基于VSA的尾門與頂蓋間隙偏差分析

李揚(yáng)宇　張爭(zhēng)

摘 要：乘用車尾門與頂蓋的相關(guān)配合一直是整車匹配中的難點(diǎn)。本文圍繞某車型尾門與頂蓋的間隙配合相關(guān)工作展開，基于三維偏差分析軟件VSA建立尺寸仿真裝配模型，模擬尾門裝配過程，計(jì)算裝配后尾門與頂蓋間隙超差概率及各個(gè)影響因子的貢獻(xiàn)量。通過相關(guān)工裝定位塊的使用，優(yōu)化尾門裝配過程，并對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，有效降低了尾門與頂蓋間隙超差概率，減少了實(shí)車匹配階段的重復(fù)性工作。

關(guān)鍵詞：偏差分析 VSA 間隙 尾門 頂蓋

1 引言

隨著目前經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng)，人們的物質(zhì)生活水平顯著提高，汽車由原來普通代步工具的單一角色，已經(jīng)轉(zhuǎn)變成為體現(xiàn)大眾審美的高端工業(yè)藝術(shù)品。汽車的外觀感知質(zhì)量越來越受到顧客的重視，已經(jīng)成為了影響顧客購(gòu)車的關(guān)鍵因素，同時(shí)也成為各個(gè)企業(yè)提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)注要點(diǎn)。因此，整車外觀尺寸偏差控制已經(jīng)逐漸在研發(fā)過程中占據(jù)重要地位。偏差分析是尺寸偏差控制的重要手段，也是尺寸工程中的核心部分。對(duì)新產(chǎn)品的定位策略、裝配工藝進(jìn)行偏差分析，可以減少零件實(shí)際模具調(diào)試階段的工作量，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

尾門與頂蓋的間隙，作為整車尾部區(qū)域重要的外觀尺寸，對(duì)造型風(fēng)格的具體實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生重要影響，同時(shí)也反映了整車的設(shè)計(jì)水平與制造水平。相關(guān)總成的制造精度、定位策略以及裝配工藝均會(huì)對(duì)該間隙造成影響，造成間隙超差，影響外觀感知質(zhì)量，降低用戶滿意度。如果間隙超差嚴(yán)重，還會(huì)影響尾門開啟及閉合，造成嚴(yán)重的功能性問題。本文以某車型尾門與頂蓋間隙超差問題為切入點(diǎn)，基于偏差分析原理與偏差分析仿真軟件，分析及優(yōu)化尾門裝配過程，提高了裝配穩(wěn)定性與目標(biāo)間隙合格率。

2 偏差分析的基本原理及VSA工作流程

偏差分析，是基于零件構(gòu)成的尺寸鏈關(guān)系，分析尺寸鏈中各個(gè)組成環(huán)的尺寸偏差，如何影響封閉環(huán)（目標(biāo)尺寸）尺寸偏差，也就是各個(gè)組成環(huán)的偏差積累，是否會(huì)造成封閉環(huán)尺寸超差[2]。偏差分析根據(jù)空間維度分類，可分為一維偏差分析、二維偏差分析與三維偏差分析。一維偏差分析與二維偏差分析，主要使用的是極值法與均方根法，分別針對(duì)單一方向的偏差積累與平面內(nèi)的偏差積累。二者計(jì)算簡(jiǎn)單，使用成本低，對(duì)于較為簡(jiǎn)單的尺寸鏈，可以快速查找問題。但是，上述兩種方法只是平面內(nèi)的偏差分析，無(wú)法從零件在三維空間內(nèi)平移、旋轉(zhuǎn)等6個(gè)自由度進(jìn)行分析，導(dǎo)致忽略一些關(guān)鍵因素，存在局限性。如果尺寸問題涉及多個(gè)方向，就需要對(duì)各個(gè)方向逐一進(jìn)行偏差分析，導(dǎo)致工作量加大，不利于復(fù)雜尺寸問題解決。

