基于PolyWorks的尺寸后期匹配中前照燈姿態(tài)模擬及分析

摘要：某車型左前組合燈與翼子板存在間隙干涉現(xiàn)象，設計要求間隙為（1.2±1.0） mm，為保證外觀匹配符合設計要求，從尺寸匹配角度進行分析，利用PolyWorks軟件測量邊梁與側(cè)圍連接板總成尺寸，并對前照燈進行虛擬安裝以模擬姿態(tài)進行驗證，獲得了白車身骨架上一體化支架安裝面平行差對前照燈姿態(tài)的影響規(guī)律，結(jié)合焊裝現(xiàn)場實際工藝調(diào)整車身夾具，最終解決了前照燈與翼子板間隙干涉問題。

關鍵詞：PolyWorks分析軟件 前照燈 虛擬匹配 姿態(tài) 尺寸鏈

中圖分類號：U466" " "文獻標志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240266

Simulation and Analysis of Headlamp Posture in Dimensional

Post-Matching Based on PolyWorks

Abstract： Gap interference exists between the left front combination lamp and the fender of a vehicle model. The design requirement is （1.2±1.0） mm. To ensure the exterior fit meets the design requirements， this paper analyzes the issue from a dimensional perspective. PolyWorks software is used to make dimensional measurements on the beam and side panel assembly， and the headlamp is virtually installed to simulate its posture for verification. This paper also concludes the impact of the parallelism deviation of the integrated bracket mounting surface on the BIW frame on the headlamp’s posture. Combining this with the actual welding process on site， the body fixtures are adjusted and the gap interference issue between the headlamp and the fender is solued ultimately.

Key words： PolyWorks analysis software， Headlamp， Virtual matching， Posture， Dimensional chain

1 前言

在汽車車身尺寸后期匹配中，零部件受安裝面精度偏差、功能尺寸及平行差的影響，會產(chǎn)生各種姿態(tài)，進而影響與周邊件配合的間隙面差，在量產(chǎn)試制（Production Trial，PT）匹配階段需要對零部件的各種姿態(tài)進行驗證，傳統(tǒng)的驗證方法一般為在車身或安裝件上手工維修進行單一變量驗證，該方法可快速掌握實物在各個安裝面偏差發(fā)生變化時的整體姿態(tài)變化，缺點是人力、物力和時間成本較高，尤其是在開始量產(chǎn)（Start of Production，SOP）階段，由于不允許在商品車上進行實物驗證，如果臨時需要驗證個別偏差的影響，需要協(xié)調(diào)調(diào)試車，造成等待浪費問題。

2 關節(jié)臂結(jié)構(gòu)及分析驗證流程

關節(jié)臂三坐標測量儀精度較高，能隨時隨地對零件進行檢測，操作簡便快捷。測量儀的機械結(jié)構(gòu)與人手臂類似，由可自由轉(zhuǎn)動的關節(jié)和鏈接彼此的連桿構(gòu)成，如圖1所示。

關節(jié)臂三坐標測量儀由2個連接桿、3個活動關節(jié)和1個激光測頭構(gòu)成，連接桿通過活動關節(jié)連接，能夠進行空間旋轉(zhuǎn)。每個活動關節(jié)處裝有角度編碼器，活動關節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心和相應的連接桿構(gòu)成一個極坐標系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)角度由圓分度傳感器測得，相鄰2個活動關節(jié)旋轉(zhuǎn)中心之間的距離即為極坐標的極徑。關節(jié)臂測量儀有3個活動關節(jié)，則有3個極坐標系。在實際檢測時，測頭與被測件接觸，傳感器測得連接桿角度，并通過角度編碼器將數(shù)據(jù)傳輸至計算機軟件，采用運動學算法模型間接計算出測頭在各種姿態(tài)下的空間位置坐標[1]。

