面向汽车零部件的虚拟装配技术探析
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摘 要：随着虚拟制造技术的广泛应用，虚拟装配技术在CAD设计中得到了不断的发展。本文介绍了虚拟装配技术，提出在汽车轮毂的设计中实施虚拟装配技术的具体思想，并成功地实现了汽车轮毂的研究开发。
关键词：CAD设计 虚拟装配
随着汽车制造业的不断发展及市场竞争的日趋激烈，很多汽车厂家为了缩短研制周期、提高质量、减少成本，将现代信息技术和先进设计方法应用于新车型研发中，以计算机技术、仿真技术和信息技术为支撑的虚拟装配技术在汽车产品的研发中逐渐得到应用。
一、虚拟装配技术概述
虚拟制造（VM，Virtual Manufacturing）作为一种新的制造方法和模式，从二十世纪末开始在全球制造业中引起广泛的关注，它应用计算机仿真技术，在产品设计阶段或生产制造之前，对设计制造等过程进行模拟，分析制造相关参数对产品设计的影响，并对产品的性能、成本和可制造性进行预测，从而减少生产资源的浪费，提高开发效率。
虚拟装配作为连接产品设计和制造的关键环节，是虚拟制造的重要组成部分，装配也是产品生产成本的主要影响因素，在实际工程问题中，复杂产品的装配仍以手工装配为主，装配技术远远落后于产品设计和产品制造技术。若能通过计算机仿真技术，在产品设计阶段就考虑并模拟产品的可装配性，并将易于装配作为一条设计准则，就能有效降低生产成本，提高生产效率。
二、虚拟装配的分类
在汽车研发中，可将虚拟装配技术分成三类。
1.以设计为中心的虚拟装配
指将汽车的三维数字化定义应用于汽车研发过程中，结合汽车研发的具体情况，重点突出以设计为核心的应用思想。主要包括以下内容：
1.1面向装配设计，在设计初期把汽车设计过程与制造装配过程有机结合，从设计的角度来保证产品的可装配性，使设计的产品具有良好的结构，能高效地进行实际装配，能在产品研发的初期使设计部门与制造部门之间更有效地协同工作。
1.2自顶向下的并行产品设计，通过分布在不同地点，不同部门的多个产品开发组以汽车为核心的设计思想，建立产品设计的动态虚拟样机，从一开始就考虑产品的整个周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误和矛盾尽可能地及早发现，并解决可能产生的问题。
1.3与主模型相关的可制造性设计和可装配性设计。汽车研发不同阶段的主模型提供了一个面向设计群体的虚拟装配设计环境，突出以不同阶段的主模型为核心，使得每个设计产品能有效地控制在可装配的范围之内，保证产品研发不同阶段装配模型数据结构的完整性和一致性，保证参与研发的各部门可以协同工作，实现CAD/CAE/CAM系统的高度集成，有效地提高可制造性和可装配性。
2.以过程控制为中心的虚拟装配
主要包含两方面内容：
（1）实现对产品总体设计进程的控制，通过对产品各个设计进程的控制来有效规划汽车部件的装配顺序，提高装配效率。
（2）过程控制管理。对产品设计各阶段的设计结果以及加工工艺等相关信息进行管理来实现设计过程的优化。
3.以仿真为中心的虚拟装配，是在汽车装配模型中溶入仿真技术，并以可视化的仿真结果来评估虚拟装配的结果，实现装配过程的优化。
以汽车轮毂为例，在产品的虚拟装配设计中，根据其研制的自身特点，将虚拟装配技术应用于汽车轮毂设计过程分为概念设计、总体设计与详细设计3个阶段，通过对设计流程的控制达到对产品虚拟装配设计进程的控制。
1.概念设计阶段。是汽车轮毂研发的初期阶段，主要是建立汽车轮毂主模型空间，进行初步的结构、系统总体布局。
2.总体设计阶段。是汽车轮毂研发的主要阶段，基本完成汽车轮毂的零部件装配建模设计，包括虚拟装配区域、虚拟装配层次的划分，并进行公差分析和静态干涉检验，保证零部件三维模型干涉自由。
3.详细设计阶段。是汽车轮毂研发的完善阶段，完成装配建模的最终设计。主要完成汽车轮毂装配建模的最终设计、进行零部件三维模型的最终虚拟装配、进行动态干涉检验，保证汽车轮毂零部件三维模型无干涉。
四、汽车轮毂虚拟装配技术应用
1.建立主模型
在虚拟技术装配技术应用于汽车轮毂研发的全过程中，主模型可以保证汽车轮毂零部件数据结构完整一致，实现CAD/CAE/CAM系统的高度集成，为协同设计和并行工程打下良好的基础，这也是实现自顶向下设计的前提条件。
2.装配层次划分
在虚拟装配中，一个汽车轮毂可以分解散为若干个零件和子装配体，一个子装配体又可以分解为若干个更下一层的零件和子装配体。这个过程实际就是一个自上而下的设计过程。在汽车轮毂结构设计应用中，通过分级式多叉树状结构来描述，即按零部件间设计的逻辑依附关系来确定各模型间的父子关系，从而实现装配设计层次的划分。
3.建立装配约束
装配约束管理包含对汽车轮毂设计中几何模型间的关系进行控制和管理，这一机制彻底克服了自由建模的无约束状态，能确保设计的模型具有设计师所定义的约束的关系，如平行、共轴或共面等。通过约束管理，可使汽车轮毂设计或改进、改型设计等重复过程中零部件模型特定的装配关系得以保存，而与对模型所进行的修改无关。
4.干涉分析
装配设计完成后，需要进行静态干涉检验和动态干涉检验。静态干涉检验是对零部件设计进行评估，在确定装配结构和总体设计后，进行零件细化设计，在装配过程中静态检验零部件之间的干涉、间隙等，并根据检验结果对零部件进行设计修改，从而得到正确的设计；动态干涉检验是对汽车轮毂可装配性进行评估，在产品装配过程中，根据零部件的装配路径、装配关系和约束条件，进行装配姿态调整、修改，直到得到正确的设计。
五、结束语
通过文中论述的虚拟装配的原理和过程，在汽车轮毂研发中应用虚拟装配技术，在装配过程中建立了基于装配约束的装配模型，并进行干涉检验。可以预见，虚拟装配技术将从根本上改变传统的产品研发模式，其目的是研究虚拟产品模型的建立和虚拟装配环境的建立，并将其应用于实际产品的研发中，对实际产品的性能和可装配性等进行评价，从而达到全局最优，以缩短产品研发周期，降低成本，提高产品快速响应市场变化的能力，获得最大的经济效益。