虛擬技術(shù)在汽車尺寸匹配中的應(yīng)用

趙云 張磊 薛強(qiáng) 章雨亭

（上海通用汽車有限公司）

隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的快速發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，各大汽車廠商爭(zhēng)相推出新車型以滿足市場(chǎng)需求。提高汽車質(zhì)量和縮短開(kāi)發(fā)周期成為汽車廠商贏得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。質(zhì)量控制貫穿整個(gè)開(kāi)發(fā)周期，涉及設(shè)計(jì)、材料、工藝及制造等。在制造過(guò)程中，控制零部件尺寸是控制質(zhì)量的一個(gè)重要方面。汽車尺寸工程傳統(tǒng)的方法是用檢具對(duì)零件尺寸進(jìn)行評(píng)估，只能通過(guò)有限的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行量化，對(duì)于匹配的不可見(jiàn)區(qū)域和狹小而無(wú)法測(cè)量區(qū)域，很難進(jìn)行尺寸評(píng)估；在無(wú)檢具的條件下，無(wú)法對(duì)零件進(jìn)行尺寸評(píng)估?；谝陨蠁?wèn)題，文章提出一種虛擬匹配方法，實(shí)現(xiàn)無(wú)檢具條件下對(duì)零件的測(cè)量，包括全尺寸測(cè)量、不可見(jiàn)區(qū)域的測(cè)量。同時(shí)通過(guò)虛擬測(cè)量，可在早期對(duì)產(chǎn)品尺寸進(jìn)行評(píng)估，指導(dǎo)產(chǎn)品修改。

1 尺寸工程

1.1 尺寸工程的工作內(nèi)容

尺寸工程已成為汽車開(kāi)發(fā)中的核心工程之一，尺寸工程和其它專業(yè)的關(guān)系，如圖1所示。

尺寸工程的工作流程，如圖2所示。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段的尺寸目標(biāo)制定（DTS）、定位及公差設(shè)計(jì)（GD&T）、虛擬制造（VA）到測(cè)量計(jì)劃的測(cè)點(diǎn)開(kāi)發(fā)（MPD）、測(cè)量系統(tǒng)規(guī)劃實(shí)施（MS）、投產(chǎn)階段尺寸管理中匹配活動(dòng)（MC）。文章詳細(xì)介紹幾個(gè)關(guān)鍵的工作內(nèi)容。

DTS側(cè)重在整車內(nèi)外觀匹配區(qū)域的間隙、面差尺寸目標(biāo)及外觀美學(xué)要求，并根據(jù)工藝、制造能力制定整車尺寸公差目標(biāo)[1]。零部件及總成的公差設(shè)計(jì)最終滿足整車的DTS要求。所有尺寸工作都圍繞著DTS展開(kāi)。DTS的組成，如圖3所示。

GD&T包含定位基準(zhǔn)及被測(cè)要素公差要求。GD&T圖紙是產(chǎn)品尺寸公差設(shè)計(jì)部門(mén)對(duì)于汽車零部件制定的具體制造公差要求。

MPD是根據(jù)產(chǎn)品GD&T圖紙要求，制定適當(dāng)?shù)碾x散的點(diǎn)來(lái)代表，反映整體零件尺寸，供產(chǎn)品測(cè)量使用。

1.2 傳統(tǒng)的尺寸匹配方法和局限性

在傳統(tǒng)的尺寸匹配活動(dòng)中，主要使用檢具對(duì)零件尺寸進(jìn)行評(píng)估。檢具是一種用來(lái)測(cè)量和評(píng)價(jià)零件尺寸的專用檢驗(yàn)工具，檢具上零件的定位基準(zhǔn)必須符合GD&T圖紙中的要求。車燈檢具實(shí)物圖，如圖4所示。

