基于3DCS的前蓋與翼子板平整度偏差分析

曹 倩

（上汽通用汽車有限公司尺寸工程科，上海 201206）

前言

隨著汽車造型日新月異的變化，前端造型和尺寸匹配愈發重要，一般車企會在前期開發時利用虛擬分析的手段進行前端的尺寸偏差分析。3DCS是目前常用的三維尺寸與公差分析軟件，廣泛應用于汽車、航空航天等領域[1]。

某車型在前期設計階段，利用3DCS軟件分析前蓋和翼子板的尺寸匹配情況，發現靠近擋風玻璃區域的平整度超差概率超過標準值。通過敏感度分析報告找到貢獻量最大的因子，綜合評估了定位策略、裝配工藝、零件尺寸公差等維度，最終決定對車身數據、車身 GD&T圖紙做了調整優化。在重新計算3DCS之后，超差概率大大降低。

1 3DCS仿真分析

3DCS是用于裝配偏差模擬的尺寸分析工具，工程師可通過它在虛擬環境中重復裝配帶有偏差的零部件來進行基于蒙特卡洛法的尺寸分析，零件的偏差來源于指定的公差范圍和分布條件下生成的隨機偏差值，而仿真結果有助于評估設計的穩健性，對后續產品的設計改進起到非常關鍵的作用。

如圖1，偏差分析模型的建立開發流程包括[2]：

●數據準備：3D數模、GD&T圖紙、裝配工藝

● 建立DCS點：零件定位點、工裝定位點、測量點

●建立Move：建立裝配

●輸入公差：尺寸公差、形位公差

●優化調整：定位策略、公差

●輸出報告：計算所用數據信息、裝配方案、定位策略等，顯示超差概率、敏感度分析報告等。

圖1 3DCS分析流程

2 前蓋與翼子板平整度3DCS分析

2.1 前蓋與翼子板平整度計算

如圖2，前蓋和翼子板的靠近風擋玻璃處的平整度屬于U/D向匹配。出于精品車的質量驅動，結合制造能力、內控風險評估和項目經驗等，此處設計公差定義為+/-0.75mm。

圖2 平整度公差要求

在3DCS軟件中，根據零件裝配順序和定位策略建立裝配，在所需區域建立測量，按圖紙輸入公差信息后開始模擬計算。圖3是前蓋和翼子板平整度模擬分析結果，可見取樣次數 20000次[3]，6sigma值為+/-1.57mm，公差設計上/下偏差值為+/-0.75mm，總的偏差超差率為 14.83%，表明前蓋和翼子板平整度在設定公差下超差風險較大。

圖3 3DCS計算結果優化前

圖4是敏感度分析報告，從貢獻因子的分布情況可以看出，占比最大的因子是[4]避震塔上的翼子板工裝U/D向定位點，占比40.30%，因此要降低計算結果的超差率，優先嘗試優化翼子板工裝U/D向定位點。

圖4 敏感度分析

2.2 工裝定位點優化

如圖5爆炸圖，前端零件裝配到車身上的順序為：前蓋鉸鏈→翼子板→前蓋。其中，車身上的翼子板U/D向定位小支架有兩個，前端小支架是在廠內焊裝車間用工裝定位焊接，U/D向尺寸相對較易控制，而后端小支架出于成本等原因，集成在外購件上縱梁分總成上，進廠后焊接到車身上，所以U/D向尺寸鏈較長且不易控制。

圖5 爆炸圖

如圖6，翼子板工裝定位方案含4個U/D向定位，前端兩個U/D定位點位于前橫梁上，后端兩個點位于避震塔上。車身焊接方案是避震塔和上縱梁分總成在廠內焊接到車身上，而翼子板U/D向定位小支架在供應商處焊接到上縱梁分總成上，故工裝定位點和翼子板小支架定位點的U/D向尺寸鏈較長。相應的，車身圖紙上避震塔的面輪廓度公差帶為1.7mm，翼子板小支架的面輪廓度公差帶為2mm，公差范圍較大，不利于尺寸控制。

圖6 工裝定位優化前

一般優化方案可以從調整裝配順序、公差范圍或定位方案三個方面考慮。

●由于焊裝工藝和既有生產線的限制，裝配順序改動困難，且對尺寸鏈沒有優化，故不適用本文案例。

●調增公差范圍通常指縮小公差帶，意味著對制造能力提出更高的要求，制造部門需要研究現有的生產能力是否能夠實現目標，以及評估潛在的成本增加。另外，公差帶小幅度的收窄并不能有效改善計算結果，反之則極有可能會導致零件合格率降低、返修率上升，對供應商或主機廠都帶來成本的增加。所以直接調整公差往往不是最優的解決方案。

●分析工裝定位方案可行性。根據車身焊接工藝，避震塔和上縱梁分總成都在廠內焊接到車身上，翼子板U/D定位小支架在供應商處焊接到上縱梁分總成上。那么，翼子板工裝避震塔上的U/D定位點和翼子板支架上的翼子板U/D向定位點的尺寸鏈要考慮車身焊接偏差。如圖7，為了去除這個偏差因素，嘗試將避震塔上的工裝定位點移動到上縱梁上，同時在車身圖紙上定義上縱梁面輪廓度為子基準，而小支架到子基準面輪廓度要求設置為1mm。這樣不僅縮短了翼子板工裝和翼子板定位支架的尺寸鏈[5]，同時起到了收緊公差范圍的效果。

圖7 工裝定位優化后

2.3 方案驗證

在3DCS軟件中，分別在左右上縱梁的U/D向型面上建立兩個新的工裝定位點，再取前橫梁上兩個U/D向型面上的定位點做動態中點，然后重新選擇“Move”中的 U/D向點并輸入新的公差要求，完成后再次運行計算。如圖8，總的超差率下降到6.09%，有明顯改善。

圖8 3DCS計算結果優化后

3 3DCS優化方案措施實施

在實際生產中落實優化后的方案。首先將翼子板工裝 4個U/D向定位布置在前橫梁和上縱梁上，其次，由于上縱梁分總成是外購件，所以為了滿足車身圖紙上翼子板支架和上縱梁型面的U/D向相對位置關系，如圖9，更改上縱梁分總成的圖紙控制要求。

圖9 上縱梁圖紙

4 結束語

3DCS軟件可以虛擬制造過程[6]，幫助工程師在設計階段盡早發現問題，并且可以比較不同方案的尺寸偏差表現，為項目團隊做決策提供支持。3DCS是前期分析的重要評估工具，其模擬真實的裝配工藝、定位策略、采用圖紙公差要求，使其計算結果最大程度上接近實際情況。目前3DCS已成為重要的參考指標，在汽車領域受到廣泛應用。