目前，關節(jié)臂測量儀配合PolyWorks軟件處理點云進行數(shù)據(jù)分析可實現(xiàn)零部件姿態(tài)的模擬分析和點云驗證。

點云分析驗證的過程如圖2所示，首先需要標定關節(jié)臂的激光測頭，標定板置于距離設備底座約測量半徑2/3處，按照軟件提示進行標定，標定通過后方可使用激光測頭進行測量。標定過程中激光束應在標定板范圍內(nèi)。掃描前確定零部件已固定，對于重型零部件可平穩(wěn)放置于地面或測量平臺，可不采用其他手段固定，而輕型零部件可能會在掃描過程中受風、輕微振動、硬探測時施加的測量力等因素影響產(chǎn)生相對位移，需用熱熔膠或強力磁鐵進行固定。掃描時需調(diào)節(jié)測頭與工件之間的距離使指示燈為綠色后開始掃描。掃描的點云數(shù)據(jù)進行糙點處理優(yōu)化后，將點云形成三角面以便后續(xù)分析。將創(chuàng)建的三角化模型置于車身坐標系中，并對三角化模型進行符合裝配設計的定位系統(tǒng)（Reference Point System，RPS）約束，此時通過測量可獲得外觀配合面的偏差，之后通過對裝配定位點進行偏差賦值，進行裝配定位點二次RPS約束，通過對比分析前、后外觀配合面的偏差變化，得出裝配安裝點偏差對零部件姿態(tài)的影響。

本文以某車型左前組合燈與翼子板間隙干涉問題為例，結(jié)合尺寸鏈分析，說明利用PolyWorks軟件進行虛擬匹配的方法，直觀分析前照燈的姿態(tài)變化影響情況。

前組合燈與翼子板間隙干涉處如圖3所示，燈前端圖示處與翼子板干涉，經(jīng)檢具檢測：前照燈間隙面對間隙干涉貢獻0.2 mm，設計要求為±0.7 mm，滿足要求；翼子板間隙配合面偏差對間隙干涉貢獻0.4 mm，設計要求為±0.5 mm；翼子板上前照燈安裝面向上偏差為0.4 mm，由于該安裝面到前照燈前角按2∶1的比例傳遞，所以，對間隙干涉貢獻為0.2 mm，由于該偏差是偏間隙大的方向，所以貢獻量為-0.2 mm，前照燈與翼子板的間隙名義值為1.2 mm，仍然有0.8 mm偏差量未查明，故對前照燈在整車上的整體姿態(tài)進行驗證。

3 PolyWorks點云數(shù)據(jù)處理及三角化

通過三維激光掃描儀獲取原始點云數(shù)據(jù)，需要對點云進行數(shù)據(jù)過濾，因為原始的點云數(shù)據(jù)存在糙點，糙點產(chǎn)生的原因有：物體表面空中雜點經(jīng)漫反射被接收形成、掃描工作臺形成、掃描系統(tǒng)本身造成。若不對原始數(shù)據(jù)過濾優(yōu)化而直接網(wǎng)格化可能會產(chǎn)生錯誤。

糙點優(yōu)化可將點云與參考對象進行最佳擬合，然后選擇使用參考對象曲面，其中，點云與數(shù)模曲面的最大距離一般設置為3～4 mm，設置完成后開始選擇，選擇后的點云包含與數(shù)模最大距離之內(nèi)的所有點，然后通過反選即可獲得點云的糙點，刪除即可[2]，如圖4所示。之后對數(shù)據(jù)對象進行二次采樣過濾，一般一致性間距為0.3～0.5 mm，如圖5所示。

點云數(shù)據(jù)過濾后再對點云進行三角化處理，三角化處理是將一組散亂的點云各數(shù)據(jù)點以三角形的形式連接，形成多個三角形網(wǎng)格，實現(xiàn)點云的網(wǎng)格化[3]，如圖6所示。

