基于虛擬仿真尺寸偏差分析的前大燈總成定位策略優(yōu)化

李偉

【摘 要】汽車前臉是整個汽車外觀中非常重要的部分，而前臉中前大燈總成與周圈零件的間隙（Gap）、面差（Flushness）匹配是關(guān)鍵，如何在定位裝配中保證各個方面的間隙面差符合整車技術(shù)規(guī)范（DTS）一直是各大主機廠的難點和重點關(guān)注的方向，因此前大燈總成的定位策略顯得尤為重要。文章基于VSA虛擬偏差分析軟件對某車型的前大燈定位策略進行研究分析，模擬5 000次（或者更多）裝配結(jié)果，然后對不達標項進行優(yōu)化，使相關(guān)匹配關(guān)系滿足DTS標準。

【關(guān)鍵詞】前大燈；定位策略；裝配；DTS；VSA

【中圖分類號】U466 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）10-0025-04

0 前言

作為普通的消費者，相信大部分的人在買車的時候最看重的是整車外觀，而汽車前臉部位應(yīng)該是第一眼看到的區(qū)域，再加上目前消費者對感官質(zhì)量的要求日益提升，因此各大主機廠都越來越重視汽車前臉的尺寸匹配結(jié)果。然而，前大燈和多個零件有匹配關(guān)系，汽車前臉區(qū)域一直都是公差累積區(qū)域，因此如何保證前大燈的裝配結(jié)果符合要求一直都是我們的攻關(guān)難點。

以上汽通用五菱汽車股份有限公司的CN200S車型為例（如圖1所示）：前大燈總成和周圈零件——發(fā)動機罩（Hood）、前格柵（Grille）、前保險杠（Bumper）、翼子板（Fender）都有匹配關(guān)系，如果前大燈總成的定位策略不夠完善，那它和周圈零件的間隙、面差匹配關(guān)系都會較差，例如可能會產(chǎn)生前大燈與前格柵間隙偏大等不符合DTS要求的問題，這些都會降低消費者的購買期望。

一般主機廠會從兩個大的方向入手解決相關(guān)匹配問題：{1}項目前期開發(fā)階段優(yōu)化數(shù)模。{2}制造過程中調(diào)整相關(guān)工藝。本文介紹了前期開發(fā)階段運用虛擬偏差分析軟件對前大燈的定位、裝配結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，盡量避免在制造后期過程中產(chǎn)生問題，以便相關(guān)尺寸滿足尺寸技術(shù)規(guī)范（Dimensional Technical Specification，DTS），提高消費者的購買欲望。

1 虛擬仿真尺寸偏差分析介紹

1.1 虛擬仿真尺寸偏差分析簡介

虛擬仿真尺寸偏差也叫尺寸鏈仿真分析，這是一個工程工具，是近幾年開始在全球各大知名主機廠（如“通用”“福特”“大眾”等）頻繁使用的先進技術(shù)。目前世界上使用較多的是3DCS和VSA 2種軟件，這兩者都是通過數(shù)理統(tǒng)計的計算方法來模擬仿真分析和評估在設(shè)計和制造過程中零部件的制造偏差和裝配工藝偏差是如何影響產(chǎn)品的各種“關(guān)鍵產(chǎn)品特征”（KPC）的。

1.2 虛擬仿真尺寸偏差分析的原理

前文所說的3DCS和VSA軟件都是利用蒙特卡洛（Monte Carlo）原理（如圖2所示）來對總成零件進行成千上萬次模擬裝配，然后測量模擬裝配結(jié)果得出多組數(shù)據(jù)，再用統(tǒng)計學(xué)正態(tài)分布原理對數(shù)據(jù)進行計算處理，得出標準偏差（δ）、工序性能（CP）、工序能力（CPK）等關(guān)鍵指數(shù)（如圖3所示）。

1.3 虛擬仿真尺寸偏差分析的過程

以VSA軟件為例，要先確定整個數(shù)學(xué)模型的輸入是什么？輸入分產(chǎn)品數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)2個方面。產(chǎn)品數(shù)據(jù)包括產(chǎn)品的3D幾何模型、產(chǎn)品的定位和公差、裝配約束等；工藝數(shù)據(jù)包括產(chǎn)生結(jié)構(gòu)樹（BOM）、工藝過程（BOP）、制造工裝、工藝能力等。確定了輸入后，操作步驟大致如下：{1}確認分析目標；{2}確認相關(guān)零部件；{3}定義相關(guān)特征、基準、公差等；{4}定義裝配順序；{5}定義相關(guān)裝配關(guān)系；{6}針對分析目標定義仿真測量；{7}仿真零部件制造裝配過程；{8}輸出仿真結(jié)果（類似圖3的結(jié)果報告）。

