基于CATIA軟件的產(chǎn)品虛擬裝配仿真應(yīng)用

王 琛， 張樂平

(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210037)

產(chǎn)品的裝配過程是產(chǎn)品制造過程的末端環(huán)節(jié)，其目的是將零散的部件安裝成完整的產(chǎn)品。在傳統(tǒng)的產(chǎn)品制造過程中，實際裝配過程容易出現(xiàn)兩類問題：一是產(chǎn)品的裝配設(shè)計出現(xiàn)錯誤，造成部件無法裝配成型；二是產(chǎn)品裝配過程規(guī)劃不合理，造成裝配過程繁瑣，裝配效率低下。這兩類問題都直接增加了產(chǎn)品開發(fā)的時間和成本。因此，產(chǎn)品虛擬裝配仿真是產(chǎn)品開發(fā)過程中必不可少的環(huán)節(jié)。產(chǎn)品虛擬裝配仿真有兩個作用：①通過對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動態(tài)虛擬裝配，展示產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中各零件結(jié)構(gòu)尺寸、位置關(guān)系和裝配關(guān)系，使設(shè)計者、工程師對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)有直觀地認識，指導(dǎo)實際裝配操作。②通過合理規(guī)劃裝配序列和裝配路徑，發(fā)現(xiàn)裝配過程中的干涉問題，優(yōu)化裝配方案，提高裝配效率，減少產(chǎn)品開發(fā)的時間和成本。本文將CATIA軟件各模塊功能結(jié)合應(yīng)用，首先應(yīng)用CATIA軟件對DSG濕式雙離合器進行裝配建模，而后應(yīng)用CATIA軟件對DSG濕式雙離合器進行裝配規(guī)劃。從產(chǎn)品的裝配建模和產(chǎn)品的裝配規(guī)劃兩個方向，探究基于CATIA軟件的產(chǎn)品虛擬裝配仿真應(yīng)用的可行性，以期為CATIA軟件在產(chǎn)品虛擬裝配仿真中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 虛擬裝配仿真技術(shù)

虛擬裝配是指在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下仿真裝配過程，是虛擬制造的重要組成部分。慮擬裝配充分利用了計算機輔助設(shè)計技術(shù)、計算機輔助制造技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)點，模擬出虛擬的裝配環(huán)境，被用于驗證裝配設(shè)計和操作過程的合理性，并可視化地展示裝配過程，以便設(shè)計者及早發(fā)現(xiàn)裝配中的問題，對裝配設(shè)計進行修改。在集成的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中，虛擬裝配仿真技術(shù)包含了設(shè)計和制造兩個方向。設(shè)計方向指的是產(chǎn)品的裝配建模，就是設(shè)計出能進行最佳裝配的產(chǎn)品。制造方向指的是產(chǎn)品的裝配規(guī)劃，就是通過合理的裝配規(guī)劃，將零散的部件裝配成產(chǎn)品，主要包括裝配序列規(guī)劃和裝配路徑規(guī)劃。

1.1 產(chǎn)品的裝配建模

產(chǎn)品的裝配建模和普通三維建模的區(qū)別在于，產(chǎn)品的裝配建模是將形式化的面向裝配設(shè)計技術(shù)與計算機輔助產(chǎn)品設(shè)計環(huán)境結(jié)合起來的建模方式。其設(shè)計重點是將產(chǎn)品分解為子系統(tǒng)，產(chǎn)生子裝配，直至分解成單個零件，對零件三維建模的同時兼顧零件與零件，零件和系統(tǒng)間的裝配位置和關(guān)系，最終使每個零部件的設(shè)計都滿足優(yōu)化裝配的需要。

1.2 產(chǎn)品的裝配規(guī)劃

產(chǎn)品的裝配規(guī)劃是將零散的部件裝配成產(chǎn)品整體的規(guī)劃過程，重點考慮產(chǎn)品裝配的規(guī)劃方案和操作步驟，主要包括裝配序列規(guī)劃和裝配路徑規(guī)劃。裝配序列規(guī)劃主要包括裝配序列的幾何可行性分析，裝配序列的幾何可行性分析指的是從幾何約束的角度分析，兩個裝配單元之間的裝配操作或分解操作不存在幾何位置上的干涉現(xiàn)象。裝配路徑規(guī)劃是在裝配建模和裝配序列的基礎(chǔ)上，充分利用裝配信息進行裝配路徑的分析和求解，生成一條無碰撞的從起點到終點的裝配路徑，從而達到優(yōu)化設(shè)計的效果。

