基于CATIA的汽車(chē)虛擬裝配分析

宋華

摘要：隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算速度的不斷增加，虛擬裝配分析（Virtual Assembly Analysis ）也在汽車(chē)設(shè)計(jì)的初期階段起到了越來(lái)越大的作用，對(duì)提高汽車(chē)設(shè)計(jì)的效率，提早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的問(wèn)題，以及提高現(xiàn)場(chǎng)裝配的效率起到了很好的作用，所以越來(lái)越被應(yīng)用到汽車(chē)行業(yè)的整車(chē)和零部件的設(shè)計(jì)中。本文主要介紹了虛擬裝配分析的基礎(chǔ)，和幾種常用的虛擬裝配分析的方式，以及現(xiàn)在的虛擬裝配所存在的局限性，和對(duì)未來(lái)的對(duì)這個(gè)問(wèn)題的展望。

關(guān)鍵詞：CATIA;汽車(chē)裝配;虛擬裝配分析;專(zhuān)家系統(tǒng)

0? 引言

隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算速度的不斷增加，虛擬裝配分析（Virtual Assembly Analysis）也在汽車(chē)設(shè)計(jì)的初期階段起到了越來(lái)越大的作用，對(duì)提高汽車(chē)設(shè)計(jì)的效率，提早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的問(wèn)題，以及提高現(xiàn)場(chǎng)裝配的效率起到了很好的作用，所以越來(lái)越被應(yīng)用到汽車(chē)行業(yè)的整車(chē)和零部件的設(shè)計(jì)中。

本文根據(jù)工作中的實(shí)踐，探討了在汽車(chē)設(shè)計(jì)中虛擬裝配分析的幾種使用的方式。

1? 虛擬裝配分析的基礎(chǔ)

①完全的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，包括所有的零件，周?chē)h(huán)境件。數(shù)據(jù)的完備是非常重要的，因?yàn)樘摂M裝配是建立在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的，如果數(shù)據(jù)不全，就不能完全的模擬現(xiàn)場(chǎng)裝配的效果。通常是用CATIA 和SAP，把汽車(chē)上的所有的零件根據(jù)模塊用途分類(lèi)分層放到一個(gè)結(jié)構(gòu)樹(shù)上，以便可以隨時(shí)找到所需要的數(shù)據(jù)。就是在設(shè)計(jì)階段的早期，當(dāng)數(shù)字不是很全面的時(shí)候，也必須對(duì)幾個(gè)重要的零件進(jìn)行三維驗(yàn)證。

②完整的3D標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，其中必須包括各種螺釘，螺帽，夾子，等標(biāo)準(zhǔn)件。汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)件，必須提前根據(jù)種類(lèi)，建立三維數(shù)據(jù)庫(kù)。為了裝配的方便，一般會(huì)根據(jù)用途，盡量縮小螺釘?shù)姆N類(lèi)。

③完整的3D工具庫(kù)，包括各種裝配工具，套筒，連桿和手部，以及機(jī)械手，機(jī)器人，人體模型等等。

裝配汽車(chē)的工具，標(biāo)準(zhǔn)工裝，機(jī)械手，人體模型必須建立三維數(shù)據(jù)。以便隨時(shí)調(diào)用。

④建立裝配件的專(zhuān)家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù) ，由于每個(gè)件的用途，安裝順序和安裝要求都是不一樣的，每次裝車(chē)后所遇到的問(wèn)題也是不一樣的，所以有必要建立一個(gè)專(zhuān)門(mén)的文件，記錄下該零件的一般的要求和特殊要求，和以往的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

