基于3DCS的白车身子基准的公差设计

付红圣

（泛亚汽车技术中心有限公司）

基于3DCS的白车身子基准的公差设计

付红圣

（泛亚汽车技术中心有限公司）

为保证汽车子系统的局部尺寸匹配，需要在白车身控制图上设定子基准来进行公差设计，因而详细介绍了白车身控制图中子基准的设定意义，提出一种在三维尺寸偏差分析软件3DCS中建立子基准来实现基准转换、公差分配，且可用实际生产数据封闭环验证的公差设计方法。具体工程案例证明，该方法在尺寸工程前期可以快速、准确的实现基准转换与公差分配。

1 前言

车身制造偏差是全球汽车制造企业中普遍存在的质量问题，其直接影响到门盖、内外饰、空调电子、底盘及发动机的装配精度，进而影响到汽车的风噪声、密封性、美观性、返修成本等，最终影响整车尺寸匹配效果和客户满意度。公差设计的合理性是目前车身制造领域的一个研究热点，但关于白车身子基准的公差设计更为复杂，目前国内外还没有相关文献介绍。

2 子基准的设定意义

控制图为在装配厂内装配形成的总成尺寸要求，其用于监测装配过程和问题分析、驱动整车满足尺寸技术规范（DTS）要求或整车检测要求。非控制图包括单件图纸、供应商处组装的总成图纸。主基准是用于检具和工装上限制零件的6个自由度，以其建立测量坐标系对零件的关键特征进行公差设置与监控。白车身控制图中主基准用来建立整车测量的全局坐标系。子基准又称“零件参考基准”，是在大零件的关键尺寸接口用于建立小零件与大零件匹配的开裆（opening）或面的尺寸关系的基准。白车身控制图中的子基准用来在关键尺寸接口建立小零件装配的局部坐标系。图1中A、B、C、D为白车身控制图中的主基准，S、T、U则为保证前风挡与车顶和A柱匹配关系而建立的子基准。

在整车装配过程中，为保证局部尺寸匹配效果，考虑车间实际工艺，通常需在白车身控制图上布置子基准，不仅可以在满足设计意图的前提下降低设计对制造的要求，而且便于缩短尺寸链分析问题，弱化或甚至不用全部追溯到大零件的主基准。

2.1 子基准的位置选择

子基准的设立可以保证零件与opening或面的尺寸要求得以实现。白车身上子基准位置的选择建议完全遵循零件的主基准，但是要注意避免过定位问题。白车身控制图中常设定子基准的位置有尾灯opening、仪表板opening、前/后风挡opening、前/后门opening、顶衬系统等。

2.2 子基准的公差设计

为便于说明子基准公差设计对制造要求的影响，图2～图4介绍了如何在满足设计意图的前提下建立子基准与被测要素的关系，以及子基准建立与否对制造的不同要求。图2所示为在某接口为保证局部尺寸匹配关系建立子基准，根据被测要素相对于子基准的设计意图，假设公差定义为±0.5。图3所示为一种直接取消子基准的错误案例，此处基于主基准对子基准所在特征及被测要素分别赋公差±0.5，实际上被测要素相对于子基准特征的公差会放大到±1.0（极限值法[1]）或±0.7(均方根法[1])，无法实现设计意图±0.5。图4所示为取消子基准的正确替代方式，此时为实现设计意图，保证被测要素与子基准特征之间为±0.5的公差要求，需要子基准与被测要素相对于主基准都分别缩小为±0.25。

由图2～图4可以看出，设定子基准后只需保证被测要素与子基准之间的相对关系，且只需对子基准进行标定建立局部坐标系，检测被测要素即可；但图4不设定子基准，在同样设计意图前提下，需要对子基准特征与被测要素相对于主基准分别设定公差，并且需要对主基准进行标定建立全局坐标系，分别检测子基准特征与被测要素，同时缩小公差势必会造成对制造要求的提高。

