基于3DCS軟件的抬頭顯示裝配偏差分析及系統優化

賈青　姜立偉

摘? ?要： 抬頭顯示系統是一種車輛安全輔助系統，但其在整車生產流水線中時常出現標定不合格的情況，嚴重影響投影圖像質量。聚焦于抬頭顯示裝配偏差問題，對其四個零件——車身橫梁支架、H型支架座、小支架、投影儀的裝配工藝進行分析，得到裝配關鍵要素?；?DCS偏差分析軟件，采用Monte Carlo模擬法，對抬頭顯示裝配偏差進行建模仿真，得到各個偏差源的貢獻度、敏感度以及6-Sigma值，確定主要偏差源為小支架安裝夾具的孔銷位置度偏差。對抬頭顯示安裝夾具的公差和設計進行優化，即把小支架安裝夾具的孔銷位置度公差值從±0.2 mm改為±0.1 mm，并取消小支架的特征孔而改為小支架上端平面的第三個特征點，現場跟蹤三個月表明標定一次性合格率由70%提升至96.7%。

關鍵詞： 抬頭顯示;裝配偏差;Monte Carlo模擬法;3DCS軟件;6-Sigma

中圖分類號：TH? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 01-069-06

工業技術創新 URL： http： //www.china-iti.com? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.01.014

引言

近年來，道路交通和車輛安全的智能技術已經成為熱門的研究對象，特別是抬頭顯示系統（以下簡稱“抬頭顯示”），作為一種車輛安全輔助系統，引起了業界的關注[1]。在汽車上安裝抬頭顯示，可以使駕駛員在不低頭的情況下，通過投影在前擋風玻璃上的圖像，得到重要的駕駛信息，從而有效抑制因低頭而引起的注意力分散或視覺盲區問題，大大提高了行車安全度[2-3]。

為保證投影圖像能夠正確清晰地顯示在擋風玻璃上，在整車生產流水線中，需要對安裝好的抬頭顯示進行標定。然而在實際的汽車生產中，時常有抬頭顯示標定不合格的情況出現，主要有以下三個原因：1）抬頭顯示裝配偏差;2）抬頭顯示產品本身偏差;3）擋風玻璃偏差（光學影響）。國內外研究大多針對2）和3），鮮有關于1）的報道。

本文基于3DCS軟件，采用Monte Carlo模擬法，對抬頭顯示裝配偏差進行研究，以期為汽車內外飾的零件裝配偏差控制提供參考依據，實現對偏差分析的有效反饋。

1? Monte Carlo模擬法與3DCS軟件

目前面向剛性裝配的偏差分析方法有極值法、統計分析法和蒙特卡羅（Monte Carlo）模擬法這三種方法[4]，其中極值法適用于一維尺寸鏈的偏差計算與分析[5]，統計分析法可以用來分析一維和二維尺寸鏈的裝配偏差[6]，而Monte Carlo模擬法是一種將誤差統計和綜合思想應用于設計裝配偏差分析的方法[7]。Monte Carlo模擬法的原理是，首先建立零件偏差分布的概率模型;然后隨機抽樣，對零件進行裝配;最后對裝配偏差進行分析，得到裝配偏差的分布[8]，用來分析三維尺寸鏈的偏差[9-10]。由于抬頭顯示裝配過程屬于三維尺寸鏈安裝，因此Monte Carlo模擬法適用于此。

然而，在三維空間中，傳統的手工算法是很復雜的[11]。20世紀70年代以來，計算機技術迅速發展，傳統偏差分析方法與計算機模擬技術相結合，三維偏差分析軟件就此出現[12]。近幾年，利用偏差分析軟件進行偏差分析成為一種趨勢[13]。目前偏差分析軟件主要有3DCS、VSA、CETOL、6-Sigma等[14]，其中3DCS軟件是由DCS公司發布的，它能完全嵌套在CATIA和UG上使用，能夠采用Monte Carlo模擬法進行三維偏差分析[15]，因此也適用于抬頭顯示裝配的偏差分析。

2? 抬頭顯示裝配工藝分析及模型建立

2.1? 抬頭顯示裝配工藝分析

在整車生產流水線中，抬頭顯示的裝配涉及到四個零件，分別是車身橫梁支架、H型支架座、小支架以及投影儀，如圖1所示。

各零件的裝配定位方式如下：

（1）車身橫梁支架作為焊接件，與車身作為一個整體，一同進入油漆車間噴涂;

（2）H型支架座的X、Y、Z方向由H型支架座夾具在車身框架上定位后，操作工對H型支架座進行螺栓緊固;

（3）小支架X、Z方向由小支架夾具在車身框架上定位，Y方向由H型支架座上的位置定位，然后由人工直接對小支架進行螺栓緊固;

