摘要：以虛擬樣機(jī)技術(shù)為設(shè)計理念，通過UG軟件，建立汽車發(fā)動機(jī)蓋鎖的虛擬樣機(jī)模型。運用UG 的Motion模塊時發(fā)動機(jī)蓋鎖進(jìn)行運動學(xué)仿真分析，建立了4個運動分析方案，在虛擬樣機(jī)模型中為每個運動分析方案建立相應(yīng)的裝配排列。將發(fā)動機(jī)蓋鎖的運動模擬以MPEG 電影文件形式輸出，形成電影動畫，并用超級解霸3000播放器進(jìn)行播放。虛擬樣機(jī)技術(shù)可以減少實物模型和樣機(jī)的投入，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，有利于實現(xiàn)產(chǎn)品的最優(yōu)設(shè)計或變形產(chǎn)品設(shè)計。
關(guān)鍵詞：虛擬樣機(jī)技術(shù)；汽車發(fā)動機(jī)蓋鎖；運動分析；裝配
汽車發(fā)動機(jī)蓋鎖屬于發(fā)動機(jī)蓋的附件，是具有獨立功能的部件。其功能旨在使其安全鎖閉，并保證機(jī)罩與車身的相對位置在行車中不得自動開啟。發(fā)動機(jī)蓋鎖的結(jié)構(gòu)包括鎖本體、內(nèi)開機(jī)構(gòu)和安全鎖三部分。發(fā)動機(jī)蓋鎖按其鎖體結(jié)構(gòu)劃分，可分為鉤子鎖、舌簧鎖及卡板鎖三種形式。本文以某種車型的發(fā)動機(jī)蓋鎖為例進(jìn)行研究，該車型的發(fā)動機(jī)蓋鎖屬于卡板鎖，它的工作原理是：發(fā)動機(jī)蓋鎖靠鉤扣定位，采用輔助掛鉤與卡板雙重鎖緊機(jī)構(gòu)。其優(yōu)點在于：使用可靠，不易自動脫開，大大提高了汽車行駛的安全性。發(fā)動機(jī)蓋鎖相對于汽車門鎖等，其發(fā)展還具有一定差距。如何突破機(jī)械結(jié)構(gòu)的局面，并向人性化、數(shù)字化的方向發(fā)展，將成為發(fā)動機(jī)蓋鎖的發(fā)展前景。
虛擬樣機(jī)技術(shù)（Virtual Prototype Technology）是在計算機(jī)的虛擬現(xiàn)實中實現(xiàn)設(shè)計、分析與制造的技術(shù)，強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品投產(chǎn)之前完成設(shè)計與制造過程的相關(guān)分析，保證制造實施的可行性。在汽車設(shè)計領(lǐng)域，虛擬樣機(jī)技術(shù)是指在計算機(jī)里應(yīng)用三維設(shè)計軟件建立樣車模型并對之進(jìn)行一系列的性能模擬仿真。其中虛擬樣機(jī)（virtual prototyping，VP）就是利用計算機(jī)仿真技術(shù)，建立與物理樣機(jī)相似的模型，通過優(yōu)化、集成和仿真測試得到關(guān)于該樣機(jī)的性能描述[2] [3] [4]。虛擬樣機(jī)技術(shù)是在數(shù)字化設(shè)計的背景中得以實現(xiàn)的，它依賴于三維數(shù)字模型的準(zhǔn)確性和參數(shù)化特性，從而可以快速地進(jìn)行分析仿真,來實現(xiàn)設(shè)計方案的優(yōu)化。它強(qiáng)調(diào)數(shù)字化的產(chǎn)品模型及其產(chǎn)生過程，將二維圖紙表達(dá)的設(shè)計構(gòu)思演變成基于三維實體模型的虛擬產(chǎn)品（虛擬樣機(jī)），建立起數(shù)字化設(shè)計平臺。因為此項技術(shù)在汽車開發(fā)上的巨大作用，使其在汽車設(shè)計領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。在汽車行業(yè)里，很多汽車制造商從虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用中獲得了巨大的收益。
