轎車車身公差分析優(yōu)化系統(tǒng)研究

李 軍，劉 昭，洪印濤，冒小文

(重慶交通大學 機電與汽車工程學院,重慶 400074 )

?

轎車車身公差分析優(yōu)化系統(tǒng)研究

李 軍，劉 昭，洪印濤，冒小文

(重慶交通大學 機電與汽車工程學院,重慶 400074 )

提出了一款車身公差分析優(yōu)化系統(tǒng)。優(yōu)化系統(tǒng)可以運用非合作博弈的納什均衡效用矩陣進行公差分配優(yōu)化，進行公差分析采用蒙特卡羅法驗算所需測點間隙與高差，并預測超差率，針對分析結果的不同超差率，提供不同產品與工序更改方案，最后使用產生式規(guī)則和關系數(shù)據(jù)庫擴充優(yōu)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。通過應用本款軟件可以縮短設計周期，節(jié)約成本，提高公差水平。

車輛工程；車身；公差分析；尺寸工程

0 引 言

車身設計和制造質量的好壞直接影響到整車的產品質量和性能，全球各大汽車廠商在提高車身制造質量方面進行了不斷的嘗試，取得了不少的成果。然而，我國轎車車身制造偏差仍然不夠穩(wěn)定，遠遠落后于世界先進水平[1-2]。

目前國外尺寸工程的發(fā)展主要有兩個方向：一個是以日本汽車行業(yè)為代表的通過經驗的積累，憑借全面質量管理(TQM)，最終使車身制造綜合誤差控制在2 mm(6 sigma)以內[3-4]；另一個是以美國、歐盟汽車行業(yè)為主的，以系統(tǒng)理論分析與研究為基礎的，通過專業(yè)的公差分析軟件對車身質量進行控制，為汽車生產提供了一整套行之有效的全新方法，被廣泛采用。國外先進的三維公差分析軟件如3DCS和西門子公司的TC mockup軟件中VISVSA模塊等，對白車身零部件設計與分析計算提供了質量的保障。近年來，我國很多汽車企業(yè)也開始重視尺寸工程這一研究領域，但由于缺乏經驗和相關的技術人員,使得主要工作集中在產品生產制造階段,對研發(fā)階段白車身零部件設計與分析計算較少，轎車車身制造偏差不穩(wěn)定，車身制造綜合誤差難于得到有效控制。筆者將運用非合作博弈的納什均衡效用矩陣進行公差的分配與優(yōu)化，公差分析采用蒙特卡羅法驗算所需測點間隙與高差，并預測超差率，針對分析結果的不同超差率，提供不同產品與工序更改方案，以提高白車身制造中的公差水平[5]。

1 尺寸工程流程及實行中的問題

1.1 尺寸工程流程

車身尺寸工程是一個覆蓋車身設計、零件制造和裝配全過程的概念。在車身開發(fā)階段包括：①匯總DTS(Design Tolerance Specification)幾何尺寸任務書；②制定RPS(Reference Point System)基準定位系統(tǒng)；③公差分析；④產品與工序優(yōu)化；⑤制定監(jiān)測計劃與質量目標[6]。

1.2 實行過程中存在的問題

通常國內汽車制造廠在新車型的開發(fā)項目中尺寸鏈計算與公差分析、產品與工序優(yōu)化是由專門的尺寸管理團隊負責。在整個過程中，車身覆蓋件的每一間隙與高差都需要專業(yè)的技術人員進行大量的分析及數(shù)據(jù)處理，其中大部分是重復性的工作，并要求技術人員有相關的經驗積累。當推出車身結構相似的新車型時，技術人員還要進行相似的繁雜重復的工作。在公差分配問題上，傳統(tǒng)的方法是以成本最低作為優(yōu)化的主要準則，忽略了質量與成本的關系，而成本時常會制約質量的提高。

