王 琛， 張樂平

(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)出現(xiàn)錯(cuò)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(shí)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(gè)作用：①通過對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(jì)者、工程師對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)有直觀地認(rèn)識(shí)，指導(dǎo)實(shí)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(shí)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(duì)DSG濕式雙離合器進(jìn)行裝配建模，而后應(yīng)用CATIA軟件對(duì)DSG濕式雙離合器進(jìn)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(gè)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(shí)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，模擬出虛擬的裝配環(huán)境，被用于驗(yàn)證裝配設(shè)計(jì)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(jì)者及早發(fā)現(xiàn)裝配中的問題，對(duì)裝配設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。在集成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，虛擬裝配仿真技術(shù)包含了設(shè)計(jì)和制造兩個(gè)方向。設(shè)計(jì)方向指的是產(chǎn)品的裝配建模，就是設(shè)計(jì)出能進(jìn)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(jì)技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)境結(jié)合起來的建模方式。其設(shè)計(jì)重點(diǎn)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(gè)零件，對(duì)零件三維建模的同時(shí)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(gè)零部件的設(shè)計(jì)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(diǎn)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(gè)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(jìn)行裝配路徑的分析和求解，生成一條無碰撞的從起點(diǎn)到終點(diǎn)的裝配路徑，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)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(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)，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(jī)械制造、消費(fèi)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(jì)與制造方向，CATIA軟件特有的DMU電子樣機(jī)模塊功能及虛擬制造技術(shù)更是推動(dòng)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(qiáng)大的功能，而且對(duì)每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)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(shí)體建模工具，而且是一個(gè)面向產(chǎn)品級(jí)的機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可以實(shí)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(jì)和裝配設(shè)計(jì)模塊，對(duì)DSG濕式雙離合器進(jìn)行裝配建模，產(chǎn)品裝配建模步驟如下。

運(yùn)行CATIA 軟件，進(jìn)入機(jī)械設(shè)計(jì)——零件設(shè)計(jì)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(diǎn)擊進(jìn)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(diǎn)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(jìn)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(diǎn)擊進(jìn)入陣列特征命令。設(shè)置陣列參數(shù)：實(shí)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(shí)體。同理可以繪出殼體外圈的凹槽和凹槽特征陣列后的實(shí)體。殼體的細(xì)節(jié)均通過草圖、凸臺(tái)、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(jìn)入機(jī)械設(shè)計(jì)——裝配設(shè)計(jì)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(duì)坐標(biāo)系的原點(diǎn)處。再次進(jìn)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(diǎn)擊移動(dòng)操作欄的移動(dòng)命令，選擇y方向進(jìn)行移動(dòng)，移動(dòng)到合適位置即可，為下步裝配約束做準(zhǔn)備。點(diǎn)擊相合約束，分別拾取兩個(gè)部件(外片殼體和油缸活塞)的軸線，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部件的軸線相重合，點(diǎn)擊更新操作，即可實(shí)現(xiàn)相合約束。點(diǎn)擊接觸約束，分別拾取殼體與油缸活塞相接觸的兩個(gè)平面。點(diǎn)擊更新操作，即可實(shí)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(shí)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(shí)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(jìn)行產(chǎn)品裝配規(guī)劃及動(dòng)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(dòng)畫[10]。該模塊整合了現(xiàn)在所有主流三維設(shè)計(jì)軟件的文件格式，可以動(dòng)態(tài)地查看裝配體的所有運(yùn)動(dòng)，并且可以對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢查和間隙檢測。DMU Navigator模塊容易學(xué)習(xí)，動(dòng)畫制作效果流暢，且簡單便捷。

產(chǎn)品的裝配規(guī)劃是對(duì)模型對(duì)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(shí)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(cuò)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(shí)，通過DMU Navigator模塊的可視化動(dòng)態(tài)效果實(shí)時(shí)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(dòng)畫展示步驟如下。

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

圖5 跟蹤移動(dòng)部件

圖6 序列編輯

4 結(jié)論

虛擬裝配是指在虛擬現(xiàn)實(shí)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(diǎn)，模擬出虛擬的裝配環(huán)境，可視化地展示裝配過程，用于驗(yàn)證裝配設(shè)計(jì)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(duì)DSG濕式雙離合器進(jìn)行裝配建模，而后應(yīng)用CATIA軟件對(duì)DSG濕式雙離合器進(jìn)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(gè)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)。