趙開敏，董曉瑞，胡祝昌，李鵬，岳大興，李常懿

(中北大學(xué)，山西太原030051)

1 虛擬裝配背景及應(yīng)用

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品裝配過程和仿真占有極為重要的位置。機(jī)械產(chǎn)品的配合性、可裝配性和可維修性是設(shè)計(jì)人員常易出錯(cuò)的地方，以往要到產(chǎn)品開發(fā)的后期，或最后裝配甚至在投入使用一段時(shí)間后才能發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致零件的報(bào)廢和工期的延誤。而虛擬裝配技術(shù)在設(shè)計(jì)階段就能檢驗(yàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理、方便裝配和維修。

虛擬裝配 (Virtual Assembly)是虛擬現(xiàn)實(shí)在CAD/CAM中應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。目前一般定義:虛擬裝配是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，為了更好地幫助進(jìn)行與裝配有關(guān)的設(shè)計(jì)決策，在虛擬環(huán)境下對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行裝配關(guān)系分析的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)。由以上的定義可以看出，虛擬裝配橫跨多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，是數(shù)門技術(shù)的綜合應(yīng)用。這些技術(shù)主要包括虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、高級(jí)可視化技術(shù)、仿真技術(shù)、決策技術(shù)、裝配制造工藝及工具的開發(fā)等。文中具體分析Catia虛擬裝配設(shè)計(jì)技術(shù)在汽車產(chǎn)品質(zhì)量中的應(yīng)用。

2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)

曲柄連桿機(jī)構(gòu) (圖1)是往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的主要工作機(jī)構(gòu)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換的主要運(yùn)動(dòng)零件。在做功沖程，它將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能通過活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)、曲軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，對(duì)外輸出動(dòng)力;在其他沖程，則依靠曲柄和飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，通過連桿帶動(dòng)活塞上下運(yùn)動(dòng)，為下一次做功創(chuàng)造條件。

曲柄連桿機(jī)構(gòu)由機(jī)體組、活塞連桿組、曲軸飛輪組三部分組成。

(1)機(jī)體組:氣缸體、氣缸墊、氣缸蓋、曲軸箱及油底殼。

(2)活塞連桿組:活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿。

(3)曲軸飛輪組:曲軸飛輪。

3 零部件模型建立

零部件模型的建立，是對(duì)構(gòu)件進(jìn)行虛擬裝配及運(yùn)動(dòng)仿真的基礎(chǔ)。常用的建模方法有兩種:正向?qū)嶓w模型與逆向?qū)嶓w模型。前者主要用于結(jié)構(gòu)較為簡單、尺寸確定的情況，后者主要用于尺寸不易確定或曲面造型的情況。本例中的零部件結(jié)構(gòu)較為簡單，所以直接根據(jù)其預(yù)定尺寸建模即可，且這樣制作的模型，與實(shí)物之間的偏差比較小。對(duì)于曲柄連桿機(jī)構(gòu)而言，需要建立的主要零部件模型有活塞 (圖2)、連桿 (圖3)、曲軸(圖4)。

4 虛擬裝配

文中的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，通過CATIA裝配設(shè)計(jì) (Assembly Design)單元對(duì)其進(jìn)行虛擬裝配。對(duì)CATIA裝配模塊的使用，提出以下建議:(1)需裝配零件較多時(shí)，可開啟牛.cgr文件。該文件是用在復(fù)雜的大型裝配中的一個(gè)可視化文件，其主要目的是為了減少數(shù)據(jù)量。它只顯示零件的外觀，而不調(diào)入零件的幾何元素，可以對(duì)其裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行編輯，而無法編輯其幾何元素。如需編輯，雙擊即可。(2)虛擬裝配中，零部件是被裝配調(diào)用的，而不是被復(fù)制到裝配件中。所以在零件設(shè)計(jì)模塊中，或是在裝配模塊中修改零件的幾何參數(shù)，都會(huì)引起彼此的參數(shù)變化。(3)建議不要依賴于使用約束進(jìn)行裝配，而是使用快速移動(dòng)命令對(duì)零件進(jìn)行定位。如有必要用約束裝配時(shí)，也可以在定位完成后，刪除約束，然后把組件固定在一起。有些零件雖然是裝配關(guān)系，但他們的相對(duì)位置是固定不變的，或一個(gè)零件的位置、形狀等需要參考其他零件設(shè)計(jì)。這種情況下，最佳的方案是直接把零件畫在需要的位置上，這樣既不用定位也不用約束，簡潔美觀。圖6為曲柄連桿機(jī)構(gòu)總體模型裝配圖。

5 虛擬裝配的目的和意義

目前整車生產(chǎn)廠家對(duì)外購件外型質(zhì)量的控制主要都只能通過CAD等一些二維軟件來實(shí)現(xiàn)。但二維圖紙的缺陷也是顯而易見的，例如零部件的立體尺寸和零件之間的干涉情況，它都是不可預(yù)知的。相對(duì)二維圖紙?jiān)谄囐|(zhì)量控制中的不足，文中提到的虛擬裝配有如下特點(diǎn):

(1)虛擬裝配技術(shù)對(duì)于產(chǎn)品的合理設(shè)計(jì)，以及后續(xù)裝配、檢查及維修具有重要意義。

(2)討論分析了虛擬裝配的特點(diǎn)，分析表明借助虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在虛擬環(huán)境中使用各種裝配工具對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)，可以預(yù)見裝配系統(tǒng)的完善性。

【1】陳正鳴，吳玉光，范永法.虛擬現(xiàn)實(shí)在CAD/CAM中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)工程，1999(7).

【2】劉宏增，黃靖遠(yuǎn).虛擬設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

【3】李志學(xué)，李若.CATIA實(shí)驗(yàn)教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

【4】孫桓，陳作模.機(jī)械原理［M］.北京:高等教育出版社，2001.