白車身虛擬匹配技術及應用

周翰　張磊　吳炤駿　彭楊　徐剛　羅帥　趙云

摘 要：文章針對汽車車身匹配操作的功能要求，在綜合分析了現有匹配方法的基礎上，提出了一種基于數字化的虛擬匹配方法以及完整的操作流程，并以相關實際案例說明了這種方法的可行性和有效性。關鍵詞：白車身;評估;虛擬匹配;測量中圖分類號：TP333.96 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）11-169-03

Abstract：?Based on analysis of the existing matching method in car body in white manufacture， The Matching based realistic simulation technology and detail operating process has been advanced in this paper. One example has been discussed to show the feasibility and validity of this method.Keywords： Body in white; Evaluate; Virtual matching; MeasurementCLC NO.： TP333.96 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）11-169-03

前言

尺寸匹配評估（Matching）活動是整車項目開發過程中非常關鍵的一個活動，從底層鈑金零件開始精密拼裝，細致分析識別所有影響尺寸匹配的問題點并實施匹配方案推進，期間又需要聯合設計、工藝、質量、車間、零部件等環節協同運作最終形成高精度尺寸的車身及精致平順內外飾配合的整車。

通過制造工藝的不斷升級優化，及車身2MM工程、六西格瑪等有效質量管理方法在上汽通用汽車公司內的有效推廣應用，傳統匹配方法已處于行業中相對精益的地位。但是隨著汽車個性化需求日漸強烈，在保證質量的前提下，如何通過更有效的智能化手段來縮短整車項目開發啟動周期、加快產品的更新換代以滿足客戶日益更新的需求又是目前每個整車廠都在嘗試和推進的研究之重。

本文旨在研究運用一種虛擬環境下的數字化分析方法，在尺寸匹配活動中進一步降低制造成本，縮短白車身尺寸評估周期，提高鈑金零件整改效率。

1 虛擬匹配技術介紹

傳統尺寸匹配評估，都是基于零件、工裝均到位的情況下開展的，而隨著本文提出一種基于數字化軟件的虛擬匹配方法，不局限于工裝的ready時間，具有快捷、準確的優點，其定義如下。

虛擬匹配：通過對零件實物的數字化檢測和三維建模，并在三維CAD環境中與其他零件實物模型和CAD理想模型進行拼裝，并評估分析匹配效果的操作。

其具體的匹配操作流程如圖1所示：

虛擬匹配的實際操作中，主要涉及到以下幾個重點步驟：

1.1 零件實物的數字化

采用激光掃描系統、影像測量系統等設備，在零件定位工況下，對零件型面和結構進行三維測量，獲得能表征實物零件狀態的點云。并按照檢具基準或者零件基準擬合到車身坐標系下。

1.2 零件點云的三維逆向建模

對零件點云進行剔除誤差、濾波等處理，并在此基礎上，進行匹配面的三維重建，這里的重建結果，一般是面模型，目前常用的是滿足形面重構精度的三角面即可。

1.3 零件點云的虛擬拼裝

運用基于CAD的三維匹配軟件，根據零件GD&T基準或者檢具基準擬合到車身坐標系下，對匹配零件進行虛擬拼裝，從而在CAD軟件中再現零件的實際裝配狀態。

1.4 零件虛擬匹配評估

在車身坐標系中的虛擬拼裝狀態下，檢測各個零件匹配面之間的關系，準確量化干涉狀態、間隙量。

在整個虛擬匹配活動中，需要重點關注的內容有：

（1）實物工件測量時的工況保證和裝配基準狀態的正確獲取;

（2）測量過程的測量精度，包括測量系統的測量精度等;

（3）點云的有效處理，特別測量粗糙點、邊緣點和無關點的處理;

（4）形面重構的精度，由于拼裝過程和匹配評估都是針對面操作的，因此，需要在匹配面重構時重點考慮重構的精度。同時，對于復雜的車身零件而言，形面的模型體量也是一個不得不考慮的問題，即輕量化問題，這其中應該有一個平衡點。