三維偏差分析，可以有效的彌補(bǔ)上述方法的局限性。三維偏差分析計(jì)算過程中，一般采用的算法是蒙特卡洛算法。蒙特卡洛算法的基本思想是當(dāng)所求解問題是某種隨機(jī)事件出現(xiàn)的概率，或者是某個(gè)隨機(jī)變量的期望值時(shí)，通過某種“實(shí)驗(yàn)”的方法，以這種事件出現(xiàn)的頻率估計(jì)這一隨機(jī)事件的概率，或者獲得這個(gè)隨機(jī)變量的某些數(shù)字特征，并將其作為問題的解[3]。該方法能夠較好的模擬，在大批量制造的前提下，零件的裝配過程。在一定條件下，用這種方法得到的結(jié)果，較為符合實(shí)際情況。相比于其他方法，蒙特卡洛法能處理各種復(fù)雜（空間尺寸鏈、非線性尺寸鏈等）問題，適用范圍廣，結(jié)果準(zhǔn)確[4]。

三維偏差分析由于其計(jì)算的復(fù)雜性，通常在仿真軟件環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。VSA是目前各個(gè)車企常用的三維尺寸偏差分析仿真軟件之一，三維尺寸偏差分析已經(jīng)成為各個(gè)車企提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的主要手段。該軟件基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造過程，通過導(dǎo)入產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，輸入零件相關(guān)公差信息、定位系統(tǒng)及裝配順序，在三維環(huán)境當(dāng)中對(duì)零部件進(jìn)行裝配，并通過公差驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車身尺寸鏈仿真計(jì)算?；谘b配過程因素、零件公差及其分布類型，計(jì)算累積偏差的均值與標(biāo)準(zhǔn)差，同時(shí)尋找產(chǎn)生裝配偏差的原因與分析尺寸策略是否合理的過程[5]。其核心基理，是通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)的計(jì)算方法進(jìn)行仿真分析，同時(shí)評(píng)估在設(shè)計(jì)與制造過程中，零部件的制造偏差與裝配工藝策略如何對(duì)產(chǎn)品的各種關(guān)鍵特性產(chǎn)生影響。

仿真分析基于下列基本假設(shè)：所有的零部件都是剛體，不存在自身變形；除非特別給定，所有的特征點(diǎn)公差均服從正態(tài)分布；對(duì)于車間生產(chǎn)過程中，造成的零件變形，與零件自身沖壓回彈影響，不納入考慮范圍；不考慮夾具、檢具的磨損及熱膨脹影響。具體分析工作流程如圖１：

3 尾門與頂蓋間隙的VSA分析

基于上述偏差分析理論，對(duì)某車型的尾門與頂蓋間隙進(jìn)行VSA分析。尾門與頂蓋間隙為X向間隙，其測(cè)量方式如圖2所示。其偏差積累不但受各個(gè)層級(jí)零件的公差影響，還與尾門的裝配方案密切相關(guān)。

3.1 VSA分析的相關(guān)輸入

VSA分析過程，需要以下相關(guān)輸入：

（1）構(gòu)成該分析特征的相關(guān)零件三維數(shù)模，包括尾門總成、頂蓋總成等等。

（2）間隙校核目標(biāo)，即相關(guān)DTS標(biāo)準(zhǔn)，確定該間隙的名義值和公差。

（3）相關(guān)零件的定位信息與公差信息。

（4）尾門的裝配工藝與裝配方案。

3.2 偏差分析模型的建立與結(jié)果輸出

根據(jù)上述分析輸入，構(gòu)建偏差分析模型。相關(guān)零件的三維數(shù)模如圖3所示。根據(jù)項(xiàng)目前期DTS定義，尾門與頂蓋間隙名義值6.0mm，公差±0.5mm。相關(guān)零件的定位信息與公差信息，由相關(guān)零件GDT圖紙獲取。尾門總成是通過安裝工具，X向推進(jìn)裝配至白車身，然后打緊鉸鏈。初始尾門定位調(diào)整方案，鉸鏈安裝面定位尾門Z向。尾門的Y向與X向，通過安裝在尾門上的模擬塊，與側(cè)圍特征配合形成的間隙與段差進(jìn)行調(diào)整。將模擬塊與側(cè)圍特征相關(guān)的間隙與段差調(diào)合DTS要求，打緊螺栓，尾門安裝完成。構(gòu)建VSA分析模型，建立模型樹。在整段間隙上選取7個(gè)點(diǎn)作為測(cè)量校核點(diǎn)，左右對(duì)稱。偏差分析模型如圖4所示。

