基于多層基準體系的公差設(shè)計與虛實驗證方法研究

中圖分類號：U466 文獻標志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20240420

Researchon ToleranceDesignandVirtualamp; Real Verification Method Based on Multi-Level Local Datum System

WangYanwei，WangHaoyang，CuiCui，Shi Chengjie，Chen Yu（FAWBestuneAuto Co.，Ltd.，Changchun，130022）

Abstract： In order to improve thequality of automotiveDTS，a multi-level local datum system tolerance design is establishedon the vehicle body assembly according to therequirements of the whole vehicle DTS goals.By introducing local datumvirtual fixtures in the3Dtolerance analysissoftware3DCS，partsareassembled into differentdatum systems，andthe tolerance correlationrelationship between each leveldatumisestablished，achieving therationality verificationof thedatum tolerance designateachlevelof thevehicle body.Andtheanalysisresultsare incorporated into the design of thevehicle’s Cordinate Measuring Machining（CMM）andchimeric check fixture，aswell as the requirementsfortesting tolerances，toensure therationalizationoftheevaluationof the manufacturing deviationof the vehicle assembly. The vehicle's DTS goals have been achieved through virtual and real verification.

Keywords：DTS，Multi-level localdatum，Tolerancedesign，Virtualamp;realverification

1前言

乘用車在產(chǎn)品設(shè)計、制造、裝配以及檢測過程中，涉及設(shè)計偏差、零件制造偏差、裝配過程偏差和質(zhì)量檢測偏差等偏差源[1，會體現(xiàn)在整車外觀縫隙上，直接影響用戶的主觀感知品質(zhì)。為保證整車尺寸公差規(guī)范（DimensionalTechnicalSpecifications，DTS）精致目標有效達成，目前大部分主機廠在工程開發(fā)階段利用三維公差分析軟件，仿真驗證各總成和零件的幾何尺寸與公差（Geometric Dimensioning and Tolerancing，GDamp;T）對整車DTS目標達成的影響。對于車身覆蓋件或白車身焊接總成等大尺寸零部件，采用主基準下的公差進行建模分析，為降低超差風險，往往會對零部件局部公差要求過于嚴格，造成零件公差實現(xiàn)困難或制造成本增加[2]

付紅圣提出一種在三維尺寸偏差分析軟件3DCS中建立子基準以實現(xiàn)基準轉(zhuǎn)換、公差分配，且可用實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)封閉環(huán)驗證的公差設(shè)計方法，將部分零件在子基準下建模，實現(xiàn)了局部位置DTS的公差分析。

本文根據(jù)整車DTS目標要求，開展零部件公差分析和驗證，建立車身總成多層級基準體系公差設(shè)計，縮短了尺寸鏈，降低了零部件局部公差要求，解決了因零件公差設(shè)定過嚴導致的公差實現(xiàn)困難或制造成本增加問題。在三維公差分析模型搭建中，引入各層級局部基準虛擬檢具，結(jié)合零件裝配關(guān)系和DTS目標要求，將零件裝配到不同的基準體系下，建立主基準與局部基準、上層級局部基準與下層級局部基準之間的公差關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)了整車DTS公差設(shè)計的整體性和系統(tǒng)性分析驗證，并參考驗證結(jié)果進行GDamp;T圖紙和車身檢測方案設(shè)計，實現(xiàn)了公差虛擬驗證和實車評價有機結(jié)合，保證整車DTS精度目標有效達成。

2多層級基準體系下的公差設(shè)計

2.1多層級基準的設(shè)定意義

在乘用車設(shè)計上，為提升整車局部精度，根據(jù)零部件裝配關(guān)系，在多層級基準下開展公差設(shè)計，從而實現(xiàn)零件局部精度控制，滿足不同層級基準體系下的公差即可滿足車身匹配需求。主基準體系下的公差僅控制局部安裝點在整車上的位置，可適當放大局部安裝點相對于主基準的公差，從而降低公差控制難度。采用局部基準體系設(shè)計，不僅可以在滿足設(shè)計意圖的前提下降低設(shè)計對制造的要求，且因分析尺寸問題時弱化或無需全部追溯到大零件的主基準[3]，還可縮短尺寸鏈。下面舉例說明應用局部基準的優(yōu)勢。