現(xiàn)有尺寸鏈計算和公差分析手段大體上有“估算+試生產+修正”、“手工計算”、“借用軟件完成”三種?！肮浪?試生產+修正”設計和制造周期長，而且成本非常高，很少使用。手工計算效率低、精度不夠、容易出錯，設計周期長、不合格品多。借用相關二維尺寸鏈計算及公差分析軟件，雖縮短計算時間，提高準確、可靠性，可避免人為錯誤，但是需要對每個測點進行單獨分析，并繪制尺寸鏈圖和進行驗算分析，還要根據(jù)經驗提供修改方案，之后再重復計算，這對企業(yè)技術人員的經驗和熟練度要求較高。而國外先進的三維公差分析系統(tǒng)，動輒要上百萬，而且國內可以操作相關軟件的技術員相對較少。

2 轎車車身公差分析優(yōu)化系統(tǒng)

針對存在問題，系統(tǒng)針對汽車覆蓋件而專門開發(fā)和設計，通過車身產品信息樹系統(tǒng)和結構樹建立數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)車身公差分析的簡潔化；采用蒙特卡羅法進行公差分析，以提高模擬的精度；最后，嘗試采用基于非合作博弈論的研究思想，結合尺寸鏈裝配函數(shù)和“成本-公差”函數(shù)作為優(yōu)化目標對公差進行合理分配。

2.1 優(yōu)化系統(tǒng)流程

轎車車身公差分析優(yōu)化系統(tǒng)可以較大的簡化公差分析過程并自動識別出靈敏度較大的結果，根據(jù)結果的偏差大小提供不同的產品與工序修改方案(系統(tǒng)工作流程見圖1)。具體流程為：

第1步，操作人員根據(jù)系統(tǒng)提示輸入車型結構等必要信息；

第2步，系統(tǒng)按照輸入數(shù)據(jù)基于非合作博弈算法中的納什均衡對公差進行優(yōu)化分配，并結合供應商實際條件修正公差數(shù)據(jù)；

第3步，分析出尺寸鏈類型，在不需要技術人員的經驗判斷情況下，自動繪制尺寸鏈圖和計算出相應的所求測點間隙與高差值；

第4步，對裝配后的車身間隙和高差利用蒙特卡羅法進行模擬裝配，并計算出超差率；

第5步，根據(jù)公差結果進行判斷分析，如果不滿足DTS要求，則根據(jù)偏差率提供的產品與工序優(yōu)化方案進行調整；

第6步，對重新選擇的方案反復進行第2至第5步，直至符合條件；

第7步，系統(tǒng)將每次輸出的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，為日后處理結構相似新車型時提供數(shù)據(jù)支持，即可直接在類似項目中略微改動即可。

圖1 轎車車身公差分析優(yōu)化系統(tǒng)流程

2.2 車身尺寸公差數(shù)據(jù)庫的建立

車身結構關系樹和產品信息樹是系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的重要組成部分，實現(xiàn)方法是依據(jù)樹形結構的形式，按層級可把車身劃分為分總成、合件、組件和零件。車身機構關系樹的實現(xiàn)應用“子節(jié)點表”實現(xiàn)，表中每個分支節(jié)點均存儲其子節(jié)點，按照一定順序形成的一個連接表。以某車前門為例說明車身結構關系樹的實現(xiàn)方法，如圖2[7]。

圖2 某車型前門結構關系樹實現(xiàn)方法

圖2中共有17個節(jié)點分別表示不同的零部件名稱，從每個節(jié)點中可以方便搜索其父節(jié)點，同時也可方便搜索其子節(jié)點。

在進行車身尺寸公差設計中，零件的定位基準信息及檢測需求以及功能特征是最重要的信息資料。定位基準特征包含面定位特征和銷定位特征。對零件的檢測需求和功能特征有：點特征、幾何形狀尺寸特征，如孔的位置和孔徑大小等；配合面，如前后地板匹配面、前圍板和前圍下板的匹配面等。在每個節(jié)點處插入所需要的相應零部件信息，則可以實現(xiàn)車身產品的信息樹，如圖3。

