基于CATIA的虛擬裝配方法及應(yīng)用

黃書(shū)珍

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基于CATIA的虛擬裝配方法及應(yīng)用

黃書(shū)珍

（華泰汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司上海研究院整車(chē)集成部，上海 201114）

文章通過(guò)CATIA軟件中對(duì)組合儀表總成虛擬裝配流程的模擬分析，論證了汽車(chē)產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段虛擬裝配的可行性和重要性，為工程設(shè)計(jì)人員提供了CATIA中虛擬環(huán)境下生成零部件拆裝軌跡，查找拆裝路徑、編輯拆裝軌跡節(jié)點(diǎn)的有效方法。并為總布置人員提供了一種應(yīng)用CATIA模擬裝配流程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)件合理布置的便捷方法。

CATIA；虛擬裝配；拆裝軌跡

前言

汽車(chē)整車(chē)研發(fā)設(shè)計(jì)階段，各零部件的布置位置不僅影響自身及周邊件的拆裝方便性，還影響整車(chē)的整體布局和裝配效率，甚至影響著零部件功能的實(shí)現(xiàn)及整車(chē)的性能，所以零部件的布置位置檢查和拆裝方便性分析是一項(xiàng)非常重要的工作，盡管在設(shè)計(jì)前期項(xiàng)目組會(huì)編制詳細(xì)的裝配流程圖，但在實(shí)際裝車(chē)階段依然會(huì)存在很多問(wèn)題，設(shè)計(jì)階段的虛擬裝配模擬就顯現(xiàn)出了重要性，我們可以通過(guò)在CATIA軟件中虛擬模擬零部件總成的裝配，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配流程的可行性校核及優(yōu)化，并合理布置零部件，進(jìn)而指導(dǎo)試制，本文以組合儀表總成的虛擬裝配和座椅及IP模塊的布置為例論述了零部件裝配流程模擬方法及其應(yīng)用。

1 建立零部件裝配運(yùn)動(dòng)軌跡

1.1 零部件及工具裝配

在設(shè)計(jì)初期，項(xiàng)目組應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征及功能要求編制初步的零部件裝配流程圖，用來(lái)規(guī)劃零部件3D數(shù)模的裝配序列和裝配路徑，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)階段的零部件裝配工作，也為我們利用CATIA虛擬裝配模擬提供了依據(jù)。裝配流程圖中應(yīng)體現(xiàn)各零部件的層級(jí)關(guān)系、零部件號(hào)、零部件名稱(chēng)、零部件數(shù)量、裝配順序，以方便整合數(shù)模。

按照初步的裝配流程圖，在CATIA軟件中將需要裝配模擬的部件總成的各個(gè)零部件一起裝配到同一個(gè)product文件中，如果有所需要使用的拆裝工具的3D數(shù)模，盡量將拆裝工具的數(shù)模也一起裝配進(jìn)來(lái)，這樣模擬流程分析更準(zhǔn)確。為減小數(shù)據(jù)量，提高運(yùn)行速度，數(shù)據(jù)可采用CGR格式。

1.2 生成運(yùn)動(dòng)軌跡

虛擬裝配的順序和路徑的生成要對(duì)虛擬環(huán)境中的裝配模型進(jìn)行人工拆卸操作，根據(jù)拆卸過(guò)程中產(chǎn)生的拆卸順序與拆卸路徑并基于可裝即可拆的假定，逆向跟蹤零件就可獲取模型的裝配順序和路徑。

在CATIA軟件中進(jìn)入DMUNavigator中的數(shù)字化裝配模塊，在出現(xiàn)的菜單中點(diǎn)擊命令“跟蹤”，如圖1紅色箭頭所指命令，點(diǎn)擊需要模擬裝配的組合儀表這個(gè)零件，羅盤(pán)即自動(dòng)移動(dòng)至組合儀表上并顯示綠色，如圖2所示，移動(dòng)羅盤(pán)至裝配路線(xiàn)方向（如果是沿坐標(biāo)軸方向移動(dòng)則不用移動(dòng)羅盤(pán)），拖動(dòng)羅盤(pán)移動(dòng)零部件至規(guī)定距離或旋轉(zhuǎn)角度，點(diǎn)記錄器中的“記錄”命令，如圖2中紅色箭頭所示，記錄下運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)。