在相同DTS目標要求下，B零件裝配到A零件上，采用概率法進行尺寸鏈評估，在主基準基礎(chǔ)上進行公差設(shè)計，A零件被測要素面輪廓度要求為 ±0.5mm ，如圖1所示；在增加局部基準基礎(chǔ)上進行公差設(shè)計，A零件被測要素面輪廓度要求在局部基準下可放寬至 ±0.7mm ，弱化了零件A在主基準下的公差要求，二者的計算結(jié)果相同，如圖2所示。

2.2車身多層級基準公差設(shè)計

根據(jù)DTS目標定義，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝方案、尺寸設(shè)計集成等，對乘用車零部件進行定位和公差設(shè)計，其中，車身多層級基準體系設(shè)計尤為重要。首先，考慮零件自身重力等變形影響，基于N-2-1定位原則，完成車身總成主基準的設(shè)計。其次，進行車身總成前部、側(cè)部、后部、內(nèi)飾區(qū)域第一層級局部基準設(shè)計，作為區(qū)域的主基準，要盡可能涵蓋該區(qū)域所有零部件的裝配關(guān)系，確保裝配工裝定位的準確性和統(tǒng)一性。然后，結(jié)合各區(qū)域DTS匹配關(guān)系在車身前部、側(cè)部、后部、內(nèi)飾第一層級局部基準下，分別構(gòu)建與零部件一一對應的虛擬零件檢具，同時將匹配零部件按照裝配順序和匹配關(guān)系進行排序，該排序下各零部件對應的虛擬零件檢具定位分別作為第二至第 n 層局部基準。

在車身零部件定位基準和工裝夾具設(shè)計過程中，要體現(xiàn)各層級局部基準的繼承性和可控制性（即局部基準出現(xiàn)偏差可通過工裝進行修正或調(diào)整，使其偏離理論值可控）。同時，相對于主基準，局部基準內(nèi)部要素盡量在一道工序上進行沖壓或焊接，縮短主基準與局部基準、局部基準與局部基準、局部基準內(nèi)部要素之間的尺寸鏈。并且各層級

基準要滿足基準設(shè)計的N-2-1定位準則、網(wǎng)格平行 實現(xiàn)車身多層級基準制造的準確性和穩(wěn)定性，車身性原則，且與車身各級分總成定位基準保持一致， 多層級基準體系如圖3所示。

基于多層基準體系，在公差設(shè)計時采用組合公差實現(xiàn)了多層級基準公差要求在圖紙上的表達，如表1所示，上層為主基準體系下的公差要求，中層為第一層級局部基準體系下的公差要求，下層為第二層級局部基準體系下的公差要求。

3多層級基準在3DCS中的公差建模

3DCS軟件強調(diào)數(shù)字化裝配的變化模擬和Web檢測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)管理。尺寸工程要求在實際部件和裝配的基礎(chǔ)上符合預先確定的相關(guān)尺寸，而3DCS能夠準確確定和傳達裝配需求，簡化產(chǎn)品驗證工藝，降低制造成本。

搭建三維模型時，如果同一裝配模型中同一零部件同時被賦予主基準下的公差和局部基準下的公差，會影響計算結(jié)果的準確性，一般需通過2個裝配模型分別輸出結(jié)果，建模后期優(yōu)化工作量大，需要同時優(yōu)化2個裝配模型同處問題，且仿真不同區(qū)域DTS時需關(guān)閉其中的某些裝配模型，增加了模型優(yōu)化時間，影響了分析效率和質(zhì)量。

為解決上述問題，引入虛擬局部基準檢具，將零件裝配至不同的基準體系下，建立主基準與局部基準、上層局部基準與下層局部基準之間的公差關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)了整車DTS公差分析的整體性和系統(tǒng)性。

