数字化虚拟装配技术在汽车开发中的应用

赵有锋 李兵

【摘 要】装配偏差分析技术是汽车尺寸工程的核心技术之一，通过数字化虚拟装配偏差建模，以数字样车代替物理样车来评估和优化装配工艺，减少物理樣车的装配数量，从而缩短开发周期，降低开发成本。文章分析数字化虚拟装配技术的工作流程和方法，结合东风柳州汽车有限公司某车型的车身开发案例，建立最优的零部件公差分配方案，案例研究表明该技术可以有效缩短开发周期与降低开发成本。

【关键词】汽车；数字化；尺寸工程；装配；偏差

【中图分类号】U463 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）05-0071-03

汽车车身是由大量钣金件装配通过点焊焊接而成的复杂薄板产品[1]，车身尺寸精度对于产品外观质量、安全性、可靠性和舒适性等性能有重要影响，直接影响产品的整体性能，最终影响市场竞争力。汽车车身由400多个薄板冲压件在上百个工位上由几千个焊点装配而成，历经数十道乃至上百道加工工序装配焊接，由于“人、机、料、法、环”等因素引起的误差在制造过程中传递和累积形成产品的综合偏差，最终影响产品性能，因此各主机厂要高度重视车身装配技术。汽车车身的数字化装配偏差分析是通过三维软件建模仿真与计算来预测装配风险和优化已有的装配工艺，达到降低生产风险、提高效率、降低成本的目的。从当前国内外现状来看，尺寸工程不仅覆盖产品设计、结构设计、工艺设计、制造控制、优化改进的整个产品生命周期，更涉及标准化、数字化、信息化和智能化技术的综合应用，甚至涵盖整个汽车几何质量技术的迭代和技术进化。作为尺寸工程的核心技术之一的装配偏差分析技术已成为提升汽车装配质量和效率的一种手段，针对汽车研制与量产需求，建立面向数字化虚拟控制装配偏差的质量控制体系，对实现汽车装配技术的发展具有重要意义。

1 尺寸工程的主要内容

尺寸工程又叫尺寸管理，以现状或预期的制造能力为出发点，通过设计合理的定位、合理地分配和制定公差及设计恰当的加工与装配工艺，使产品达到既定的匹配和功能要求，并且通过应用尺寸链分析或公差虚拟仿真技术对上述尺寸设计和尺寸要求进行风险评估和预防的一系列活动[3]。尺寸工程是面向产品全生命周期（几何）质量的一种系统工程，是“工业4.0”等先进制造模式不可或缺的一项基础且核心的系统化技术，也是ISO 9000质量体系、ISO产品几何技术规范与验证（GPS&V）标准体系在几何质量领域的具体工程实践。

汽车车身尺寸工程包含了间隙面差值的定义、装配工艺方案设计、公差设计、制造装配阶段的装配偏差分析等，从而进一步延伸并影响零件的模具设计、检具设计、夹具设计、测量设计及持续改进等。因此，尺寸工程的实施可以系统性地监控和改善车身制造质量[4]。

2 三维装配偏差分析与尺寸工程的关系

三维装配偏差分析技术是在已知零件数据和装配树、零件定位策略（CDLS）、DTS控制目标及公差要求、工装设备的公差等条件下，通过利用三维分析软件（3DCS或VSA）进行建模，运用蒙特卡罗计算方法，进行一定样本量（通常取5 000个样本量）的虚拟装配，并计算装配累积偏差的数字化仿真过程。通过数字化三维偏差分析技术，分析影响公差积累的原因，评估和优化原有的装配工艺方案和设计公差，达到减小生产风险、降低试制成本、提高生产效率的目的。数字化虚拟装配偏差分析技术是尺寸工程的核心技术之一，在开展整个尺寸工程项目中起着衔接设计与制造的作用，既对前期的装配工艺初步方案和设计的公差进行评估，建立最优的零部件公差分配方案，又为汽车开发后期的质量控制提供依据。

2.1 装配偏差分析技术发展现状

当前，整车开发周期速度越来越快，随着国家提出“中国制造2025”即“互联网+”的概念，各主机厂研发体系开始变革，纷纷引入日系、德系、美系等先进的开发模式，架构其标准，在这样的平台上，融合“互联网+”的概念，搭建尺寸开发模式。2014年年末，上海大学李明教授、泛亚汽车技术中心胡敏博士、神龙汽车龙从林教授级高工、深圳计量院于冀平教授级高工等业内专家提议成立尺寸工程方面的技术联盟，以构建专业的组织和技术交流平台，集全国之力实现技术突破和应用推广，加速中国制造几何质量技术的提升速度。该倡议很快就得到了全国几乎所有汽车主机厂的响应，并由上海乾振汽车会议部连续组织举办了四届联盟年会。

2018年，在第四届尺寸工程技术年会上，“上汽乘用车”“泛亚”等车企，不仅在设计中融入了软件的自动化操作，更开始探索智能化技术的应用，而这些都是在前期多年的技术积累和流程标准化技术的基础上展开的，有效地提升了尺寸工程的实施效率。“长安汽车”提出了通过利用软件在汽车开发不同阶段虚拟匹配分析，逐步取消UCF和PCF的理念，缩短汽车开发周期。以“吉利汽车”为代表的自主品牌在学习国外经验的同时，不懈地在探讨具有中国特色的尺寸工程模式，构建了从设计到制造的全新技术和管理体系，为企业的高速发展提供了技术支撑。针对设计经验人员不足，人手不够，短时间内需要交付成熟产品等问题，“长城汽车”对前期设计进行标准化、模块化，减少尺寸链的计算分析过程，从而减少设计失误，提高工作效率。

