曹 倩

（上汽通用汽車有限公司尺寸工程科，上海 201206）

前言

隨著汽車造型日新月異的變化，前端造型和尺寸匹配愈發(fā)重要，一般車企會(huì)在前期開發(fā)時(shí)利用虛擬分析的手段進(jìn)行前端的尺寸偏差分析。3DCS是目前常用的三維尺寸與公差分析軟件，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等領(lǐng)域[1]。

某車型在前期設(shè)計(jì)階段，利用3DCS軟件分析前蓋和翼子板的尺寸匹配情況，發(fā)現(xiàn)靠近擋風(fēng)玻璃區(qū)域的平整度超差概率超過標(biāo)準(zhǔn)值。通過敏感度分析報(bào)告找到貢獻(xiàn)量最大的因子，綜合評(píng)估了定位策略、裝配工藝、零件尺寸公差等維度，最終決定對(duì)車身數(shù)據(jù)、車身 GD&T圖紙做了調(diào)整優(yōu)化。在重新計(jì)算3DCS之后，超差概率大大降低。

1 3DCS仿真分析

3DCS是用于裝配偏差模擬的尺寸分析工具，工程師可通過它在虛擬環(huán)境中重復(fù)裝配帶有偏差的零部件來進(jìn)行基于蒙特卡洛法的尺寸分析，零件的偏差來源于指定的公差范圍和分布條件下生成的隨機(jī)偏差值，而仿真結(jié)果有助于評(píng)估設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性，對(duì)后續(xù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改進(jìn)起到非常關(guān)鍵的作用。

如圖1，偏差分析模型的建立開發(fā)流程包括[2]：

●數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：3D數(shù)模、GD&T圖紙、裝配工藝

● 建立DCS點(diǎn)：零件定位點(diǎn)、工裝定位點(diǎn)、測量點(diǎn)

●建立Move：建立裝配

●輸入公差：尺寸公差、形位公差

●優(yōu)化調(diào)整：定位策略、公差

●輸出報(bào)告：計(jì)算所用數(shù)據(jù)信息、裝配方案、定位策略等，顯示超差概率、敏感度分析報(bào)告等。

圖1 3DCS分析流程

2 前蓋與翼子板平整度3DCS分析

2.1 前蓋與翼子板平整度計(jì)算

如圖2，前蓋和翼子板的靠近風(fēng)擋玻璃處的平整度屬于U/D向匹配。出于精品車的質(zhì)量驅(qū)動(dòng)，結(jié)合制造能力、內(nèi)控風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)等，此處設(shè)計(jì)公差定義為+/-0.75mm。

圖2 平整度公差要求

在3DCS軟件中，根據(jù)零件裝配順序和定位策略建立裝配，在所需區(qū)域建立測量，按圖紙輸入公差信息后開始模擬計(jì)算。圖3是前蓋和翼子板平整度模擬分析結(jié)果，可見取樣次數(shù) 20000次[3]，6sigma值為+/-1.57mm，公差設(shè)計(jì)上/下偏差值為+/-0.75mm，總的偏差超差率為 14.83%，表明前蓋和翼子板平整度在設(shè)定公差下超差風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖3 3DCS計(jì)算結(jié)果優(yōu)化前

圖4是敏感度分析報(bào)告，從貢獻(xiàn)因子的分布情況可以看出，占比最大的因子是[4]避震塔上的翼子板工裝U/D向定位點(diǎn)，占比40.30%，因此要降低計(jì)算結(jié)果的超差率，優(yōu)先嘗試優(yōu)化翼子板工裝U/D向定位點(diǎn)。

圖4 敏感度分析

2.2 工裝定位點(diǎn)優(yōu)化

如圖5爆炸圖，前端零件裝配到車身上的順序?yàn)椋呵吧w鉸鏈→翼子板→前蓋。其中，車身上的翼子板U/D向定位小支架有兩個(gè)，前端小支架是在廠內(nèi)焊裝車間用工裝定位焊接，U/D向尺寸相對(duì)較易控制，而后端小支架出于成本等原因，集成在外購件上縱梁分總成上，進(jìn)廠后焊接到車身上，所以U/D向尺寸鏈較長且不易控制。

