基于3DCS软件的抬头显示装配偏差分析及系统优化

贾青　姜立伟

摘   要： 抬头显示系统是一种车辆安全辅助系统，但其在整车生产流水线中时常出现标定不合格的情况，严重影响投影图像质量。聚焦于抬头显示装配偏差问题，对其四个零件——车身横梁支架、H型支架座、小支架、投影仪的装配工艺进行分析，得到装配关键要素。基于3DCS偏差分析软件，采用Monte Carlo模拟法，对抬头显示装配偏差进行建模仿真，得到各个偏差源的贡献度、敏感度以及6-Sigma值，确定主要偏差源为小支架安装夹具的孔销位置度偏差。对抬头显示安装夹具的公差和设计进行优化，即把小支架安装夹具的孔销位置度公差值从±0.2 mm改为±0.1 mm，并取消小支架的特征孔而改为小支架上端平面的第三个特征点，现场跟踪三个月表明标定一次性合格率由70%提升至96.7%。

关键词： 抬头显示;装配偏差;Monte Carlo模拟法;3DCS软件;6-Sigma

中图分类号：TH    文献标识码：A    文章编号：2095-8412 （2020） 01-069-06

工业技术创新 URL： http： //www.china-iti.com    DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.01.014

引言

近年来，道路交通和车辆安全的智能技术已经成为热门的研究对象，特别是抬头显示系统（以下简称“抬头显示”），作为一种车辆安全辅助系统，引起了业界的关注[1]。在汽车上安装抬头显示，可以使驾驶员在不低头的情况下，通过投影在前挡风玻璃上的图像，得到重要的驾驶信息，从而有效抑制因低头而引起的注意力分散或视觉盲区问题，大大提高了行车安全度[2-3]。

为保证投影图像能够正确清晰地显示在挡风玻璃上，在整车生产流水线中，需要对安装好的抬头显示进行标定。然而在实际的汽车生产中，时常有抬头显示标定不合格的情况出现，主要有以下三个原因：1）抬头显示装配偏差;2）抬头显示产品本身偏差;3）挡风玻璃偏差（光学影响）。国内外研究大多针对2）和3），鲜有关于1）的报道。

本文基于3DCS软件，采用Monte Carlo模拟法，对抬头显示装配偏差进行研究，以期为汽车内外饰的零件装配偏差控制提供参考依据，实现对偏差分析的有效反馈。

1  Monte Carlo模拟法与3DCS软件

目前面向刚性装配的偏差分析方法有极值法、统计分析法和蒙特卡罗（Monte Carlo）模拟法这三种方法[4]，其中极值法适用于一维尺寸链的偏差计算与分析[5]，统计分析法可以用来分析一維和二维尺寸链的装配偏差[6]，而Monte Carlo模拟法是一种将误差统计和综合思想应用于设计装配偏差分析的方法[7]。Monte Carlo模拟法的原理是，首先建立零件偏差分布的概率模型;然后随机抽样，对零件进行装配;最后对装配偏差进行分析，得到装配偏差的分布[8]，用来分析三维尺寸链的偏差[9-10]。由于抬头显示装配过程属于三维尺寸链安装，因此Monte Carlo模拟法适用于此。

然而，在三维空间中，传统的手工算法是很复杂的[11]。20世纪70年代以来，计算机技术迅速发展，传统偏差分析方法与计算机模拟技术相结合，三维偏差分析软件就此出现[12]。近几年，利用偏差分析软件进行偏差分析成为一种趋势[13]。目前偏差分析软件主要有3DCS、VSA、CETOL、6-Sigma等[14]，其中3DCS软件是由DCS公司发布的，它能完全嵌套在CATIA和UG上使用，能够采用Monte Carlo模拟法进行三维偏差分析[15]，因此也适用于抬头显示装配的偏差分析。

2  抬头显示装配工艺分析及模型建立

2.1  抬头显示装配工艺分析

在整车生产流水线中，抬头显示的装配涉及到四个零件，分别是车身横梁支架、H型支架座、小支架以及投影仪，如图1所示。

各零件的装配定位方式如下：

（1）车身横梁支架作为焊接件，与车身作为一个整体，一同进入油漆车间喷涂;

（2）H型支架座的X、Y、Z方向由H型支架座夹具在车身框架上定位后，操作工对H型支架座进行螺栓紧固;

（3）小支架X、Z方向由小支架夹具在车身框架上定位，Y方向由H型支架座上的位置定位，然后由人工直接对小支架进行螺栓紧固;