本文以UG軟件為設(shè)計研究平臺，UG軟件是集CAD/CAM/CAE功能于一體的軟件集成系統(tǒng)。運用其復(fù)合建模、鈑金建模、虛擬裝配等相關(guān)參數(shù)化設(shè)計方法，建立發(fā)動機(jī)蓋鎖的虛擬樣機(jī)模型，并運用UG的Motion模塊進(jìn)行運動學(xué)仿真分析，發(fā)揮虛擬樣機(jī)軟件的特長。虛擬樣機(jī)技術(shù)可以減少實物模型和樣機(jī)的投入，避免設(shè)計缺陷，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本和制造成本。
1 蓋鎖虛擬樣機(jī)模型的建立
本文研究的發(fā)動機(jī)蓋鎖屬于卡板鎖，主要由鎖體、卡板、輔助掛鉤、鎖緊手柄、鎖環(huán)、輔助掛鉤回位彈簧、鎖緊手柄回位彈簧、卡板回位彈簧和卡板回位彈簧鉤塊組成。虛擬樣機(jī)技術(shù)的核心問題是虛擬樣機(jī)模型的建立，虛擬樣機(jī)模型應(yīng)是參數(shù)化的實體模型，只有這樣才能滿足用戶不斷修改從而最終實現(xiàn)產(chǎn)品的最優(yōu)設(shè)計或變形產(chǎn)品設(shè)計的要求。本文首先對已有車型卡板鎖實物模型的工作原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對其主要部件進(jìn)行測量，然后通過UG軟件建立各個部件的三維實體模型。準(zhǔn)確的物理模型和方便的建模方法是應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵。在各個部件的建模過程中，主要運用了建立草圖（Sketch）、成型特征（Form Feature）、自由形狀特征（Free Form Feature）以及鈑金特征（Sheet Metal Feature）等功能。
1.1 汽車發(fā)動機(jī)蓋鎖的鎖體模型建立
汽車發(fā)動機(jī)蓋鎖的鎖體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，是典型的鈑金部件。利用UG鈑金設(shè)計模塊創(chuàng)建和制作了汽車發(fā)動機(jī)蓋鎖的鎖體模型。Sheet Metal Feature（板金特征）菜單中的General Flange（通用彎邊）特征、Sheet Metal Bend（鈑金折彎）特征、Sheet Metal Punch（鈑金沖壓）特征、Sheet Metal Bead（鈑金筋槽）、Sheet Metal Bridge（鈑金橋接）特征等功能被廣泛地運用到了汽車發(fā)動機(jī)蓋鎖的鎖體建模中。汽車發(fā)動機(jī)蓋鎖的鎖體模型，如圖1所示。應(yīng)用UG軟件的參數(shù)化建模方法建立各個部件的參數(shù)化實體模型，為后續(xù)的設(shè)計分析、修改模型打下堅實的基礎(chǔ)，從而不斷提高汽車發(fā)動機(jī)蓋鎖的設(shè)計水平和質(zhì)量。
1．2 汽車發(fā)動機(jī)蓋鎖的虛擬裝配
應(yīng)用UG軟件的虛擬裝配模塊建立汽車發(fā)動機(jī)蓋鎖的虛擬樣機(jī)模型。完成發(fā)動機(jī)蓋鎖的各個部件的虛擬樣機(jī)模型的建立后，就可以進(jìn)行虛擬裝配了。本文采用自底向上的方法進(jìn)行虛擬裝配，使用配對約束、對齊約束、正交約束、角度約束、平行約束、中心對齊約束、距離約束等約束條件建立配對條件，這樣一旦部件的虛擬樣機(jī)模型改變，產(chǎn)品的虛擬裝配模型即汽車發(fā)動機(jī)蓋鎖的虛擬樣機(jī)模型將隨著改變，實現(xiàn)了真正意義的參數(shù)化設(shè)計。汽車發(fā)動機(jī)蓋鎖的虛擬樣機(jī)模型即總裝配效果圖和裝配導(dǎo)航器。
