CATIA虚拟装配在汽车产品质量控制中的应用

赵开敏，董晓瑞，胡祝昌，李鹏，岳大兴，李常懿

(中北大学，山西太原030051)

1 虚拟装配背景及应用

在产品设计中，产品装配过程和仿真占有极为重要的位置。机械产品的配合性、可装配性和可维修性是设计人员常易出错的地方，以往要到产品开发的后期，或最后装配甚至在投入使用一段时间后才能发现，导致零件的报废和工期的延误。而虚拟装配技术在设计阶段就能检验产品结构设计是否合理、方便装配和维修。

虚拟装配 (Virtual Assembly)是虚拟现实在CAD/CAM中应用的一个重要领域。目前一般定义:虚拟装配是在产品设计过程中，为了更好地帮助进行与装配有关的设计决策，在虚拟环境下对计算机数据模型进行装配关系分析的一项计算机辅助设计技术。由以上的定义可以看出，虚拟装配横跨多个学科领域，是数门技术的综合应用。这些技术主要包括虚拟现实技术、高级可视化技术、仿真技术、决策技术、装配制造工艺及工具的开发等。文中具体分析Catia虚拟装配设计技术在汽车产品质量中的应用。

2 曲柄连杆机构

曲柄连杆机构 (图1)是往复式内燃机的主要工作机构。曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。在做功冲程，它将燃料燃烧产生的热能通过活塞往复运动、曲轴旋转运动而转变为机械能，对外输出动力;在其他冲程，则依靠曲柄和飞轮的转动惯性，通过连杆带动活塞上下运动，为下一次做功创造条件。

曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组三部分组成。

(1)机体组:气缸体、气缸垫、气缸盖、曲轴箱及油底壳。

(2)活塞连杆组:活塞、活塞环、活塞销、连杆。

(3)曲轴飞轮组:曲轴飞轮。

3 零部件模型建立

零部件模型的建立，是对构件进行虚拟装配及运动仿真的基础。常用的建模方法有两种:正向实体模型与逆向实体模型。前者主要用于结构较为简单、尺寸确定的情况，后者主要用于尺寸不易确定或曲面造型的情况。本例中的零部件结构较为简单，所以直接根据其预定尺寸建模即可，且这样制作的模型，与实物之间的偏差比较小。对于曲柄连杆机构而言，需要建立的主要零部件模型有活塞 (图2)、连杆 (图3)、曲轴(图4)。

4 虚拟装配

文中的曲柄连杆机构，通过CATIA装配设计 (Assembly Design)单元对其进行虚拟装配。对CATIA装配模块的使用，提出以下建议:(1)需装配零件较多时，可开启牛.cgr文件。该文件是用在复杂的大型装配中的一个可视化文件，其主要目的是为了减少数据量。它只显示零件的外观，而不调入零件的几何元素，可以对其装配结构进行编辑，而无法编辑其几何元素。如需编辑，双击即可。(2)虚拟装配中，零部件是被装配调用的，而不是被复制到装配件中。所以在零件设计模块中，或是在装配模块中修改零件的几何参数，都会引起彼此的参数变化。(3)建议不要依赖于使用约束进行装配，而是使用快速移动命令对零件进行定位。如有必要用约束装配时，也可以在定位完成后，删除约束，然后把组件固定在一起。有些零件虽然是装配关系，但他们的相对位置是固定不变的，或一个零件的位置、形状等需要参考其他零件设计。这种情况下，最佳的方案是直接把零件画在需要的位置上，这样既不用定位也不用约束，简洁美观。图6为曲柄连杆机构总体模型装配图。

5 虚拟装配的目的和意义

目前整车生产厂家对外购件外型质量的控制主要都只能通过CAD等一些二维软件来实现。但二维图纸的缺陷也是显而易见的，例如零部件的立体尺寸和零件之间的干涉情况，它都是不可预知的。相对二维图纸在汽车质量控制中的不足，文中提到的虚拟装配有如下特点:

(1)虚拟装配技术对于产品的合理设计，以及后续装配、检查及维修具有重要意义。

(2)讨论分析了虚拟装配的特点，分析表明借助虚拟装配设计系统，在虚拟环境中使用各种装配工具对设计进行检验，可以预见装配系统的完善性。

【1】陈正鸣，吴玉光，范永法.虚拟现实在CAD/CAM中的应用［J］.计算机工程，1999(7).

【2】刘宏增，黄靖远.虚拟设计［M］.北京:机械工业出版社，1999.

【3】李志学，李若.CATIA实验教程［M］.北京:清华大学出版社，2004.

【4】孙桓，陈作模.机械原理［M］.北京:高等教育出版社，2001.