1.3 CATIA軟件

CATIA軟件是集成CAD、CAM和CAE技術(shù)于一體的多功能軟件，有功能強大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點，這使得CATIA成為領(lǐng)先、主流的三維CAD解決方案，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、機械制造、消費品行業(yè)等領(lǐng)域。其集成解決方案覆蓋所有的產(chǎn)品設(shè)計與制造方向，CATIA軟件特有的DMU電子樣機模塊功能及虛擬制造技術(shù)更是推動著企業(yè)競爭力和生產(chǎn)力的提高。CATIA軟件不僅提供如此強大的功能，而且對每個工程師和設(shè)計者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用，迎合所有工業(yè)領(lǐng)域的大、中、小型企業(yè)需要。

2 基于CATIA軟件的產(chǎn)品裝配建模

產(chǎn)品裝配建模是產(chǎn)品虛擬裝配仿真的基礎(chǔ)，CATIA軟件不僅是一款實體建模工具，而且是一個面向產(chǎn)品級的機械設(shè)計系統(tǒng)，可以實現(xiàn)產(chǎn)品的裝配建模。本文以DSG濕式雙離合器為例，應(yīng)用CATIA軟件的零件設(shè)計和裝配設(shè)計模塊，對DSG濕式雙離合器進行裝配建模，產(chǎn)品裝配建模步驟如下。

運行CATIA 軟件，進入機械設(shè)計——零件設(shè)計模塊。以DSG濕式雙離合器的外片殼體零件為例，選中xy平面，點擊進入xy平面的草繪界面，在草繪工作區(qū)中繪制外片殼體零件的二維草繪圖形。退出二維草繪模式，點擊旋轉(zhuǎn)命令創(chuàng)建360°殼體的旋轉(zhuǎn)體，如圖1所示。選中zx平面并進入草繪模式，繪制二維草繪圖形以創(chuàng)建殼體內(nèi)圈凹槽。選定已繪制的凹槽特征，點擊進入陣列特征命令。設(shè)置陣列參數(shù)：實例為30，角度間距為12°，參考元素設(shè)置為zx平面，創(chuàng)建完陣列特征，得到包含內(nèi)圈凹槽特征的外片殼體實體。同理可以繪出殼體外圈的凹槽和凹槽特征陣列后的實體。殼體的細節(jié)均通過草圖、凸臺、凹槽、陣列繪制而成，外片殼體模型如圖2所示。

圖2 外片殼體模型

進入機械設(shè)計——裝配設(shè)計模塊。新建文件Product，插入現(xiàn)有部件，選擇所需裝配文件(外片殼體)，部件出現(xiàn)在相對坐標系的原點處。再次進入文件選擇界面，選擇所需裝配文件(油缸活塞)，部件出現(xiàn)在視口界面中，點擊移動操作欄的移動命令，選擇y方向進行移動，移動到合適位置即可，為下步裝配約束做準備。點擊相合約束，分別拾取兩個部件(外片殼體和油缸活塞)的軸線，實現(xiàn)兩個部件的軸線相重合，點擊更新操作，即可實現(xiàn)相合約束。點擊接觸約束，分別拾取殼體與油缸活塞相接觸的兩個平面。點擊更新操作，即可實現(xiàn)接觸約束裝配，拾取接觸約束裝配如圖3所示。重復(fù)上述操作，可以繼續(xù)實現(xiàn)膜片彈簧、內(nèi)片殼體、鋼片、摩擦片、外殼等部件的裝配。零部件裝配后拆開的爆炸圖如圖4所示，實現(xiàn)裝配后，保存為Product文件。

