陳耀

(寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司長興分公司，浙江湖州 313100)

0 引言

CATIA是一款由法國達索公司開發(fā)的具有強大的三維數(shù)據(jù)模型建立能力的軟件。它被廣泛地應用于汽車行業(yè)前期數(shù)據(jù)開發(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)的物理運動校核，具有的裝配、干涉檢查、機構仿真、運動包絡等功能, 對樣車產(chǎn)品進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的雨刮包絡創(chuàng)建方法。

1 雨刮DMU創(chuàng)建預處理

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)以及相應的前風擋玻璃數(shù)據(jù)。搜集完數(shù)據(jù)后，需對CATIA數(shù)據(jù)進行分解處理。按照DMU創(chuàng)建的規(guī)則，將雨刮系統(tǒng)拆解成15個零部件，另加前風擋玻璃零部件，總計16個零部件，由于右側刮臂刮片總成拆解與左側一致，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)字模型運動的主導思想為：新建運動機構→分析零部件之間的運動關系→定義運動副→定義驅動源→生成運動包絡→運動包絡分析校核。下面將根據(jù)以上主導思想，對雨刮DMU的創(chuàng)建進行詳細的闡述[2]。

圖1 雨刮系統(tǒng)分解示意

2.1 新建運動機構

打開CATIA，在CATIA截面中點擊Start→Digital Mockup→DMU Kinematics，進入DMU界面，如圖2所示。然后創(chuàng)建運動機構，設“Fixed Part”為首個運動副，可自定義命名(文中采用默認命名Mechanism.1)，點擊第2節(jié)中分解的PART“雨刮電機”(因為雨刮電機是靜態(tài)件)，命名為Mechanism.1的運動機構就創(chuàng)建成功了。之后的運動副都會存到該機構中。

圖2 運動機構創(chuàng)建示意

2.2 分析零部件之間的運動關系

雨刮系統(tǒng)主要由雨刮電機及連桿總成以及左右側刮臂刮片總成組成。運動原理為雨刮電機輸出軸輸出轉矩，帶動電機曲柄360°旋轉，驅動與曲柄球頭相銜接的主動側連桿，主動側連桿和兩側的搖臂以及從動側連桿組成四連桿機構， 此四連桿機構會以設定好的刮刷角循環(huán)往復運動，左右側搖臂帶動與之匹配的輸出軸旋轉，從而帶動刮臂刮片總成運動[3]。

2.3 定義運動副

(1)通過上文創(chuàng)建的運動機構及分析的運動關系，雨刮電機已被固定約束，此時應創(chuàng)建雨刮電機曲柄與電機的運動副為“Revolute Joint”,它是通過軸線和面對兩個物體進行約束，從而達到兩物體間相對旋轉的結果。約束雨刮電機輸出軸與曲柄軸線以及相應的垂直面，即可完成曲柄與電機的運動副，如圖3所示。

圖3 雨刮電機與曲柄運動副創(chuàng)建示意

(2)接下來定義電機曲柄與主驅動連桿的運動副，電機曲柄上的球頭與驅動連桿上的球碗組成了“Spherical Joint”,通過約束球頭和球碗的中心點，即可完成，如圖4所示。(此時系統(tǒng)會提示DMU將不能再模擬運動了，這是由于自由度被放開了，需通過更多的運動副來約束)。另一端的球頭與球碗采用相同的方式進行約束。

(3)然后定義主驅動連桿與左側搖臂的運動副，它們之前的能量是通過萬向節(jié)原理傳遞的，故運動副為“Universal Joint”，它是通過軸線和軸線對兩個物體進行約束，從而達到萬向節(jié)的結果。 約束連桿的中心軸線與搖臂對應球頭的軸線，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。左側搖臂與從驅動連桿的運動副也按此操作執(zhí)行，從驅動連桿的球碗與兩側的球頭運動副參考第2.3節(jié)，四連桿機構的DMU就基本全部創(chuàng)立完成。

(4)接下來，需定義搖臂與軸套之間的運動副。軸套是靜態(tài)件，搖臂及輸出軸總成以軸套軸線做旋轉運動，故運動副為“Revolute Joint”,具體操作同第2.3節(jié)。軸套為靜態(tài)件，理應采用“Fixed Part”把它固定住，但由于上文已固定了電機，且一個運動機構只能固定一個部件，故軸套只能與電機綁定，故采用的運動副為“Rigid Joint”，它是通過零部件和零部件對兩個物體進行約束，從而達到兩物體合二為一的結果。左右兩側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，連桿機構只剩下的支撐桿，也為靜態(tài)件，操作同上。此時，電機及連桿機構的DMU已全部創(chuàng)立完成，自由度為零(DOF=0)，系統(tǒng)會提示“The mechanism can be simulated”。

圖4 曲柄與主驅動連桿運動副創(chuàng)建示意

圖5 主驅動連桿與搖臂運動副創(chuàng)建示意

(5)然后，需定于刮臂刮片的運動副。上文已完成了左右輸出軸的運動模擬，由于刮臂臂座與輸出軸通過螺母緊固，臂座隨輸出軸旋轉，無相對運動，故為剛性連接，運動副為“Rigid Joint”，左右側臂座均采用此方式，即可完成臂座與輸出軸的運動副。

