基于VisVSA軟件的汽車上彎梁基準(zhǔn)定位策略制定

梁志勇 韋國(guó)建 張義東 劉亞軍

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)特別是近十年來，我國(guó)汽車工業(yè)飛速發(fā)展，汽車作為人們生活中交通的重要載具，對(duì)人們的生活影響越來越大。汽車造型外觀相對(duì)上世紀(jì)合資之初已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)次的更新?lián)Q代，演變得更為美觀、精致。隨著生活水平的提高，汽車的感知質(zhì)量好壞逐漸成為消費(fèi)者購(gòu)買汽車時(shí)考量的重要因素。

車輛是否美觀、整體是否協(xié)調(diào)，除了跟造型設(shè)計(jì)密切相關(guān)外，跟內(nèi)外飾的做工是否精致、感知效果的好壞有很大關(guān)系，這也是一個(gè)汽車主機(jī)廠制造工藝水平的一個(gè)體現(xiàn)[1]。汽車上彎梁位于白車身前上端，如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)罩鎖、前格柵等較多總裝件都是安裝于上彎梁之上，對(duì)前臉的前格柵、前大燈、發(fā)罩等各外覆蓋件的間隙段差匹配影響較大。因此，確保安裝在白車身上的上彎梁各個(gè)特征位置正確且保持較好穩(wěn)定性是較為重要的。

本文基于VisVSA軟件，對(duì)敝司某車型的上彎梁采用自定位和工裝定位兩種定位策略進(jìn)行對(duì)比，探究自定位的定位策略的可行性。所謂自定位，就是不依靠工裝定位，通過零件自身的安裝孔和搭接面，以螺栓連接的形式，將零件固定于車身上某唯一位置的定位方式。

2 VisVSA三維偏差分析簡(jiǎn)介

由于白車身零件眾多，而且?guī)缀涡螤钍謴?fù)雜，使得制造和裝配各階段累積偏差規(guī)律十分復(fù)雜，難以建立一維尺寸鏈進(jìn)行分析，因此基于計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行虛擬樣車三維偏差分析對(duì)于尺寸工程工作的開展意義重大。從泛亞技術(shù)中心工程師撰寫的文章可知，三維偏差分析技術(shù)在泛亞汽車技術(shù)中心已經(jīng)應(yīng)用多年，多年尺寸工程開發(fā)經(jīng)驗(yàn)證明虛擬樣車系統(tǒng)分析結(jié)果可信度高于70%。剛性零件偏差分析結(jié)果更接近真實(shí)生產(chǎn)，柔性零件置信度較低；經(jīng)驗(yàn)表明系統(tǒng)剛性越高，工廠及供應(yīng)商的生產(chǎn)能力越強(qiáng)，虛擬樣車分析結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)吻合度越高[2]。

VisVSA是西門子基于蒙特卡羅模擬法開發(fā)的一款三維偏差分析軟件。蒙特卡羅模擬法是一種以概率和統(tǒng)計(jì)理論方法為基礎(chǔ)使用隨機(jī)數(shù)來解決很多計(jì)算問題的方法。將需求解的問題和相應(yīng)的概率模型聯(lián)系起來，通過電子計(jì)算機(jī)虛擬抽樣和統(tǒng)計(jì)，可得到問題的近似解[3]。工程生產(chǎn)近似的概率模型為正態(tài)分布，該軟件根據(jù)輸入的零件GD&T形位公差，和相應(yīng)的概率模型，隨機(jī)產(chǎn)生不同尺寸的虛擬零件，進(jìn)行多次模擬裝配，對(duì)需求解的尺寸鏈封閉環(huán)進(jìn)行多次測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，最終可得標(biāo)準(zhǔn)偏差（δ）、工序性能（CP）、工序能力（CPK）等關(guān)鍵參數(shù)。

圖1 上彎梁在白車身結(jié)構(gòu)示意圖

3 VisVSA虛擬裝配分析模型搭建

3.1 上彎梁的裝配工藝介紹

依據(jù)焊接工藝文件，上彎梁在前車體分拼線6#工位裝配，如上圖3，與之同時(shí)裝配的是左右燈罩焊合組件，具體裝配過程是先將左右燈罩焊合組件裝配在定位工裝上，推進(jìn)到位與前車架和前側(cè)板焊接，焊接完成后上彎梁裝件，通過M8螺栓連接的形式，完成裝配。由于左右燈罩焊合組件與前側(cè)板是Y向搭接，兩者Y向搭接面的面輪廓度對(duì)最終上彎梁的Y向尺寸波動(dòng)會(huì)有貢獻(xiàn)，因此虛擬裝配模型搭建需從前側(cè)板裝件開始，以模擬公差累積傳遞的過程。

圖2 蒙特卡洛模擬原理

圖3 上彎梁裝配工藝

3.2 上彎梁定位策略分析

由于上彎梁是通過螺栓連接而并非焊接的形式進(jìn)行裝配的，因此可以采用工裝定位和自定位兩種定位方案。

3.2.1 使用工裝定位的定位策略

如圖4，采用工裝定位的定位策略具體如下：按照N-2-1的定位原則，A1～A4作為A基準(zhǔn)面（主定位面）限制U/D（上下）自由度，BC分別作為主定位孔和次定位孔，限制F/A（前后）和C/C（左右）自由度。四個(gè)與左右燈罩連接的安裝孔取大孔徑作為過孔，在檢具上采用一致的定位策略，以BC兩孔作為上彎梁的主、次定位孔，而兩端的四個(gè)?12過孔按照±0.75mm公差控制，M8螺栓配?12過孔，以保證安裝時(shí)不擋孔，包容零件公差。

