汽車虛擬裝配技術(shù)的研究

摘#8195;要 文中分析了汽車裝配技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，給出了虛擬裝配技術(shù)的一般過程，并且通過對汽車輪轂的虛擬裝配為例介紹了汽車虛擬裝配過程中三個重要階段的設(shè)計內(nèi)容。

關(guān)鍵詞 汽車；虛擬裝配；模塊化裝配

中圖分類號 U46 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)012-0162-01

隨著汽車工業(yè)的進(jìn)步，我國汽車零部件的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，汽車的裝配技術(shù)卻一直停滯不前，成為制約我國汽車業(yè)發(fā)展的主要因素。隨著國內(nèi)外競爭的激烈，汽車產(chǎn)業(yè)也正向著更高、更好的方向發(fā)展，汽車裝配生產(chǎn)的模塊化、自動化和汽車裝配生產(chǎn)管理的信息化已經(jīng)成為汽車裝配行業(yè)的主流。隨著計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，虛擬技術(shù)已經(jīng)滲入到各個領(lǐng)域，包括汽車裝配。汽車的虛擬裝配技術(shù)是集CAD技術(shù)、可視化技術(shù)和產(chǎn)品的裝配、制造、仿真為一體的綜合技術(shù)。

1 汽車裝配技術(shù)的發(fā)展

汽車制造業(yè)的發(fā)展帶動了汽車裝配技術(shù)的發(fā)展，隨著市場需求的不斷變化，汽車裝配業(yè)從傳統(tǒng)的的單一、大批量生產(chǎn)向多品種、中小批量轉(zhuǎn)變。隨著人們需求的提高，汽車裝配所需要安裝的零件數(shù)量不斷增多，安裝過程也趨于復(fù)雜化。隨著市場的變化，汽車裝配生產(chǎn)方式也向著更先進(jìn)的方向發(fā)展，即向著模塊

化、自動化裝配技術(shù)和柔性裝配系統(tǒng)和虛擬裝配技術(shù)發(fā)展。

1）汽車裝配生產(chǎn)模塊化，模塊化生產(chǎn)是隨著汽車需求量的增加發(fā)展起來的，它是將構(gòu)成汽車的零部件先進(jìn)行裝配使其成為一個完成的獨立的模塊，然后再將這些模塊安裝到車身上，即完成汽車的整車裝配。這樣原有汽車裝配生產(chǎn)線上的裝配轉(zhuǎn)移到線外進(jìn)行，從而簡化了線上裝配的工藝，節(jié)省了裝配時間，也大大提高了裝配的質(zhì)量。模塊化的裝配生產(chǎn)使得汽車零部件廠商參與到汽車的設(shè)計過程中，縮短了汽車的開發(fā)時間。例如，儀表板生產(chǎn)廠在生產(chǎn)汽車儀表的過程中不單是提供儀表板，還要將儀表、電子線束和儀表板上的電氣件和風(fēng)道等安裝在一起，成為一個完整的功能模塊。在全球競爭壓力下，生產(chǎn)模塊化是汽車裝配行業(yè)的一項重大變革。

2）柔性裝配系統(tǒng)。柔性裝配系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的一項新的自動裝配系統(tǒng)。它是隨著計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展而發(fā)展的， 在裝配過程中采用計算機(jī)控制的柔性裝配系統(tǒng)。由此發(fā)展起來的機(jī)器人、機(jī)械手和自動導(dǎo)向小車等先進(jìn)的自動化設(shè)備能夠完成復(fù)雜、繁重的裝配，而且能夠?qū)崿F(xiàn)裝配過程中的精確定位和安裝。寶馬汽車的裝配車間就采用了全自動的裝配方式，在裝配的過程中有六臺攝像機(jī)監(jiān)控裝配過程的進(jìn)行。機(jī)器人則按照預(yù)先編制好的工藝文件進(jìn)行安裝，計算機(jī)技術(shù)的精確定位使得這種柔性化的裝配安裝誤差限制在了0.15 mm之內(nèi)。這個裝配生產(chǎn)車間有60多個機(jī)械手工作，每個機(jī)械手負(fù)責(zé)不同的工作，包括：變速器的安裝、汽車座椅的安裝以及擋風(fēng)玻璃、汽車后橋和輪胎、蓄電池的安裝。自動導(dǎo)向小車則用來讀取標(biāo)識在零部件上的信息，通過程序控制汽車安裝、輸送的路線，并且實現(xiàn)安裝過程中的定位，自動導(dǎo)向小車的應(yīng)用提高了汽車裝配生產(chǎn)過程中的自動化水平，使得汽車裝配生產(chǎn)能夠滿足用戶個性化的需求。

