虚拟成型代替常规检具进行仿真分析的方法研究

高云凯 吴海天 苏志勇200092) (同济大学汽车学院,上海

Automobile Technology & Material - - AT & M 视界 -

1983—),作者简介:吴海天( 男,工程师,硕士研究生,研究方向为白车身工程设计及制造工艺。

3D摘要:本文以汽车的白车身钣金件为研究对象,通过 扫描设备扫描零件,并使用软件进行处理,形成虚拟点云仿真模型。将结果导入到数模中,对比零件原始数字仿真模型,进行仿真成型分析。最终输出检测报告,从而代替常规检具。既降低了检具制造成本和周期,还能识别不易检测的数据点,为快速复验提供了一种可行的方法和途径。关键词:白车身 非接触式检测 虚拟点云成型 仿真分析TG88 B Doi:10.19710/j.cnki.1003-8817.20180194中图分类号: 文献标识码:

1 非接触式检测应用的工艺

常规汽车包含白车身、底盘、电子电器和发动机四大部分。白车身是车身结构件及覆盖件焊接总成,是未涂装之前的车身。相比铸锻造机械加工之后的零件,金属冲压件的边缘尺寸更难以控制,在冲压过程中控制,先此基础之上尽可能提高85%整体合格率,在尺寸合格率达到 以上就可以进行总成焊接的匹配工作。在焊接过程中,多个零件在“匹配”过程中存在间隙、干涉等问题。但是某些高强度钢板的重点零件在此时的状态已经达到或者接近极致—质量、成本和周期的平衡,这个时候就需要部分冲压件调整公差,但是总成焊接95%的结果是 以上。这个整体的过程就是“质量育成”,其中最后开展的尺寸调整就是“尺寸育成”工

, PCF- Part Coordinate作该阶段包括两个部分“ Fixture UCF- Unit

白车身分总成匹配检具和Coordinate Fixture

内外饰功能匹配检具”,本文研PCF- Part Coordinate Fixture究的重点从 展开[1]。这个尺寸育成工作由一个专业部门所负责的,该部

-PCF,门不但负责白车身的工艺尺寸育成 也负责总装内外饰的尺寸育成工作(如仪表盘、车灯、车

- UCF,门内板等) 这是因为内外饰零件也是安装

PCF UCF在白车身上的,这是一个连续的过程, 对有决定性的影响。常规的尺寸育成工作都是借助检具开展的,本文所提到的“非接触式测量”能够有效辅助和提高尺寸育成过程中问题分析效率,相比常规检具更加直观。

2 非接触式检测相比常规检具检测的不同

零件的检测过程简单的可以理解为衡量零部件实际达成尺寸和零部件设计数据之间的差距。随着现代研发设计技术的提升,行业内产品开发均采用“三维仿真模型”三维设计,然后再转化为二维图纸。本文所研讨的环节采用的是以产品图

GDT- Geomertry纸为基础,先工艺需求设计“Dimension & Tolerance

图纸”,编制测点设计文件, GDT再根据 图纸同步编制《品标书》,最后用《品标书》制造检具、规范检测方法、检测产品质量。在质量育成和尺寸育成过程中,零件的实际尺寸是

GDT”通过检具进行测量,这就要求“图纸必须先确定基准点,再设计检测点,观测这些检测点相对于研发的设计图纸之间的差距,并记录成表格

, = ——检测数据表“合格率达到合格尺寸的检测/点总检查点数量”。显然在这个过程中需要完成

GDT五项工作“设计 图纸、编制《品标书》、招标和制造检具、人工检测、录入数据表”。

采用非接触式光学扫描检测,输出的是虚拟成点云零件状态,相比检具形成的数据表,更直观的反应曲面的实际形态,再自动生成检测数据表,两者相结合,可直观的显示零件的状态,便于问题分析。在这个过程中需要完成三项必备工

