基于VisVSA軟件的汽車上彎梁基準定位策略制定

梁志勇 韋國建 張義東 劉亞軍

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

進入21世紀特別是近十年來，我國汽車工業(yè)飛速發(fā)展，汽車作為人們生活中交通的重要載具，對人們的生活影響越來越大。汽車造型外觀相對上世紀合資之初已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)次的更新?lián)Q代，演變得更為美觀、精致。隨著生活水平的提高，汽車的感知質(zhì)量好壞逐漸成為消費者購買汽車時考量的重要因素。

車輛是否美觀、整體是否協(xié)調(diào)，除了跟造型設(shè)計密切相關(guān)外，跟內(nèi)外飾的做工是否精致、感知效果的好壞有很大關(guān)系，這也是一個汽車主機廠制造工藝水平的一個體現(xiàn)[1]。汽車上彎梁位于白車身前上端，如圖1所示，發(fā)動機罩鎖、前格柵等較多總裝件都是安裝于上彎梁之上，對前臉的前格柵、前大燈、發(fā)罩等各外覆蓋件的間隙段差匹配影響較大。因此，確保安裝在白車身上的上彎梁各個特征位置正確且保持較好穩(wěn)定性是較為重要的。

本文基于VisVSA軟件，對敝司某車型的上彎梁采用自定位和工裝定位兩種定位策略進行對比，探究自定位的定位策略的可行性。所謂自定位，就是不依靠工裝定位，通過零件自身的安裝孔和搭接面，以螺栓連接的形式，將零件固定于車身上某唯一位置的定位方式。

2 VisVSA三維偏差分析簡介

由于白車身零件眾多，而且?guī)缀涡螤钍謴?fù)雜，使得制造和裝配各階段累積偏差規(guī)律十分復(fù)雜，難以建立一維尺寸鏈進行分析，因此基于計算機輔助進行虛擬樣車三維偏差分析對于尺寸工程工作的開展意義重大。從泛亞技術(shù)中心工程師撰寫的文章可知，三維偏差分析技術(shù)在泛亞汽車技術(shù)中心已經(jīng)應(yīng)用多年，多年尺寸工程開發(fā)經(jīng)驗證明虛擬樣車系統(tǒng)分析結(jié)果可信度高于70%。剛性零件偏差分析結(jié)果更接近真實生產(chǎn)，柔性零件置信度較低；經(jīng)驗表明系統(tǒng)剛性越高，工廠及供應(yīng)商的生產(chǎn)能力越強，虛擬樣車分析結(jié)果與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)吻合度越高[2]。

VisVSA是西門子基于蒙特卡羅模擬法開發(fā)的一款三維偏差分析軟件。蒙特卡羅模擬法是一種以概率和統(tǒng)計理論方法為基礎(chǔ)使用隨機數(shù)來解決很多計算問題的方法。將需求解的問題和相應(yīng)的概率模型聯(lián)系起來，通過電子計算機虛擬抽樣和統(tǒng)計，可得到問題的近似解[3]。工程生產(chǎn)近似的概率模型為正態(tài)分布，該軟件根據(jù)輸入的零件GD&T形位公差，和相應(yīng)的概率模型，隨機產(chǎn)生不同尺寸的虛擬零件，進行多次模擬裝配，對需求解的尺寸鏈封閉環(huán)進行多次測量和統(tǒng)計，最終可得標準偏差（δ）、工序性能（CP）、工序能力（CPK）等關(guān)鍵參數(shù)。

圖1 上彎梁在白車身結(jié)構(gòu)示意圖

3 VisVSA虛擬裝配分析模型搭建

3.1 上彎梁的裝配工藝介紹

依據(jù)焊接工藝文件，上彎梁在前車體分拼線6#工位裝配，如上圖3，與之同時裝配的是左右燈罩焊合組件，具體裝配過程是先將左右燈罩焊合組件裝配在定位工裝上，推進到位與前車架和前側(cè)板焊接，焊接完成后上彎梁裝件，通過M8螺栓連接的形式，完成裝配。由于左右燈罩焊合組件與前側(cè)板是Y向搭接，兩者Y向搭接面的面輪廓度對最終上彎梁的Y向尺寸波動會有貢獻，因此虛擬裝配模型搭建需從前側(cè)板裝件開始，以模擬公差累積傳遞的過程。

圖2 蒙特卡洛模擬原理

圖3 上彎梁裝配工藝

3.2 上彎梁定位策略分析

由于上彎梁是通過螺栓連接而并非焊接的形式進行裝配的，因此可以采用工裝定位和自定位兩種定位方案。

3.2.1 使用工裝定位的定位策略

如圖4，采用工裝定位的定位策略具體如下：按照N-2-1的定位原則，A1～A4作為A基準面（主定位面）限制U/D（上下）自由度，BC分別作為主定位孔和次定位孔，限制F/A（前后）和C/C（左右）自由度。四個與左右燈罩連接的安裝孔取大孔徑作為過孔，在檢具上采用一致的定位策略，以BC兩孔作為上彎梁的主、次定位孔，而兩端的四個?12過孔按照±0.75mm公差控制，M8螺栓配?12過孔，以保證安裝時不擋孔，包容零件公差。