該種定位的優(yōu)點(diǎn)是打斷了Y向尺寸鏈，Y向位置由BC兩孔確定，不受燈罩組件上對(duì)應(yīng)的安裝螺母孔位置所影響，缺點(diǎn)是需要在該工位增加一套定位工裝，由于該車型與其他量產(chǎn)車型共線，增加工裝的難度較大；此外裝配后A基準(zhǔn)面與燈罩組件相應(yīng)安裝面貼合，X方向波動(dòng)仍然受制于兩零件搭接面公差，增加工裝對(duì)此問題并無益處。

3.2.2 自定位的定位策略

自定位如上文所述，即不采用工裝進(jìn)行定位。如下圖5，A1～A4作為A基準(zhǔn)面（主定位面）限制U/D（上下）自由度，安裝螺栓為M8，因此B基準(zhǔn)孔徑取?8.5mm，限制F/A（前后）和C/C（左右）自由度，C孔為8.5*12mm槽孔，僅限制F/A （前后）自由度，以減少擋孔難以裝配的概率，其余兩個(gè)安裝過孔孔徑取?12mm。在檢具上也采用此種定位策略定位，而如下圖5所示1～7#功能孔、面以及兩個(gè)安裝過孔，按照±0.75mm的公差進(jìn)行生產(chǎn)控制。

該種定位方案優(yōu)點(diǎn)是不需定位工裝，簡(jiǎn)化了該拼臺(tái)工位的工裝設(shè)計(jì)和加工工作，該車型需與量產(chǎn)車型柔性生產(chǎn)，簡(jiǎn)化工裝對(duì)柔性生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)十分有利；缺點(diǎn)是裝配上彎梁時(shí)容易失去理論位置，無法包容燈罩組件上B、C兩孔對(duì)應(yīng)的螺母孔帶來的公差。

3.3 虛擬模型裝配和分析

3.3.1 明確求解目標(biāo)

上彎梁焊合組件上與前格柵和發(fā)罩鎖相關(guān)的功能孔是關(guān)注的重點(diǎn)特征，如上圖5所示，1、4、7孔為前格柵安裝孔，其中4孔為格柵主定位孔，1、7孔對(duì)應(yīng)的格柵安裝孔為槽孔，只控制格柵F/A自由度，而2孔為發(fā)罩鎖安裝支架的主定位孔，因此將2、4孔作為本次計(jì)算的求解目標(biāo)，在孔上端面圓心處設(shè)測(cè)量點(diǎn)，如下圖6，測(cè)量該處X、Y、Z三個(gè)方向的波動(dòng)情況。

根據(jù)多年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，敝司白車身各個(gè)測(cè)點(diǎn)公差設(shè)計(jì)值為±1.5mm，只要白車身功能測(cè)點(diǎn)偏差范圍在±1.5mm以內(nèi)，基本上能保證最終整車的DTS符合設(shè)計(jì)值，因此測(cè)量點(diǎn)的上限和下限設(shè)置為+1.5mm和-1.5mm即可。

3.3.2 虛擬樣車裝配和結(jié)果分析

分別對(duì)上述兩種定位策略進(jìn)行建模裝配，均進(jìn)行10000次的模擬裝配，結(jié)果如表1表2所示所示。從計(jì)算結(jié)果可以看到，采用工裝定位，所有測(cè)點(diǎn)的6δ均不超過2mm，過程能力指數(shù)（CPK）均在1.5以上，可以很好地保證上彎梁的安裝精度。

而采用自定位時(shí)，相比工裝定位，X和Y向的波動(dòng)幅度有較大程度增大，偏差范圍從1.6～2.5mm增加至3.5～4.0mm，但所有測(cè)點(diǎn)6δ未高于3mm，仍然可以滿足設(shè)定公差設(shè)計(jì)值，過程能力指數(shù)（CPK）也保持在在1.0以上。如圖9，從HLM報(bào)告可知，影響較大的因素是上彎梁本身測(cè)點(diǎn)的公差、燈罩上上彎梁主副定位孔以及安裝面的公差、自定位螺栓和上彎梁定位孔之間的浮動(dòng)量，后續(xù)生產(chǎn)中只要將這幾項(xiàng)嚴(yán)格控制在GD&T圖要求的公差范圍內(nèi)，上彎梁上的功能測(cè)點(diǎn)超差的概率就會(huì)十分低。

圖4 上彎梁采用工裝定位定位策略

圖5 上彎梁采用自定位定位策略

圖6 測(cè)點(diǎn)信息和虛擬樣車裝配模型搭建

表1 上彎梁采用自定位計(jì)算結(jié)果

表2 上彎梁采用工裝定位計(jì)算結(jié)果

從兩種定位策略對(duì)比分析計(jì)算來看，工裝定位帶來的精度相比之下更高，縮短尺寸鏈打斷公差累積的作用明顯；而自定位實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，有助于不同項(xiàng)目柔性生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，就該項(xiàng)目的要求而言，精度也可滿足，因此最終采用了自定位的定位策略。

4 結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將尺寸工程工作中以往只能定性分析的問題進(jìn)行量化分析的可能性越來越大。本文對(duì)VSA軟件的應(yīng)用仍不夠嚴(yán)謹(jǐn)，若將賦予材料屬性的FEA文件導(dǎo)入分析，得到的計(jì)算結(jié)果更為可信，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)意義更大。

圖7 上彎梁采用自定位計(jì)算結(jié)果

圖8 上彎梁采用工裝定位