虚拟技术在汽车尺寸匹配中的应用

赵云 张磊 薛强 章雨亭

（上海通用汽车有限公司）

随着现代汽车工业的快速发展，市场竞争日趋激烈，各大汽车厂商争相推出新车型以满足市场需求。提高汽车质量和缩短开发周期成为汽车厂商赢得市场竞争的关键。质量控制贯穿整个开发周期，涉及设计、材料、工艺及制造等。在制造过程中，控制零部件尺寸是控制质量的一个重要方面。汽车尺寸工程传统的方法是用检具对零件尺寸进行评估，只能通过有限的测点进行量化，对于匹配的不可见区域和狭小而无法测量区域，很难进行尺寸评估；在无检具的条件下，无法对零件进行尺寸评估。基于以上问题，文章提出一种虚拟匹配方法，实现无检具条件下对零件的测量，包括全尺寸测量、不可见区域的测量。同时通过虚拟测量，可在早期对产品尺寸进行评估，指导产品修改。

1 尺寸工程

1.1 尺寸工程的工作内容

尺寸工程已成为汽车开发中的核心工程之一，尺寸工程和其它专业的关系，如图1所示。

尺寸工程的工作流程，如图2所示。产品开发阶段的尺寸目标制定（DTS）、定位及公差设计（GD&T）、虚拟制造（VA）到测量计划的测点开发（MPD）、测量系统规划实施（MS）、投产阶段尺寸管理中匹配活动（MC）。文章详细介绍几个关键的工作内容。

DTS侧重在整车内外观匹配区域的间隙、面差尺寸目标及外观美学要求，并根据工艺、制造能力制定整车尺寸公差目标[1]。零部件及总成的公差设计最终满足整车的DTS要求。所有尺寸工作都围绕着DTS展开。DTS的组成，如图3所示。

GD&T包含定位基准及被测要素公差要求。GD&T图纸是产品尺寸公差设计部门对于汽车零部件制定的具体制造公差要求。

MPD是根据产品GD&T图纸要求，制定适当的离散的点来代表，反映整体零件尺寸，供产品测量使用。

1.2 传统的尺寸匹配方法和局限性

在传统的尺寸匹配活动中，主要使用检具对零件尺寸进行评估。检具是一种用来测量和评价零件尺寸的专用检验工具，检具上零件的定位基准必须符合GD&T图纸中的要求。车灯检具实物图，如图4所示。

没有检具的条件下，无法实现对零件的测量；当用检具测量时，只能获取有限的测点位置的尺寸，不能进行全尺寸评估，同时无法测量不可见区域和狭小受限区域。

针对上面的问题，引入虚拟匹配技术，实现无检具条件下对零件的测量，包括全尺寸测量、不可见区域或狭小受限区域的测量。同时通过虚拟测量，可在早期对产品尺寸进行评估，指导产品修改。需要说明的是虚拟匹配技术适用于刚性较好的零件或者刚性环境下的零件，如：钣金件、灯等，或者定位于检具或者支架上的零件，需确保零件没有形变。

2 虚拟匹配方法

匹配是批量生产前采用真实工装生产的样件，全面验证产品、零件、工艺和工装的过程[2]。

虚拟匹配是软件模拟真实的过程，因此如有真实零件对应的模型数据模拟检具的定位系统，就能实现零件间的匹配分析。虚拟匹配实施的前提条件是以零件对应的数模和DG&T图纸为标准，使用激光扫描仪获取零件的点云作为待评估的零件。

虚拟匹配是利用扫描技术，获取零件3D点云数据，通过软件进行尺寸匹配分析。目前某公司执行虚拟匹配活动的软硬件环境，如图5所示，包括海克斯康Romer关节臂、Perceptron V5激光扫描头、InnovMetric公司的Polyworks点云处理软件及一些必要的简易支架。

使用检具定位的过程是零件的定位基准和检具的定位基准配合，实现把零件定位到车身坐标系上。模拟检具定位是在定位点即装配基准处建立参考点，使用3-2-1原则定位对齐到车身坐标系。

