一種基于CATIA DMU創(chuàng)建雨刮運(yùn)動(dòng)包絡(luò)的方法

陳耀

(寧波吉利汽車研究開(kāi)發(fā)有限公司長(zhǎng)興分公司，浙江湖州 313100)

0 引言

CATIA是一款由法國(guó)達(dá)索公司開(kāi)發(fā)的具有強(qiáng)大的三維數(shù)據(jù)模型建立能力的軟件。它被廣泛地應(yīng)用于汽車行業(yè)前期數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)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(shù)據(jù)的物理運(yùn)動(dòng)校核，具有的裝配、干涉檢查、機(jī)構(gòu)仿真、運(yùn)動(dòng)包絡(luò)等功能, 對(duì)樣車產(chǎn)品進(jìn)行虛擬的模仿和再現(xiàn), 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(luò)創(chuàng)建方法。

1 雨刮DMU創(chuàng)建預(yù)處理

創(chuàng)建雨刮系統(tǒng)的DMU，需要雨刮系統(tǒng)完整的CATIA數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的前風(fēng)擋玻璃數(shù)據(jù)。搜集完數(shù)據(jù)后，需對(duì)CATIA數(shù)據(jù)進(jìn)行分解處理。按照DMU創(chuàng)建的規(guī)則，將雨刮系統(tǒng)拆解成15個(gè)零部件，另加前風(fēng)擋玻璃零部件，總計(jì)16個(gè)零部件，由于右側(cè)刮臂刮片總成拆解與左側(cè)一致，故此處不再贅述。雨刮系統(tǒng)分解示意圖如圖1所示。

2 雨刮DMU創(chuàng)建詳解

數(shù)字模型運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)思想為：新建運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)→分析零部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系→定義運(yùn)動(dòng)副→定義驅(qū)動(dòng)源→生成運(yùn)動(dòng)包絡(luò)→運(yùn)動(dòng)包絡(luò)分析校核。下面將根據(jù)以上主導(dǎo)思想，對(duì)雨刮DMU的創(chuàng)建進(jìn)行詳細(xì)的闡述[2]。

圖1 雨刮系統(tǒng)分解示意

2.1 新建運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

打開(kāi)CATIA，在CATIA截面中點(diǎn)擊Start→Digital Mockup→DMU Kinematics，進(jìn)入DMU界面，如圖2所示。然后創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，設(shè)“Fixed Part”為首個(gè)運(yùn)動(dòng)副，可自定義命名(文中采用默認(rèn)命名Mechanism.1)，點(diǎn)擊第2節(jié)中分解的PART“雨刮電機(jī)”(因?yàn)橛旯坞姍C(jī)是靜態(tài)件)，命名為Mechanism.1的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)就創(chuàng)建成功了。之后的運(yùn)動(dòng)副都會(huì)存到該機(jī)構(gòu)中。

圖2 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)創(chuàng)建示意

2.2 分析零部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系

雨刮系統(tǒng)主要由雨刮電機(jī)及連桿總成以及左右側(cè)刮臂刮片總成組成。運(yùn)動(dòng)原理為雨刮電機(jī)輸出軸輸出轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)電機(jī)曲柄360°旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)與曲柄球頭相銜接的主動(dòng)側(cè)連桿，主動(dòng)側(cè)連桿和兩側(cè)的搖臂以及從動(dòng)側(cè)連桿組成四連桿機(jī)構(gòu)， 此四連桿機(jī)構(gòu)會(huì)以設(shè)定好的刮刷角循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，左右側(cè)搖臂帶動(dòng)與之匹配的輸出軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)刮臂刮片總成運(yùn)動(dòng)[3]。

2.3 定義運(yùn)動(dòng)副

(1)通過(guò)上文創(chuàng)建的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及分析的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，雨刮電機(jī)已被固定約束，此時(shí)應(yīng)創(chuàng)建雨刮電機(jī)曲柄與電機(jī)的運(yùn)動(dòng)副為“Revolute Joint”,它是通過(guò)軸線和面對(duì)兩個(gè)物體進(jìn)行約束，從而達(dá)到兩物體間相對(duì)旋轉(zhuǎn)的結(jié)果。約束雨刮電機(jī)輸出軸與曲柄軸線以及相應(yīng)的垂直面，即可完成曲柄與電機(jī)的運(yùn)動(dòng)副，如圖3所示。

圖3 雨刮電機(jī)與曲柄運(yùn)動(dòng)副創(chuàng)建示意

(2)接下來(lái)定義電機(jī)曲柄與主驅(qū)動(dòng)連桿的運(yùn)動(dòng)副，電機(jī)曲柄上的球頭與驅(qū)動(dòng)連桿上的球碗組成了“Spherical Joint”,通過(guò)約束球頭和球碗的中心點(diǎn)，即可完成，如圖4所示。(此時(shí)系統(tǒng)會(huì)提示DMU將不能再模擬運(yùn)動(dòng)了，這是由于自由度被放開(kāi)了，需通過(guò)更多的運(yùn)動(dòng)副來(lái)約束)。另一端的球頭與球碗采用相同的方式進(jìn)行約束。

