一種基于CATIA DMU創建雨刮運動包絡的方法

陳耀

(寧波吉利汽車研究開發有限公司長興分公司，浙江湖州 313100)

0 引言

CATIA是一款由法國達索公司開發的具有強大的三維數據模型建立能力的軟件。它被廣泛地應用于汽車行業前期數據開發和組裝模擬等方面。CATIA中自帶的DMU模塊(Digital Mock Up)能夠模擬三維數據的物理運動校核，具有的裝配、干涉檢查、機構仿真、運動包絡等功能, 對樣車產品進行虛擬的模仿和再現, 使其具有物理模型的特性[1]。文中將具體闡述一種基于DMU的雨刮包絡創建方法。

1 雨刮DMU創建預處理

創建雨刮系統的DMU，需要雨刮系統完整的CATIA數據以及相應的前風擋玻璃數據。搜集完數據后，需對CATIA數據進行分解處理。按照DMU創建的規則，將雨刮系統拆解成15個零部件，另加前風擋玻璃零部件，總計16個零部件，由于右側刮臂刮片總成拆解與左側一致，故此處不再贅述。雨刮系統分解示意圖如圖1所示。

2 雨刮DMU創建詳解

數字模型運動的主導思想為：新建運動機構→分析零部件之間的運動關系→定義運動副→定義驅動源→生成運動包絡→運動包絡分析校核。下面將根據以上主導思想，對雨刮DMU的創建進行詳細的闡述[2]。

圖1 雨刮系統分解示意

2.1 新建運動機構

打開CATIA，在CATIA截面中點擊Start→Digital Mockup→DMU Kinematics，進入DMU界面，如圖2所示。然后創建運動機構，設“Fixed Part”為首個運動副，可自定義命名(文中采用默認命名Mechanism.1)，點擊第2節中分解的PART“雨刮電機”(因為雨刮電機是靜態件)，命名為Mechanism.1的運動機構就創建成功了。之后的運動副都會存到該機構中。

圖2 運動機構創建示意

2.2 分析零部件之間的運動關系

雨刮系統主要由雨刮電機及連桿總成以及左右側刮臂刮片總成組成。運動原理為雨刮電機輸出軸輸出轉矩，帶動電機曲柄360°旋轉，驅動與曲柄球頭相銜接的主動側連桿，主動側連桿和兩側的搖臂以及從動側連桿組成四連桿機構， 此四連桿機構會以設定好的刮刷角循環往復運動，左右側搖臂帶動與之匹配的輸出軸旋轉，從而帶動刮臂刮片總成運動[3]。

2.3 定義運動副

(1)通過上文創建的運動機構及分析的運動關系，雨刮電機已被固定約束，此時應創建雨刮電機曲柄與電機的運動副為“Revolute Joint”,它是通過軸線和面對兩個物體進行約束，從而達到兩物體間相對旋轉的結果。約束雨刮電機輸出軸與曲柄軸線以及相應的垂直面，即可完成曲柄與電機的運動副，如圖3所示。

圖3 雨刮電機與曲柄運動副創建示意

(2)接下來定義電機曲柄與主驅動連桿的運動副，電機曲柄上的球頭與驅動連桿上的球碗組成了“Spherical Joint”,通過約束球頭和球碗的中心點，即可完成，如圖4所示。(此時系統會提示DMU將不能再模擬運動了，這是由于自由度被放開了，需通過更多的運動副來約束)。另一端的球頭與球碗采用相同的方式進行約束。

(3)然后定義主驅動連桿與左側搖臂的運動副，它們之前的能量是通過萬向節原理傳遞的，故運動副為“Universal Joint”，它是通過軸線和軸線對兩個物體進行約束，從而達到萬向節的結果。 約束連桿的中心軸線與搖臂對應球頭的軸線，定義球頭的軸線與連桿的中心線垂直，即可完成，如圖5所示。左側搖臂與從驅動連桿的運動副也按此操作執行，從驅動連桿的球碗與兩側的球頭運動副參考第2.3節，四連桿機構的DMU就基本全部創立完成。

(4)接下來，需定義搖臂與軸套之間的運動副。軸套是靜態件，搖臂及輸出軸總成以軸套軸線做旋轉運動，故運動副為“Revolute Joint”,具體操作同第2.3節。軸套為靜態件，理應采用“Fixed Part”把它固定住，但由于上文已固定了電機，且一個運動機構只能固定一個部件，故軸套只能與電機綁定，故采用的運動副為“Rigid Joint”，它是通過零部件和零部件對兩個物體進行約束，從而達到兩物體合二為一的結果。左右兩側的零部件均按照以上步驟操作，即可完成搖臂與軸套之間的約束。最后，連桿機構只剩下的支撐桿，也為靜態件，操作同上。此時，電機及連桿機構的DMU已全部創立完成，自由度為零(DOF=0)，系統會提示“The mechanism can be simulated”。