該種定位的優(yōu)點是打斷了Y向尺寸鏈，Y向位置由BC兩孔確定，不受燈罩組件上對應(yīng)的安裝螺母孔位置所影響，缺點是需要在該工位增加一套定位工裝，由于該車型與其他量產(chǎn)車型共線，增加工裝的難度較大；此外裝配后A基準面與燈罩組件相應(yīng)安裝面貼合，X方向波動仍然受制于兩零件搭接面公差，增加工裝對此問題并無益處。

3.2.2 自定位的定位策略

自定位如上文所述，即不采用工裝進行定位。如下圖5，A1～A4作為A基準面（主定位面）限制U/D（上下）自由度，安裝螺栓為M8，因此B基準孔徑取?8.5mm，限制F/A（前后）和C/C（左右）自由度，C孔為8.5*12mm槽孔，僅限制F/A （前后）自由度，以減少擋孔難以裝配的概率，其余兩個安裝過孔孔徑取?12mm。在檢具上也采用此種定位策略定位，而如下圖5所示1～7#功能孔、面以及兩個安裝過孔，按照±0.75mm的公差進行生產(chǎn)控制。

該種定位方案優(yōu)點是不需定位工裝，簡化了該拼臺工位的工裝設(shè)計和加工工作，該車型需與量產(chǎn)車型柔性生產(chǎn)，簡化工裝對柔性生產(chǎn)的實現(xiàn)十分有利；缺點是裝配上彎梁時容易失去理論位置，無法包容燈罩組件上B、C兩孔對應(yīng)的螺母孔帶來的公差。

3.3 虛擬模型裝配和分析

3.3.1 明確求解目標

上彎梁焊合組件上與前格柵和發(fā)罩鎖相關(guān)的功能孔是關(guān)注的重點特征，如上圖5所示，1、4、7孔為前格柵安裝孔，其中4孔為格柵主定位孔，1、7孔對應(yīng)的格柵安裝孔為槽孔，只控制格柵F/A自由度，而2孔為發(fā)罩鎖安裝支架的主定位孔，因此將2、4孔作為本次計算的求解目標，在孔上端面圓心處設(shè)測量點，如下圖6，測量該處X、Y、Z三個方向的波動情況。

根據(jù)多年生產(chǎn)經(jīng)驗，敝司白車身各個測點公差設(shè)計值為±1.5mm，只要白車身功能測點偏差范圍在±1.5mm以內(nèi)，基本上能保證最終整車的DTS符合設(shè)計值，因此測量點的上限和下限設(shè)置為+1.5mm和-1.5mm即可。

3.3.2 虛擬樣車裝配和結(jié)果分析

分別對上述兩種定位策略進行建模裝配，均進行10000次的模擬裝配，結(jié)果如表1表2所示所示。從計算結(jié)果可以看到，采用工裝定位，所有測點的6δ均不超過2mm，過程能力指數(shù)（CPK）均在1.5以上，可以很好地保證上彎梁的安裝精度。

而采用自定位時，相比工裝定位，X和Y向的波動幅度有較大程度增大，偏差范圍從1.6～2.5mm增加至3.5～4.0mm，但所有測點6δ未高于3mm，仍然可以滿足設(shè)定公差設(shè)計值，過程能力指數(shù)（CPK）也保持在在1.0以上。如圖9，從HLM報告可知，影響較大的因素是上彎梁本身測點的公差、燈罩上上彎梁主副定位孔以及安裝面的公差、自定位螺栓和上彎梁定位孔之間的浮動量，后續(xù)生產(chǎn)中只要將這幾項嚴格控制在GD&T圖要求的公差范圍內(nèi)，上彎梁上的功能測點超差的概率就會十分低。

圖4 上彎梁采用工裝定位定位策略

圖5 上彎梁采用自定位定位策略

圖6 測點信息和虛擬樣車裝配模型搭建

表1 上彎梁采用自定位計算結(jié)果

表2 上彎梁采用工裝定位計算結(jié)果

從兩種定位策略對比分析計算來看，工裝定位帶來的精度相比之下更高，縮短尺寸鏈打斷公差累積的作用明顯；而自定位實現(xiàn)方式簡單，有助于不同項目柔性生產(chǎn)的實現(xiàn)，就該項目的要求而言，精度也可滿足，因此最終采用了自定位的定位策略。

4 結(jié)語

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，將尺寸工程工作中以往只能定性分析的問題進行量化分析的可能性越來越大。本文對VSA軟件的應(yīng)用仍不夠嚴謹，若將賦予材料屬性的FEA文件導(dǎo)入分析，得到的計算結(jié)果更為可信，對實際生產(chǎn)的指導(dǎo)意義更大。

圖7 上彎梁采用自定位計算結(jié)果

圖8 上彎梁采用工裝定位