(3)然后定義主驅(qū)動(dòng)連桿與左側(cè)搖臂的運(yùn)動(dòng)副，它們之前的能量是通過(guò)萬(wàn)向節(jié)原理傳遞的，故運(yùn)動(dòng)副為“Universal Joint”，它是通過(guò)軸線和軸線對(duì)兩個(gè)物體進(jìn)行約束，從而達(dá)到萬(wàn)向節(jié)的結(jié)果。 約束連桿的中心軸線與搖臂對(duì)應(yīng)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(cè)搖臂與從驅(qū)動(dòng)連桿的運(yùn)動(dòng)副也按此操作執(zhí)行，從驅(qū)動(dòng)連桿的球碗與兩側(cè)的球頭運(yùn)動(dòng)副參考第2.3節(jié)，四連桿機(jī)構(gòu)的DMU就基本全部創(chuàng)立完成。

(4)接下來(lái)，需定義搖臂與軸套之間的運(yùn)動(dòng)副。軸套是靜態(tài)件，搖臂及輸出軸總成以軸套軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故運(yùn)動(dòng)副為“Revolute Joint”,具體操作同第2.3節(jié)。軸套為靜態(tài)件，理應(yīng)采用“Fixed Part”把它固定住，但由于上文已固定了電機(jī)，且一個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)只能固定一個(gè)部件，故軸套只能與電機(jī)綁定，故采用的運(yùn)動(dòng)副為“Rigid Joint”，它是通過(guò)零部件和零部件對(duì)兩個(gè)物體進(jìn)行約束，從而達(dá)到兩物體合二為一的結(jié)果。左右兩側(cè)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(jī)構(gòu)只剩下的支撐桿，也為靜態(tài)件，操作同上。此時(shí)，電機(jī)及連桿機(jī)構(gòu)的DMU已全部創(chuàng)立完成，自由度為零(DOF=0)，系統(tǒng)會(huì)提示“The mechanism can be simulated”。

圖4 曲柄與主驅(qū)動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)副創(chuàng)建示意

圖5 主驅(qū)動(dòng)連桿與搖臂運(yùn)動(dòng)副創(chuàng)建示意

(5)然后，需定于刮臂刮片的運(yùn)動(dòng)副。上文已完成了左右輸出軸的運(yùn)動(dòng)模擬，由于刮臂臂座與輸出軸通過(guò)螺母緊固，臂座隨輸出軸旋轉(zhuǎn)，無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故為剛性連接，運(yùn)動(dòng)副為“Rigid Joint”，左右側(cè)臂座均采用此方式，即可完成臂座與輸出軸的運(yùn)動(dòng)副。

(6)刮桿由臂座驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，它倆之間的運(yùn)動(dòng)副為“Revolute Joint”，通過(guò)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(yùn)動(dòng)副。具體操作同第2.3節(jié)。刮桿與刮片總成的運(yùn)動(dòng)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(fēng)擋的運(yùn)動(dòng)副。刮片在前風(fēng)擋上做往復(fù)刮刷運(yùn)動(dòng)，由于DMU中無(wú)曲線在曲面上的運(yùn)動(dòng)副，故可將刮片簡(jiǎn)化成首尾兩點(diǎn)在前風(fēng)擋上來(lái)回運(yùn)動(dòng)，可用“Point Surface Joint”來(lái)約束，它是通過(guò)點(diǎn)和面對(duì)兩個(gè)物體進(jìn)行約束，從而達(dá)到物體通過(guò)一點(diǎn)在面上運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。找到刮片與前風(fēng)擋相交的首尾兩點(diǎn)，分別約束該運(yùn)動(dòng)副，即可完成約束，如圖6所示。最后，由于前風(fēng)擋是靜態(tài)件，需對(duì)其進(jìn)行固定，可采用“Rigid Joint”與電機(jī)剛性連接在一起。

圖6 刮片與前風(fēng)擋運(yùn)動(dòng)副創(chuàng)建示意

2.4 定義驅(qū)動(dòng)源

經(jīng)過(guò)第2.3節(jié)的定義和操作，雨刮系統(tǒng)整體的DMU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)全部建立完成。若要完成運(yùn)動(dòng)模擬，還需定義驅(qū)動(dòng)源。經(jīng)上文分析，雨刮系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)源為雨刮電機(jī)，在DMU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，體現(xiàn)在雨刮電機(jī)與電機(jī)曲柄的運(yùn)動(dòng)副中。該運(yùn)動(dòng)副中需選中“Angle driven”,定義驅(qū)動(dòng)源的旋轉(zhuǎn)角度何旋轉(zhuǎn)方向，如圖7所示。

