基于CATIA的汽車虛擬裝配分析

宋華

摘要：隨著計算機計算速度的不斷增加，虛擬裝配分析（Virtual Assembly Analysis ）也在汽車設計的初期階段起到了越來越大的作用，對提高汽車設計的效率，提早發現設計的問題，以及提高現場裝配的效率起到了很好的作用，所以越來越被應用到汽車行業的整車和零部件的設計中。本文主要介紹了虛擬裝配分析的基礎，和幾種常用的虛擬裝配分析的方式，以及現在的虛擬裝配所存在的局限性，和對未來的對這個問題的展望。

關鍵詞：CATIA;汽車裝配;虛擬裝配分析;專家系統

0? 引言

隨著計算機計算速度的不斷增加，虛擬裝配分析（Virtual Assembly Analysis）也在汽車設計的初期階段起到了越來越大的作用，對提高汽車設計的效率，提早發現設計的問題，以及提高現場裝配的效率起到了很好的作用，所以越來越被應用到汽車行業的整車和零部件的設計中。

本文根據工作中的實踐，探討了在汽車設計中虛擬裝配分析的幾種使用的方式。

1? 虛擬裝配分析的基礎

①完全的產品數據，包括所有的零件，周圍環境件。數據的完備是非常重要的，因為虛擬裝配是建立在數據的基礎上的，如果數據不全，就不能完全的模擬現場裝配的效果。通常是用CATIA 和SAP，把汽車上的所有的零件根據模塊用途分類分層放到一個結構樹上，以便可以隨時找到所需要的數據。就是在設計階段的早期，當數字不是很全面的時候，也必須對幾個重要的零件進行三維驗證。

②完整的3D標準件庫，其中必須包括各種螺釘，螺帽，夾子，等標準件。汽車的標準件，必須提前根據種類，建立三維數據庫。為了裝配的方便，一般會根據用途，盡量縮小螺釘的種類。

③完整的3D工具庫，包括各種裝配工具，套筒，連桿和手部，以及機械手，機器人，人體模型等等。

裝配汽車的工具，標準工裝，機械手，人體模型必須建立三維數據。以便隨時調用。

④建立裝配件的專家系統數據庫 ，由于每個件的用途，安裝順序和安裝要求都是不一樣的，每次裝車后所遇到的問題也是不一樣的，所以有必要建立一個專門的文件，記錄下該零件的一般的要求和特殊要求，和以往的經驗總結。

⑤軟件基礎 CATIA DMU，CATIA DMU中的軌跡，動態模擬，干涉檢查等功能是虛擬裝配分析的基礎。

⑥明確的裝配順序，由于每個總裝廠的產線基本是固定的，所以一般的裝配順序也是事先確定的。在做虛擬裝配分析之前必須對該件與周圍環境件的裝配的先后順序有一個明確的認識，并且找出裝配之前所有的環境件，這是一個虛擬裝配分析成功的基礎。

2? 虛擬裝配分析的幾種類型

①進行距離或者界面的距離測量，對比專家系統數據庫，進行關鍵的工藝相關的尺寸檢查。

一般的專家系統數據庫都會記錄與該零件裝配相關的重要尺寸。因此必須在3D數據中找到，并且檢查是否滿足要求。例如：玻璃的膠的搭接處的膠水的長度和寬度。

②進行切割或者截面觀察（動態或靜態），進行數據干涉檢查，主要是檢查當零件到達最終位置后，與其他零件不存在干涉，或者干涉在合理的范圍內。例如：調出大燈數據及周圍環境， 選中待檢查零件用DMU中的干涉檢查，檢查干涉情況。使用測量圖標，確認干涉量。

③創建路徑進行模擬產品安裝，判斷裝配的可行性。裝配路徑檢查中應該遵守的原則是：周圍環境不影響被裝零件的動態運動，且操作可見;零件動態運動中應與周圍環境保持至少5mm間隙，以減少裝配過程中零件劃傷的可能;被裝零件的重量應不超過8kg，否則需要使用機械手輔助操作工裝配;被裝零件需要提供抓取點以避免工人誤抓取損傷零件;被裝零件需要有導向和預掛功能。