参考点对齐方式的实现过程：使用手动对齐或者最佳拟合等手段，使点云和数模位置靠近，参照GD&T图纸，在零件数模的基准处建立参考点理论值，对应点云上使用拟合等手段对参考点赋予实际值。软件在对齐的过程中，先把点云以某个参考点为原点移动到数模对应的理论参考点位置，直到它们的距离达到一定公差，不再发生移动。所有参考点执行以上过程，执行完毕后为一轮对齐结束，然后进入下一轮对齐，一轮为一次迭代，不断迭代，所有参考点在公差内，对齐完成，即把零件对齐到车身坐标系，实现定位功能。若参考点中的某一点在经过一定迭代次数后，无法移动到公差内的数模上的对应点，视为对齐失败，即零件基准一致性差，需要整改基准。

在对齐成功后若A面偏差过大，可使用A面全部或者部分A面与数模进行最佳拟合，查看A面的偏差情况和基准的偏差量。若A面偏差情况理想，得到的基准偏差量即为零件的基准修改调整量；若A面偏差情况不理想，同时整改A面和基准，整改基准优先，以上一步得到的基准整改量为基础，根据工程经验，整改GD&T的参考点的实际值，重新对齐，即执行虚拟整改方案仿真，经过几个方案仿真后，最终得到A面和基准的整改量。

3 虚拟匹配在SGM中的应用

3.1 检具上零部件A面的全尺寸评估

将零件安装到检具上；利用检具基准建立坐标系，将零件对齐到车身坐标系；扫描零件的整体形面，在软件中与数模进行比较，获得零件形面的全尺寸评估，整个过程称为PAQS。

3.2 无检具条件下对零件的评估

在无检具情况下（如有必要，使用简易支架支撑住零件），在零件不位移、不振动及不变形的环境下进行自由状态扫描，获取点云，在软件中创建零件GD&T定位基准，作为参考点，与数模对齐，进行比较，得出零件形面尺寸偏差，这个过程称为VCF（Virtual Checking Fixture）。扫描时，需要将零件GD&T基准和测量区域都扫描进去。

3.3 零件整改值的定量和定性分析

在零件尺寸认证过程中，对零件的超差的定量整改，整改方式有整改A面、整改基准和两者同时整改。在经过零件尺寸虚拟评估后，得到基准和A面的偏差情况，有超差的情况下，通过利用零件部分匹配A面进行最佳拟合，获得基准的偏差，模拟基准整改量，获取整改零件最佳方案，这个过程称为ONCA。

3.4 2个零件的匹配分析

2个零件在经过零件尺寸虚拟评估后，因它们已经定位到车身坐标系，放置在同一文件环境下，进行零件与零件的匹配评估，对间隙、干涉及平整度给以确认，同时对内部不可见的区域确认，也就是2×VCF的数据分析，这个过程简称VTAC。

3.5 2个零件匹配后的定量整改方案

在2个零件的匹配过程中，Flush和Gap在公差范围之内，且不存在干涉，则匹配符合DTS标准，若Flush和Gap超差或零件间存在干涉，需要定量的整改零件，通过优化间隙和部分或者全部零件ONCA等模拟仿真后获取零件的整改方法，同时可以对配合内部不可见的区域干涉进行定性定量分析，这个过程简称VNV。

3.6 钣金零件匹配分析

2个或者多个钣金件使用VCF技术进行虚拟装配后，定量分析钣金件匹配区域的间隙和干涉,确认单个零件对此影响的区域。

3.7 前盖烘烤变形分析

首先扫描烘烤前的前盖，得到一个状态的点云，再扫描烘烤后的前盖，得到另外一个状态的点云，经过定位到同一坐标系后，以烘烤前的前盖点云作为基准，进行全尺寸比对分析，得到变形量，为工艺部门提供依据。

3.8 气弹簧引起变形

分析安装气弹簧对前盖的变形影响，具体操作：安装气弹簧前后，分别扫描车身前盖，获取2个状态的点云，将气弹簧安装后的前盖点云与气弹簧安装前的前盖点云比较，分析变形量。