2 虛擬匹配技術應用案例

為了驗證虛擬匹配技術的實用性和有效性，上汽通用汽車通過在兩款新車型上同步驗證虛擬匹配活動，規范相應標準、完善流程。然后在一款新車型的白車身零件匹配評估中進行了正式試運行。選擇該車型項目的原因為：由于項目開發及啟動周期壓縮，MC1（第一輪Matching實物造車）時間需要相應提前，但是車身車間的工裝ready時間由于一些原因無法相應提前到MC1造車之前，存在一定的風險。經多方討論，該項目決定采用虛擬匹配替代MC1造車來辨識零件問題。同時空出的實物造車時間給車身車間工裝準備及標定。從原來的串行工作模式，轉變為并行模式，從而克服時間上的困難。

在實際應用中針對白車身60個關鍵零件，通過掃描采集零件點云，使用在Polyworks軟件基礎上定制開發的插件環境中進行虛擬匹配分析。

整個匹配操作過程和中間結果如圖2所示，其中：

圖2（a）為被匹配的實物零件CAD模型;

圖2（b）為擬合到數模所在坐標系下的實物零件點云及三角面模型：考慮到虛擬匹配時的精度和輕量化的要求，分別通過對點云的粗過濾、精過濾及對三角化的邊長、公差等參數的選擇將點云模型形成符合要求的適合虛擬匹配的三角化模型;

圖2（c）匹配面之間的狀態分析評估（云圖和數據）：虛擬匹配計算后通過色差圖的設置，其中紅色代表干涉，藍色代表間隙。從圖中可看出四個角的匹配處于2mm的干涉狀態;

圖2（d）被匹配零件的單件精度分析：根據從虛擬匹配中獲取的匹配點自動對應到A、B兩零件的單件偏差，測點坐標一一對應;

圖2（e）輸出虛擬匹配報告：在定制開發的插件環境中，自動抓取匹配分析過程中的信息，形成虛擬匹配報告，其中包括圖像報告及測點的數值報告，可進一步對零部件的匹配狀態進行分析。同時對所有問題定義風險等級，明確更改優先級。

圖2（f）輸出零件問題報告：在定制開發的插件環境中，自動將虛擬匹配報告轉化為零件問題報告（MCPR），釋放給供應商，精準指導零件改進，提高零件整改效率。

最終，該新項目通過虛擬匹配技術的支持，風險識別充分、零件針對性整改到位，而且省去了一輪實物造車的物料成本。同時提供了更充分的時間給予工裝準備，確保更好的拼裝環境。在以上兩點同時到位的情況下，通過一次實物拼車順利達成了以往項目需要兩輪實物拼車（MC2）才能達到的階段性白車身合格率目標，同時縮短了20%白車身尺寸評

估周期。

3 小結

本文給出了虛擬匹配技術的研發與應用，為匹配操作提供了一個快捷有效的匹配方法。虛擬匹配方法是在定制開發的虛擬環境下快速有效的分析零件之間的可視、不可視區域的間隙和干涉問題，并通過設定合理的標準規范，自動輸出匹配問題報告以及零件問題報告，明確更改優先級，通過帶有測點的色差圖報告精準指導零件改進。從實際應用效果來看，該方法實現了在保證階段性尺寸質量目標的前提下，以虛擬匹配替代第一輪實物造車，節省物料成本，減少工裝設備資源占用，縮短白車身尺寸評估周期，提高鈑金零件整改效率。

參考文獻

[1] 米新民.轎車白車身制造尺寸偏差控制關鍵技術研究[D].交通大學，博士后學位論文1999.

[2] 李軒，等.淺談統計過程控制在汽車制造白車身關鍵尺寸控制中的應用[J].中國戰略新興產業，2017（8）：121-123.

[3] 鄭紅武，等.從工藝過程分析影響白車身尺寸的因素及控制方法[J].企業科技與發展，2012（13）：31-34.

[4] 吳民生.六西格瑪管理理念與統計過程控制[J].蘇州大學學報2002（5）：109-111.

[5] 梁秀.乘用車行李箱蓋裝配關鍵技術研究[D].上海交通大學，2014.

[6] 周煒，張淑敏，林忠欽，陳關龍，倪鐸，鮑文華.虛擬環境下的白車身門、框匹配問題研究[J] .機械設計與制造，2002，（04）：82-84.

[7] 黃志宏.車身虛擬匹配分析方法探討——基于零部件檢具實測數據[J] .裝備制造技術，2012，（04）：97-101.

[8] 趙云，張磊，薛強，章雨亭.虛擬技術在汽車尺寸匹配中的應用[J]. 汽車工程師，2015（05）：48～51.