)用。近年來，“東風(fēng)柳汽”應(yīng)用數(shù)字化虛擬裝配技術(shù)開發(fā)了“東風(fēng)風(fēng)行”“東風(fēng)景逸”等系列新車型，通過數(shù)字化偏差仿真建模與計算技術(shù)，評估設(shè)計裝配工藝方案，并進(jìn)行優(yōu)化，以數(shù)字樣車代替物理樣車，減少物理樣車的數(shù)量，從而減小生產(chǎn)風(fēng)險、明顯縮短了開發(fā)周期，不斷迅速地推出新車型，同時車身質(zhì)量有了很大的提升。圖2為“東風(fēng)景逸”系列車型前照燈與翼子板的DTS三維偏差分析結(jié)果。

從圖2中可以看出，G5和G6的超差率最高，分析偏差最大點（G5、G6）的影響因素（見表1）。

根據(jù)分析結(jié)果及其影響因素，對偏差較大的測點制定優(yōu)化方案。

（1）定位優(yōu)化：根據(jù)影響因素分析結(jié)果可知前照燈F/A3定位面輪廓度、翼子板定位點處輪廓度是主要影響因素，分析兩處的定位方案發(fā)現(xiàn)，定位方案不合理，因此需要優(yōu)化定位方案。定位優(yōu)化方案如圖3所示。

（2）公差優(yōu)化：根據(jù)影響因素分析結(jié)果可知前照燈卡銷安裝孔處輪廓度是主要影響因素，對其進(jìn)行公差優(yōu)化。

通過定位優(yōu)化和公差優(yōu)化以后，重新進(jìn)行仿真計算，其結(jié)果有很大的改善（見表2）。

4 總結(jié)

傳統(tǒng)的車身尺寸功能評估是通過實際零件在檢具或夾具上的匹配來評估產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計。這種功能評估將消耗大量的人力和物力，車身開發(fā)成本非常高，同時影響了新車型開發(fā)速度。而數(shù)字化虛擬匹配技術(shù)是對零件基準(zhǔn)、裝配關(guān)系、公差分配等建立剛?cè)狁詈系谋“逖b配三維偏差分析模型，通過仿真計算，可以從經(jīng)驗的定性分析提升到定量分析來預(yù)測裝配偏差，建立整車零部件公差的分配方案，以數(shù)字樣車替代物理樣車，解決傳統(tǒng)建模方法效率低和精度差的難題，形成薄板鈑金公差精確預(yù)測，減少物理樣車的裝配數(shù)量，縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。數(shù)字化虛擬匹配技術(shù)對提升汽車裝配技術(shù)水平具有重要意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]來新民，林忠欽，陳關(guān)龍，等.轎車車體裝配尺寸偏差控制技術(shù)[J].中國機(jī)械工程，2000（11）：1215-1220.

[2]胡仕新.美國汽車車體裝配與焊接研究現(xiàn)狀[J].中國機(jī)械工程，1997，8（1）：24-26.

[3]張婷婷.車身尺寸工程淺析[C].四川省第十二屆汽車學(xué)術(shù)年會論文集，2015.

[4]胡敏.轎車車身尺寸工程概述[J].上海汽車，2002（7）.

[5]胡敏，來新民，林忠欽，等.車體多柔性體裝配的誤差分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2000，34（10）：1365-1368.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]