基于CATIA的汽車虛擬裝配分析

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 ）也在汽車設(shè)計(jì)的初期階段起到了越來越大的作用，對提高汽車設(shè)計(jì)的效率，提早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的問題，以及提高現(xiàn)場裝配的效率起到了很好的作用，所以越來越被應(yīng)用到汽車行業(yè)的整車和零部件的設(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，和對未來的對這個問題的展望。

關(guān)鍵詞：CATIA;汽車裝配;虛擬裝配分析;專家系統(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）也在汽車設(shè)計(jì)的初期階段起到了越來越大的作用，對提高汽車設(shè)計(jì)的效率，提早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的問題，以及提高現(xiàn)場裝配的效率起到了很好的作用，所以越來越被應(yīng)用到汽車行業(yè)的整車和零部件的設(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，周圍環(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)場裝配的效果。通常是用CATIA 和SAP，把汽車上的所有的零件根據(jù)模塊用途分類分層放到一個結(jié)構(gòu)樹上，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，也必須對幾個重要的零件進(jìn)行三維驗(yàn)證。

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

③完整的3D工具庫，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建立裝配件的專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫 ，由于每個件的用途，安裝順序和安裝要求都是不一樣的，每次裝車后所遇到的問題也是不一樣的，所以有必要建立一個專門的文件，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該件與周圍環(huán)境件的裝配的先后順序有一個明確的認(rèn)識，并且找出裝配之前所有的環(huán)境件，這是一個虛擬裝配分析成功的基礎(chǔ)。

2? 虛擬裝配分析的幾種類型

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

一般的專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫都會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度和寬度。

②進(jìn)行切割或者截面觀察（動態(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)及周圍環(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：周圍環(huán)境不影響被裝零件的動態(tài)運(yùn)動，且操作可見;零件動態(tài)運(yùn)動中應(yīng)與周圍環(huán)境保持至少5mm間隙，以減少裝配過程中零件劃傷的可能;被裝零件的重量應(yīng)不超過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)位置到離開車身的路徑，查看是否由干涉和其他的問題。

例如：門的玻璃升降器，首先應(yīng)該在最終的位置上，然后通過軟件來模擬把它移動出門洞的過程，創(chuàng)建路徑，來判斷它的設(shè)計(jì)是否可裝配。

④使用數(shù)字化工具（參數(shù)：人，當(dāng)?shù)厝丝冢俜直?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（比如對于隔熱板來說在線邊上掉落……）;取消需要身體擠壓來完成的布置工作;盡量通過卡緊而不是通過擰緊來設(shè)計(jì)固定件;根據(jù)唯一的一個軸確保零件的固定;設(shè)計(jì)時(shí)盡量讓一個操作工進(jìn)行零件裝配;對于同一個多樣化的零件，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，儀表盤下部區(qū)域;對于同一個零件，提前考慮一個相同的裝配順序。

另外對于工人的工作的姿態(tài)：消除車身下部進(jìn)行的操作：通過使用自動擰緊移除機(jī)械部件;消除在車輛軸線上進(jìn)行的操作;消除在車輛上進(jìn)行的操作，或者消除對姿勢有要求的操作;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，制動槽，電瓶……）。

對于大燈來說，主要是：

1）檢查左前大燈插接是否可見，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，插接是否是可見的，不是盲操作。同樣用DMU里的視覺功能可以實(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，手提式工具會進(jìn)入一些對空間有限制的區(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 （擰緊開始到結(jié)束）;

例如：對于輪罩來說，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到緊固的螺紋孔的位置，模擬實(shí)際的安裝過程，并觀察工具移動過程中是否和周圍環(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。

在汽車裝配的過程中，很多地方會應(yīng)用到機(jī)械手，如儀表盤，門，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，可以提前對裝配的可行性進(jìn)行分析。帶機(jī)械手的零件進(jìn)入車身時(shí)需保證與周圍環(huán)境有足夠的空間，且操作可見;機(jī)械手退出時(shí)需保證與周圍環(huán)境有足夠的空間。

例如儀表盤的安裝，必須檢查儀表盤進(jìn)入車內(nèi)和離開車身時(shí)，與周圍環(huán)境的空隙。

3? 虛擬裝配分析的局限性

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

②對于有的安裝路徑，例如門鎖，如果只是使用DMU來做，效率很低，需要一步步的移動。可以開發(fā)一個二次開發(fā)來解決這個問題。

③對于力的方面，還沒有辦法模擬。

④對于小的公差，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能越來越高。

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