圖1 模擬裝配路徑命令界面

圖2 記錄零件運(yùn)動(dòng)軌跡命令界面

點(diǎn)“播放器”中的參數(shù)，確定采樣步長(zhǎng)時(shí)間，即確定采樣頻率（采樣點(diǎn)數(shù)），希望采樣頻率高則采樣步長(zhǎng)設(shè)置小一些，希望采樣頻率低則采樣步長(zhǎng)設(shè)置大一些。如圖3所示，設(shè)置好采樣步長(zhǎng)后點(diǎn)“確定”按鈕，即出現(xiàn)組合儀表的運(yùn)動(dòng)軌跡線(xiàn)，如圖3中黑色線(xiàn)條所示，同時(shí)在左側(cè)裝配樹(shù)中的“應(yīng)用程序”對(duì)象下出現(xiàn)“模擬軌跡”，即建立了組合儀表的裝配模擬軌跡。

圖3 生成軌跡線(xiàn)界面

1.3 生成多個(gè)零部件的裝配運(yùn)動(dòng)軌跡

依據(jù)組合儀表總成的初步裝配流程圖，按上述方法依次做其他零部件的裝配運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖4中紅色箭頭指示的黑色線(xiàn)條即為各個(gè)零部件的運(yùn)動(dòng)軌跡線(xiàn)。

雙擊左側(cè)裝配樹(shù)中的任何一個(gè)零部件的模擬軌跡，在出現(xiàn)的“播放器”界面中點(diǎn)“播放”按鈕，零部件就可按照該運(yùn)動(dòng)軌跡做自動(dòng)安裝和拆解運(yùn)動(dòng)，而且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，可以暫停播放，用羅盤(pán)修正運(yùn)動(dòng)路徑，路徑修正后同樣需要錄像，這樣操作后就按修正的路徑生成了新的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖4 多個(gè)零部件的裝配軌跡

在生成零部件的裝配運(yùn)動(dòng)軌跡步驟中，有兩點(diǎn)需要注意，第一點(diǎn)：在做模擬軌跡之前需要將模塊中的干涉狀態(tài)定義為“碰撞檢測(cè)（關(guān)閉）”，這樣運(yùn)動(dòng)軌跡可以完全按照設(shè)定的路徑進(jìn)行自動(dòng)裝配。如果想觀(guān)察裝配過(guò)程中哪個(gè)位置干涉，可以將模塊中的干涉狀態(tài)定義為“碰撞檢測(cè)（打開(kāi)）”，但不能將干涉狀態(tài)定義為“碰撞檢測(cè)（停止）”，否則運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到干涉即停止運(yùn)動(dòng)了。第二點(diǎn)：每做一個(gè)裝配動(dòng)作必須要重復(fù)錄像，即重復(fù)點(diǎn)記錄器中的“記錄”命令，如果漏掉這一步，裝配軌跡則無(wú)法生成。

1.4 模擬運(yùn)動(dòng)過(guò)程中裝配件與周邊件間隙量化檢查

各個(gè)零部件的裝配運(yùn)動(dòng)軌跡做出來(lái)后，就可以利用其來(lái)檢查裝配件在拆裝運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與周邊件的動(dòng)態(tài)間隙了，首先用“距離和區(qū)域分析”命令測(cè)量需要拆裝運(yùn)動(dòng)模擬的零部件在初始位置與周邊件的靜態(tài)間隙，如圖5中紅色箭頭所指示的命令。然后雙擊裝配樹(shù)中已建立好的運(yùn)動(dòng)軌跡，在彈出的菜單中點(diǎn)擊“激活分析”，設(shè)定為圖6所示的界面，點(diǎn)“確定”，然后點(diǎn)“播放器”中的“向前播放”命令，即可測(cè)量出裝配件與周邊件的相對(duì)動(dòng)態(tài)間隙，如圖6左下方所示的分析信息，并可將該一系列動(dòng)態(tài)間隙輸出成EXCEL表格，方便保存?zhèn)洳椤?/p>

