董丙闖

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 前言

隨著生活水平的提高，消費者對汽車靜態(tài)感知質量的關注越來越高，各汽車企業(yè)逐步認識到，要從產品設計等源頭方面去進行產品質量控制。根據Montgomery 等人分析，80%的制造問題是由于設計不當造成的，裝配過程中大量的尺寸問題都源于設計階段沒有充分考慮工藝能力[1]。而零件的匹配效果受自身的定位方式、尺寸精度，關聯零件偏差以及焊接工藝能力等因素的影響。如果只是簡單的提高零件的公差要求，會相應的增加生產成本的投入，并且不一定會達到預期效果。因此，各公司都希望通過優(yōu)化定位、優(yōu)化產品結構、采用簡易工裝或者先進的制造工藝等方法縮短尺寸鏈環(huán)、減少公差累積[2]。因此，轎車制造的尺寸偏差控制日益成為工業(yè)界和學術界的熱點研究問題之一[3]。

本文基于三維偏差分析軟件VisVSA， 以某車型尾門側尾燈安裝匹配為例，通過尺寸偏差分析手段，優(yōu)化尾燈定位方案，從而提高設計合理性，減少后期制造調試驗證時間，降低成本。

1 三維偏差分析軟件及其算法

三維偏差分析軟件是通過動態(tài)模擬裝配方式反映總成零件在實際裝配中的情況，進而進行建模計算。目前主要的三維偏差分析軟件有VSA、3DCS，其都是基于蒙特卡洛模擬法的三維偏差分析軟件。蒙特卡羅算法的基本思想為：當我們所要求解的問題是某個隨機事件的期望值，或者為某種隨機變量所要出現的概率時， 運用現有某種“實驗” 的方法，通過隨機事件所要出現的頻次估算這一隨機變量將要出現的概率，或能夠解得我們所要求的這個隨機事件一些數學特征，如均值標準差等，并將它作為我們所要求解問題的解[4]。用蒙特卡羅模擬法進行公差分析的具體步驟為[5]：

（1）明確各組成環(huán)的分布規(guī)律；

（2）根據計算精度要求，確定隨機模擬次數N；

（3）根據各組成環(huán)尺寸的分布規(guī)律和分布范圍，分別對其進行隨機抽樣，從而得到一組已知組成環(huán)和封閉環(huán)尺寸的隨機抽樣（x1，x2，x3，…，xn）；

（4）將隨機抽樣（x1，x2，x3，…，xn）代入公差函數，計算未知的封閉環(huán)或組成環(huán)尺寸，得到該尺寸的一個子樣；

（5）將步驟（3）和（4）重復N次，即可得到封閉環(huán)尺寸的N個子樣，構成一個樣本；

（6）對求解的封閉環(huán)或組成環(huán)樣本進行統計處理，從而確定封閉環(huán)尺寸的平均值、標準差及公差等。

目前，蒙特卡羅模擬法進行運算流程圖[5]見下圖1所示：

圖1 蒙特卡洛法計算流程圖

2 尾門側尾燈三維偏差分析模型建立

尾門側尾燈裝配關系以及與周圈零件匹配關系如圖2所示，其裝配偏差只與尾門總成以及自身尺寸偏差有關，但是其裝配質量的好壞，會影響到其與尾門外裝飾板、尾門總成、車身側尾燈等零件DTS匹配符合性。因此，通過三維偏差分析軟件VisVSA，對尾門側尾燈定位結構進行分析優(yōu)化，可以減少后期制造匹配難度，提升效率，節(jié)約成本。

圖2 尾門側尾燈安裝匹配關系

2.1 尾燈定位方案

（1）在設計階段根據造型及安裝匹配要求制定出初版的定位方案，如圖3所示：選擇與尾門安裝匹配的燈體安裝面A1-A4為主基準，控制X方向平移，繞Y/Z方向的旋轉；與尾門總成4方位孔B對應的燈體卡扣做為第二基準B，控制沿Y/Z方向的平移；與尾門總成上2方位孔C對應的燈體螺柱選為第三基準，控制繞X方向旋轉。根據尾燈定位方案，創(chuàng)建尾燈偏差分析模型，因為圖紙基準B/C是要求模擬對手件裝配，所示尺寸是按照鈑金件要求建立。