因為一般零件都已經在位置上了，所以一般采取拆裝的方式，用計算機模擬拆裝零件從目標位置到離開車身的路徑，查看是否由干涉和其他的問題。

例如：門的玻璃升降器，首先應該在最終的位置上，然后通過軟件來模擬把它移動出門洞的過程，創建路徑，來判斷它的設計是否可裝配。

④使用數字化工具（參數：人，當地人口，百分比=50）， 人機工程分析，判斷裝配的容易程度。

裝配原則的總體人機工程原則：不要盲目操作;不要用手當作工具;設計零件時要避免引起受傷情況（比如對于隔熱板來說在線邊上掉落……）;取消需要身體擠壓來完成的布置工作;盡量通過卡緊而不是通過擰緊來設計固定件;根據唯一的一個軸確保零件的固定;設計時盡量讓一個操作工進行零件裝配;對于同一個多樣化的零件，要保證目視的區分（比如：主線束段的顏色區分）;避免在車輛光線昏暗區進行黑色固定件或零件的裝配：比如行李箱，儀表盤下部區域;對于同一個零件，提前考慮一個相同的裝配順序。

另外對于工人的工作的姿態：消除車身下部進行的操作：通過使用自動擰緊移除機械部件;消除在車輛軸線上進行的操作;消除在車輛上進行的操作，或者消除對姿勢有要求的操作;當進行裝配的結構件設計時，考慮操作工的接觸程度;合裝后為了實現車身和其他部件連接處的操作，要保持足夠的接觸程度（變速箱操作，暖風管，制動槽，電瓶……）。

對于大燈來說，主要是：

1）檢查左前大燈插接是否可見，空間是否足夠。模擬手的位置，檢查手部的操作空間是否足夠。2）檢查在插接的時候，插接是否是可見的，不是盲操作。同樣用DMU里的視覺功能可以實現。

⑤創建路徑模擬工藝工具的可使用空間（進入，擰緊開始和結束），工具空間檢查，判斷裝配的可行性。

工具的位置：

在某些情況下，手提式工具會進入一些對空間有限制的區域（比如：儀表板固定），這時就需要保證在裝配環境中這些工具的使用空間）;在進行裝配分析的時候，遵循保證規則;進入和取出時與環境間隙10mm，擰緊時與環境間隙5mm （擰緊開始到結束）;

例如：對于輪罩來說，首先調出工具和緊固件的數據，并且裝配到一起，然后將工具和緊固件一起移動到緊固的螺紋孔的位置，模擬實際的安裝過程，并觀察工具移動過程中是否和周圍環境件有干涉，或者空間比較小，有干涉的風險。

⑥在數字化框架中定位并使用工裝和工業化設備。

在汽車裝配的過程中，很多地方會應用到機械手，如儀表盤，門，備胎，座椅，前玻璃等等。所以在機械手的數據的幫助下，可以提前對裝配的可行性進行分析。帶機械手的零件進入車身時需保證與周圍環境有足夠的空間，且操作可見;機械手退出時需保證與周圍環境有足夠的空間。

例如儀表盤的安裝，必須檢查儀表盤進入車內和離開車身時，與周圍環境的空隙。

3? 虛擬裝配分析的局限性

①對于軟性的材料，還不能準確的判斷。例如座椅，隔音棉，地毯等等。

②對于有的安裝路徑，例如門鎖，如果只是使用DMU來做，效率很低，需要一步步的移動。可以開發一個二次開發來解決這個問題。

③對于力的方面，還沒有辦法模擬。

④對于小的公差，還不能完全的模擬。

4? 結論

虛擬裝配分析節省了設計的時間，提高了設計的效率，隨著計算機技術和人工智能的發展，新的手段在不斷的應用，例如VR，虛擬裝配分析的效率會能越來越高。

參考文獻：

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