（4）投影儀直接由左右兩個小支架上的定位銷進行定位，操作工對投影儀進行螺栓緊固。

由此得出結論，抬頭顯示投影儀的位置是由小支架上的定位銷的位置和與投影儀接觸的小支架上端平面進行確定的。因此本課題將小支架定位銷的位置度、小支架與投影儀接觸的上端平面的平面度作為關鍵裝配要素。

2.2? 模型建立

2.2.1? 特征點創建

根據章節2.1所述零件信息確定各零件的裝配特征點，如表1所示。

對于H型支架座，需要創建三個特征點、兩個特征孔，用于H型支架座自身的裝配。如圖2所示，三個特征點為LAGERBOCK X1、LAGERBOCK X2、LAGERBOCK X3;兩個特征孔為LAGERBOCK YZ、LAGERBOCK Z。

對于小支架，需要創建三個特征點、一個特征孔、一個特征面，用于小支架的裝配。三個特征點、一個特征孔用于定位小支架X、Z方向，特征面用于定位小支架Y方向。如圖3所示，小支架（左）三個特征點分別為HALTER LINKS X1、HALTER LINKS X2、HALTER LINKS YZ;一個特征孔為 HALTER LINKS Y;一個特征面為HALTER LINKS Z。小支架（右）特征點創建方式同上。

2.2.2? 虛擬夾具及夾具特征點創建

3DCS中可以添加虛擬夾具。虛擬夾具可以不使用CATIA 實體、線或點來表達，而使用特征點表達。這些特征點作為整個抬頭顯示裝配模型的安裝目標點。

具體操作是通過3DCS創建兩個虛擬夾具，并分別復制H型支架座和小支架的零件特征點到每個夾具上，再修改兩個夾具特征點的特征參數，就可以完成虛擬夾具的創建。

2.2.3? 零件及夾具公差創建

該裝配中涉及到的公差有：

（1）零件安裝孔徑銷徑公差;

（2）零件安裝孔銷位置度公差;

（3）零件安裝面輪廓度公差;

（4）夾具定位孔徑銷徑公差;

（5）夾具定位孔銷位置度公差;

（6）夾具定位塊輪廓度公差。

根據零件圖紙和夾具產品圖紙設定公差，其中夾具定位孔銷位置度公差、夾具定位塊輪廓度公差設為±2 mm。

2.2.4? 測量目標與裝配創建

由章節2.1得到的關鍵裝配要素，即小支架定位銷的位置度、小支架與投影儀接觸的上端平面的平面度，根據3DCS軟件的測量功能以及生產工藝要求，建立以下測量參數以及偏差標準值范圍：小支架（左）定位銷位置度;小支架（右）定位銷位置度;小支架（左、右）定位銷的距離;小支架（左）上端平面的平面度;小支架（右）上端平面的平面度;小支架（左、右）上端平面的平面度一致性。小支架定位銷位置度與距離偏差范圍設為±1 mm，小支架上端平面度和平面度一致性偏差范圍設為±2 deg。

由偏差分析的理論前提以及3DCS軟件的基本情況，采用3-2-1裝配定位方案對零件進行裝配。主要步驟是將零件上的5個特征分別與夾具上對應的5個特征一一進行移動。

3? 仿真分析

對抬頭顯示裝配模型執行2 000次運算進行模擬裝配。在3DCS中，主要以貢獻度及敏感度兩個指標來分析仿真結果，其中：

（1）貢獻度表示偏差源對裝配偏差的貢獻大小;

（2）敏感度則表示偏差源對裝配偏差的影響大小。

3.1? 小支架定位銷位置度及距離

小支架（左）定位銷位置度、小支架（右）定位銷位置度、小支架（左、右）定位銷的距離分別如圖4、圖5、圖6所示。小支架（左、右）定位銷的位置度超差率、小支架定位銷的相對距離超差率均為0%，說明這三個測量目標在小支架裝配過程中是較為穩定的，偏差波動較小。

3.2? 小支架與投影儀接觸面平面度

小支架（左）上端平面的平面度、小支架（右）上端平面的平面度分別如圖7、圖8所示。小支架（左、右）上端平面的平面度超差率均為0%。與章節3.1同理，說明這兩個測量目標在小支架裝配過程中是較為穩定的，偏差波動較小。

3.3? 小支架與投影儀接觸面一致性

小支架（左、右）上端平面的平面度一致性如圖9所示。小支架兩上端平面的一致性超差率為2.55%，上下偏差均有超出，其中上限偏差有1.15%超過標準偏差，下限偏差有1.4%超過標準偏差。影響小支架上端平面一致性的6-Sigma值最大為2.861 3，對應的最大偏差源為小支架安裝夾具的4個孔銷的位置度偏差，它造成了仿真超差，其貢獻度高達70.415%，其余偏差源的貢獻度均較小，都在5.67%以下。在敏感度方面，小支架安裝夾具的4個孔銷位置度偏差敏感度為7.021 4，其余偏差源的敏感度在1.802 0以下。從數據上看，小支架安裝夾具的4個孔銷位置度偏差被放大了7倍多，且由于其貢獻度最大、對抬頭顯示安裝的影響最大，因此生產過程較不穩定，影響工廠的一次性報交合格率，是需要進行優化的。而其他偏差源的影響遠遠小于第二個夾具上4個孔銷位置度偏差的影響。