(6)刮桿由臂座驅動旋轉，它倆之間的運動副為“Revolute Joint”，通過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，即可完成運動副。具體操作同第2.3節(jié)。刮桿與刮片總成的運動副也為“Revolute Joint”，可采用同樣的方式完成約束。

(7)然后，需定義刮片與前風擋的運動副。刮片在前風擋上做往復刮刷運動，由于DMU中無曲線在曲面上的運動副，故可將刮片簡化成首尾兩點在前風擋上來回運動，可用“Point Surface Joint”來約束，它是通過點和面對兩個物體進行約束，從而達到物體通過一點在面上運動的結果。找到刮片與前風擋相交的首尾兩點，分別約束該運動副，即可完成約束，如圖6所示。最后，由于前風擋是靜態(tài)件，需對其進行固定，可采用“Rigid Joint”與電機剛性連接在一起。

圖6 刮片與前風擋運動副創(chuàng)建示意

2.4 定義驅動源

經(jīng)過第2.3節(jié)的定義和操作，雨刮系統(tǒng)整體的DMU運動機構全部建立完成。若要完成運動模擬，還需定義驅動源。經(jīng)上文分析，雨刮系統(tǒng)的驅動源為雨刮電機，在DMU運動機構中，體現(xiàn)在雨刮電機與電機曲柄的運動副中。該運動副中需選中“Angle driven”,定義驅動源的旋轉角度何旋轉方向，如圖7所示。

以上步驟完成后，點擊剛剛創(chuàng)建的運動機構，輸入運動角度，即可初步查看運動包絡，如圖8所示。

圖7 驅動源創(chuàng)建示意

圖8 運動包絡示意

在CATIA中，動態(tài)的運動軌跡，也可通過測量工具，進行局部區(qū)域的間隙校核。具體如下：

Step1 先測量雨刮在停靠位時，目標區(qū)域與周圍環(huán)境件的距離，此處以刮臂的彈簧與前風擋的距離為示意，如圖9所示，?？课坏拈g隙為15.3 mm。

Step2 然后點擊之前已創(chuàng)建的運動機構“Mechanism.1”，點擊彈出的對話框中的“Activate Sensors”,出現(xiàn)如圖10所示的對話框，此步驟可以捕捉整體運動過程中的間隙情況。點擊左側對話框中的目標測量值，框中對應右側的標注由“No”變?yōu)椤癥es”，即表示該測量值被選中。

圖9 刮臂彈簧與前風擋間隙示意

圖10 運動過程間隙捕捉示意

Step3 執(zhí)行DMU運動模擬，模擬結束后，圖10的“History”欄中會顯示該測量值在模擬運動中的數(shù)值，工程師可以通過這些數(shù)值，識別該測量值是否有風險。文中提及的彈簧與前風擋的間隙，在全運動過程中最小的間隙為14.75 mm，根據(jù)動態(tài)件與靜態(tài)件之間的通用間隙要求10 mm評價，可判定該區(qū)域無風險。

2.5 生成運動包絡

文中所示的運動包絡為動態(tài)的模擬，測量點僅為有限的區(qū)域，設計工程師無法進行全面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)校核，故還需生成靜態(tài)的包絡數(shù)據(jù)。

(1) 點擊“Simulation”,選中跳出的對話框中前面創(chuàng)建的運動機構“Mechanism.1”，跳出如圖11對話框，快速拖動左側對話框的進度條往返一次，然后點擊右側對話框“Insert”按鈕，進行錄制。完成后CATIA結構樹上會新增“Simulation”的幾何集。

圖11 運動軌跡錄制示意

(2) 然后點擊“Compile Simulation”,點擊彈出來的對話框下方的OK鍵，重放文件就生成了，如圖12所示。點擊結構樹中的“Reply”，即可連續(xù)播放運動軌跡。

圖12 連續(xù)播放運動軌跡創(chuàng)建示意

(3) 點擊“Swept Volume”，選擇想要生成的運動包絡，即可生成CGR格式的數(shù)據(jù)，然后在“Assembly Design”模塊中導入，即可生成靜態(tài)的運動包絡，如圖13所示。

圖13 靜態(tài)運動包絡示意

2.6 運動包絡分析校核

在進行運動包絡分析校核之前，需先識別和搜集雨刮系統(tǒng)的周圍環(huán)境零部件。根據(jù)雨刮連桿機構安裝的位置，可識別流水槽鈑金、通風蓋板及角飾、發(fā)蓋內(nèi)外板、側邊縱梁鈑金、前風擋、A柱鈑金等零部件，這些均對雨刮的布置有較大的影響。在前期設計的階段，雨刮工程師需與各方工程師保持及時溝通，全面校核數(shù)據(jù)間隙。由于國內(nèi)各大主機廠及供應商對雨刮與周邊件的間隙要求均不一致，故此處將不進行具體數(shù)據(jù)校核示意。

3 結束語

文中基于CATIA DMU模塊，對雨刮系統(tǒng)的運動包絡的制作過程進行了詳細的闡述。由此可見CATIA DMU能對樣車產(chǎn)品進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，驗證產(chǎn)品的設計、運動、工藝、制造等方面內(nèi)容的產(chǎn)品開發(fā)技術，對產(chǎn)品的真化進行計算機模擬參數(shù)演算[4]，大大地提高了產(chǎn)品設計的效率和品質。