圖5 區(qū)域和距離分析界面

依次測(cè)量各個(gè)裝配件與周邊各個(gè)相鄰件的動(dòng)態(tài)間隙，將動(dòng)態(tài)間隙與裝配件的布置間隙目標(biāo)要求值進(jìn)行比較，判定裝配件與周邊相鄰件的間隙是否合適，從而判定該裝配路徑是否可行。間隙不符合要求則需要修改零部件數(shù)?；蛐薷难b配流程。

圖6 激活分析動(dòng)態(tài)間隙界面

2 自動(dòng)查找路徑

在裝配過(guò)程開(kāi)始也可以沿裝配方向先粗略地生成某個(gè)目標(biāo)零部件的裝配軌跡，然后再運(yùn)用模塊中的自動(dòng)查找路徑命令，確定精確的裝配路徑，點(diǎn)擊命令“路徑查找器”，如圖7中紅色箭頭所示命令，點(diǎn)擊要查找路徑的軌跡，在出現(xiàn)的對(duì)話(huà)框中點(diǎn)“確定”，繼續(xù)在出現(xiàn)的對(duì)話(huà)框中點(diǎn)“應(yīng)用”，則上述步驟中的裝配對(duì)象出現(xiàn)沿已設(shè)定的軌跡做不干涉的調(diào)整運(yùn)動(dòng)，如圖8中的紅色點(diǎn)匯集成的曲線(xiàn)即為精確的運(yùn)動(dòng)路徑，運(yùn)動(dòng)到位后，雙擊裝配樹(shù)中的軌跡，點(diǎn)播放，即可查看該路徑。

圖7 自動(dòng)查找路徑命令界面

圖8 自動(dòng)查找路徑界面

3 運(yùn)動(dòng)軌跡按要求調(diào)整及排序

3.1 運(yùn)動(dòng)軌跡節(jié)點(diǎn)排序

CATIA中裝配模塊還可以對(duì)已生成的某個(gè)目標(biāo)零部件的裝配軌跡的順序重新進(jìn)行調(diào)整，點(diǎn)選圖9紅色箭頭所指示命令，并點(diǎn)選裝配樹(shù)中某個(gè)軌跡，即可對(duì)軌跡中某個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整前后如圖10所示，點(diǎn)擊“確定”，調(diào)整后的軌跡即為該零部件的新的裝配軌跡。這種操作可以使得零部件在空間狹小區(qū)域有效避開(kāi)與周邊零部件的干涉或改善與周邊件的間隙。

3.2 編輯裝配運(yùn)動(dòng)軌跡

該步驟可以對(duì)已經(jīng)生成的某個(gè)目標(biāo)零部件的裝配運(yùn)動(dòng)軌跡重新進(jìn)行編輯，生成新的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖11 編輯新軌跡界面

從目錄樹(shù)中雙擊某個(gè)零件的軌跡對(duì)象，單擊軌跡上某個(gè)節(jié)點(diǎn)，羅盤(pán)即自動(dòng)移動(dòng)到該節(jié)點(diǎn)，用羅盤(pán)調(diào)整該零部件的位置姿態(tài)，然后錄像，在此節(jié)點(diǎn)后生成新節(jié)點(diǎn)，新節(jié)點(diǎn)與下一節(jié)點(diǎn)默認(rèn)直接形成新的裝配軌跡，如圖11所示，也可以刪除該節(jié)點(diǎn)，刪除后相鄰的節(jié)點(diǎn)之間默認(rèn)直線(xiàn)連接形成新的裝配軌跡。