沒(méi)有檢具的條件下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的測(cè)量；當(dāng)用檢具測(cè)量時(shí)，只能獲取有限的測(cè)點(diǎn)位置的尺寸，不能進(jìn)行全尺寸評(píng)估，同時(shí)無(wú)法測(cè)量不可見(jiàn)區(qū)域和狹小受限區(qū)域。

針對(duì)上面的問(wèn)題，引入虛擬匹配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)檢具條件下對(duì)零件的測(cè)量，包括全尺寸測(cè)量、不可見(jiàn)區(qū)域或狹小受限區(qū)域的測(cè)量。同時(shí)通過(guò)虛擬測(cè)量，可在早期對(duì)產(chǎn)品尺寸進(jìn)行評(píng)估，指導(dǎo)產(chǎn)品修改。需要說(shuō)明的是虛擬匹配技術(shù)適用于剛性較好的零件或者剛性環(huán)境下的零件，如：鈑金件、燈等，或者定位于檢具或者支架上的零件，需確保零件沒(méi)有形變。

2 虛擬匹配方法

匹配是批量生產(chǎn)前采用真實(shí)工裝生產(chǎn)的樣件，全面驗(yàn)證產(chǎn)品、零件、工藝和工裝的過(guò)程[2]。

虛擬匹配是軟件模擬真實(shí)的過(guò)程，因此如有真實(shí)零件對(duì)應(yīng)的模型數(shù)據(jù)模擬檢具的定位系統(tǒng)，就能實(shí)現(xiàn)零件間的匹配分析。虛擬匹配實(shí)施的前提條件是以零件對(duì)應(yīng)的數(shù)模和DG&T圖紙為標(biāo)準(zhǔn)，使用激光掃描儀獲取零件的點(diǎn)云作為待評(píng)估的零件。

虛擬匹配是利用掃描技術(shù)，獲取零件3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件進(jìn)行尺寸匹配分析。目前某公司執(zhí)行虛擬匹配活動(dòng)的軟硬件環(huán)境，如圖5所示，包括海克斯康Romer關(guān)節(jié)臂、Perceptron V5激光掃描頭、InnovMetric公司的Polyworks點(diǎn)云處理軟件及一些必要的簡(jiǎn)易支架。

使用檢具定位的過(guò)程是零件的定位基準(zhǔn)和檢具的定位基準(zhǔn)配合，實(shí)現(xiàn)把零件定位到車身坐標(biāo)系上。模擬檢具定位是在定位點(diǎn)即裝配基準(zhǔn)處建立參考點(diǎn)，使用3-2-1原則定位對(duì)齊到車身坐標(biāo)系。

參考點(diǎn)對(duì)齊方式的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：使用手動(dòng)對(duì)齊或者最佳擬合等手段，使點(diǎn)云和數(shù)模位置靠近，參照GD&T圖紙，在零件數(shù)模的基準(zhǔn)處建立參考點(diǎn)理論值，對(duì)應(yīng)點(diǎn)云上使用擬合等手段對(duì)參考點(diǎn)賦予實(shí)際值。軟件在對(duì)齊的過(guò)程中，先把點(diǎn)云以某個(gè)參考點(diǎn)為原點(diǎn)移動(dòng)到數(shù)模對(duì)應(yīng)的理論參考點(diǎn)位置，直到它們的距離達(dá)到一定公差，不再發(fā)生移動(dòng)。所有參考點(diǎn)執(zhí)行以上過(guò)程，執(zhí)行完畢后為一輪對(duì)齊結(jié)束，然后進(jìn)入下一輪對(duì)齊，一輪為一次迭代，不斷迭代，所有參考點(diǎn)在公差內(nèi)，對(duì)齊完成，即把零件對(duì)齊到車身坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)定位功能。若參考點(diǎn)中的某一點(diǎn)在經(jīng)過(guò)一定迭代次數(shù)后，無(wú)法移動(dòng)到公差內(nèi)的數(shù)模上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，視為對(duì)齊失敗，即零件基準(zhǔn)一致性差，需要整改基準(zhǔn)。