GDT作“设计 图纸、人工检测、录入数据表”,一项按需工作“定制零件检测支架”(考虑到某些大型金属件和薄板零件可能因重力变形,故需要检测支架)。

3 非接触式检测相比常规检具检测的优缺点 3.1 工艺流程对比

1 1产品诞生流程图如图 和表 所示,在零件生准过程的质量育成阶段,常规检具检测一个零件的合格率需要具备四张图纸和三个文件,从流程上也是依次递进的关系,虽然在实际运行当中可以适当提前,但是完成的顺序也不会发生变化[2]。相比之下,如果采用非接触式光学扫描检测,只需要两张图纸和两个文件,其中《品标书》不需要附带检具设计图纸,也不需要根据每个检具单独设计检测手法和要求,采用非接触式光学扫描检测任何零件,操作都是一样的。缺点是检具可以制造多个,同时检测多个零件,对操作人员的素质要求比较低;而采用非接触式光学扫描检测虽然可以反复利用,对操作人员素质要求较高。

3.2 检测时间对比

如前文所示,检具首先要有图纸,不可避免要有加工过程,其生产制造工艺要求极高,制造过程精度高;使用过程小心翼翼,甚至移动和温度变化25都会产生变形(检具最后的调试必须在 度恒温

3-6放置 小时,在采用台式或者龙门三坐标逐一确认)。这是个周期长、精度要求高的过程。相比之下,如果采用非接触式光学扫描检测,不需要制造检具,也消除了这个复杂的过程。但是,非接触式扫描的原理,是通过扫描制造一个与零件相同尺寸的仿真模型,然后建立虚拟坐标系,再输入设计模型,最后把仿真模型与原始产品模型对比,从而

4得出如图 的效果,红色为上差、蓝色为下差,检测

20 min- 70 min)时间也相对更长( 。虽然单件检测时间较长,但是减低了项目质量育成周期。

3.3 检测质量对比

3.1 3.2如上文 和 所述,非接触式扫描建立的仿3D真 模型相比检具的近测点数据表更能直观的展示零件的质量状态,从根本上改变了对零部件质量2状态的判定方案,从检测点改为检测点云型面如图所示,为常规检具检测,即使肉眼可以看到缺陷,但

①依旧需要检测尺逐一检测点 ,而且不能检测内部

R② C SUV的 角 。一汽集团的纯电动车和 级 采用了此种检测方式,首台白车身身的全尺寸合格率达到69% 72%, 86.7 84.2%

和 功能尺寸合格率达到 和 。而采用常规检具检测的车型,首台白车身的全尺寸合

65% 80%格率为 左右,功能尺寸不超过 。综上采用非接触式扫描的虚拟仿真模型相比能够更多的发现质量问题,更有利于质量育成。

3.4 检测成本对比

常规采用检具检测,每个零件都需要一套检具, 以白车身钣金件的检具为例。一辆全新平台整车的

2 400 EV 2210检具预计 万左右(如红旗 项目检具约

346 109 HS7万包含 个冲压件和 个供货级总成, 项目

2 570约 万),而一套先进便携非接触式光学扫描检

45测设备只需要 万,并且可以反复使用。检测人员也可以大幅减少,这就减低了采购和人工成本。但是缺点也很明显,由于单一设备成本较高,高于单一零件检具,所以不可能采购多台,即一台设备一次检测一个零件,不适用同时完成大批量、集中检测。

4 主流非接触扫描设备对比

非接触式检测设备包含“白光扫描、蓝光扫描、激光扫描”,随着科学技术的发展,白光扫描由于精度太低并且不容易拟合成型,故正在逐步淘汰。

当前主流采用的是“蓝光扫描和激光扫描”,如2表 所示。蓝光扫描采用拍照方式再形成仿真模

型,由于是非连续多次拍照后合成,所以必须喷涂显影剂并贴定位点,以便和周围环境区分,保证每张照片选取部分的连续性,这就不可避免的受两个关键因素影响“操作人员的拼图技能和照片结合面的蛙跳问题”。而且其相对精度较低,扫描结果的精度为1 mm