4? 優化方案

對裝配模型的修改可以考慮兩個方面：一是改變零件公差、改變零件設計;二是改變夾具公差、改變夾具設計。由于裝配零件產品已固定，無法進行修改，因此在這個模型中，不考慮對零件的公差及設計，僅針對夾具的公差和設計進行修改。

4.1? 改變夾具公差

通過3DCS軟件修改小支架安裝夾具上的孔銷位置度公差，把公差值從±0.2 mm改為±0.1 mm，重新進行仿真。

重新仿真后的平面度一致性如圖10所示，可見更改小支架安裝夾具上的孔銷位置度公差對小支架平面度一致性影響較大，超差率從原來的2.55%降為0.15%。

至于偏差源小支架安裝夾具孔銷位置度公差偏差源，其6-Sigma值從2.861 3降為1.231 3，貢獻度從70.415%降為38.165%。然而，敏感度沒有變化，說明更改夾具公差無法減弱偏差源的影響大小，可考慮嘗試更改夾具設計。

4.2? 改變夾具設計

在此課題建立裝配模型時，根據現場的實際情況對仿真模型設計了裝配中的孔銷浮動，因此考慮取消裝配特征孔，改為小支架上端平面的第三個特征點，重新進行裝配仿真，如圖11所示。

修改夾具設計之后，超差率下降為0%。偏差源小支架安裝夾具定位銷位置度偏差的貢獻度從38.164%降為27.759%，敏感度從7.021 4降為2.681 5，6-Sigma值從1.231 3降到了0.556 4。至于除小支架安裝夾具定位塊輪廓面偏差之外的其他偏差源，它們的6-Sigma值也有一定程度的下降，敏感度也有下降，從另一側面證實了偏差源的敏感度只能通過更改夾具設計來實現。

在實際操作中，使用檢具對小支架定位夾具上的夾緊點進行重新定位，使其偏差范圍控制在±0.1 mm以內，并取消小支架定位夾具上的對應小支架上端平面處定位孔的定位銷，增加一個上端平面夾緊塊。在優化措施的實施后，對現場的標定實際情況跟蹤三個月，標定一次性合格率由70%提升至96.7%，與優化前相比得到了較大的提升。

5? 結論

利用3DCS軟件對抬頭顯示裝配進行建模仿真，可以得到影響最大的偏差源，從而有針對性地進行偏差優化，大大提升了抬頭顯示標定的一次性合格率。該項課題可以為今后汽車內外飾零件的裝配偏差控制提供依據。

致謝

感謝在撰寫論文過程中給予幫助的學者和導師，感謝審稿專家的認可和指點。

參考文獻

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作者簡介：

賈青（1979—），女，上海人，碩士生導師。研究方向：車輛工程。

姜立偉（1989—），通信作者，女，上海人，工程師。研究方向：車輛工程。

E-mail： 175725941@qq.com

（收稿日期：2020-01-09）

Assembly Deviation Analysis and Systematical Optimization of Head up Display Based on 3DCS Software

JIA Qing1， JIANG Li-wei2

（1. Tongji University， Shanghai 200000， China;

2. SAIC VOLKSWAGEN， Shanghai 200000， China）

Abstract： The head up display system is a kind of vehicle safety auxiliary system， but its calibration failure often occurs in the vehicle production line， which seriously affects the quality of projected image. Focusing on the assembly deviation issues of the head up display， the assembly process of its 4 parts， namely， body crossbeam bracket， H-Bracket seat， small bracket and projector， are analyzed to obtain the key assembly elements. Based on the 3DCS deviation analysis software， using its Monte Carlo simulation method， the modeling and simulation of the assembly deviation of the head up display are carried out， so that the contribution， sensitivity and 6-Sigma value of each deviation source are obtained. It shows that the main deviation source is the hole/pin position deviation of the small bracket installation fixture. The tolerance and structure of the installation fixture of the head up display is optimized： first， the hole/pin position tolerance of the small bracket installation fixture is modified from ± 0.2 mm to ± 0.1 mm; second， the feature hole of the small bracket is modified into the third feature point of the upper plane of the small bracket. 3 months of field tracing shows that the one-time calibration qualification rate increases from 70% to 96.7%.

Key words： Head up Display; Assembly Deviation; Monte Carlo Simulation Method; 3DCS Software; 6-Sigma