CATIA虛擬裝配在汽車產(chǎn)品質(zhì)量控制中的應用

趙開敏，董曉瑞，胡祝昌，李鵬，岳大興，李常懿

(中北大學，山西太原030051)

1 虛擬裝配背景及應用

在產(chǎn)品設計中，產(chǎn)品裝配過程和仿真占有極為重要的位置。機械產(chǎn)品的配合性、可裝配性和可維修性是設計人員常易出錯的地方，以往要到產(chǎn)品開發(fā)的后期，或最后裝配甚至在投入使用一段時間后才能發(fā)現(xiàn)，導致零件的報廢和工期的延誤。而虛擬裝配技術在設計階段就能檢驗產(chǎn)品結構設計是否合理、方便裝配和維修。

虛擬裝配 (Virtual Assembly)是虛擬現(xiàn)實在CAD/CAM中應用的一個重要領域。目前一般定義:虛擬裝配是在產(chǎn)品設計過程中，為了更好地幫助進行與裝配有關的設計決策，在虛擬環(huán)境下對計算機數(shù)據(jù)模型進行裝配關系分析的一項計算機輔助設計技術。由以上的定義可以看出，虛擬裝配橫跨多個學科領域，是數(shù)門技術的綜合應用。這些技術主要包括虛擬現(xiàn)實技術、高級可視化技術、仿真技術、決策技術、裝配制造工藝及工具的開發(fā)等。文中具體分析Catia虛擬裝配設計技術在汽車產(chǎn)品質(zhì)量中的應用。

2 曲柄連桿機構

曲柄連桿機構 (圖1)是往復式內(nèi)燃機的主要工作機構。曲柄連桿機構是發(fā)動機實現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換的主要運動零件。在做功沖程，它將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能通過活塞往復運動、曲軸旋轉(zhuǎn)運動而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，對外輸出動力;在其他沖程，則依靠曲柄和飛輪的轉(zhuǎn)動慣性，通過連桿帶動活塞上下運動，為下一次做功創(chuàng)造條件。

曲柄連桿機構由機體組、活塞連桿組、曲軸飛輪組三部分組成。

(1)機體組:氣缸體、氣缸墊、氣缸蓋、曲軸箱及油底殼。

(2)活塞連桿組:活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿。

(3)曲軸飛輪組:曲軸飛輪。

3 零部件模型建立

零部件模型的建立，是對構件進行虛擬裝配及運動仿真的基礎。常用的建模方法有兩種:正向?qū)嶓w模型與逆向?qū)嶓w模型。前者主要用于結構較為簡單、尺寸確定的情況，后者主要用于尺寸不易確定或曲面造型的情況。本例中的零部件結構較為簡單，所以直接根據(jù)其預定尺寸建模即可，且這樣制作的模型，與實物之間的偏差比較小。對于曲柄連桿機構而言，需要建立的主要零部件模型有活塞 (圖2)、連桿 (圖3)、曲軸(圖4)。

4 虛擬裝配

文中的曲柄連桿機構，通過CATIA裝配設計 (Assembly Design)單元對其進行虛擬裝配。對CATIA裝配模塊的使用，提出以下建議:(1)需裝配零件較多時，可開啟牛.cgr文件。該文件是用在復雜的大型裝配中的一個可視化文件，其主要目的是為了減少數(shù)據(jù)量。它只顯示零件的外觀，而不調(diào)入零件的幾何元素，可以對其裝配結構進行編輯，而無法編輯其幾何元素。如需編輯，雙擊即可。(2)虛擬裝配中，零部件是被裝配調(diào)用的，而不是被復制到裝配件中。所以在零件設計模塊中，或是在裝配模塊中修改零件的幾何參數(shù)，都會引起彼此的參數(shù)變化。(3)建議不要依賴于使用約束進行裝配，而是使用快速移動命令對零件進行定位。如有必要用約束裝配時，也可以在定位完成后，刪除約束，然后把組件固定在一起。有些零件雖然是裝配關系，但他們的相對位置是固定不變的，或一個零件的位置、形狀等需要參考其他零件設計。這種情況下，最佳的方案是直接把零件畫在需要的位置上，這樣既不用定位也不用約束，簡潔美觀。圖6為曲柄連桿機構總體模型裝配圖。

5 虛擬裝配的目的和意義

目前整車生產(chǎn)廠家對外購件外型質(zhì)量的控制主要都只能通過CAD等一些二維軟件來實現(xiàn)。但二維圖紙的缺陷也是顯而易見的，例如零部件的立體尺寸和零件之間的干涉情況，它都是不可預知的。相對二維圖紙在汽車質(zhì)量控制中的不足，文中提到的虛擬裝配有如下特點:

(1)虛擬裝配技術對于產(chǎn)品的合理設計，以及后續(xù)裝配、檢查及維修具有重要意義。

(2)討論分析了虛擬裝配的特點，分析表明借助虛擬裝配設計系統(tǒng)，在虛擬環(huán)境中使用各種裝配工具對設計進行檢驗，可以預見裝配系統(tǒng)的完善性。

【1】陳正鳴，吳玉光，范永法.虛擬現(xiàn)實在CAD/CAM中的應用［J］.計算機工程，1999(7).

【2】劉宏增，黃靖遠.虛擬設計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1999.

【3】李志學，李若.CATIA實驗教程［M］.北京:清華大學出版社，2004.

【4】孫桓，陳作模.機械原理［M］.北京:高等教育出版社，2001.