汽车虚拟装配技术的研究

摘 要 文中分析了汽车装配技术的发展状况，给出了虚拟装配技术的一般过程，并且通过对汽车轮毂的虚拟装配为例介绍了汽车虚拟装配过程中三个重要阶段的设计内容。

关键词 汽车；虚拟装配；模块化装配

中图分类号 U46 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)012-0162-01

随着汽车工业的进步，我国汽车零部件的生产技术已经达到世界先进水平，汽车的装配技术却一直停滞不前，成为制约我国汽车业发展的主要因素。随着国内外竞争的激烈，汽车产业也正向着更高、更好的方向发展，汽车装配生产的模块化、自动化和汽车装配生产管理的信息化已经成为汽车装配行业的主流。随着计算机科学的发展，虚拟技术已经渗入到各个领域，包括汽车装配。汽车的虚拟装配技术是集CAD技术、可视化技术和产品的装配、制造、仿真为一体的综合技术。

1 汽车装配技术的发展

汽车制造业的发展带动了汽车装配技术的发展，随着市场需求的不断变化，汽车装配业从传统的的单一、大批量生产向多品种、中小批量转变。随着人们需求的提高，汽车装配所需要安装的零件数量不断增多，安装过程也趋于复杂化。随着市场的变化，汽车装配生产方式也向着更先进的方向发展，即向着模块

化、自动化装配技术和柔性装配系统和虚拟装配技术发展。

1）汽车装配生产模块化，模块化生产是随着汽车需求量的增加发展起来的，它是将构成汽车的零部件先进行装配使其成为一个完成的独立的模块，然后再将这些模块安装到车身上，即完成汽车的整车装配。这样原有汽车装配生产线上的装配转移到线外进行，从而简化了线上装配的工艺，节省了装配时间，也大大提高了装配的质量。模块化的装配生产使得汽车零部件厂商参与到汽车的设计过程中，缩短了汽车的开发时间。例如，仪表板生产厂在生产汽车仪表的过程中不单是提供仪表板，还要将仪表、电子线束和仪表板上的电气件和风道等安装在一起，成为一个完整的功能模块。在全球竞争压力下，生产模块化是汽车装配行业的一项重大变革。

2）柔性装配系统。柔性装配系统是近年来发展起来的一项新的自动装配系统。它是随着计算机科学的发展而发展的， 在装配过程中采用计算机控制的柔性装配系统。由此发展起来的机器人、机械手和自动导向小车等先进的自动化设备能够完成复杂、繁重的装配，而且能够实现装配过程中的精确定位和安装。宝马汽车的装配车间就采用了全自动的装配方式，在装配的过程中有六台摄像机监控装配过程的进行。机器人则按照预先编制好的工艺文件进行安装，计算机技术的精确定位使得这种柔性化的装配安装误差限制在了0.15 mm之内。这个装配生产车间有60多个机械手工作，每个机械手负责不同的工作，包括：变速器的安装、汽车座椅的安装以及挡风玻璃、汽车后桥和轮胎、蓄电池的安装。自动导向小车则用来读取标识在零部件上的信息，通过程序控制汽车安装、输送的路线，并且实现安装过程中的定位，自动导向小车的应用提高了汽车装配生产过程中的自动化水平，使得汽车装配生产能够满足用户个性化的需求。

3）汽车虚拟装配系统。虚拟装配是计算机辅助技术发展的一项最新成果，它彻底改变了汽车传统的设计开发和生产制造分离的模式。利用虚拟装配技术，汽车在设计阶段就可以直接检测零部件间的干涉与否，进而修改设计图纸。这样减少了汽车试制和试装的时间，提高了汽车的设计周期，虚拟样车的装配还可以在虚拟环境下完成汽车各项功能的检测，以及装配生产线的模拟，使得生产过程可控化、精确化。虚拟装配技术在提高劳动效率的同时，降低了汽车试制和试验的成本，成为当前汽车制造业中的主流模式。

2 虚拟装配的工作内容

1）虚拟装配的一般过程。汽车的虚拟装配不单单是汽车零部件模型的简单堆砌，而是要求根据零部件间的约束条件和层次关系，在模拟现实的环境下进行以系列的组装。组装的过程必须包括足够的装配信息，以用来判断零部件的可装配性，并且通过对零部件的公差分析来确定零部件间的装配顺序，和检查各个部件间的装配，对不合理的装配进行修改。虚拟装配的工艺过程如图1所示。