（4）投影仪直接由左右两个小支架上的定位销进行定位，操作工对投影仪进行螺栓紧固。

由此得出结论，抬头显示投影仪的位置是由小支架上的定位销的位置和与投影仪接触的小支架上端平面进行确定的。因此本课题将小支架定位销的位置度、小支架与投影仪接触的上端平面的平面度作为关键装配要素。

2.2  模型建立

2.2.1  特征点创建

根据章节2.1所述零件信息确定各零件的装配特征点，如表1所示。

对于H型支架座，需要创建三个特征点、两个特征孔，用于H型支架座自身的装配。如图2所示，三个特征点为LAGERBOCK X1、LAGERBOCK X2、LAGERBOCK X3;两个特征孔为LAGERBOCK YZ、LAGERBOCK Z。

对于小支架，需要创建三个特征点、一个特征孔、一个特征面，用于小支架的装配。三个特征点、一个特征孔用于定位小支架X、Z方向，特征面用于定位小支架Y方向。如图3所示，小支架（左）三个特征点分别为HALTER LINKS X1、HALTER LINKS X2、HALTER LINKS YZ;一个特征孔为 HALTER LINKS Y;一个特征面为HALTER LINKS Z。小支架（右）特征点创建方式同上。

2.2.2  虚拟夹具及夹具特征点创建

3DCS中可以添加虚拟夹具。虚拟夹具可以不使用CATIA 实体、线或点来表达，而使用特征点表达。这些特征点作为整个抬头显示装配模型的安装目标点。

具体操作是通过3DCS创建两个虚拟夹具，并分别复制H型支架座和小支架的零件特征点到每个夹具上，再修改两个夹具特征点的特征参数，就可以完成虚拟夹具的创建。

2.2.3  零件及夹具公差创建

该装配中涉及到的公差有：

（1）零件安装孔径销径公差;

（2）零件安装孔销位置度公差;

（3）零件安装面轮廓度公差;

（4）夹具定位孔径销径公差;

（5）夹具定位孔销位置度公差;

（6）夹具定位块轮廓度公差。

根据零件图纸和夹具产品图纸设定公差，其中夹具定位孔销位置度公差、夹具定位块轮廓度公差设为±2 mm。

2.2.4  测量目标与装配创建

由章节2.1得到的关键装配要素，即小支架定位销的位置度、小支架与投影仪接触的上端平面的平面度，根据3DCS软件的测量功能以及生产工艺要求，建立以下测量参数以及偏差标准值范围：小支架（左）定位销位置度;小支架（右）定位销位置度;小支架（左、右）定位销的距离;小支架（左）上端平面的平面度;小支架（右）上端平面的平面度;小支架（左、右）上端平面的平面度一致性。小支架定位销位置度与距离偏差范围设为±1 mm，小支架上端平面度和平面度一致性偏差范围设为±2 deg。

由偏差分析的理论前提以及3DCS软件的基本情况，采用3-2-1装配定位方案对零件进行装配。主要步骤是将零件上的5个特征分别与夹具上对应的5个特征一一进行移动。

3  仿真分析

对抬头显示装配模型执行2 000次运算进行模拟装配。在3DCS中，主要以贡献度及敏感度两个指标来分析仿真结果，其中：

（1）贡献度表示偏差源对装配偏差的贡献大小;

（2）敏感度则表示偏差源对装配偏差的影响大小。

3.1  小支架定位销位置度及距离

小支架（左）定位销位置度、小支架（右）定位销位置度、小支架（左、右）定位销的距离分别如图4、图5、图6所示。小支架（左、右）定位销的位置度超差率、小支架定位销的相对距离超差率均为0%，说明这三个测量目标在小支架装配过程中是较为稳定的，偏差波动较小。

3.2  小支架与投影仪接触面平面度

小支架（左）上端平面的平面度、小支架（右）上端平面的平面度分别如图7、图8所示。小支架（左、右）上端平面的平面度超差率均為0%。与章节3.1同理，说明这两个测量目标在小支架装配过程中是较为稳定的，偏差波动较小。

3.3  小支架与投影仪接触面一致性

小支架（左、右）上端平面的平面度一致性如图9所示。小支架两上端平面的一致性超差率为2.55%，上下偏差均有超出，其中上限偏差有1.15%超过标准偏差，下限偏差有1.4%超过标准偏差。影响小支架上端平面一致性的6-Sigma值最大为2.861 3，对应的最大偏差源为小支架安装夹具的4个孔销的位置度偏差，它造成了仿真超差，其贡献度高达70.415%，其余偏差源的贡献度均较小，都在5.67%以下。在敏感度方面，小支架安装夹具的4个孔销位置度偏差敏感度为7.021 4，其余偏差源的敏感度在1.802 0以下。从数据上看，小支架安装夹具的4个孔销位置度偏差被放大了7倍多，且由于其贡献度最大、对抬头显示安装的影响最大，因此生产过程较不稳定，影响工厂的一次性报交合格率，是需要进行优化的。而其他偏差源的影响远远小于第二个夹具上4个孔销位置度偏差的影响。