⑤軟件基礎(chǔ) CATIA DMU，CATIA DMU中的軌跡，動(dòng)態(tài)模擬，干涉檢查等功能是虛擬裝配分析的基礎(chǔ)。

⑥明確的裝配順序，由于每個(gè)總裝廠的產(chǎn)線基本是固定的，所以一般的裝配順序也是事先確定的。在做虛擬裝配分析之前必須對(duì)該件與周?chē)h(huán)境件的裝配的先后順序有一個(gè)明確的認(rèn)識(shí)，并且找出裝配之前所有的環(huán)境件，這是一個(gè)虛擬裝配分析成功的基礎(chǔ)。

2? 虛擬裝配分析的幾種類(lèi)型

①進(jìn)行距離或者界面的距離測(cè)量，對(duì)比專(zhuān)家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行關(guān)鍵的工藝相關(guān)的尺寸檢查。

一般的專(zhuān)家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)都會(huì)記錄與該零件裝配相關(guān)的重要尺寸。因此必須在3D數(shù)據(jù)中找到，并且檢查是否滿足要求。例如：玻璃的膠的搭接處的膠水的長(zhǎng)度和寬度。

②進(jìn)行切割或者截面觀察（動(dòng)態(tài)或靜態(tài)），進(jìn)行數(shù)據(jù)干涉檢查，主要是檢查當(dāng)零件到達(dá)最終位置后，與其他零件不存在干涉，或者干涉在合理的范圍內(nèi)。例如：調(diào)出大燈數(shù)據(jù)及周?chē)h(huán)境， 選中待檢查零件用DMU中的干涉檢查，檢查干涉情況。使用測(cè)量圖標(biāo)，確認(rèn)干涉量。

③創(chuàng)建路徑進(jìn)行模擬產(chǎn)品安裝，判斷裝配的可行性。裝配路徑檢查中應(yīng)該遵守的原則是：周?chē)h(huán)境不影響被裝零件的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，且操作可見(jiàn);零件動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中應(yīng)與周?chē)h(huán)境保持至少5mm間隙，以減少裝配過(guò)程中零件劃傷的可能;被裝零件的重量應(yīng)不超過(guò)8kg，否則需要使用機(jī)械手輔助操作工裝配;被裝零件需要提供抓取點(diǎn)以避免工人誤抓取損傷零件;被裝零件需要有導(dǎo)向和預(yù)掛功能。

因?yàn)橐话懔慵家呀?jīng)在位置上了，所以一般采取拆裝的方式，用計(jì)算機(jī)模擬拆裝零件從目標(biāo)位置到離開(kāi)車(chē)身的路徑，查看是否由干涉和其他的問(wèn)題。

例如：門(mén)的玻璃升降器，首先應(yīng)該在最終的位置上，然后通過(guò)軟件來(lái)模擬把它移動(dòng)出門(mén)洞的過(guò)程，創(chuàng)建路徑，來(lái)判斷它的設(shè)計(jì)是否可裝配。

④使用數(shù)字化工具（參數(shù)：人，當(dāng)?shù)厝丝?，百分?50）， 人機(jī)工程分析，判斷裝配的容易程度。

裝配原則的總體人機(jī)工程原則：不要盲目操作;不要用手當(dāng)作工具;設(shè)計(jì)零件時(shí)要避免引起受傷情況（比如對(duì)于隔熱板來(lái)說(shuō)在線邊上掉落……）;取消需要身體擠壓來(lái)完成的布置工作;盡量通過(guò)卡緊而不是通過(guò)擰緊來(lái)設(shè)計(jì)固定件;根據(jù)唯一的一個(gè)軸確保零件的固定;設(shè)計(jì)時(shí)盡量讓一個(gè)操作工進(jìn)行零件裝配;對(duì)于同一個(gè)多樣化的零件，要保證目視的區(qū)分（比如：主線束段的顏色區(qū)分）;避免在車(chē)輛光線昏暗區(qū)進(jìn)行黑色固定件或零件的裝配：比如行李箱，儀表盤(pán)下部區(qū)域;對(duì)于同一個(gè)零件，提前考慮一個(gè)相同的裝配順序。