在對(duì)齊成功后若A面偏差過(guò)大，可使用A面全部或者部分A面與數(shù)模進(jìn)行最佳擬合，查看A面的偏差情況和基準(zhǔn)的偏差量。若A面偏差情況理想，得到的基準(zhǔn)偏差量即為零件的基準(zhǔn)修改調(diào)整量；若A面偏差情況不理想，同時(shí)整改A面和基準(zhǔn)，整改基準(zhǔn)優(yōu)先，以上一步得到的基準(zhǔn)整改量為基礎(chǔ)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，整改GD&T的參考點(diǎn)的實(shí)際值，重新對(duì)齊，即執(zhí)行虛擬整改方案仿真，經(jīng)過(guò)幾個(gè)方案仿真后，最終得到A面和基準(zhǔn)的整改量。

3 虛擬匹配在SGM中的應(yīng)用

3.1 檢具上零部件A面的全尺寸評(píng)估

將零件安裝到檢具上；利用檢具基準(zhǔn)建立坐標(biāo)系，將零件對(duì)齊到車身坐標(biāo)系；掃描零件的整體形面，在軟件中與數(shù)模進(jìn)行比較，獲得零件形面的全尺寸評(píng)估，整個(gè)過(guò)程稱為PAQS。

3.2 無(wú)檢具條件下對(duì)零件的評(píng)估

在無(wú)檢具情況下（如有必要，使用簡(jiǎn)易支架支撐住零件），在零件不位移、不振動(dòng)及不變形的環(huán)境下進(jìn)行自由狀態(tài)掃描，獲取點(diǎn)云，在軟件中創(chuàng)建零件GD&T定位基準(zhǔn)，作為參考點(diǎn)，與數(shù)模對(duì)齊，進(jìn)行比較，得出零件形面尺寸偏差，這個(gè)過(guò)程稱為VCF（Virtual Checking Fixture）。掃描時(shí)，需要將零件GD&T基準(zhǔn)和測(cè)量區(qū)域都掃描進(jìn)去。

3.3 零件整改值的定量和定性分析

在零件尺寸認(rèn)證過(guò)程中，對(duì)零件的超差的定量整改，整改方式有整改A面、整改基準(zhǔn)和兩者同時(shí)整改。在經(jīng)過(guò)零件尺寸虛擬評(píng)估后，得到基準(zhǔn)和A面的偏差情況，有超差的情況下，通過(guò)利用零件部分匹配A面進(jìn)行最佳擬合，獲得基準(zhǔn)的偏差，模擬基準(zhǔn)整改量，獲取整改零件最佳方案，這個(gè)過(guò)程稱為ONCA。

3.4 2個(gè)零件的匹配分析

2個(gè)零件在經(jīng)過(guò)零件尺寸虛擬評(píng)估后，因它們已經(jīng)定位到車身坐標(biāo)系，放置在同一文件環(huán)境下，進(jìn)行零件與零件的匹配評(píng)估，對(duì)間隙、干涉及平整度給以確認(rèn)，同時(shí)對(duì)內(nèi)部不可見(jiàn)的區(qū)域確認(rèn)，也就是2×VCF的數(shù)據(jù)分析，這個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)稱VTAC。

3.5 2個(gè)零件匹配后的定量整改方案

在2個(gè)零件的匹配過(guò)程中，F(xiàn)lush和Gap在公差范圍之內(nèi)，且不存在干涉，則匹配符合DTS標(biāo)準(zhǔn)，若Flush和Gap超差或零件間存在干涉，需要定量的整改零件，通過(guò)優(yōu)化間隙和部分或者全部零件ONCA等模擬仿真后獲取零件的整改方法，同時(shí)可以對(duì)配合內(nèi)部不可見(jiàn)的區(qū)域干涉進(jìn)行定性定量分析，這個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)稱VNV。