4  优化方案

对装配模型的修改可以考虑两个方面：一是改变零件公差、改变零件设计;二是改变夹具公差、改变夹具设计。由于装配零件产品已固定，无法进行修改，因此在这个模型中，不考虑对零件的公差及设计，仅针对夹具的公差和设计进行修改。

4.1  改变夹具公差

通过3DCS软件修改小支架安装夹具上的孔销位置度公差，把公差值从±0.2 mm改为±0.1 mm，重新进行仿真。

重新仿真后的平面度一致性如图10所示，可见更改小支架安装夹具上的孔销位置度公差对小支架平面度一致性影响较大，超差率从原来的2.55%降为0.15%。

至于偏差源小支架安装夹具孔销位置度公差偏差源，其6-Sigma值从2.861 3降为1.231 3，贡献度从70.415%降为38.165%。然而，敏感度没有变化，说明更改夹具公差无法减弱偏差源的影响大小，可考虑尝试更改夹具设计。

4.2  改变夹具设计

在此课题建立装配模型时，根据现场的实际情况对仿真模型设计了装配中的孔销浮动，因此考虑取消装配特征孔，改为小支架上端平面的第三个特征点，重新进行装配仿真，如图11所示。

修改夹具设计之后，超差率下降为0%。偏差源小支架安装夹具定位销位置度偏差的贡献度从38.164%降为27.759%，敏感度从7.021 4降为2.681 5，6-Sigma值从1.231 3降到了0.556 4。至于除小支架安装夹具定位块轮廓面偏差之外的其他偏差源，它们的6-Sigma值也有一定程度的下降，敏感度也有下降，从另一侧面证实了偏差源的敏感度只能通过更改夹具设计来实现。

在实际操作中，使用检具对小支架定位夹具上的夹紧点进行重新定位，使其偏差范围控制在±0.1 mm以内，并取消小支架定位夹具上的对应小支架上端平面处定位孔的定位销，增加一个上端平面夹紧块。在优化措施的实施后，对现场的标定实际情况跟踪三个月，标定一次性合格率由70%提升至96.7%，与优化前相比得到了较大的提升。

5  結论

利用3DCS软件对抬头显示装配进行建模仿真，可以得到影响最大的偏差源，从而有针对性地进行偏差优化，大大提升了抬头显示标定的一次性合格率。该项课题可以为今后汽车内外饰零件的装配偏差控制提供依据。

致谢

感谢在撰写论文过程中给予帮助的学者和导师，感谢审稿专家的认可和指点。

参考文献

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作者简介：

贾青（1979—），女，上海人，硕士生导师。研究方向：车辆工程。

姜立伟（1989—），通信作者，女，上海人，工程师。研究方向：车辆工程。

E-mail： 175725941@qq.com

（收稿日期：2020-01-09）

Assembly Deviation Analysis and Systematical Optimization of Head up Display Based on 3DCS Software

JIA Qing1， JIANG Li-wei2

（1. Tongji University， Shanghai 200000， China;

2. SAIC VOLKSWAGEN， Shanghai 200000， China）

Abstract： The head up display system is a kind of vehicle safety auxiliary system， but its calibration failure often occurs in the vehicle production line， which seriously affects the quality of projected image. Focusing on the assembly deviation issues of the head up display， the assembly process of its 4 parts， namely， body crossbeam bracket， H-Bracket seat， small bracket and projector， are analyzed to obtain the key assembly elements. Based on the 3DCS deviation analysis software， using its Monte Carlo simulation method， the modeling and simulation of the assembly deviation of the head up display are carried out， so that the contribution， sensitivity and 6-Sigma value of each deviation source are obtained. It shows that the main deviation source is the hole/pin position deviation of the small bracket installation fixture. The tolerance and structure of the installation fixture of the head up display is optimized： first， the hole/pin position tolerance of the small bracket installation fixture is modified from ± 0.2 mm to ± 0.1 mm; second， the feature hole of the small bracket is modified into the third feature point of the upper plane of the small bracket. 3 months of field tracing shows that the one-time calibration qualification rate increases from 70% to 96.7%.

Key words： Head up Display; Assembly Deviation; Monte Carlo Simulation Method; 3DCS Software; 6-Sigma