另外對(duì)于工人的工作的姿態(tài)：消除車(chē)身下部進(jìn)行的操作：通過(guò)使用自動(dòng)擰緊移除機(jī)械部件;消除在車(chē)輛軸線上進(jìn)行的操作;消除在車(chē)輛上進(jìn)行的操作，或者消除對(duì)姿勢(shì)有要求的操作;當(dāng)進(jìn)行裝配的結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，考慮操作工的接觸程度;合裝后為了實(shí)現(xiàn)車(chē)身和其他部件連接處的操作，要保持足夠的接觸程度（變速箱操作，暖風(fēng)管，制動(dòng)槽，電瓶……）。

對(duì)于大燈來(lái)說(shuō)，主要是：

1）檢查左前大燈插接是否可見(jiàn)，空間是否足夠。模擬手的位置，檢查手部的操作空間是否足夠。2）檢查在插接的時(shí)候，插接是否是可見(jiàn)的，不是盲操作。同樣用DMU里的視覺(jué)功能可以實(shí)現(xiàn)。

⑤創(chuàng)建路徑模擬工藝工具的可使用空間（進(jìn)入，擰緊開(kāi)始和結(jié)束），工具空間檢查，判斷裝配的可行性。

工具的位置：

在某些情況下，手提式工具會(huì)進(jìn)入一些對(duì)空間有限制的區(qū)域（比如：儀表板固定），這時(shí)就需要保證在裝配環(huán)境中這些工具的使用空間）;在進(jìn)行裝配分析的時(shí)候，遵循保證規(guī)則;進(jìn)入和取出時(shí)與環(huán)境間隙10mm，擰緊時(shí)與環(huán)境間隙5mm （擰緊開(kāi)始到結(jié)束）;

例如：對(duì)于輪罩來(lái)說(shuō)，首先調(diào)出工具和緊固件的數(shù)據(jù)，并且裝配到一起，然后將工具和緊固件一起移動(dòng)到緊固的螺紋孔的位置，模擬實(shí)際的安裝過(guò)程，并觀察工具移動(dòng)過(guò)程中是否和周?chē)h(huán)境件有干涉，或者空間比較小，有干涉的風(fēng)險(xiǎn)。

⑥在數(shù)字化框架中定位并使用工裝和工業(yè)化設(shè)備。

在汽車(chē)裝配的過(guò)程中，很多地方會(huì)應(yīng)用到機(jī)械手，如儀表盤(pán)，門(mén)，備胎，座椅，前玻璃等等。所以在機(jī)械手的數(shù)據(jù)的幫助下，可以提前對(duì)裝配的可行性進(jìn)行分析。帶機(jī)械手的零件進(jìn)入車(chē)身時(shí)需保證與周?chē)h(huán)境有足夠的空間，且操作可見(jiàn);機(jī)械手退出時(shí)需保證與周?chē)h(huán)境有足夠的空間。

例如儀表盤(pán)的安裝，必須檢查儀表盤(pán)進(jìn)入車(chē)內(nèi)和離開(kāi)車(chē)身時(shí)，與周?chē)h(huán)境的空隙。

3? 虛擬裝配分析的局限性

①對(duì)于軟性的材料，還不能準(zhǔn)確的判斷。例如座椅，隔音棉，地毯等等。

②對(duì)于有的安裝路徑，例如門(mén)鎖，如果只是使用DMU來(lái)做，效率很低，需要一步步的移動(dòng)。可以開(kāi)發(fā)一個(gè)二次開(kāi)發(fā)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

③對(duì)于力的方面，還沒(méi)有辦法模擬。

④對(duì)于小的公差，還不能完全的模擬。

4? 結(jié)論

虛擬裝配分析節(jié)省了設(shè)計(jì)的時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)的效率，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能的發(fā)展，新的手段在不斷的應(yīng)用，例如VR，虛擬裝配分析的效率會(huì)能越來(lái)越高。

參考文獻(xiàn)：

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