3.6 鈑金零件匹配分析

2個(gè)或者多個(gè)鈑金件使用VCF技術(shù)進(jìn)行虛擬裝配后，定量分析鈑金件匹配區(qū)域的間隙和干涉,確認(rèn)單個(gè)零件對(duì)此影響的區(qū)域。

3.7 前蓋烘烤變形分析

首先掃描烘烤前的前蓋，得到一個(gè)狀態(tài)的點(diǎn)云，再掃描烘烤后的前蓋，得到另外一個(gè)狀態(tài)的點(diǎn)云，經(jīng)過(guò)定位到同一坐標(biāo)系后，以烘烤前的前蓋點(diǎn)云作為基準(zhǔn)，進(jìn)行全尺寸比對(duì)分析，得到變形量，為工藝部門(mén)提供依據(jù)。

3.8 氣彈簧引起變形

分析安裝氣彈簧對(duì)前蓋的變形影響，具體操作：安裝氣彈簧前后，分別掃描車身前蓋，獲取2個(gè)狀態(tài)的點(diǎn)云，將氣彈簧安裝后的前蓋點(diǎn)云與氣彈簧安裝前的前蓋點(diǎn)云比較，分析變形量。

3.9 Seal Margin測(cè)量

分別掃描門(mén)內(nèi)板和車身側(cè)圍，通過(guò)在門(mén)上放置靶球進(jìn)行基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，將門(mén)內(nèi)板和車身側(cè)圍的點(diǎn)云置于同一個(gè)機(jī)器坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)Seal Margin的測(cè)量，可支持分析門(mén)的關(guān)緊力和車身密封性等問(wèn)題

3.10 IP與門(mén)飾板間隙測(cè)量

分別掃描門(mén)內(nèi)飾板和IP飾板，通過(guò)在門(mén)上放置靶球進(jìn)行基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，將門(mén)內(nèi)內(nèi)板和IP飾板的點(diǎn)云置于同一個(gè)機(jī)器坐標(biāo)系，可分析測(cè)量門(mén)內(nèi)飾板和IP飾板的間隙與平整度配合。

3.11 整車測(cè)量

在總裝車間發(fā)動(dòng)機(jī)等安裝后，無(wú)法實(shí)現(xiàn)將整車放置于三坐標(biāo)holding測(cè)量的情況下，使用車體的部分的穩(wěn)定特征作為坐標(biāo)參考點(diǎn)，以三坐標(biāo)測(cè)量值或均值為理論參考值，建立局部的車身坐標(biāo)系，可對(duì)該區(qū)域的尺寸進(jìn)行測(cè)量分析。

4 案例介紹（尾燈尺寸評(píng)估）

利用Virtual Matching虛擬匹配技術(shù)，在項(xiàng)目階段對(duì)某新車型尾燈進(jìn)行尺寸評(píng)估，支持尾燈尺寸的改進(jìn)。

首先準(zhǔn)備好尾燈零件、數(shù)模及GD&T圖紙，通過(guò)使用GD&T基準(zhǔn)信息建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系對(duì)齊到車身坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)對(duì)其它相關(guān)基準(zhǔn)和型面的測(cè)量評(píng)估。

4.1 掃描尾燈

用簡(jiǎn)易支架固定支撐住尾燈，在不振動(dòng)、不變形、基準(zhǔn)及型面不被遮擋的環(huán)境下進(jìn)行掃描。尾燈的GD&T基準(zhǔn)和測(cè)量區(qū)域都要被掃描到，勻速掃描，確認(rèn)掃描區(qū)域完整。