根據(jù)所選擇的車型結構、相關特征、裝配順序和所要計算的分總成(包括車身外飾和內飾)等相關信息,系統(tǒng)則可在數(shù)據(jù)庫中進行匹配,當有相符合的數(shù)據(jù)時則可調取相關分總成的結構關系樹和車身產品信息樹，列出需要技術人員填入的信息，包括DTS目標值、相關部件公差值等信息。

2.3 公差分配

對于公差分配問題,傳統(tǒng)的方法是以成本最低作為優(yōu)化主要原則,通過研究發(fā)現(xiàn)，汽車公差分配優(yōu)化中公差(質量)與成本的問題可以利用經濟學中的非合作博弈理論解決與調和[8]，將相沖突的特點轉化為多目標沖突環(huán)境下的博弈問題，可分別采用尺寸鏈裝配函數(shù)和“成本-公差”函數(shù)作為優(yōu)化目標函數(shù)。多目標優(yōu)化數(shù)學模型可表示為：

(1)

式中：T0為目標公差；C為達到目標公差所需成本；L，H為各組成環(huán)公差的約束適量，L=(l1,l2,…,ln)，H=(h1,h2,…h(huán)n)；l0，h0為裝配功能要求約束。

首先將裝配質量要求和成本轉換為對策環(huán)境中的博弈決策主體(Player，又稱博弈方)，再將公差設計變量轉化為各決策主體所對應的策略(Strategy)，最后通過博弈效用矩陣(Payoffmatrix)的分析和求解，得到優(yōu)化問題的納什均衡點(其解在設計變量有微小波動的情況下仍然保持不變，且計算收斂速度快)，從而建立一套基于非合作博弈的公差分配方法，能有效解決成本與質量的博弈問題。具體流程見圖4。

圖4 “質量-成本”非合作博弈公差分配優(yōu)化流程

2.4 公差分析

根據(jù)以上信息進行公差分析，公差分析是保證設計數(shù)學模型“可裝配性”的重要環(huán)節(jié)。在此階段，需要考慮零件、分總成和總成的公差能否滿足幾何尺寸任務書中最終的產品間隙和面差的規(guī)定，以及能否滿足產品的功能要求。公差分析的內容是對產品的裝配順序、裝配工藝等進行尺寸鏈的核算，從而驗證設計的可行性[9]。

公差分析時系統(tǒng)會自動繪制出目標檢測區(qū)域的間隙和高差的尺寸鏈圖。由于組成環(huán)的尺寸具有某種特定的分布，尺寸分布極少達到極限值，各環(huán)尺寸關系是建立在實際尺寸分布中心的基礎上，按一定的概率確定其極限偏差。使用先進的蒙特卡洛法，通過隨機變量的統(tǒng)計試驗分析及隨機模擬,可獲得近似結果。其基本思想是:為求解隨機問題,將問題的隨機因素視為隨機變量，并建立一個概率模型或隨機過程,使其目標變量(如概率分布或數(shù)學期望)等于問題的解，通過對模型或過程的觀察或抽樣試驗來計算所求目標變量的統(tǒng)計特征, 最后得到所求解的近似值。蒙特卡羅模法從理論上講是研究復雜車體裝配誤差的最為完善的方法。

2.5 公差判斷及產品與工序優(yōu)化

公差分析結果將體現(xiàn)在公差表和尺寸鏈校核表上。對分析結果Tos與DTS目標值進行校核對比，并結合產品與工序優(yōu)化數(shù)據(jù)庫。當結果Tos

如果公差分析不符合設計目標，Tos>DTS時，則需要進行產品或工序優(yōu)化，以滿足公差要求。若公差分析結果不符合設計目標(幾何尺寸任務書中對外觀間隙面差的要求，以及產品的功能要求等，這種情況對產品的生產會產生較大風險)，此時應該采取相應的行動方案，即對產品與工序進行優(yōu)化和改善。這些方案包括修正RPS定位基準系統(tǒng)、裝配工序、公差和設計變更等。如果這些方案最終無法解決問題，則需要對生產過程中出現(xiàn)的風險和返修代價進行預估，產生相應的行動預案，及時為生產時可能出現(xiàn)的問題準備解決預案。

