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(guò)三維軟件仿真分析能夠?qū)崿F(xiàn)空間多維度的尺寸鏈模擬計(jì)算，如三維角度偏差仿真分析。文章針對(duì)ADAS前毫米波雷達(dá)安裝基準(zhǔn)面角度偏差要求，基于3DCS分析軟件，采用蒙特卡洛模擬法，對(duì)雷達(dá)安裝面偏差建模分析，通過(guò)仿真分析結(jié)果確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及相關(guān)鏈環(huán)的公差定義是否合理，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：ADAS;毫米波雷達(dá);角度偏差;3DCS 軟件;蒙特卡洛

中圖分類號(hào)：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：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(jìn)入電動(dòng)化和智能化，無(wú)人駕駛已經(jīng)成為各主機(jī)廠主要研究和開(kāi)發(fā)的方向，現(xiàn)階段無(wú)人駕駛?cè)栽谘邪l(fā)階段，而高級(jí)輔助駕駛功能已經(jīng)在高端汽車上廣泛普及。高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)簡(jiǎn)稱ADAS，其通過(guò)傳感器主要有攝像頭、雷達(dá)、激光和超聲波等探測(cè)光、熱、壓力或其它用于監(jiān)測(cè)汽車狀態(tài)的變量，控制模塊利用采集的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行駕駛輔助。

毫米波雷達(dá)是ADAS系統(tǒng)的主要傳感器，它在整車上的裝配位置應(yīng)選取尺寸穩(wěn)定的裝配點(diǎn)，通常毫米波雷達(dá)裝配在前防撞梁中部。為保證毫米波雷達(dá)的探測(cè)范圍與車輛的行駛軸線一致，整車下線后需在專用的標(biāo)定平臺(tái)上對(duì)雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)角度校準(zhǔn)。實(shí)際生產(chǎn)中若出現(xiàn)雷達(dá)主動(dòng)校準(zhǔn)失效，其中一種原因是雷達(dá)安裝面偏差大于要求，因此在設(shè)計(jì)階段應(yīng)進(jìn)行雷達(dá)安裝面偏差校核。

因一維尺寸鏈計(jì)算無(wú)法實(shí)現(xiàn)雷達(dá)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(duì)毫米波雷達(dá)安裝面偏差進(jìn)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(jì)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(jì)算與分析[2]，統(tǒng)計(jì)分析法可以用來(lái)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(jì)和綜合思想應(yīng)用于設(shè)計(jì)裝配偏差分析的方法[4]。基于3DCS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(guò)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(jìn)行虛擬裝配，建立三維偏差分析模型，用來(lái)模擬實(shí)際裝配時(shí)可能出現(xiàn)的尺寸匹配問(wèn)題[5]。毫米波雷達(dá)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(biāo)

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

分析目標(biāo)確定后，綜合分析影響雷達(dá)安裝面精度的零件結(jié)構(gòu)、公差分配、工藝以及前輪中心軸線偏差量等，通過(guò)3DCS建立三維偏差分析模型，驗(yàn)證設(shè)計(jì)狀態(tài)是否能達(dá)到目標(biāo)。

2.2 裝配工藝流程分析

底盤(pán)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(dòng)及轉(zhuǎn)向等部件的裝配載體，同時(shí)也是前懸架系統(tǒng)與車身合拼的定位部件。為了簡(jiǎn)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(yàn)偏差值進(jìn)行簡(jiǎn)化建模。

根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)的裝配工藝流程是：雷達(dá)安裝到雷達(dá)支架上，雷達(dá)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(dá)安裝到雷達(dá)支架：雷達(dá)自帶3根螺柱，通過(guò)可調(diào)節(jié)螺母自定位到雷達(dá)支架;

（2）雷達(dá)支架安裝到前防撞梁：雷達(dá)支架上部設(shè)計(jì)2個(gè)安裝孔，通過(guò)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(guò)2個(gè)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(guò)工裝定位銷穿過(guò)副車架和車身2個(gè)定位孔，控制XY和X向，Z向通過(guò)6個(gè)打緊螺栓緊固。

2.3 相關(guān)鏈環(huán)公差分配

根據(jù)裝配工藝流程可以得出雷達(dá)安裝面公差累積相關(guān)的鏈環(huán)，列出各鏈環(huán)經(jīng)驗(yàn)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(guān)鍵步驟如下：

（1）按工藝流程裝配三維數(shù)模;

（2）進(jìn)入3DCS模塊，在每個(gè)零件DCS模型下，根據(jù)定位信息制作DCS點(diǎn);

（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(guān)系;

（3）根據(jù)公定義，賦予DCS點(diǎn)公差值;

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

3 仿真分析

對(duì)已建立的模型進(jìn)行仿真分析運(yùn)行5000次，輸出報(bào)告。在3DCS中，主要以貢獻(xiàn)度及敏感度兩個(gè)指標(biāo)來(lái)分析仿真結(jié)果[6]。

3.1 結(jié)果分析

如圖4，雷達(dá)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(dá)安裝要求。因該偏差值接近±3°的要求，為了進(jìn)一步減小安裝偏差，降低雷達(dá)因裝配偏差帶來(lái)的調(diào)整工作，本文將研究進(jìn)一步減小偏差的可行性。

從公差貢獻(xiàn)度方向分析，獲取最大貢獻(xiàn)鏈環(huán)，分析提升可行性。如圖5，雷達(dá)支架與前防撞梁上安裝孔的X向螺栓與孔的貢獻(xiàn)率達(dá)40.73%，可進(jìn)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(duì)該測(cè)量值得貢獻(xiàn)度不足1%，無(wú)需重點(diǎn)關(guān)注。

3.2 優(yōu)化方案

最大貢獻(xiàn)度的鏈環(huán)為雷達(dá)安裝支架與前防撞梁裝配工序，通過(guò)分析可從螺栓配合間隙優(yōu)化和支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩個(gè)方向進(jìn)行提升。

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

（2）從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，可改變雷達(dá)支架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)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(jié)果

按兩個(gè)優(yōu)化方案對(duì)三維仿真分析模型修改，分別進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖7和圖8。

從兩個(gè)優(yōu)化方案的分析結(jié)果可知：

（1）安裝孔徑減小方案：雷達(dá)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)X向滑動(dòng)調(diào)整，易于制造精度達(dá)成及匹配調(diào)試工作。

（2）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更改方案：雷達(dá)天線軸線和行駛軸線夾角的6-Sigma值為1.42°，該方案仿真結(jié)果最優(yōu)，但實(shí)際生產(chǎn)中，因防撞梁焊接雷達(dá)支架的貼合面為曲面且為強(qiáng)制貼合，實(shí)際偏差會(huì)大于該仿真結(jié)果。

5 結(jié)論

本文通過(guò)3DCS軟件仿真分析校核雷達(dá)安裝偏差角度偏差案例，為行業(yè)內(nèi)尺寸工程師提供一種毫米波雷達(dá)校核的參考方法，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化方案的仿真結(jié)果建議雷達(dá)支架連接結(jié)構(gòu)如下：

（1）優(yōu)先采用雷達(dá)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(dá)支架與前防撞梁直接焊接方案。

參考文獻(xiàn)

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