通常在虚拟装配过程中，还要进行静态和动态干涉检查，从而优化装配过程，装配工艺规划是汽车设计和汽车装配之间的桥梁，因此在制定装配工艺是要充分考虑零部件的装配顺序、装配路径和装配模型的表示方法。

2）虚拟装配检查内容。汽车零部件虚拟装配后要进行全面的检查以确保汽车的安全运行，其检查内容主要为以下几方面：①数据模型的干涉检查，包括数据的静态和动态干涉检查，其中静态检查要检查汽车零件在装配中空间位置的相互性，动态检查则要先将运动件的轨迹生成一系列的包络面，再进行包络面之间的干涉检查；②装配顺序的合理性检查，装配过程需要装配工程师对汽车整车的结构有深入的了解之后再制定合理的装配顺序。不合理的装配往往会对汽车的装配工作造成极大的影响，甚至使装配无法进行，因此，这一步的检查工作变得非常重要；③装配空间的检查。汽车装配过程中往往会用到各类紧固工具，装配工具空间不足也会影响装配工作的进行，这时通过虚拟装配试验就可以及时调整零件的装配特征、装配顺序或者更改零件清单上的工具以避免因装配工具不合理造成的延误工期；④装配路径的生成和装配过程中的位置检查。汽车装配为一个整体后还要求能够实现零部件间的拆卸，因此虚拟装配中就可以根据这一特点，采用逆向思维的方式确定零部件的安装顺序和安装路径。在安装的过程中如果出现零部件间出现干涉或者间隙不足就要及时调整，如果仍然不能满足装配要求就要及时与设计工程师沟通，以确保零件安装的可行性。

3 虚拟装配实例分析

汽车的虚拟装配是一项非常复杂的过程，现在以汽车轮毂的装配过程为例介绍虚拟装配技术的应用。

1）汽车轮毂虚拟装配设计的流程。在进行轮毂虚拟装配时，首先要根据汽车轮毂自身的特点对虚拟装配的工艺进行设计，设计过程分为概念设计、总体设计和详细设计三个阶段。在轮毂的概念设计阶段要完成轮毂总体参数的设计，建立装配之间的层次关系、约束关系和装配环境的设置。这些准备做好之后就可以进行汽车轮毂的总体设计阶段，建立汽车轮毂零部件装配初始设计模型，并且进行基础装配，分析其性能，如果能够满足装配关系就进行静态干涉检验，如果不满足则要返回重新进行轮毂的基础装配。最后进行轮毂的详细设计阶段，建立汽车轮毂零部件装配的详细设计模型，并进行动态干涉检查，在没有干涉的情况下输出设计结果。

2）汽车轮毂虚拟装配过程。虚拟装配首先要建立零部件的三维模型，目前常用的三维软件包括PRO/E、UG以及catia等。建立好模型之后将其转换为VDI格式文件输入到Division Mockup 中[3]。这时汽车轮毂的各个组成零件之间是相互独立的，没有约束关系的，建立装配约束迅速定义模型的约束状态，使零部件模型在设计模型中的装配关系得以保存。装配过程中的要按照零件预先制定好的装配顺序进行装配，装配完成后还要进行零部件的干涉检查，并且修整检查中的出现的干涉，得到最终的轮毂装配系统图。

4 结论

虚拟装配是汽车装配生产中的一项新技术，并且在国内外汽车装配中得到了非常广泛的应用，该技术的使用大大提高了汽车设计周期，减少了汽车新产品的开发成本，为企业获得了更高的效益。虚拟装配技术是利用计算机软硬件为汽车装配提供一个虚拟的环境，在这个虚拟环境中对汽车零部件进行装配并且进行干涉检查，并且对各个阶段的设计结果进行分析评估，进而改进设计，达到在虚拟环境中优化设计的目的。

参考文献

[1]冯岚.浅谈汽车装配生产新技术.天津汽车,2006,4.

[2]赵荣远.汽车虚拟装配技术及其可装配性评价分析.技术导向.

[3]曹文刚,陈帝江.汽车部件虚拟装配技术的研究.汽车工程,2009,6.

作者简介

刘冰，男，汉族，职称：工程师，工作单位：机械工业第四设计研究院。