本系統(tǒng)會對超差率進行分類和自行判斷，并提出建議性的優(yōu)化方案，包括設計變更、修正RPS、修正裝配工序、修正公差、修正設計目標值，以供設計人員選擇。選擇后系統(tǒng)會根據(jù)所選擇的方案再次進行公差優(yōu)化，其分析的過程直到滿足DTS目標值為止。

3 轎車車身公差案例分析

應用本系統(tǒng)對某款轎車車身前罩與翼子板間的高差進行公差模擬裝配預測并根據(jù)模擬結果進行公差分析。結構關系如圖5，目標高差FLUSH的DTS目標值為-1.0±1.0(U/D表示翼子板與發(fā)動機罩高差的方向)，超出DTS目標值范圍的模擬結果將被視為不符合要求。

對前罩與翼子板間高差進行模擬，根據(jù)提示輸入車身公差基本參數(shù)值(表1),DTS目標值(-1.0±1.0)及模擬次數(shù)(5 000次)。車身公差基本參數(shù)根據(jù)不同整車廠裝配件的公差標準而不同，DTS目標值在車身設時被確定，模擬次數(shù)可根據(jù)不同要求進行設定。

圖5 前罩與翼子板間的高差

公差設定公差數(shù)值/mm白車身安裝點位置度公差±1.00白車身安裝點面輪廓度公差±0.70板件(單件)面輪廓度±0.50鈑金件(單件)孔位置度±0.50背門玻璃面線輪廓度±0.70工裝定位銷位置度±0.10??

根據(jù)車身產品信息樹和車型結構關系樹得到前罩與翼子板高差關系，確定組成裝配尺寸鏈的組成環(huán)A1，B1，C1，D1，E1(表2)及封閉環(huán)X(代表前罩與翼子板間高差的公差)，并繪制尺寸鏈圖(圖6)。在實際生產過程中零部件公差符合正態(tài)分布，規(guī)定各組成環(huán)符合正態(tài)分布。

表2 組成環(huán)相關數(shù)據(jù)

圖6 前罩與翼子板關系尺寸鏈

依據(jù)尺寸鏈關系，應用蒙特卡羅法進行5 000次模擬裝配。模擬完成后，對模擬結果進行統(tǒng)計整理，得出高差結果分布(圖7)，橫坐標表示高差值的范圍，縱坐標表示不同高差值范圍對應的模擬結果次數(shù)，從圖上可以看出模擬結果分布圖符合正太分布，均值為-0.004 195，標準差為0.565 174 1，紅線為擬合的正態(tài)分布曲線。通過對模擬結果的分析得出模擬裝配5 000次，其中有381次超出技術要求上下限(±1 mm)要求，超差率(PNC)為7.62%。

圖7 高差值分布

企業(yè)可以此作為對車身設計的參考，根據(jù)結果判定是否接受此設計。本次模擬只針對前罩與翼子板的高差進行模擬，其他的待測點都可進行相同的模擬，操作人員只需根據(jù)提示輸入相應數(shù)據(jù)，即可得到模擬結果，為企業(yè)節(jié)省了大量的人力物力，減少了由于設計帶來的不必要損失。

4 結 語

筆者創(chuàng)新的提出綜合運用車身結構及信息數(shù)據(jù)庫、基于非合作博弈思想的分配模型、采用蒙特卡羅法進行模擬裝配驗算的公差分析模型和產品與工序優(yōu)化方案的轎車車身公差分析優(yōu)化系統(tǒng)，并通過實際例子對本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫和公差分析模型進行模擬分析。通過模擬分析結果驗證本系統(tǒng)可以有效地在車身設計階段對偏差進行有效地識別和管理，并對裝配過程中的誤差進行預判，從而大量地節(jié)約成本、減少缺陷，減少試制階段的設計變更，為后續(xù)制造質量提供良好的設計基礎。本系統(tǒng)主要面向國內汽車制造企業(yè)的車身公差分析與優(yōu)化，適合國內自主品牌的實際情況，對于中小汽車企業(yè)具有廣泛的應用前景。

[1] 黃金陵.汽車車身設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007. Huang Jinling.Design of the Automobile Body [M].Beijing:China Machine Press,2007.