設(shè)置仿真裝配次數(shù)為2000，分析結(jié)果如圖5所示。尾門與頂蓋間隙合格率約為70%，同時(shí)根據(jù)敏感因子分析可知，對(duì)間隙超差貢獻(xiàn)最大的前位敏感因子，均是尾門與白車身X向定位特征，X向定位不穩(wěn)定。按照目前尾門裝配方式，無(wú)法保證目標(biāo)間隙。

3.3 尾門裝配方案優(yōu)化

3.3.1 裝配方案中工裝定位塊的使用

為了優(yōu)先保證尾門與頂蓋的間隙，尾門裝配調(diào)整方案需進(jìn)行優(yōu)化?，F(xiàn)開發(fā)控制間隙的工裝定位塊，在進(jìn)行尾門裝配時(shí)使用。定位塊共設(shè)計(jì)兩塊，左右對(duì)稱，保證整段間隙的一致性。工裝定位塊主定位面定位與頂蓋A面接觸，定位Z向。為避免損傷A面，與頂蓋接觸面可采用尼龍塊。根據(jù)DTS定義要求，定位塊間隙控制塊設(shè)計(jì)為6mm，與DTS一致。使用時(shí)，間隙控制塊一側(cè)貼緊頂蓋X向面，控制X向。尾門裝配時(shí)，X向推進(jìn)。當(dāng)尾門與間隙控制塊另一側(cè)接觸壓緊時(shí)，打緊鉸鏈螺栓。打緊螺栓后，取出工裝定位塊，完成尾門裝配。工裝定位塊具體工作示意圖，如圖7所示。對(duì)使用了工裝定位塊的裝配方案，重新構(gòu)建VSA模型，分析間隙偏差。

3.3.2 優(yōu)化方案結(jié)果驗(yàn)證

使用工裝定位塊后，重新搭建仿真模型，分析結(jié)果如圖8所示。間隙合格率提升至92%，滿足DTS設(shè)計(jì)要求，有效降低了尾門運(yùn)動(dòng)校核的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)根據(jù)前位敏感因子分析可知，尾門與頂蓋的自身輪廓為主要貢獻(xiàn)因素。尾門裝配方案優(yōu)化后，X向定位穩(wěn)定，裝配調(diào)整方式不再是影響間隙的要因，間隙合格率有效提升。在定位穩(wěn)定的情況下，提升尾門質(zhì)量與頂蓋質(zhì)量能直接有效的提升間隙合格率。前期的仿真分析，對(duì)比了不同裝配方式對(duì)目標(biāo)間隙的影響，避免了多輪手工樣件的驗(yàn)證，減少了驗(yàn)證時(shí)間與驗(yàn)證成本。根據(jù)前期分析結(jié)果，在項(xiàng)目后期制造出工裝定位塊實(shí)物，運(yùn)用于實(shí)際裝車。實(shí)際造車證明了工裝定位塊的合理性、有效性，尾門與頂蓋間隙得到有效控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了偏差分析的基本原理，重點(diǎn)闡述了三維偏差分析的蒙特卡洛算法?；谌S偏差分析軟件VSA，結(jié)合公司車型，建立了某車型尾門與頂蓋間隙相關(guān)尺寸偏差分析仿真模型。通過模擬尾門裝配過程，獲得了尾門與頂蓋間隙超差概率及各個(gè)影響因子的貢獻(xiàn)量。結(jié)合工裝定位塊的使用，優(yōu)化尾門裝配過程，降低了尾門與頂蓋間隙超差概率。

三維偏差分析軟件VSA作為一項(xiàng)系統(tǒng)的公差管理與分析工具，可以高效的分析三維空間內(nèi)的復(fù)雜尺寸鏈關(guān)系，幫助工程師快速鎖定最大偏差來源，在設(shè)計(jì)階段即可發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)解決。同時(shí)，三維偏差分析軟件可以比較不同方案的尺寸偏差表現(xiàn)，對(duì)定位方案選擇、裝配方式優(yōu)化等一系列尺寸前期工作具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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[3]馬振海，李應(yīng)軍，曾賀，胡敏.基于三維偏差分析技術(shù)的尺寸公差設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2010（05）：83-87.

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