圖5 爆炸圖

如圖6，翼子板工裝定位方案含4個(gè)U/D向定位，前端兩個(gè)U/D定位點(diǎn)位于前橫梁上，后端兩個(gè)點(diǎn)位于避震塔上。車身焊接方案是避震塔和上縱梁分總成在廠內(nèi)焊接到車身上，而翼子板U/D向定位小支架在供應(yīng)商處焊接到上縱梁分總成上，故工裝定位點(diǎn)和翼子板小支架定位點(diǎn)的U/D向尺寸鏈較長。相應(yīng)的，車身圖紙上避震塔的面輪廓度公差帶為1.7mm，翼子板小支架的面輪廓度公差帶為2mm，公差范圍較大，不利于尺寸控制。

圖6 工裝定位優(yōu)化前

一般優(yōu)化方案可以從調(diào)整裝配順序、公差范圍或定位方案三個(gè)方面考慮。

●由于焊裝工藝和既有生產(chǎn)線的限制，裝配順序改動(dòng)困難，且對(duì)尺寸鏈沒有優(yōu)化，故不適用本文案例。

●調(diào)增公差范圍通常指縮小公差帶，意味著對(duì)制造能力提出更高的要求，制造部門需要研究現(xiàn)有的生產(chǎn)能力是否能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)，以及評(píng)估潛在的成本增加。另外，公差帶小幅度的收窄并不能有效改善計(jì)算結(jié)果，反之則極有可能會(huì)導(dǎo)致零件合格率降低、返修率上升，對(duì)供應(yīng)商或主機(jī)廠都帶來成本的增加。所以直接調(diào)整公差往往不是最優(yōu)的解決方案。

●分析工裝定位方案可行性。根據(jù)車身焊接工藝，避震塔和上縱梁分總成都在廠內(nèi)焊接到車身上，翼子板U/D定位小支架在供應(yīng)商處焊接到上縱梁分總成上。那么，翼子板工裝避震塔上的U/D定位點(diǎn)和翼子板支架上的翼子板U/D向定位點(diǎn)的尺寸鏈要考慮車身焊接偏差。如圖7，為了去除這個(gè)偏差因素，嘗試將避震塔上的工裝定位點(diǎn)移動(dòng)到上縱梁上，同時(shí)在車身圖紙上定義上縱梁面輪廓度為子基準(zhǔn)，而小支架到子基準(zhǔn)面輪廓度要求設(shè)置為1mm。這樣不僅縮短了翼子板工裝和翼子板定位支架的尺寸鏈[5]，同時(shí)起到了收緊公差范圍的效果。

圖7 工裝定位優(yōu)化后

2.3 方案驗(yàn)證

在3DCS軟件中，分別在左右上縱梁的U/D向型面上建立兩個(gè)新的工裝定位點(diǎn)，再取前橫梁上兩個(gè)U/D向型面上的定位點(diǎn)做動(dòng)態(tài)中點(diǎn)，然后重新選擇“Move”中的 U/D向點(diǎn)并輸入新的公差要求，完成后再次運(yùn)行計(jì)算。如圖8，總的超差率下降到6.09%，有明顯改善。

圖8 3DCS計(jì)算結(jié)果優(yōu)化后

3 3DCS優(yōu)化方案措施實(shí)施

在實(shí)際生產(chǎn)中落實(shí)優(yōu)化后的方案。首先將翼子板工裝 4個(gè)U/D向定位布置在前橫梁和上縱梁上，其次，由于上縱梁分總成是外購件，所以為了滿足車身圖紙上翼子板支架和上縱梁型面的U/D向相對(duì)位置關(guān)系，如圖9，更改上縱梁分總成的圖紙控制要求。

圖9 上縱梁圖紙

4 結(jié)束語

3DCS軟件可以虛擬制造過程[6]，幫助工程師在設(shè)計(jì)階段盡早發(fā)現(xiàn)問題，并且可以比較不同方案的尺寸偏差表現(xiàn)，為項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)做決策提供支持。3DCS是前期分析的重要評(píng)估工具，其模擬真實(shí)的裝配工藝、定位策略、采用圖紙公差要求，使其計(jì)算結(jié)果最大程度上接近實(shí)際情況。目前3DCS已成為重要的參考指標(biāo)，在汽車領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用。