单位级,在汽车工业主要用于冲压模具的调整优化。而激光扫描是动态扫描,可以自动识别,将扫面结果即时生成点云仿真模型。其精度也达到0.078 mm, 0.1 mm 3

与检具精度 相当。同时表 所示,不同的激光扫描设备扫描结果略有偏差,本论文研

2004究所采用的设备从 年至今,已经更新了九代,此类设备的精度也不断提高,是开展本论文所述的基础。

20综上所述,伴随激光扫描设备在过去 年里不断的优化升级,其精度提升到与检具相当的级别:消除了检具受制于周围环境变化的影响(振动、温度、湿度、光线等),消除了蓝光扫描必须贴点定位和显 影剂定位的工序,消除了常规光学扫描的采用单条激光扫描出现“蛙跳”问题——保持了点云模型的连续性。这个三个技术上的升级和优点使非接触扫描代替检具检测成为可能。而本轮文研究所采用的激光扫描仪,相比常规设备精度和效率更高,适用于在生准制造过程中快速发现和分析问题。

5 非接触式检测仿真分析过程

EV HS7一汽集团的 和 项目已经尝试采用非CRAW⁃接触式光学扫描设备,本论文所采用的是“FORD”激光扫描仪,匹配三维空间数据设备,减少0.078,了人为误差的影响,其精度为 白车身精度0.1,级别为 设备满足要求。本论文以白车身零件HS7作为研究对象,进行仿真分析。以 车型进行顶盖预尺寸育成为例,通过零件状态以及总成状态对比分析,确定总成零件超差问题原因,落实于冲压单件,进行整改。

5.1 实测案例

C SUV以级 的天窗为例,采用激光扫描的结果和分析如下: a. 3 4如图 和图 所示:自由状态下零件扫描结果; b. 5 6 I如图 和图 所示:顶盖总成 工位零件扫描结果;

c. 7 II如图 所示:顶盖总成工位零件焊后总成状态测量结果[3]。

5.2 测量结果仿真分析

6 I如图 所示,顶盖总成 工位结果分析(红色蓝±0.5)I 1-9色超差,公差设定为 工位焊后总成 位置处超差,由焊前焊后扫描结果看出: a“. 1 A位置处”超差由于顶盖外板 处及天窗加D强环 位置处导致(零件数据超差),除此之外需调整压头夹紧力,夹紧力过大,导致总成偏差进一步加大; b“. 2 3 B1\B2和位置处”超差由于顶盖外板 处超差导致(自由状态好于夹紧状态,需优化夹紧点的尺寸); c“. 4 5 E\F和位置处”超差由于天窗加强环 处 超差导致(零件数据超差需优化); d“. 6位置处”单件位置并未超差,加紧之后超差,原因出现在工装或过程因素(需优化夹紧点的尺寸); e“. 7 H位置处”超差由于天窗加强环 处超差导致(零件数据表看不出超差情况) f“. 8 C位置处”超差由于顶盖外板 位置处超差导致(零件数据超差);

5.3 顶盖焊后总成仿真分析结果

顶盖焊后总成超差有两个原因,主要由于零件自身问题导致,其次是夹具需要进一步调整。解决措施主要在于提升单件质量,同时依据本次

PCF检测结果调整夹具—— 。从最后的分析可以看到,主要是顶盖外板单件超差较严重,前部变形问题较大,后部超差较严重,导致部分检测点在自由状态是合格的,但是夹紧状态受超差点影响而变形。天窗加强环左右两侧定位面不贴合,冲压后回弹较严重,需要进一步控制,前后端局部超差,出现局部变形。需要在冲压单件工序上需要改进[4]。