“德国蔡司”“积梦科技”“冀迈工程”等供应商，在提供专业的系统技术工具的同时，开始探索尺寸工程中的工业大数据、系统化管理和数据挖掘等技术和实际工程应用，并带来了实际的工程应用实例。

基于尺寸工程技术的快速发展和应用，偏差分析技术也得到了快速的发展和应用，但当前偏差分析理论研究仅适用于刚性条件下，柔性薄板和非金属件的仿真还存在不足，有待于进一步地开发和研究。

2.2 数字化虚拟装配技术

数字化虚拟装配技术偏差分析工作主要包括数据输入、仿真建模及仿真计算和工艺方案优化等内容。

2.2.1 数据输入

在进行三维偏差分析前，应先准备好偏差分析所需的各项数据，具体如下：数模，根据数模分析零件结构、零件基准及测点信息；装配工艺，即零件装配顺序及装配关系；DTS技术要求；EPL表，即零部件明细表；GD&T图纸。在整车偏差分析时，GD&T图纸可能还未编制完成，此时可先行参考以往类似车型的GD&T图纸，用于公差方案的定义；基准定位策略（CDLS文件）。

2.2.2 仿真建模

2.2.2.1 定义装配

根据CDLS中的定位策略及工藝流程定义零件装配。在定义装配时，务必确保装配顺序及装配关系准确，装配顺序的差异可能会导致分析结果存在较大的偏差。在3DCS中，同级的零件前后顺序对最终的结果没有影响，但原则上按照安装的前后顺序排列，方便阅读模型（VSA的前后顺序有影响）。

2.2.2.2 定义公差

根据GD&T图纸中的公差要求，建立各零件及总成的基本公差，包括轮廓度、位置度、直线度、平面度等；根据实际情况中白车身同一零件上的点具有一定的相关性，建模时需以复合公差的形式添加约束；对有功能尺寸要求的地方，需将功能尺寸以复合公差的形式在模型中体现。

2.2.2.3 定义测量

在数模中获取测点坐标及方向矢量，并根据DTS要求在3DCS中定义测量，包括间隙测量、面差测量、平行度测量、对称度测量等。

2.2.3 仿真计算和工艺方案优化

2.2.3.1 仿真计算

运用三维偏差分析软件，通过工艺能力指数分析和偏差影响因素贡献度分析，对预先设定的装配工艺方案进行评估与DTS校核。从分析结果中可以获得各测点的偏差情况及其影响因素。

2.2.3.2 工艺方案优化

通过仿真计算输出的影响因素报告，可以优化定位策略、零部件精度、装配顺序等对装配偏差的影响因素，运用仿真迭代计算，建立最优的装配工艺方案。车身装配工艺评估与优化的三维装配偏差仿真分析技术流程如图1所示。

在三维偏差分析技术方面，上海交通大学与国内知名企业开展“产、学、研”合作，进行了一些基础性研究，并开发了AVA偏差分析软件，在数字化协调、典型结构的定位与基础公差库、DTS质量控制目标仿真测量等方面建立了初步的规范和方法，为开展车身虚拟装配分析工作奠定基础。

3 虚拟装配技术的应用实例

数字化虚拟装配技术在国内汽车开发中得到广泛的应用。近年来，“东风柳汽”应用数字化虚拟装配技术开发了“东风风行”“东风景逸”等系列新车型，通过数字化偏差仿真建模与计算技术，评估设计装配工艺方案，并进行优化，以数字样车代替物理样车，减少物理样车的数量，从而减小生产风险、明显缩短了开发周期，不断迅速地推出新车型，同时车身质量有了很大的提升。图2为“东风景逸”系列车型前照灯与翼子板的DTS三维偏差分析结果。

从图2中可以看出，G5和G6的超差率最高，分析偏差最大点（G5、G6）的影响因素（见表1）。

根据分析结果及其影响因素，对偏差较大的测点制定优化方案。

（1）定位优化：根据影响因素分析结果可知前照灯F/A3定位面轮廓度、翼子板定位点处轮廓度是主要影响因素，分析两处的定位方案发现，定位方案不合理，因此需要优化定位方案。定位优化方案如图3所示。

（2）公差优化：根据影响因素分析结果可知前照灯卡销安装孔处轮廓度是主要影响因素，对其进行公差优化。

通过定位优化和公差优化以后，重新进行仿真计算，其结果有很大的改善（见表2）。

4 总结

传统的车身尺寸功能评估是通过实际零件在检具或夹具上的匹配来评估产品设计和工艺设计。这种功能评估将消耗大量的人力和物力，车身开发成本非常高，同时影响了新车型开发速度。而数字化虚拟匹配技术是对零件基准、装配关系、公差分配等建立刚柔耦合的薄板装配三维偏差分析模型，通过仿真计算，可以从经验的定性分析提升到定量分析来预测装配偏差，建立整车零部件公差的分配方案，以数字样车替代物理样车，解决传统建模方法效率低和精度差的难题，形成薄板钣金公差精确预测，减少物理样车的装配数量，缩短了开发周期，降低了开发成本。数字化虚拟匹配技术对提升汽车装配技术水平具有重要意义。

参 考 文 献

[1]来新民，林忠钦，陈关龙，等.轿车车体装配尺寸偏差控制技术[J].中国机械工程，2000（11）：1215-1220.

[2]胡仕新.美国汽车车体装配与焊接研究现状[J].中国机械工程，1997，8（1）：24-26.

[3]张婷婷.车身尺寸工程浅析[C].四川省第十二届汽车学术年会论文集，2015.

[4]胡敏.轿车车身尺寸工程概述[J].上海汽车，2002（7）.

[5]胡敏，来新民，林忠钦，等.车体多柔性体装配的误差分析[J].上海交通大学学报，2000，34（10）：1365-1368.

[责任编辑：钟声贤]