以上步驟完成后，點(diǎn)擊剛剛創(chuàng)建的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，輸入運(yùn)動(dòng)角度，即可初步查看運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，如圖8所示。

圖7 驅(qū)動(dòng)源創(chuàng)建示意

圖8 運(yùn)動(dòng)包絡(luò)示意

在CATIA中，動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)軌跡，也可通過(guò)測(cè)量工具，進(jìn)行局部區(qū)域的間隙校核。具體如下：

Step1 先測(cè)量雨刮在?？课粫r(shí)，目標(biāo)區(qū)域與周圍環(huán)境件的距離，此處以刮臂的彈簧與前風(fēng)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(diǎn)擊之前已創(chuàng)建的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)“Mechanism.1”，點(diǎn)擊彈出的對(duì)話框中的“Activate Sensors”,出現(xiàn)如圖10所示的對(duì)話框，此步驟可以捕捉整體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的間隙情況。點(diǎn)擊左側(cè)對(duì)話框中的目標(biāo)測(cè)量值，框中對(duì)應(yīng)右側(cè)的標(biāo)注由“No”變?yōu)椤癥es”，即表示該測(cè)量值被選中。

圖9 刮臂彈簧與前風(fēng)擋間隙示意

圖10 運(yùn)動(dòng)過(guò)程間隙捕捉示意

Step3 執(zhí)行DMU運(yùn)動(dòng)模擬，模擬結(jié)束后，圖10的“History”欄中會(huì)顯示該測(cè)量值在模擬運(yùn)動(dòng)中的數(shù)值，工程師可以通過(guò)這些數(shù)值，識(shí)別該測(cè)量值是否有風(fēng)險(xiǎn)。文中提及的彈簧與前風(fēng)擋的間隙，在全運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最小的間隙為14.75 mm，根據(jù)動(dòng)態(tài)件與靜態(tài)件之間的通用間隙要求10 mm評(píng)價(jià)，可判定該區(qū)域無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 生成運(yùn)動(dòng)包絡(luò)

文中所示的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)為動(dòng)態(tài)的模擬，測(cè)量點(diǎn)僅為有限的區(qū)域，設(shè)計(jì)工程師無(wú)法進(jìn)行全面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)校核，故還需生成靜態(tài)的包絡(luò)數(shù)據(jù)。

(1) 點(diǎn)擊“Simulation”,選中跳出的對(duì)話框中前面創(chuàng)建的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)“Mechanism.1”，跳出如圖11對(duì)話框，快速拖動(dòng)左側(cè)對(duì)話框的進(jìn)度條往返一次，然后點(diǎn)擊右側(cè)對(duì)話框“Insert”按鈕，進(jìn)行錄制。完成后CATIA結(jié)構(gòu)樹(shù)上會(huì)新增“Simulation”的幾何集。

圖11 運(yùn)動(dòng)軌跡錄制示意

(2) 然后點(diǎn)擊“Compile Simulation”,點(diǎn)擊彈出來(lái)的對(duì)話框下方的OK鍵，重放文件就生成了，如圖12所示。點(diǎn)擊結(jié)構(gòu)樹(shù)中的“Reply”，即可連續(xù)播放運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖12 連續(xù)播放運(yùn)動(dòng)軌跡創(chuàng)建示意

(3) 點(diǎn)擊“Swept Volume”，選擇想要生成的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，即可生成CGR格式的數(shù)據(jù)，然后在“Assembly Design”模塊中導(dǎo)入，即可生成靜態(tài)的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，如圖13所示。

圖13 靜態(tài)運(yùn)動(dòng)包絡(luò)示意

2.6 運(yùn)動(dòng)包絡(luò)分析校核

在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)包絡(luò)分析校核之前，需先識(shí)別和搜集雨刮系統(tǒng)的周圍環(huán)境零部件。根據(jù)雨刮連桿機(jī)構(gòu)安裝的位置，可識(shí)別流水槽鈑金、通風(fēng)蓋板及角飾、發(fā)蓋內(nèi)外板、側(cè)邊縱梁鈑金、前風(fēng)擋、A柱鈑金等零部件，這些均對(duì)雨刮的布置有較大的影響。在前期設(shè)計(jì)的階段，雨刮工程師需與各方工程師保持及時(shí)溝通，全面校核數(shù)據(jù)間隙。由于國(guó)內(nèi)各大主機(jī)廠及供應(yīng)商對(duì)雨刮與周邊件的間隙要求均不一致，故此處將不進(jìn)行具體數(shù)據(jù)校核示意。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中基于CATIA DMU模塊，對(duì)雨刮系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)的制作過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。由此可見(jiàn)CATIA DMU能對(duì)樣車產(chǎn)品進(jìn)行虛擬的模仿和再現(xiàn)，使其具有物理模型的特性，從而取物理模型，驗(yàn)證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)、工藝、制造等方面內(nèi)容的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品的真化進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬參數(shù)演算[4]，大大地提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率和品質(zhì)。