三維激光掃描獲取的原始點云數(shù)據(jù)可輸出為txt格式和psl格式，2種格式的點云在三角化后的顯示效果不同。圖7a為txt格式的點云通過包覆網(wǎng)格方式進行三角化處理的結(jié)果，網(wǎng)格邊長采用默認設置，生成的網(wǎng)格質(zhì)量較粗糙，測量時拾取不同位置可能會產(chǎn)生較大偏差。圖7b為psl格式的點云通過高質(zhì)量網(wǎng)格化方式進行處理的結(jié)果，網(wǎng)格邊長采用默認設置，生成的網(wǎng)格質(zhì)量較前者更加光順、視覺效果更加細膩。psl格式點云是PolyWorks的原生格式，支持高質(zhì)量網(wǎng)格化，能夠捕捉和存儲高精度的點云數(shù)據(jù)，適用于高精度測量和分析的應用場景；txt格式點云是中立格式，無法與軟件緊密集成，軟件無法對其提供高級的網(wǎng)格化算法和優(yōu)化技術(shù)，導致生成的網(wǎng)格質(zhì)量效果較差。

4 數(shù)據(jù)的車身坐標系擬合

PolyWorks軟件提供了各種對齊方式，包括最佳擬合數(shù)據(jù)至參考對象、平面-軸-中心點對齊、參考目標對齊、基準參考框?qū)R等。此處將白車身掃描數(shù)據(jù)通過最佳擬合數(shù)據(jù)至參考對象方式對齊到整車坐標系。白車身在掃描時，需要確認待擬合的參考坐標系，參考坐標系必須為白車身打點明確規(guī)定的點且需要有當前測量車的白車身測量數(shù)據(jù)。關節(jié)臂對參考坐標系打點完成后，輸入建立坐標系對應測點的三坐標打點實際測量值，與參考坐標系進行擬合，實現(xiàn)關節(jié)臂的測量結(jié)果與整車坐標一致，如圖8所示。

前照燈姿態(tài)分析的目的是了解前照燈受車身上安裝面精度偏差影響所產(chǎn)生的姿態(tài)變化以及變化量。可簡化為2個件的匹配關系，A件代表前照燈，B件代表車身黑匣子，黑匣子包括翼子板總成、翼子板一體化支架、前端框架、承重支架等。將A、B件進行裝配擬合，擬合的基準即前照燈的裝配基準，當B件上安裝點發(fā)生偏差時，A件會產(chǎn)生姿態(tài)變動，如果以A件為參照物，那么認為B件姿態(tài)變動，與之前A件的姿態(tài)變動方向相反。基于此，對前照燈的姿態(tài)分析即演變?yōu)閷Π总嚿淼淖藨B(tài)分析，通過分析車身的變化趨勢可間接反映前照燈的姿態(tài)變化。

4.1 翼子板一體化支架姿態(tài)分析

翼子板一體化支架通過裝具螺接安裝在白車身上，根據(jù)前照燈定位基準，一體化支架上設置有前照燈的一個X方向安裝點，如圖9所示。一體化支架的姿態(tài)變動會導致前照燈X方向安裝點出現(xiàn)偏差，進而會對其姿態(tài)產(chǎn)生影響。

根據(jù)白車身打點數(shù)據(jù)，一體化支架的4個安裝點分別為EC47～EC50，測點偏差如圖10、表1所示，4個安裝點X方向偏差的平行差為1.6 mm。

依據(jù)一體化支架每個特征的定位方向規(guī)定參與對齊的方向，將白車身點云數(shù)據(jù)擬合到一體化支架定位基準上，考慮到實際裝配中一體化支架采用4個安裝孔X方向進行打緊，此處按照實際進行模擬，采用4X-2Y-1Z進行擬合，如圖11所示，此時前照燈X方向安裝孔偏差為1.625 mm。

由圖10可知，EC47～EC50 4個安裝點的X方向偏差分別為0.6 mm、-0.6 mm、0.5 mm、1.0 mm，將此4個偏差值賦值到數(shù)據(jù)點云的4個安裝孔測量點（對應Fx1～Fx4）。需要注意的是，當對測量點通過“定義測量值”的方式進行賦值時，為確保數(shù)據(jù)一致性，PolyWorks軟件內(nèi)置自動解綁機制，當測量點坐標被修改后，軟件會默認該測量點與之前綁定的點云數(shù)據(jù)不再匹配，從而自動解綁，在實際操作中測量點坐標修改后需重新綁定測量點和點云數(shù)據(jù)，否則會產(chǎn)生錯誤提示。