[2] 林忠欽.汽車車身制造質量控制技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005. Lin Zhongqin.Control Technique of Automobile Body Manufacturing Quality [M].Beijing:China Machine Press,2005.

[3] 宋曉琳,周水庭.汽車車身制造工藝學[M].北京:北京理工大學出版社,2006. Song Xiaolin,Zhou Shuiting.Automobile Body Manufacturing Technology [M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2006.

[4] 肖敏紅.江鈴某車型白車身制造質量控制研究[D].長春:吉林大學,2011. Xiao Minhong.The Research of Manufacture Quality Control of BIW about JMC [D].Changchun:Jilin University,2011.

[5] 楊思源,涂雄,李軍.尺寸工程在白車身制造過程中的應用[J].重慶理工大學學報:自然科學版,2012,26(6):18-23. Yang Siyuan,Tu Xiong,Li Jun.Research on dimension in the body-in-white’s manufacturing [J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2012,26(6):18-23.

[6] 胡磊,阮維.尺寸管理在車身開發(fā)階段的應用[J].汽車科技,2010(5):69-72. Hu Lei,Ruan Wei.Precise control technique of BIW with dimensional management [J].Automobile Science & Technology,2010(5):69-72.

[7] 何小佳,金隼.轎車白車身GD&T計算機輔助設計系統(tǒng)的研究[J].機械設計與制造,2008(12):15-18. He Xiaojia,Jin Sun.The research on computer-aided design system of auto-body GD&T [J].Machinery Design & Manufacture,2008(12):15-18.

[8] 鄭丞,金隼,來新民,等.基于非合作博弈的公差分配優(yōu)化[J].機械工程學報,2009,45(10):159-164. Zheng Cheng,Jin Sun,Lai Xinmin,et al.Tolerance allocation optimization based on non-cooperative game analysis [J].Journal of Mechanical Engineering,2009,45(10):159-164.

[9] 胡敏,楊虹,來新民.轎車內飾裝配質量控制技術 [J].機械設計與制造工程,2000,29(3):29-31. Hu Min,Yang Hong,Lai Xinmin,et al.The quality control of interior trimming assembly for cars [J].Machinery Design & Manufacture,2000,29(3):29-31.

[10] Hoffmann P.Analysis of tolerances and process inaccuracies in discrete part manufacturing [J].Computer-Aided Design,1982,l4(2):83-88.

[11] Singh P K,Jain P K,Jain S C.A genetic algorithm-based solution to optimal tolerance synthesis of mechanical assemblies with alterative manufacturing processes:Focus on complex tolerancing problems [J].International Journal of Production Research,2004,42(24):5185-5215.

Study on Tolerances Analysis of Body-in-White and Optimize the System

Li Jun, Liu Zhao, Hong Yintao, Mao Xiaowen

(School of Mechatronics & Automobile Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

A system that could assign and analyze the tolerance of sheet-metal automatically in the design period was proposed. The proposed system used non-cooperative game to optimize tolerance allocation and used Monte-Carlo method to detect whether the gap and flush was appropriate or not. Furthermore, the super slip was predicted. According to the different super slips, different improved plans of product and procedure were provided. Finally, production rule and relationship data base were used to enlarge the optimization data base. The proposed system can save the time of designing cycle and costs, and improve the level of tolerance management and quality.

vehicle engineering; body-in-white; tolerance analysis; dimensional engineering

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.35

2013-04-25；

2013-07-10

重慶市教委自然科學項目(KJ090408)；重慶交通大學研究生教育創(chuàng)新基金項目(20120108)

李 軍(1964—)，男，重慶人，教授，主要從事汽車發(fā)動機排放與控制方面的研究。E-mail:cqleejun@sina.com。

TH16;U46

A

1674-0696(2015)01-162-05