3 子基准在3 DCS中的公差建模

传统的公差设计[2]主要依靠制造经验、一维极限值法或一维均方根法，往往只能计算简单的装配模型和单一分布的公差累积，当遇到复杂的装配模型时需要对模型的定位结构进行简化，而模型简化对计算准确性有一定的影响，即造成计算结果无法模拟实际生产情况。而3DCS软件采用蒙特卡罗模拟法[3]进行公差模拟分析，采用随机模拟和统计试验的方法求解，用该方法得到的结果比较符合实际生产情况。

3DCS建模过程中，零件之间的装配关系采用的是零件的主基准，但建立测量关系时可以基于主基准下进行，也可以通过缩短尺寸链基于子基准下进行，但选择在主基准下赋公差还是在子基准下赋公差会直接影响到最终计算结果，影响设计意图能否正确体现。

子基准在3DCS中的建模主要包括主、子基准的关系建立与公差的分配设计两步。白车身控制图中子基准的建立基本为同一类型，其在3DCS中的典型公差建模流程如图5和图6所示。

图5和图6展示了3DCS软件中将零件a拆分成零件1和零件2并以此来实现主基准与子基准公差转换关系的原理图。具体公差设置与装配操作如下：

a.拆分零件a为零件1和零件2，在零件1上建立主基准A、B、C，在零件2上建立子基准D、E、F。

b.当给零件1赋公差时，基于主基准A、B、C分别给点T、U、V赋±1.0的公差。

c.当给零件2赋公差时，基于子基准D、E、F给点X赋±1.0的公差。

d.建立装配，装配零件2（用D、E、F作为移动点）到零件1（用T、U、V作为目标点）上去，实现主基准与子基准的转换。

4 子基准公差设计的工程应用

尺寸开发过程中，首先需要开发DTS，并制定用于指导数模设计与实际产品是否满足DTS具体接口的测量方法，然后基于三维尺寸偏差分析技术根据DTS进行公差分配来开发白车身控制图。某上市车型尾灯与侧围处DTS的测量方法如图7所示。该项目在制定白车身控制图时，A、B、C为白车身主基准，为保证尾灯与侧围的局部匹配关系，在侧围上尾灯定位基准对应安装点处建立子基准D、E、F，具体点赋公差如图8所示。

4.1 子基准建模装配树及公差设置

3DCS建模过程中，首先需要把车身拆成左右侧围与左右侧尾灯板4部分，通过模拟尾灯板装配到侧围上去来建立子基准D、E、F，以此实现主基准与子基准的转换。3DCS中的建模装配树[4，5]如图9所示。

子基准建好之后，为使3DCS软件在模拟测量侧围与尾灯尺寸匹配时可以实现对测点赋予子基准下的公差，“装配：尾灯-左侧”中“尾灯-左侧”应该装配到“尾灯板-左侧”上，而不是“侧围-左侧”上。

子基准装配与尾灯装配都建好之后建立测量关系，此时测点应该放置在“尾灯板-左侧”中，而不是放置在“侧围-左侧”中。注意，此时零件“尾灯板-左侧”上测点TLLm1f（用来计算尾灯与侧围面差DTS的测点）所赋公差应为基于子基准D、E、F下的±0.4。

4.2 子基准公差合理性在3DCS中的验证

待装配、测量、公差都建好之后，分析运行5000次，计算结果（图10）6Sigma≈1.28 mm＜1.60 mm(该项目DTS面差要求±0.8），侧围与尾灯左右方向阶差超差概率为0.04%＜5.00%（由概率统计学知，当样本数为5 000次，置信区间因子为0.0392时，置信度可达95.00%），测点TLLm1f基于子基准D、E、F下的公差±0.4满足DTS设计要求。

由测点生成器（Measure Generator）对测点TLLm1f按对应矢量（Associated Vector）方向拆解成一个新的测点，然后基于白车身主基准A、B、C赋公差±0.9测量该新测点的偏差，计算结果（图11）6Sigma≈1.92 mm，超差为0.52%＜5.00%，主基准下的公差满足DTS设计要求。