圖3 尾燈初版定位方案

（2）創(chuàng)建完成尾燈的模型，再根據尾燈的安裝定位點，對應選定尾燈底座加強板上的安裝點，從而創(chuàng)建尾門分析模型。

2.2 測量點選取及模型建立

（1）根據尾燈和尾門匹配關系及DTS設計要求，為了全面反映尾燈安裝狀態(tài)，分別在與尾門外裝飾板、尾門總成、車身側尾燈位置各取兩個點觀察尾燈安裝后對應位置尺寸的波動情況，并在尾門上取X3、X4兩點觀察尾燈與尾門的DTS超差情況，如圖4所示。

圖4 測量點選取

（2）根據尾燈和尾門的GD&T圖紙要求，在VisVSA軟件中創(chuàng)建尾燈到尾門的偏差分析模型，如圖5所示。

圖5 尾燈與尾門偏差分析模型結構樹

3 偏差分析結果及優(yōu)化

3.1 尾燈初版定位方案分析結果

（1）運行偏差分析模型，分析結果見表1所示。從運行結果可以看出，整個尾燈上超差較多的測量點（X1/X2/X3/X6/Y1/Y2/Z1）是分布在靠近車身側尾燈匹配區(qū)域，超差概率最高達到17.16%>5%（由概率統計學知，當樣本數為5 000 次，置信區(qū)間因子為0.0392時，置信度可達95.00%[6]），且CPK較低，該區(qū)域零件設計穩(wěn)健性差。分析影響該區(qū)域狀態(tài)的影響因子，得知尾燈底座加強板上A3對整個結果的影響最大。單純的加嚴該位置的公差并不能完全解決該問題，且會增加制造難度及成本。

表1 尾燈初版定位分析結果

（2）圖6所示是尾門側尾燈與尾門DTS超差情況，該位置DTS要求是：1.5±0.75。從偏差分析結果查看，也是靠近車身側尾燈位置超差較多，與前文問題對應，且影響因子最大的是尾燈底座加強板上A3，其次是A4、A1。

圖6 尾燈與尾門DTS偏差分析結果

（3）在與車身尾燈匹配位置，尾燈只有一個安裝點A4，且處于偏下位置，安裝點覆蓋零件的范圍不足，在安裝時很容易受其它安裝點的影響，造成該區(qū)域零件狀態(tài)波動。

3.2 定位方案優(yōu)化

（1）為了提高尾門側尾燈與車身側尾燈匹配區(qū)域零件尺寸狀態(tài)及穩(wěn)定性，需要在該位置增加安裝點。因為造型已經確定，尾燈位置無法移動，而受尾門限位器的影響，此位置無法布置兩個螺栓打緊點，因此保留原螺栓打緊點，另外在尾燈螺栓上下兩側各增加一個定位，如圖7所示，避免螺栓打緊時，零件出現偏轉或者翹起。

圖7 優(yōu)化后尾燈定位結構

（2）根據優(yōu)化的尾燈定位，通過建立VSA模型，運行結果如表2所示。整個零件的超差概率得到了極大的改善，超差概率小于5%，CPK數值也得到較大提升，零件安裝匹配質量顯著提高。

表2 尾燈定位優(yōu)化分析結果

（3）根據優(yōu)化的尾燈定位結構，模擬分析尾燈和尾門的DTS，結果提升較大。對于仍然有部分超差6.92%>5%的區(qū)域，通過查看影響因子，零件包邊面的面輪廓度貢獻率占52.59%，通過適當提升零件質量（面輪廓度由1.5提高為1.2），超差概率降為4.48%<5%，滿足設計要求，如圖8所示。因此，尾燈采用優(yōu)化后的定位結構及適當提高零件質量可以很好的滿足設計要求。

圖8 尾燈與尾門DTS偏差分析結果

4 結語

通過借助三維偏差分析軟件VisVSA，對某車型尾門側尾燈定位方案進行分析，根據分析結果優(yōu)化了尾燈定位方案，提高了尾燈的安裝匹配精度，從而提升與周圈零件的匹配質量。

通過三維偏差分析軟件等虛擬裝配手段，可以提前發(fā)現設計問題，幫助合理定義尺寸配合要求及優(yōu)化零件定位方案，優(yōu)化結構設計，輔助將問題在設計階段解決，從而減少實車階段尺寸配合問題發(fā)生，縮短整車開發(fā)周期，降低成本，進而提升產品質量和競爭力。