如圖4所示，零件乙和零件丙分別裝配到零件甲上，同時，需要滿足各零件之間的裝配間隙質(zhì)量目標要求。

首先，對零件甲進行系統(tǒng)的多層級基準體系設(shè)計，其中A/B/C為主基準，D/E/F為第一層級局部基準，G/H/J為第二層級局部基準，如圖5所示。

其次，在實際生產(chǎn)中，為保證零件乙和零件丙能夠按照質(zhì)量要求安裝至零件甲上，可設(shè)計局部基準檢具模塊（乙檢塊和丙檢塊）來控制零件甲的尺寸精度要求。因此，采用同樣的原理，在3DCS軟件內(nèi)根據(jù)零件甲的多層級局部基準要求，構(gòu)建虛擬局部基準檢具來表達各層級局部基準的公差要求，并參與系統(tǒng)公差分析，建模裝配過程如圖6所示。

具體公差設(shè)置與操作如下：

a.將零件甲拆分成零件甲（主基準）2個虛擬局部基準檢具模塊乙檢塊和丙檢塊，在零件甲（主基準）上建立主基準A/B/C公差要求。b.在虛擬局部基準檢具模塊（乙檢塊）上建立基于第一級局部基準D/E/F的公差要求。c.在虛擬局部基準檢具模塊（丙檢塊）上建立基于第二級局部基準G/H/J的公差要求。1當增零件7上零件用的間踏日圩西寸時，只需將零件乙安裝到虛擬局部基準檢具模塊（乙檢塊）上，定義測量和公差即可完成公差分析。

e.當模擬零件丙與零件甲的間隙目標要求時，只需將零件丙安裝到虛擬局部基準檢具模塊（丙檢塊）上，定義測量和公差即可完成公差分析。

f.當模擬零件乙與零件丙的間隙目標要求時，首先，將丙檢塊安裝到乙檢塊上，其次，將零件乙安裝到乙檢塊上，將零件丙安裝到丙檢塊上，定義測量和公差即可完成公差分析。

g.將乙檢塊安裝到零件甲（主基準）上，然后將零件乙安裝到乙檢塊上，建立測量關(guān)系時既可基于主基準進行，也可基于局部基準進行，根據(jù)測量點所在零件位置選擇賦公差基準（主基準或局部基準），這樣在同一模型中能夠同時驗證2種基準體系下的公差設(shè)計結(jié)果。

通過以上建模方案，實現(xiàn)主基準與局部基準、上層局部基準與下層局部基準以及局部基準內(nèi)部公差關(guān)聯(lián)關(guān)系，可有效開展公差設(shè)計的整體性和系統(tǒng)性驗證。

4多層級基準公差設(shè)計的工程應用

本文案例基于某車型尾燈及飾框總成周邊的DTS質(zhì)量目標要求，采用白車身多層級局部基準體系進行DTS公差設(shè)計驗證。

4.1整車DTS目標設(shè)定

根據(jù)汽車產(chǎn)品感知質(zhì)量要求，結(jié)合汽車產(chǎn)品的市場定位和制造能力，完成整車DTS目標設(shè)定。尾燈及飾框總成與側(cè)圍、保險杠、后背門匹配，整車DTS目標設(shè)定如圖7所示。

4.2零部件定位基準及公差設(shè)計（含車身多層級基準體系）

4.2.1尾燈及飾框總成定位基準及公差設(shè)計

尾燈及飾框總成定位基準及公差設(shè)計如圖8、圖9所示。

4.2.2車身多層級基準體系設(shè)計

由于尾燈及飾框總成四周均與其他零件存在匹配關(guān)系，其車身多層級定位基準設(shè)計和公差關(guān)系相對復雜，其中，A/B/C為車身主基準，如圖10所示。