3）汽車虛擬裝配系統(tǒng)。虛擬裝配是計算機(jī)輔助技術(shù)發(fā)展的一項最新成果，它徹底改變了汽車傳統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)和生產(chǎn)制造分離的模式。利用虛擬裝配技術(shù)，汽車在設(shè)計階段就可以直接檢測零部件間的干涉與否，進(jìn)而修改設(shè)計圖紙。這樣減少了汽車試制和試裝的時間，提高了汽車的設(shè)計周期，虛擬樣車的裝配還可以在虛擬環(huán)境下完成汽車各項功能的檢測，以及裝配生產(chǎn)線的模擬，使得生產(chǎn)過程可控化、精確化。虛擬裝配技術(shù)在提高勞動效率的同時，降低了汽車試制和試驗的成本，成為當(dāng)前汽車制造業(yè)中的主流模式。

2 虛擬裝配的工作內(nèi)容

1）虛擬裝配的一般過程。汽車的虛擬裝配不單單是汽車零部件模型的簡單堆砌，而是要求根據(jù)零部件間的約束條件和層次關(guān)系，在模擬現(xiàn)實的環(huán)境下進(jìn)行以系列的組裝。組裝的過程必須包括足夠的裝配信息，以用來判斷零部件的可裝配性，并且通過對零部件的公差分析來確定零部件間的裝配順序，和檢查各個部件間的裝配，對不合理的裝配進(jìn)行修改。虛擬裝配的工藝過程如圖1所示。

通常在虛擬裝配過程中，還要進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)干涉檢查，從而優(yōu)化裝配過程，裝配工藝規(guī)劃是汽車設(shè)計和汽車裝配之間的橋梁，因此在制定裝配工藝是要充分考慮零部件的裝配順序、裝配路徑和裝配模型的表示方法。

2）虛擬裝配檢查內(nèi)容。汽車零部件虛擬裝配后要進(jìn)行全面的檢查以確保汽車的安全運(yùn)行，其檢查內(nèi)容主要為以下幾方面：①數(shù)據(jù)模型的干涉檢查，包括數(shù)據(jù)的靜態(tài)和動態(tài)干涉檢查，其中靜態(tài)檢查要檢查汽車零件在裝配中空間位置的相互性，動態(tài)檢查則要先將運(yùn)動件的軌跡生成一系列的包絡(luò)面，再進(jìn)行包絡(luò)面之間的干涉檢查；②裝配順序的合理性檢查，裝配過程需要裝配工程師對汽車整車的結(jié)構(gòu)有深入的了解之后再制定合理的裝配順序。不合理的裝配往往會對汽車的裝配工作造成極大的影響，甚至使裝配無法進(jìn)行，因此，這一步的檢查工作變得非常重要；③裝配空間的檢查。汽車裝配過程中往往會用到各類緊固工具，裝配工具空間不足也會影響裝配工作的進(jìn)行，這時通過虛擬裝配試驗就可以及時調(diào)整零件的裝配特征、裝配順序或者更改零件清單上的工具以避免因裝配工具不合理造成的延誤工期；④裝配路徑的生成和裝配過程中的位置檢查。汽車裝配為一個整體后還要求能夠?qū)崿F(xiàn)零部件間的拆卸，因此虛擬裝配中就可以根據(jù)這一特點，采用逆向思維的方式確定零部件的安裝順序和安裝路徑。在安裝的過程中如果出現(xiàn)零部件間出現(xiàn)干涉或者間隙不足就要及時調(diào)整，如果仍然不能滿足裝配要求就要及時與設(shè)計工程師溝通，以確保零件安裝的可行性。