3.3 創(chuàng)建多個(gè)目標(biāo)零部件裝配順序

該步驟可以對(duì)多個(gè)目標(biāo)零部件的裝配順序進(jìn)行調(diào)整，生成新的裝配順序。

如圖12所示，點(diǎn)擊高亮顯示的“編輯序列”命令，圖中紅色箭頭所示命令，將出現(xiàn)的對(duì)話(huà)框左側(cè)列表中的動(dòng)作按照裝配順序依次加入裝配序列中，調(diào)整每個(gè)動(dòng)作的排序時(shí)間，確認(rèn)后生成裝配仿真序列，生成的裝配仿真序列可用于裝配視頻的錄制。

圖12 多個(gè)零部件裝配順序界面

4 裝配流程模擬方法的應(yīng)用

4.1 裝配模擬流程在座椅布置中的應(yīng)用

CATIA中裝配流程還可用于總布置設(shè)計(jì)中的運(yùn)動(dòng)件的布置及檢查，例如前排座椅的布置位置合理性檢查，該裝配流程在座椅布置中的應(yīng)用只關(guān)注座椅空間位置的合理性，不關(guān)注座椅安裝骨架的強(qiáng)度分析。

在零部件的布置工作中，零部件與周邊件的空間布置間隙是首先要關(guān)注的問(wèn)題，涉及到人機(jī)和安全等各個(gè)方面，座椅的布置空間間隙要關(guān)注以下因素：座椅總成與門(mén)護(hù)板和B柱的間隙，主要考慮座椅在各個(gè)有效位置上調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的操作方便性；座椅總成與副儀表板的間隙，主要考慮座椅在各個(gè)有效位置是否與儀表臺(tái)干涉而影響座椅正常調(diào)節(jié)。我們?cè)诓贾脮r(shí)不能只考慮座椅在極限位置與這些件的靜態(tài)間隙是否滿(mǎn)足要求，還要考慮座椅各向調(diào)節(jié)時(shí)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與這些件的動(dòng)態(tài)間隙是否滿(mǎn)足要求，利用上述CATIA中的模擬流程可快捷準(zhǔn)確地測(cè)量各個(gè)件的動(dòng)態(tài)間隙。

按照前面步驟1中所述建立座椅各向調(diào)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，測(cè)量座椅初始位置與周邊件的靜態(tài)間隙，并按照步驟1中所述做座椅各向軌跡的運(yùn)動(dòng)分析，測(cè)量運(yùn)動(dòng)過(guò)程中座椅的各個(gè)位置與周邊相鄰件的動(dòng)態(tài)間隙并輸出，根據(jù)測(cè)量的動(dòng)態(tài)間隙判斷座椅的物理布置位置的合理性。圖13所示為測(cè)量的座椅前后調(diào)節(jié)過(guò)程中與副儀表臺(tái)的動(dòng)態(tài)間隙，淺藍(lán)色座椅為初始位置狀態(tài)，棕色座椅為最前位置狀態(tài)，一般要求硬質(zhì)座椅面在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與副儀表臺(tái)的間隙≥10mm，軟包座椅面在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與副儀表臺(tái)的間隙≥5mm，最前位置與副儀表臺(tái)的間隙≥1mm。圖13所示，該軟包座椅面在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與副儀表臺(tái)的運(yùn)動(dòng)間隙＞10mm，符合要求。

在做這個(gè)運(yùn)動(dòng)分析時(shí)要注意安全帶帶扣的安裝位置，如果是安裝在座椅上的，需要分析安全帶帶扣在座椅調(diào)節(jié)過(guò)程中與副儀表臺(tái)的運(yùn)動(dòng)間隙，必須符合安全間隙要求。

同理分別測(cè)量出座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)初始位置與門(mén)護(hù)板及B柱的靜態(tài)間隙，然后按照前面步驟1做座椅各向軌跡的運(yùn)動(dòng)分析，測(cè)量運(yùn)動(dòng)過(guò)程中座椅的各個(gè)位置與門(mén)護(hù)板及B柱的動(dòng)態(tài)間隙并輸出，根據(jù)測(cè)量的動(dòng)態(tài)間隙判斷座椅的物理布置位置的合理性。在這個(gè)運(yùn)動(dòng)分析中主要考慮座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)下部的手握空間≥25mm，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的操作空間≥43mm，手部的深入間隙≥57mm。測(cè)量的運(yùn)動(dòng)間隙必須符合這些安全間隙要求。