3.9 Seal Margin测量

分别扫描门内板和车身侧围，通过在门上放置靶球进行基准转换，将门内板和车身侧围的点云置于同一个机器坐标系，实现对Seal Margin的测量，可支持分析门的关紧力和车身密封性等问题

3.10 IP与门饰板间隙测量

分别扫描门内饰板和IP饰板，通过在门上放置靶球进行基准转换，将门内内板和IP饰板的点云置于同一个机器坐标系，可分析测量门内饰板和IP饰板的间隙与平整度配合。

3.11 整车测量

在总装车间发动机等安装后，无法实现将整车放置于三坐标holding测量的情况下，使用车体的部分的稳定特征作为坐标参考点，以三坐标测量值或均值为理论参考值，建立局部的车身坐标系，可对该区域的尺寸进行测量分析。

4 案例介绍（尾灯尺寸评估）

利用Virtual Matching虚拟匹配技术，在项目阶段对某新车型尾灯进行尺寸评估，支持尾灯尺寸的改进。

首先准备好尾灯零件、数模及GD&T图纸，通过使用GD&T基准信息建立基准坐标系对齐到车身坐标系下，实现对其它相关基准和型面的测量评估。

4.1 扫描尾灯

用简易支架固定支撑住尾灯，在不振动、不变形、基准及型面不被遮挡的环境下进行扫描。尾灯的GD&T基准和测量区域都要被扫描到，匀速扫描，确认扫描区域完整。

4.2 全型面测量分析

4.2.1 GD&T主基准对齐到车身坐标系

在进行操作前，先分析零件的GD&T图纸，确认GD&T的定位基准位置、公差等信息。

根据GD&T图纸，在数模上使用数字化定义建立基准信息，点云经过最佳拟合处理后，A基准通过选中基准区域的点云，以拟合的方式创建平面，所选点云的中心点的位置值做为测量值赋予对应基准，B,C基准是通过先创建销/孔投影面，再创建销/孔，以相交方式创建B，C圆心。所有基准建立后，如图6所示。

4.2.2 基准一致性测定

因该尾灯存在7个约束（4个A基准面、四位销B、二位销C），过定位，若4个A基准的一致性有偏差，可能引起零件形变。分析4个A基准的一致性，结果有一定偏差。如图7所示，以A1，A2，A3，B，C建立坐标时，测定零件中间的A4基准偏高0.28 mm，这种情况可能会引起尾灯在检具上紧固时产生形变。

4.2.3 基准平面度测定

分析零件的 A1（图 8），A2，A3 基准平面度，A1，A2，A3基准面平面度偏差分别为 0.5，0.24，0.27 mm。

4.2.4 全尺寸评估分析

GD&T基准对齐后，尾灯点云与数模进行比对，得出全尺寸的偏差彩图结果，如图9所示，全型面的偏差根据颜色和彩条判断其偏差区域。对于重点关注的测点位置，可输入测点文件，使用比较点查看测点的具体偏差值。

4.3 获取零件的整改方案

根据VCF结果，零件A面尺寸存在偏差，需要修正。以A面匹配一圈的形面与数模拟合，ONCA对齐，求出基准的偏差，如图10所示，红色框标示ONCA后得到的整改量，绿色框表示按上面数值整改后的基准偏差。

修正基准偏差到0，发现左尾灯A面有形变，无法整体与数模对齐，即无法实现通过单一整改基准实现对零件的整改，若要进一步对A面尺寸进行改善，需要多次调整，获取一个最佳的整改方案，使用我们自己开发的虚拟匹配插件仿真，得到整改方案为：A1，A2，A3 Y向基准整改量分别为 -0.86，0.76，-0.86 mm，C基准Z向为 -0.57 mm，B基准X，Z向分别为 1，0.7 mm。该整改方案，使A面整改量最小。

5 结论

目前某公司的整车开发流程中虚拟匹配得到了初步的应用，该公司的长期目标是利用虚拟匹配技术，在项目阶段尽可能早的发现零件尺寸问题，并通过仿真修改，减小实物零件修改的次数，提高效率，降低成本。项目启动阶段，在公司内通过扫描测量供应商的零件，支持项目组分析零件尺寸和匹配问题原因，辅助零件的改进。