4.2 全型面測(cè)量分析

4.2.1 GD&T主基準(zhǔn)對(duì)齊到車身坐標(biāo)系

在進(jìn)行操作前，先分析零件的GD&T圖紙，確認(rèn)GD&T的定位基準(zhǔn)位置、公差等信息。

根據(jù)GD&T圖紙，在數(shù)模上使用數(shù)字化定義建立基準(zhǔn)信息，點(diǎn)云經(jīng)過(guò)最佳擬合處理后，A基準(zhǔn)通過(guò)選中基準(zhǔn)區(qū)域的點(diǎn)云，以擬合的方式創(chuàng)建平面，所選點(diǎn)云的中心點(diǎn)的位置值做為測(cè)量值賦予對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)，B,C基準(zhǔn)是通過(guò)先創(chuàng)建銷/孔投影面，再創(chuàng)建銷/孔，以相交方式創(chuàng)建B，C圓心。所有基準(zhǔn)建立后，如圖6所示。

4.2.2 基準(zhǔn)一致性測(cè)定

因該尾燈存在7個(gè)約束（4個(gè)A基準(zhǔn)面、四位銷B、二位銷C），過(guò)定位，若4個(gè)A基準(zhǔn)的一致性有偏差，可能引起零件形變。分析4個(gè)A基準(zhǔn)的一致性，結(jié)果有一定偏差。如圖7所示，以A1，A2，A3，B，C建立坐標(biāo)時(shí)，測(cè)定零件中間的A4基準(zhǔn)偏高0.28 mm，這種情況可能會(huì)引起尾燈在檢具上緊固時(shí)產(chǎn)生形變。

4.2.3 基準(zhǔn)平面度測(cè)定

分析零件的 A1（圖 8），A2，A3 基準(zhǔn)平面度，A1，A2，A3基準(zhǔn)面平面度偏差分別為 0.5，0.24，0.27 mm。

4.2.4 全尺寸評(píng)估分析

GD&T基準(zhǔn)對(duì)齊后，尾燈點(diǎn)云與數(shù)模進(jìn)行比對(duì)，得出全尺寸的偏差彩圖結(jié)果，如圖9所示，全型面的偏差根據(jù)顏色和彩條判斷其偏差區(qū)域。對(duì)于重點(diǎn)關(guān)注的測(cè)點(diǎn)位置，可輸入測(cè)點(diǎn)文件，使用比較點(diǎn)查看測(cè)點(diǎn)的具體偏差值。

4.3 獲取零件的整改方案

根據(jù)VCF結(jié)果，零件A面尺寸存在偏差，需要修正。以A面匹配一圈的形面與數(shù)模擬合，ONCA對(duì)齊，求出基準(zhǔn)的偏差，如圖10所示，紅色框標(biāo)示ONCA后得到的整改量，綠色框表示按上面數(shù)值整改后的基準(zhǔn)偏差。

修正基準(zhǔn)偏差到0，發(fā)現(xiàn)左尾燈A面有形變，無(wú)法整體與數(shù)模對(duì)齊，即無(wú)法實(shí)現(xiàn)通過(guò)單一整改基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的整改，若要進(jìn)一步對(duì)A面尺寸進(jìn)行改善，需要多次調(diào)整，獲取一個(gè)最佳的整改方案，使用我們自己開(kāi)發(fā)的虛擬匹配插件仿真，得到整改方案為：A1，A2，A3 Y向基準(zhǔn)整改量分別為 -0.86，0.76，-0.86 mm，C基準(zhǔn)Z向?yàn)?-0.57 mm，B基準(zhǔn)X，Z向分別為 1，0.7 mm。該整改方案，使A面整改量最小。

5 結(jié)論

目前某公司的整車開(kāi)發(fā)流程中虛擬匹配得到了初步的應(yīng)用，該公司的長(zhǎng)期目標(biāo)是利用虛擬匹配技術(shù)，在項(xiàng)目階段盡可能早的發(fā)現(xiàn)零件尺寸問(wèn)題，并通過(guò)仿真修改，減小實(shí)物零件修改的次數(shù)，提高效率，降低成本。項(xiàng)目啟動(dòng)階段，在公司內(nèi)通過(guò)掃描測(cè)量供應(yīng)商的零件，支持項(xiàng)目組分析零件尺寸和匹配問(wèn)題原因，輔助零件的改進(jìn)。