2 汽車前大燈總成定位策略分析

2.1 常用的定位裝配方式介紹

2.1.1 定位后完全打緊裝配

這種方法是在裝配定位后已經(jīng)完全限制燈的6個自由度，然后再打緊螺栓。

該方法對員工的裝配技能沒有特別要求，而且理論上可以保證每次裝配的一致性，但是對白車身的尺寸精度要求很高，成本較低。

2.1.2 定位后手工調(diào)整裝配

這種方法是在裝配定位時不完全限制6個自由度，最后手動調(diào)節(jié)X/Y/Z其中的一個或者多個方向，使之與周圈零件的間隙面差滿足DTS要求。

該方法對員工的裝配技能要求高，而且需要特制的調(diào)節(jié)螺栓和額外的零件成本、人力成本，對車身的尺寸精度要求低。

本文僅討論研究第一種方式的裝配定位，第二種裝配方式由于成本過高，采用的車型基本都是大中型豪華車。

2.2 目前的前大燈定位策略分析

2.2.1 大燈定位解析

以某車型前大燈定位為例（如圖4所示），圖示為大燈背部，定位策略分析如下。

（1）1點是主定位銷，插在白車身對應(yīng)的孔上，控制燈的Y/Z方向。

（2）2點是次定位銷，同樣插在白車身對應(yīng)的長圓孔上，只控制燈的Z方向。

（3）1、2、4點同時與白車身貼合，控制燈的X方向。

（4）3點與白車身貼合，控制燈的Z向。

初步分析此燈的定位策略為3個點控制X方向，2個銷和點控制Z向，主定位銷控制控制Y向，自由度控制為3（X）3（Z）1（Y），在Z向存在過定位問題。

銷1和銷2控制3個自由度，2個銷距離也較近，很有可能導(dǎo)致離1、2點較遠的區(qū)域發(fā)生旋轉(zhuǎn)，同時定位點大部分都在此燈的一小區(qū)域內(nèi)，大部分區(qū)域沒有定位點控制，也會導(dǎo)致定位點偏0.5 mm時，另外一邊可能會偏移1.5 mm的問題。

這種定位方式可以保證燈與前格柵、前保的間隙、面差，但是無法保證大燈與翼子板、發(fā)罩的間隙面差，缺點較多。

2.2.2 3D建模進行虛擬偏差分析

我們用VSA虛擬分析軟件來模擬和分析這種定位裝配的結(jié)果，把大燈的定位裝配策略、公差、白車身安裝點的公差等數(shù)據(jù)作為輸入，測量燈和翼子板、發(fā)罩的間隙面差值（如圖5所示）。

DTS要求公差是±1.5 mm，而從結(jié)果可知：采用此定位策略的模擬前大燈與發(fā)罩、翼子板裝配后間隙超差率達到了10%，±3sigma為3.1，最大間隙超差約4.4 mm，均達不到我們的預(yù)期目標（見表1），這樣在制造后期就需要較大的精力去調(diào)整，增加了制造風(fēng)險。

2.3 優(yōu)化后的定位策略分析

上汽通用五菱汽車股份有限公司部分車型在使用前文提到的大燈定位策略后產(chǎn)生的問題較多，給制造方面增加了不少難度，隨后我們對大燈定位策略重新進行了設(shè)計（如圖6所示）。

（1）取消了舊策略大燈背部的1、2兩個定位銷。

（2）增加1處的定位銷，該定位銷直接裝配在翼子板上，控制大燈Z向。

（3）增加2處的定位銷，插在白車身上，控制燈的X/Y向。

（4）2、3處的面貼合白車身，控制Z向。

（5）1處貼合翼子板，控制Y向，

（6）4處貼合白車身，控制X向。

該策略銷1和銷2同樣控制3個自由度，剩下4個定位面X/Y/Z方位均有控制，可以看出此策略為了防止大燈繞Y軸旋轉(zhuǎn)，也是存在過定位現(xiàn)象，同時從圖5可以看出所有定位基準較為均勻地分布在大燈周圈。

新策略增加了在翼子板上的定位點，這樣可以讓大燈和翼子板產(chǎn)生相對關(guān)系，可以較好地保證大燈和翼子板的間隙、面差，同時可以兼顧燈與發(fā)罩、前格柵、前保險杠的間隙面差。

我們用VSA虛擬分析軟件來模擬分析新的定位策略結(jié)果，把新的定位裝配策略、公差、白車身安裝點、翼子板安裝點的公差等數(shù)據(jù)作為輸入，測量燈和翼子板、發(fā)罩的間隙面差值（如圖7所示）。

從表2可知，不管是超差率、±3δ還是超差范圍，大燈與發(fā)罩、翼子板的模擬裝配結(jié)果相比以前的大燈定位策略提升非常明顯，結(jié)果顯示采用新的定位策略能夠降低后期制造風(fēng)險。當然從圖8燈與翼子板的模擬測點1的偏差敏感因子也可以看出來，新策略影響最大的3個因素分別是測點1本身的公差、B基準銷與白車身的裝配公差、翼子板的本身的公差，如果能把這3個因素繼續(xù)提升優(yōu)化，模擬裝配結(jié)果會更好。

3 結(jié)語

隨著國內(nèi)汽車行業(yè)的競爭越來越激烈，運用VSA 3D虛擬偏差分析軟件能夠最大限度地在項目前期發(fā)現(xiàn)各種定位匹配問題，比如本文所說的前大燈總成與發(fā)罩、翼子板、前格柵、前保險杠這樣典型的綜合匹配區(qū)域，然后再對問題區(qū)域進行優(yōu)化處理，從而幫助主機廠降低研發(fā)成本、提高車型的尺寸精度，以達到消費者的購買期望。

參 考 文 獻

[1]王娜，吳世強.尺寸管理與白車身裝配的精度控制[J].汽車工藝與材料，2010（3）：45-48.

[2]王鏑.基于尺寸工程的轎車行李箱蓋總成與尾燈裝配偏差分析[J].汽車技術(shù)，2004（2）：33-36.

[3]吳冠群，劉東，楊化偉.汽車設(shè)計階段前大燈匹配的公差設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2013（2）：51-52.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]