圖4 曲柄與主驅動連桿運動副創建示意

圖5 主驅動連桿與搖臂運動副創建示意

(5)然后，需定于刮臂刮片的運動副。上文已完成了左右輸出軸的運動模擬，由于刮臂臂座與輸出軸通過螺母緊固，臂座隨輸出軸旋轉，無相對運動，故為剛性連接，運動副為“Rigid Joint”，左右側臂座均采用此方式，即可完成臂座與輸出軸的運動副。

(6)刮桿由臂座驅動旋轉，它倆之間的運動副為“Revolute Joint”，通過約束臂座主插銷的軸線與刮桿與之匹配的軸線，以及兩者該軸線的中心面，即可完成運動副。具體操作同第2.3節。刮桿與刮片總成的運動副也為“Revolute Joint”，可采用同樣的方式完成約束。

(7)然后，需定義刮片與前風擋的運動副。刮片在前風擋上做往復刮刷運動，由于DMU中無曲線在曲面上的運動副，故可將刮片簡化成首尾兩點在前風擋上來回運動，可用“Point Surface Joint”來約束，它是通過點和面對兩個物體進行約束，從而達到物體通過一點在面上運動的結果。找到刮片與前風擋相交的首尾兩點，分別約束該運動副，即可完成約束，如圖6所示。最后，由于前風擋是靜態件，需對其進行固定，可采用“Rigid Joint”與電機剛性連接在一起。

圖6 刮片與前風擋運動副創建示意

2.4 定義驅動源

經過第2.3節的定義和操作，雨刮系統整體的DMU運動機構全部建立完成。若要完成運動模擬，還需定義驅動源。經上文分析，雨刮系統的驅動源為雨刮電機，在DMU運動機構中，體現在雨刮電機與電機曲柄的運動副中。該運動副中需選中“Angle driven”,定義驅動源的旋轉角度何旋轉方向，如圖7所示。

以上步驟完成后，點擊剛剛創建的運動機構，輸入運動角度，即可初步查看運動包絡，如圖8所示。

圖7 驅動源創建示意

圖8 運動包絡示意

在CATIA中，動態的運動軌跡，也可通過測量工具，進行局部區域的間隙校核。具體如下：

Step1 先測量雨刮在停靠位時，目標區域與周圍環境件的距離，此處以刮臂的彈簧與前風擋的距離為示意，如圖9所示，?？课坏拈g隙為15.3 mm。

Step2 然后點擊之前已創建的運動機構“Mechanism.1”，點擊彈出的對話框中的“Activate Sensors”,出現如圖10所示的對話框，此步驟可以捕捉整體運動過程中的間隙情況。點擊左側對話框中的目標測量值，框中對應右側的標注由“No”變為“Yes”，即表示該測量值被選中。

圖9 刮臂彈簧與前風擋間隙示意

圖10 運動過程間隙捕捉示意

Step3 執行DMU運動模擬，模擬結束后，圖10的“History”欄中會顯示該測量值在模擬運動中的數值，工程師可以通過這些數值，識別該測量值是否有風險。文中提及的彈簧與前風擋的間隙，在全運動過程中最小的間隙為14.75 mm，根據動態件與靜態件之間的通用間隙要求10 mm評價，可判定該區域無風險。

2.5 生成運動包絡

文中所示的運動包絡為動態的模擬，測量點僅為有限的區域，設計工程師無法進行全面系統的數據校核，故還需生成靜態的包絡數據。

(1) 點擊“Simulation”,選中跳出的對話框中前面創建的運動機構“Mechanism.1”，跳出如圖11對話框，快速拖動左側對話框的進度條往返一次，然后點擊右側對話框“Insert”按鈕，進行錄制。完成后CATIA結構樹上會新增“Simulation”的幾何集。

圖11 運動軌跡錄制示意

(2) 然后點擊“Compile Simulation”,點擊彈出來的對話框下方的OK鍵，重放文件就生成了，如圖12所示。點擊結構樹中的“Reply”，即可連續播放運動軌跡。

圖12 連續播放運動軌跡創建示意

(3) 點擊“Swept Volume”，選擇想要生成的運動包絡，即可生成CGR格式的數據，然后在“Assembly Design”模塊中導入，即可生成靜態的運動包絡，如圖13所示。

圖13 靜態運動包絡示意

2.6 運動包絡分析校核

在進行運動包絡分析校核之前，需先識別和搜集雨刮系統的周圍環境零部件。根據雨刮連桿機構安裝的位置，可識別流水槽鈑金、通風蓋板及角飾、發蓋內外板、側邊縱梁鈑金、前風擋、A柱鈑金等零部件，這些均對雨刮的布置有較大的影響。在前期設計的階段，雨刮工程師需與各方工程師保持及時溝通，全面校核數據間隙。由于國內各大主機廠及供應商對雨刮與周邊件的間隙要求均不一致，故此處將不進行具體數據校核示意。

3 結束語

文中基于CATIA DMU模塊，對雨刮系統的運動包絡的制作過程進行了詳細的闡述。由此可見CATIA DMU能對樣車產品進行虛擬的模仿和再現，使其具有物理模型的特性，從而取物理模型，驗證產品的設計、運動、工藝、制造等方面內容的產品開發技術，對產品的真化進行計算機模擬參數演算[4]，大大地提高了產品設計的效率和品質。