尺寸工程在车身开发中的应用

尺寸工程对车身设计及生产过程的影响重大，本文介绍了常用的尺寸分析软件及用软件进行建模、尺寸优化的过程，阐述了尺寸公差分析软件的基本原理——蒙特卡罗方法。

尺寸工程

几何尺寸与公差（GD&T）与汽车车身装配和制造过程是密切相关的，不仅影响到制造和装配过程，还影响到产品的功能。因此，确定产品的公差成为产品设计阶段的一项重要内容。在以往的设计过程中，设计师在进行产品设计时对于公差的确定往往是凭经验和采用类比法，即参照其他人的设计或与之相类似的结构。合理的公差取值对于设计师来说是很难把握的，要靠长期的经验积累。

对于尺寸公差的确定、分配和公差取值大小的合理性，按照设计给定的精度加工出的零件，是否满足产品的性能和技术指标的要求，不同装配精度对产品的精度是否有影响，尚不能给出肯定的回答。往往只有在零件加工出来和装配时才能发现问题，通过反馈来修改设计。这样势必造成返工、增加成本以及影响投产进度。有时为了达到产品的性能和技术指标的要求，盲目提高精度指标，又会增加产品的制造成本。因此，产品设计阶段在保证总成精度的前提下对零部件尺寸及公差进行优化成为一种非常必要的手段。

尺寸工程是目前汽车厂家比较常用的一种优化工具，是一个覆盖车身设计、零部件制造和装配全过程的概念。在设计阶段，根据目标DTS、三维数模以及RPS的定义、按照预计装配顺序和供应商的生产水平将零件虚拟装配在一起并给定初始公差，设定公差分布方式（一般零件的公差都为正态分布），创建测量点，依据蒙特卡罗仿真技术来预估我们所关注部分的间隙面差分布状况，根据分析结果可以得到对我们关注的间隙面差影响较大的零部件公差的影响因子，通过调整这些因子的公差要求来提高产品质量，同时减小对结果影响不敏感的因子，放大这些要求，借以降低制造成本。其总体目标是为了保证最终制造完成的产品在外观质量和关键功能部位的尺寸质量满足客户要求。

理论依据

蒙特卡罗（Monte Carlo）方法也被称为“随机模拟方法”、随机抽样技术或统计试验方法。它的基本原理是首先建立一个概率模型或随机过程，使它的参数等于问题的解，然后通过对模型或者过程的观察或抽样试验来计算所求参数的统计特征，最后给出所求解的近似值。要抽样必须存在大量的产品，经过测量得出数据，这在以前的新产品研发过程中几乎无法实现。而现在用软件就可以通过随机产生一系列一定规律（如正态分布）零件公差数据来模拟DTS的最终结果，这样不仅节省了制作样件的巨额费用，而且在测量、统计及分析数据方面节省了大量时间和工具。随着计算机硬件配置的提高及软件开发技术的发展，该方法已经完全能够满足尺寸工程的需要。

软件基础

目前市场上的尺寸公差优化软件不太多，使用比较多的是基于CATIA软件开发的3DCS和基于NX软件开发的VSA，其基本原理都是蒙特卡罗方法，软件一般可以嵌套在三维软件内或者使用独立的版本再附加数据接口。

实施过程

1. 模型分析

根据初始目标需求DTS模板、公司目前制造能力（即能达到的加工精度）、车间生产现状以及时间计划等，通过三维数模逐件分析每个零件的生产过程，特别是装焊顺序和夹紧点。这需要有丰富经验的工艺工程师与尺寸工程师共同参与来确定；最终输出所有零件的RPS方案及初版GD&T图样。在此过程中，可能发现部分结构不利于最终产品的尺寸公差保证，需要产品设计人员确认是否需要改进结构，发现的问题填入公司统一的问题跟踪表以备查阅和跟踪。

2. 装配建模

使用尺寸工程软件，在改进后的产品数模上定义装配类型、装配顺序，并将上阶段的RPS基准及装夹位置体现在模型中；为每个零件增加尺寸公差和形位公差和分布，夹具可以用虚拟工装来体现，最终根据DTS要求在模型中增加测量点。在此过程中常用的数据格式有轻量化的JT数据，可以通过专用的转换器来得到，这种轻量化的数据能够加快模型的显示和运算速度。

3. 公差仿真分析

利用软件内部的算法得到我们所关注部位的尺寸波动状况，并通过柱状图、影响因子报告及表格等形式获得最终结果。

4. 调整公差设置并更新输出文件

对达不到要求的部位，适当减小关键影响因子的公差后重新仿真对比，同时放大部分影响不大的尺寸公差。参考实际加工水平，实际无法减小公差的，考虑是否放松要求或者修改结构。最后更新GD&T图样，这个过程可能会重复多次。

5.将优化结果提交模具、工装夹具和检具供应商

把优化后的结果整理成标准格式后发放到模具、检具和夹具供应商，让供应商按要求的定位基准来控制零件，保证所有供应商的定位基准能够统一，避免因不同生产阶段基准切换造成零件精度失控。主要的文件有：DTS图纸（控制截面图间隙、面差的名义值间隙和面差的公差）；RPS报告；GD&T图样（片件、小总成、进厂级别零件非重要功能形面、孔等的基础公差及定位基准）；GD&M测量计划（规定了检具或者三坐标检测的位置、理论数据及公差范围等内容）；分析报告、模型数据、更改及优化建议（零件结构、装配工艺、公差、基准策略和关键的特征列表）以及重点区域控制方案报告。 同时，尺寸工程提供的指导性文件（如RPS定位原则、测量计划和结构性建议）在产品正式投放市场后的日常生产中及下一代产品的研发中也能起到参考意义，对于企业来说，无疑是一种无形的资产。

结语

尺寸工程为后期模具和工装夹具的设计和制造提供了统一的标准，通过尺寸工程的实施，将我们的成本降到最低，同时避免了由于设计不合理造成的后期大成本整改投入和设计反复带来的项目延期。这些对于企业降低开发风险都是非常有利的。