3 虛擬裝配實例分析

汽車的虛擬裝配是一項非常復(fù)雜的過程，現(xiàn)在以汽車輪轂的裝配過程為例介紹虛擬裝配技術(shù)的應(yīng)用。

1）汽車輪轂虛擬裝配設(shè)計的流程。在進(jìn)行輪轂虛擬裝配時，首先要根據(jù)汽車輪轂自身的特點對虛擬裝配的工藝進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計過程分為概念設(shè)計、總體設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計三個階段。在輪轂的概念設(shè)計階段要完成輪轂總體參數(shù)的設(shè)計，建立裝配之間的層次關(guān)系、約束關(guān)系和裝配環(huán)境的設(shè)置。這些準(zhǔn)備做好之后就可以進(jìn)行汽車輪轂的總體設(shè)計階段，建立汽車輪轂零部件裝配初始設(shè)計模型，并且進(jìn)行基礎(chǔ)裝配，分析其性能，如果能夠滿足裝配關(guān)系就進(jìn)行靜態(tài)干涉檢驗，如果不滿足則要返回重新進(jìn)行輪轂的基礎(chǔ)裝配。最后進(jìn)行輪轂的詳細(xì)設(shè)計階段，建立汽車輪轂零部件裝配的詳細(xì)設(shè)計模型，并進(jìn)行動態(tài)干涉檢查，在沒有干涉的情況下輸出設(shè)計結(jié)果。

2）汽車輪轂虛擬裝配過程。虛擬裝配首先要建立零部件的三維模型，目前常用的三維軟件包括PRO/E、UG以及catia等。建立好模型之后將其轉(zhuǎn)換為VDI格式文件輸入到Division Mockup 中[3]。這時汽車輪轂的各個組成零件之間是相互獨立的，沒有約束關(guān)系的，建立裝配約束迅速定義模型的約束狀態(tài)，使零部件模型在設(shè)計模型中的裝配關(guān)系得以保存。裝配過程中的要按照零件預(yù)先制定好的裝配順序進(jìn)行裝配，裝配完成后還要進(jìn)行零部件的干涉檢查，并且修整檢查中的出現(xiàn)的干涉，得到最終的輪轂裝配系統(tǒng)圖。

4 結(jié)論

虛擬裝配是汽車裝配生產(chǎn)中的一項新技術(shù)，并且在國內(nèi)外汽車裝配中得到了非常廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)的使用大大提高了汽車設(shè)計周期，減少了汽車新產(chǎn)品的開發(fā)成本，為企業(yè)獲得了更高的效益。虛擬裝配技術(shù)是利用計算機(jī)軟硬件為汽車裝配提供一個虛擬的環(huán)境，在這個虛擬環(huán)境中對汽車零部件進(jìn)行裝配并且進(jìn)行干涉檢查，并且對各個階段的設(shè)計結(jié)果進(jìn)行分析評估，進(jìn)而改進(jìn)設(shè)計，達(dá)到在虛擬環(huán)境中優(yōu)化設(shè)計的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]馮嵐.淺談汽車裝配生產(chǎn)新技術(shù).天津汽車，2006，4.

[2]趙榮遠(yuǎn).汽車虛擬裝配技術(shù)及其可裝配性評價分析.技術(shù)導(dǎo)向.

[3]曹文剛，陳帝江.汽車部件虛擬裝配技術(shù)的研究.汽車工程，2009，6.

作者簡介

劉冰，男，漢族，職稱：工程師，工作單位：機(jī)械工業(yè)第四設(shè)計研究院。