避免該錯誤的另外一個方法是直接對源對象的屬性修改測量坐標值，這種方式不需要二次綁定點云，避免了報錯及數(shù)據(jù)不一致問題，相比之前的方法更便捷。

賦予偏差后將點云數(shù)據(jù)再次擬合到一體化支架基準，如圖12所示。

此時大燈X方向安裝孔偏差為3.185 mm，相比之前的1.625 mm向后偏移了1.56 mm，即白車身上一體化支架安裝面1.6 mm的平行差導致一體化支架姿態(tài)旋轉(zhuǎn)，并使前照燈安裝面向后偏移了1.56 mm，如圖13所示。

4.2 白車身姿態(tài)的變量驗證

針對前照燈的定位孔/定位面偏差量對尺寸技術(shù)規(guī)范（Dimensional Technical Specification，DTS）的貢獻量驗證需采用單一變量驗證法，當存在多個特征的偏差量或缺陷需要驗證時，需逐個特征、逐個缺陷分開驗證。參考圖9，將白車身點云數(shù)據(jù)擬合至前照燈定位基準，如圖14所示。

同時對翼子板與前照燈的間隙配合面進行測量，測量結(jié)果如圖15所示，這些測點偏差即為白車身在前照燈局部定位基準下的偏差，翼子板上的前照燈前角處間隙點Gap1的偏差為-0.603 mm。

將一體化支架上的前照燈安裝面偏差（1.56 mm）賦值到白車身點云的前照燈安裝孔上，并將點云二次擬合到前照燈裝配基準，對翼子板與前照燈的間隙配合面進行測量，如圖16所示。

翼子板上的前照燈前角處間隙點Gap1的偏差值為0.246 mm，相比之前測點偏差變化了0.849 mm，即單一變量一體化支架安裝孔向車后偏差1.56 mm，會導致翼子板上的間隙配合面產(chǎn)生約0.85 mm的向上變化。

由于前照燈的姿態(tài)變化與車身的姿態(tài)變化相反，所以翼子板間隙配合面向上偏移0.85 mm，則對應大燈向下偏移0.85 mm。

5 偏差調(diào)查及夾具調(diào)整

使用關節(jié)臂測量機對左邊梁與側(cè)圍連接板總成進行4臺份檢測，在檢測前需將零件用熱溶膠或磁體固定在試驗臺面上，避免零件輕微位移產(chǎn)生測量誤差[4]，4臺份測量結(jié)果如圖17、表2所示。

檢測4臺份左邊梁與側(cè)圍連接板總成，安裝孔X方向偏差值為0.8～0.9 mm，平行差為0.8 mm，設計要求為±0.5 mm，平行差P≤0.5 mm，超差。進行工藝參數(shù)調(diào)整及優(yōu)化后再次進行4臺份檢測，X方向平行差值為0.2 mm，同時有穩(wěn)定一致性。

焊裝夾具同步進行適配調(diào)整，左側(cè)A柱加強板總成與左邊梁側(cè)圍連接板總成存在Z向干涉，干涉可能導致邊梁與側(cè)圍連接板總成在放件后受到向下的推力，使一體化支架安裝面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，造成平行差超差。焊裝工序通過手修將左側(cè)A柱加強板總成Z向正向調(diào)整1 mm，最終平行差優(yōu)化為不高于0.3 mm，如圖18、表3所示，相比圖10中X方向的偏差大幅改善，同時具有穩(wěn)定一致性。

6 結(jié)束語

零部件安裝點的各個偏差均會使零部件產(chǎn)生各種姿態(tài)，本文結(jié)合零部件安裝點的X向、Y向、Z向功能尺寸排查，尋找出影響間隙面差的偏差位置，利用PolyWorks軟件進行單一偏差的虛擬驗證，鎖定偏差影響量，并制定整改對策。

PolyWorks軟件的點云虛擬驗證避免了實物匹配的成本，支撐了SOP車輛批量生產(chǎn)階段問題的快速分析和解決，解決了焊裝車間調(diào)整線上商品車無法對進行實物匹配的問題。

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