6 结论

本文以乘用车白车身为研究对象,首先对比了“非接触式光学扫描”和“常规检具”两者种检测方法的不同之处,以及输出的检具报告;再从“工艺过程、周期、成本和质量结果”四个维度进行阐述两者的优缺点,并说明了本文所采用激光扫描设备与其他设备的不同;最后采用“非接触式光学扫描”检测举例分析,得出了合理的可靠的结果。表明使用“非接触式光学扫描”方法建立点云仿真模型进行分析的方法方案可行,为汽车零部件检测和问题分析提供了更先进的手段,为汽车零件仿真分析提供了一种可行的方法和途径。

本文所研究的检测方法已经成功的在一汽集团两个车型上应用,其白车身的功能尺寸和全尺10%寸合格率相对有 左右的提升,节约近千万检具制造成本。以此为参考,在后续项目中可以拓展

A到汽车逆向设计扫描、表面造型设计、质保零件

参考文献:

[1] , . [J].林忠钦 胡敏 轿车车体装配偏差研究方法综述 机, 1999, 7(3):58-60.械设计与研究[2] . [J].胡仕新 美国汽车车体装配与焊接研究 中国机械工, 1997, 8(1):24-26.程 [3] , . ( 2 ) [M].宋晓琳 周水庭 汽车车身制造工艺学 第 版 北, 2006.京:北京理工大学出版[4] , , .胡敏 来新民 林忠钦 主成分分析方法在轿车装配尺[J]. , 2002,13(6):寸偏差中的应用研究 中国机械工程461-463.

(上接第8页)

d.开发成型周期短、尺寸稳定性好的树脂基体,保证汽车行业的产能与生产节拍要求。e.建立碳纤维复合材料低成本、高利用率回收体系。f.完善售后维修体系,降低维修成本。

参考文献:

[1] , .谷礼双 贾晶 汽车轻量化设计与碳纤维复合材料的应[J]. , 2015(15):12-16.用 汽车产品设计与模具开发[2] , , .范子杰 桂良进 苏瑞意 汽车轻量化设计的研究与进[J]. , 2014(5):1-6.展 汽车安全与节能学报[3] , , , .赵艳荣 胡平 梁继才 张文杰 碳纤维复合材料在汽车[J]. , 2015(32):95-98.工业中的应用 合成树脂及塑料[4] , . [M].王宏雁 陈君毅 汽车车身轻量化结构与轻质材料, 2009.北京:北京大学出版社[5] , . 7 [J].冯永忠 康永禄 宝马 系车身概览 汽车维护与保, 2016(3):75-77.养[6] , , .王东川 刘启志 柯枫 碳纤维增强复合材料在汽车上[J]. , 2005(4):33-36.的应用 汽车工艺与材料 [7] , , .刘万双 魏翼 余木火 汽车轻量化用碳纤维复合材料[J]. , 2016(5):48-52.国内外应用现状 纺织导报[8] , .林刚 申屠年 全球碳纤维及其复合材料市场现状和展[J]. , 2015(40):1-13.望 高科技纤维与应用[9] . B [J].侯凡龙 碳纤维复合材料汽车 柱性能研究科 技创, 2016(11):43.新与应用[10] , , , .宋燕利 杨龙 郭巍 华林 面向汽车轻量化应用的碳[J]. A: ,纤维复合材料关键技术 材料导报 综述篇2016, 30(9)16-25. [11] .孟剑 碳纤维复合材料高压储氢容器力学模型分析与[D]. , 2006.抗疲劳研究 浙江:浙江大学[12] . :宝马股份公司 用于制造结构件连接系统的方法中, CN 106457861 A[P].20150722.国[13] . BMW ICARS WITH CFRP[J].刘雅坤 轻量化的秘密 世, 2014(9):38-39.界汽车[14] , , , , .谭礼忠 潘泽洵 姜云峰 徐鹏 卢雨龙 纯电动汽车用[J]. ,动力电池碳纤维上盖的设计 汽车工艺与材料2017(7):70-72.

图1 产品诞生流程

图2 常规检具检测

图3 顶盖外板

图4 天窗加强环

图6 焊接后的状态

图5 夹紧状态

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