由Measure Generator对测点TLLm1f相对子基准TLLh4yz按AssociatedVector方向拆解成一个新的测点，然后基于子基准D、E、F赋公差±0.4测量该新测点的偏差，计算结果（图12）6Sigma≈0.79 mm，超差为0.30%＜5.00%，则子基准下的公差满足DTS设计要求。

5 实际生产数据闭环验证子基准公差的合理性

5.13 坐标（CMM）数据直接验证

白车身控制图上公差设置是否合理直接影响整车测点合格率。通过分析车间CMM生产数据，可以监控车身实际偏差情况。由CMM数据（图13）可知，该测点TLLm1f在白车身主基准下公差为±0.9，6Sigma=1.86 mm，超差概率为0.39%，公差满足设计要求。

通常CMM都是对白车身主基准进行标定来建立整车坐标系，以此测量的偏差值是基于主基准的。若分析测点在子基准下的尺寸偏差，借助测量系统内嵌软件可以实现主基准与子基准的转换，该测点TLLm1f子基准下公差为±0.4，经基准转换后，重新计算6Sigma= 0.82 mm，超差概率为0.34%，公差满足设计要求。

5.2CMM数据输入3DCS偏差分析模型验证

CMM数据反映了车间测点的实际偏差，其偏差不像3DCS按蒙特卡洛算法所希望的在公差范围内波动，并且不一定是正态分布。3DCS可以利用用户动态链接数据库公差方法（User-DLL Tolerance）[6]将CMM数据通过.DEV文件格式作为公差输入到模型中来代替设计公差，当模拟运算时，测点会直接读取CMM数据偏差来代替蒙特卡洛方法所随机设置的公差，更能反映测点实际偏差波动。

根据白车身CMM数据，可以预估总装后DTS的匹配情况。将测点TLLm1f对应CMM数据导入3DCS，重新计算侧围与尾灯左右方向阶差，通过DTS超差概率可以验证设计初期给定的公差是否合理。图14为重新计算侧围与尾灯左右方向阶差结果，得6Sigma=1.33 mm＜1.60 mm(该项目DTS面差要求± 0.8)，侧围与尾灯左右方向阶差超差概率为0.06%＜5.00%，公差满足DTS设计要求。

1王平，沈晓阳.公差分析中的统计公差方法综述.工具技术，2008，42（10），43～46.

2张淑立，谭立国.公差分析和优化设计.汽车工程师，2009（5），40～43.

3马振海，李应军，胡敏.基于三维偏差分析技术的尺寸公差设计应用.世界制造技术与装备市场，2010，（5），83～87.

4曹俊.基于确定性定位分析的车身三维偏差模型及求解方法研究:[学位论文].上海:上海交通大学，2008，56～82.

5杨思源.尺寸工程在白车身制造过程中的应用.重庆理工大学学报（自然科学），2012，26（6），18～23.

63DCS Analyst Tutorial.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2014年1月1日。

Tolerance Design of Sub-datum on BIW Based on 3DCS

Fu Hongsheng
（Pan Asia Technical Automotive Center Co.，Ltd）

In order to ensure local dimensional matching of vehicle sub-systems，it is required to set sub-datum on the BIW control drawing for tolerance design.This paper introduces in details the significance for the establishment of sub-datum in BIW control drawing，and proposes a tolerance design method in which set sub-datum to achieve datum transfer and tolerance allocation in 3D variation analysis software 3DCS，and to closed-loop verify with production data. The practical engineering case proves that this method can realize datum transfer and tolerance allocation quickly and accurately in the early stage of size engineering.

BIW control drawing,Sub-datum,Tolerance,Deviation analysis

白车身控制图子基准公差偏差分析

U462.2

A

1000-3703（2014）07-0059-04