X/Y/Z為車身后部第一層級局部基準及相對應的公差要求（后背門總成嵌合檢具），如圖11所示。

AA/AB/AC/AD為車身后部第二層級局部基準及相對應的公差要求（尾燈及飾框總成嵌合檢具），如圖12所示。

AJ/AK/AL為車身后部第三層級局部基準及公差要求（后保險杠支架嵌合檢具），如圖13所示。

4.3建立多層級基準三維公差仿真模型

采用車身多層級基準體系建模，根據(jù)車身主基準和各層級局部基準設(shè)計關(guān)系，引入局部基準嵌合檢具虛擬零件，參與整車建模過程。建模思路如下：

a.尾燈及飾框總成與后背門總成之間存在DTS匹配關(guān)系，首先將車身第一層級局部基準（后背門總成X/Y/Z）安裝到車身主基準上，其次將后背門總成通過工裝裝配到車身第一層級局部基準（后背門總成X/Y/Z）上，然后將車身第二層級局部基準（尾燈及飾框總成AA/AB/AC/AD）安裝到車身第一層級局部基準（后背門總成X/Y/Z）上，最后將尾燈及飾框總成安裝到車身第二層級局部基準（尾燈及飾框總成AA/AB/AC/AD）上，并給出相應的局部基準下的安裝孔位、安裝面、匹配面等公差要求，進行尾燈及飾框總成與后背門的DTS定義目標分析驗證。

b.尾燈及飾框總成與側(cè)圍之間存在DTS匹配關(guān)系，直接采用局部基準建模方案。將尾燈及飾框總成裝配到車身后部第二層級局部基準（尾燈及飾框局部基準AA/AB/AC/AD）模型中，并給出該局部基準（AA/AB/AC/AD）下的側(cè)圍安裝孔位、匹配面等公差要求，進行尾燈及飾框總成與側(cè)圍的DTS定義目標分析驗證。

c.尾燈及飾框總成與后保險杠總成之間存在DTS匹配關(guān)系，直接采用局部基準建模方案。先將尾燈及飾框總成裝配到車身第二層級局部基準（尾燈及飾框局部基準AA/AB/AC/AD）模型中。然后將車身后部第三層級局部基準（后保險杠支架局部基準AJ/AK/AL）裝配到車身第二層級局部基準（尾燈及飾框局部基準AA/AB/AC/AD）模型中，再依次將后保險杠支架裝配到白車身后部第三層級局部基準（后保險杠支架AJ/AK/AL）中，后保險杠總成安裝到后保險杠支架上，并給出相應的局部基準下的安裝孔位、安裝面、匹配面等公差要求，進行尾燈及飾框總成與后保險杠的DTS定義目標分析驗證。3DCS中的建模裝配樹如圖14所示。

重：整車后都區(qū)域TS Pr（4） 車身總成 1 車身總成局部基準（后背門總成x//2） Parts（3） 虛擬嵌合檢具（后背門總成局部基準） 擬裝具（后背門總成具） 后背門總成 ove （2） 裝配：虛批裝具（后背門總成裝具）_TO_虛擬嵌合檢具（后背門總成局部基準） 裝配：后背門總成_TO_虛擬裝具（后背門總成裝具）_A虛擬嵌合檢具（后腎門總成局部基準） 車身總式局部基準（尾燈及飾框總成ABACAD） Paris （2） 虛擬嵌合檢具（尾燈及許框總成局部基準） 尾燈及沛框總成 ove（1） 裝配：尾燈及市框總成_TO_虛嵌合檢具（尾燈及飾框總成局部基準） Measures（1） 測里：尾燈及飾框總成與車身總成匹配DTS 日 車身總成局部基準（后保險杠支架A3AK/AL） Parts（3 虛擬嵌合檢具（后保險杠支榮局部基準） 后保險杠支架 后保險杠總成 oves（2） 后保險杠支架_TO虛擬老合檢具（后保險杠支架局部基準） 后保險杠總成_TO_后保險杠支架 Mere（1） 測量：后保險紅總成與車身總底匹首DTS Moves（3） 配：車身總成局部基準（后腎門總成x//2）TO_車身總成 配：車身總成局部基準（尾燈及飾框總成ABACADTO_車身總成部基準（后門總成/） 裝配：車身總成[后保險杠支架A3/AK/AL]_TO_車身總成局部基準（尾燈及飾框總成AAJAD/AC/AD） easre（2） 到量：尾燈及沛框總成與后保險杠總成匹配DTS