圖13 測(cè)量座椅運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與副儀表臺(tái)運(yùn)動(dòng)間隙界面

4.2 裝配流程模擬方法在模塊化裝配中的應(yīng)用

上述模擬流程在IP模塊化虛擬安裝與座椅總成的虛擬安裝中運(yùn)用也比較多。

機(jī)械手運(yùn)送IP模塊進(jìn)入車(chē)內(nèi)，運(yùn)送過(guò)程中機(jī)械手及IP模塊與前門(mén)洞邊緣間隙目標(biāo)值＞50mm，20mm＜間隙＜50mm可以接受，如果＜20mm，風(fēng)險(xiǎn)較大，不可接受。滿(mǎn)足間隙的同時(shí)，IP模塊進(jìn)入車(chē)內(nèi)過(guò)程中的角度要滿(mǎn)足0°＜IP模塊＜90°，0°時(shí)進(jìn)入車(chē)內(nèi)是最佳狀態(tài)，在CATIA中按角度要求作出IP模塊自動(dòng)進(jìn)入車(chē)內(nèi)的裝配軌跡，并利用軌跡測(cè)量IP模塊進(jìn)入車(chē)內(nèi)過(guò)程中與門(mén)洞邊緣的間隙，與要求的間隙目標(biāo)值比對(duì)判斷IP模塊的裝配可行性。

機(jī)械手運(yùn)送座椅總成進(jìn)入車(chē)內(nèi)過(guò)程中與門(mén)洞鈑金止口的間隙目標(biāo)值＞50mm，20mm＜間隙＜50mm可以接受，如果＜20mm，風(fēng)險(xiǎn)較大，不可接受。在CATIA中作出座椅總成自動(dòng)進(jìn)入車(chē)內(nèi)的裝配軌跡，并利用軌跡測(cè)量座椅總成進(jìn)入車(chē)內(nèi)過(guò)程中與門(mén)洞止口的間隙，與要求的間隙目標(biāo)值比對(duì)判斷座椅總成的裝配可行性。

5 結(jié)論

在汽車(chē)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用CATIA軟件中DMU裝配模塊進(jìn)行零部件虛擬拆裝分析、工具使用方便性及運(yùn)動(dòng)件布置合理性分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)及裝配問(wèn)題，及時(shí)修改數(shù)據(jù)，有效提高實(shí)車(chē)試制時(shí)的裝配效率，降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，減少設(shè)計(jì)變更成本。

[1] 朱文華,馬登哲.虛擬裝配技術(shù)的應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究, 2004,20(6):48.

[2] 鄭德權(quán).汽車(chē)總裝工藝[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2012.

[3]張?jiān)平?胡海龍,喬建軍.CATIA V5R20高級(jí)應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社.2011.

[4]曹文剛,陳帝江.汽車(chē)部件虛擬裝配技術(shù)的研究[J].汽車(chē)工程, 2009, 31(6):563-564.

[5]李建廣,夏平均.虛擬裝配技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].航空制造技術(shù),2010(3).

The Virtual Assembly Method and Application Based on CATIA

Huang Shuzhen

（Integration department of Shanghai Research Institute, HawTai Motor group co. LTD, Shanghai 201114）

In this paper, the feasibility and importance of virtual assembly simulation in automobile product design stage are demonstrated through the simulation analysis of the virtual assembly process of composite instrument assembly in CATIA software.Based on the above analysis,this paper provides an effective method for engineering designers to generate auto parts assembling and disassembling tracks , find and edit its track nodes in CATIA virtual environment.It also provides the general layout personnel with a convenient method to arrange moving parts by using the simulated assembly process.

CATIA; The Virtual Assembly; Assembling and disassembling tracks

U466

A

1671-7988(2019)09-121-04

U466

A

1671-7988(2019)09-121-04

黃書(shū)珍（1971.10-），女，總布置設(shè)計(jì)師/工程師，就職于華泰汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司上海研究院，從事整車(chē)總布置研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.040