圖3 拾取接觸約束裝配

圖4 DSG濕式雙離合器零部件爆炸圖

3 基于CATIA軟件的產(chǎn)品裝配規(guī)劃

CATIA軟件中的數(shù)字化裝配——DMU Navigator模塊是基于三維數(shù)模進行產(chǎn)品裝配規(guī)劃及動畫展示的模塊，可以直接使用3D模型創(chuàng)建產(chǎn)品的裝配規(guī)劃方案、爆炸圖以及三維裝配動畫[10]。該模塊整合了現(xiàn)在所有主流三維設(shè)計軟件的文件格式，可以動態(tài)地查看裝配體的所有運動，并且可以對運動的零部件進行動態(tài)干涉檢查和間隙檢測。DMU Navigator模塊容易學(xué)習(xí)，動畫制作效果流暢，且簡單便捷。

產(chǎn)品的裝配規(guī)劃是對模型對象裝配序列和裝配路徑的特別展示。在DMU Navigator模塊中，產(chǎn)品的裝配規(guī)劃主要通過關(guān)鍵幀的編輯來實現(xiàn)，DMU Navigator模塊中常用關(guān)鍵幀為位置關(guān)鍵幀，位置關(guān)鍵幀的編輯是產(chǎn)品裝配規(guī)劃的基礎(chǔ)。產(chǎn)品裝配規(guī)劃中位置關(guān)鍵幀的設(shè)置需要依據(jù)產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)，以DSG濕式雙離合器模型為例，位置關(guān)鍵幀設(shè)置前需要充分考慮DSG濕式雙離合器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。按照“有順序拆解”的基本原則，DSG濕式雙離合器的拆解過程遵循從外往內(nèi)、從前至后的順序，從而避免裝配序列錯亂等問題的出現(xiàn)。DSG濕式雙離合器的拆解路徑以平移路徑為主，路徑編輯時，通過DMU Navigator模塊的可視化動態(tài)效果實時觀察干涉問題，以得到優(yōu)化的裝配路徑，產(chǎn)品的裝配規(guī)劃及動畫展示步驟如下。

運行CATIA 軟件，進入數(shù)字化裝配——DMU Navigator模塊。點擊DMU一般動畫中的跟蹤，選擇所需移動的部件(外片殼體)，該部件中心處出現(xiàn)可移動的相對坐標系，移動該坐標系至所需位置，點擊記錄，記錄下移動的路徑。同樣步驟繼續(xù)下個部件(油缸活塞)的跟蹤移動和記錄，跟蹤移動部件如圖5所示。同理，做好每個部件的跟蹤移動和記錄后，點擊序列編輯，會話中的工作指令是剛剛記錄完成的所有部件的移動追蹤。按實際裝配順序，點擊移動，將會話中的工作指令移入右側(cè)序列中的工作指令，編輯好所有序列后，點擊確認，序列編輯如圖6所示。制作視頻時，點擊工具，進入圖像——視頻模塊。錄制視頻時，首先打開播放器，點擊向前播放，此時播放器播放剛剛編輯好的裝配序列，點擊視頻錄制器中的開始錄制，而且可以點擊參數(shù)設(shè)置，自行修改動畫速度。動畫錄制輸出的格式、地址、動畫每秒楨速率則通過點擊視頻錄制器中設(shè)置視頻屬性來實現(xiàn)編輯。

圖5 跟蹤移動部件

圖6 序列編輯

4 結(jié)論

虛擬裝配是指在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下仿真裝配過程，是虛擬制造的重要組成部分。虛擬裝配仿真利用了CAD、CAM和VR技術(shù)的優(yōu)點，模擬出虛擬的裝配環(huán)境，可視化地展示裝配過程，用于驗證裝配設(shè)計和操作過程的合理性，有利于優(yōu)化裝配方案，提高裝配效率。本文將CATIA軟件各模塊功能結(jié)合應(yīng)用，首先應(yīng)用CATIA軟件對DSG濕式雙離合器進行裝配建模，而后應(yīng)用CATIA軟件對DSG濕式雙離合器進行裝配規(guī)劃。從產(chǎn)品的裝配建模和產(chǎn)品的裝配規(guī)劃兩個方向，探究基于CATIA軟件的產(chǎn)品虛擬裝配仿真應(yīng)用的可行性，以期為CATIA軟件在產(chǎn)品虛擬裝配仿真中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。