完成裝配、測量、公差設(shè)置后，運行5000次，計算結(jié)果如下：

尾燈及飾框總成與后背門總成間隙超差概率為 3.82% ，如圖15所示；尾燈及飾框總成與車身間隙超差概率為 2.36% ，如圖16所示；尾燈及飾框總成與后保間隙超差概率為 4.68% ，如圖17所示。以上分析結(jié)果均 lt;5% ，滿足DTS設(shè)計要求。

4.4測量方案設(shè)計

依據(jù)車身多層基準體系設(shè)計及公差要求，結(jié)合三維公差仿真分析驗證結(jié)果，完成車身總成檢測方案規(guī)劃。一般零部件檢測采用三坐標測量或檢具測量2種形式，車身主基準下的公差要求采用三坐標測量方案較為合理。車身多層級局部基準測量既可采用三坐標測量方案，也可采用嵌合檢具方案。與三坐標測量相比，檢具測量可在車間生產(chǎn)現(xiàn)場快速、直觀判斷車身尺寸偏差，如圖18所示。

4.5 實車評價

采用三坐標測量方案進行車身主基準下的公差測量，如圖19所示，判斷對應零部件在車身上的安裝孔、匹配面的尺寸精度是否滿足車身主基準的公差設(shè)計要求。

采用嵌合檢具的方式進行車身多層級局部基準公差測量，如圖20所示，判斷各零部件在車身上的安裝孔、匹配面的尺寸精度是否符合局部基準下設(shè)計的公差要求。嵌合檢具的作用是在車身焊接總成制造過程中，提前模擬總裝零部件裝配在車身上的情況，快速確認車身偏差問題，用于檢測監(jiān)控車身的焊接精度和外觀配合效果。

采用楔形尺或塞尺，進行實車DTS數(shù)據(jù)測量評價驗證，共計完成5組30輛份數(shù)據(jù)，尾燈及飾框總成與后背門總成間隙整體超差概率為 4.69% ，如圖21所示；尾燈及飾框總成與車身間隙整體超差概率為 1.35% ，如圖22所示；尾燈及飾框總成與后保險杠間隙整體超差概率為 4.37% ，如圖23所示。以上測量結(jié)果均 lt;5% ，滿足DTS設(shè)計要求。

（b）統(tǒng)計分析結(jié)果

（b）統(tǒng)計分析結(jié)果

當測量結(jié)果出現(xiàn)不合格時，采用偏差源診斷，對比基于設(shè)計輸人（3DCS + GDamp;T和工廠數(shù)據(jù)（ 3DCS+ CMM + 檢具）的分析結(jié)果，并結(jié)合敏感度（Sensitivity）分析和幾何因素（GeoFactor）分析，確定真實偏差源。通過改善偏差源，提升產(chǎn)品精致質(zhì)量，并通過產(chǎn)品總成級實測數(shù)據(jù)對基于工廠數(shù)據(jù)（ 3DCS+CMM+ 檢具）的偏差分析模型的預測效果進行驗證。

5 結(jié)束語

在三維公差建模分析中，采用車身多層級基準系統(tǒng)建模，引入局部基準嵌合檢具虛擬零件，實現(xiàn)了各層級基準公差設(shè)計的合理性驗證，建立了各層級基準下的公差要求與整車DTS目標之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，驗證了各層級基準之間公差要求設(shè)計的合理性。同時，解決了在同一裝配模型中同一零部件不能同時賦予主基準下的公差和局部基準下的公差所產(chǎn)生的沖突問題，改變了以往需要通過多個裝配模型分別輸出結(jié)果，造成建模后期優(yōu)化工作量大的問題，提升了模型分析工作的效率和質(zhì)量。根據(jù)分析結(jié)果將零部件主基準下的公差要求落實到三坐標測量方案中，局部基準下的公差要求落實到嵌合檢具公差設(shè)計上，實現(xiàn)了車身各層級基準和公差設(shè)計的有效性評價，能夠快速識別車身焊接總成制造精度偏差對整車DTS的影響，有利于問題快速解決。

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