2 汽車發(fā)動機(jī)蓋鎖的虛擬分析
本文主要對汽車發(fā)動機(jī)蓋鎖進(jìn)行虛擬運動分析，為了方便研究和分析，建立了四個運動分析方案scenario1、scenario2、scenario3、scenario4。每種分析方案對應(yīng)著一個裝配排列。分析時若發(fā)現(xiàn)干涉或間隙過大等問題，可以及時修改虛擬樣機(jī)模型，然后在進(jìn)行分析直至滿意為止，充分發(fā)揮虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)點，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本。
2．1 汽車發(fā)動機(jī)蓋鎖的運動模擬
UG的Motion模塊具有強(qiáng)大的運動仿真及分析功能，形象的運動模擬很好地體現(xiàn)了虛擬樣機(jī)技術(shù)在設(shè)計中的運用。運動模擬仿真的全過程大致可以分為以下幾個步驟：創(chuàng)建連桿、建立運動付、定義運動驅(qū)動、創(chuàng)建運動模擬仿真四個步驟。本文所研究的卡板鎖的運動方式如下：發(fā)動機(jī)蓋板由開啟位置落下撞到輔助掛鉤，此時蓋板所帶有的勢能在鎖鉤撞擊輔助掛鉤時全部轉(zhuǎn)化為動能，從而使鎖鉤能頂開輔助掛鉤形成第一重鎖止。但此時，鎖鉤所具有的動能還不足以推動卡板帶動它一起運動。這時候就需要人用手用力的按住發(fā)動機(jī)蓋往下運動直到鎖構(gòu)進(jìn)入第二重鎖止位置為止；最后人手松開，鎖緊手柄在回位彈簧作用下回到初始位置并封住卡板回位的趨勢。為了方便研究和分析，本文建立了四個運動分析方案scenario1、scenario2、scenario3、scenario4。在四個運動方案中，所定義的連桿及運動付如表1所示。在不同的方案中，發(fā)動機(jī)蓋鎖中各個部件的運動主要是以旋轉(zhuǎn)為主，所以應(yīng)分別為發(fā)動機(jī)蓋、卡板、輔助掛鉤及鎖緊手柄加上旋轉(zhuǎn)付，并在運動付上施加恒定驅(qū)動為運動函數(shù)。當(dāng)創(chuàng)建好連桿、運動付，定義好運動驅(qū)動之后，就可以創(chuàng)建運動模擬仿真了。本文采用關(guān)節(jié)運動的方式來模擬機(jī)構(gòu)的運動。關(guān)節(jié)運動分析的優(yōu)點在于可以同時使多個運動付運動，并且每一個運動付所給定的步數(shù)和步長可以不同。
2．2 裝配排列
由于不同的運動分析方案所對應(yīng)的虛擬樣機(jī)模型的裝配位置各不相同，因此應(yīng)為每一種運動分析方案建立相應(yīng)的裝配模型即虛擬樣機(jī)模型。裝配排列屬于UG軟件的虛擬裝配模塊，可在一個裝配模型中為組件提供多個可選組件位置，從而方便用戶在一個裝配模型中不同的可選組件位置之間進(jìn)行切換�？梢愿鶕�(jù)需要保存多個排列，這樣就不必在打開裝配時分別指定所要參考的可變位置，還可以定義裝配排列來為部件中一個或多個組件指定可選位置，并將這些可選位置與部件存儲在一起。裝配排列是UG NX2.0所特有的一項功能，它可以確定：任何子組件的可變組件定位（Variable Component Positioning ，VCP）。運用裝配排列功能，可以建立多個組件的不同裝配位置，為實現(xiàn)多個運動分析方案奠定基礎(chǔ)。本文根據(jù)發(fā)動機(jī)蓋鎖的運動情況，設(shè)置了四種裝配排列位置。建立好四種裝配排列之后，可以在裝配導(dǎo)航器中根據(jù)需要任意地切換不同的裝配排列。本文建立的虛擬樣機(jī)模型包括四個裝配排列，每個裝配排列對應(yīng)著一種運動分析方案。
2．3 MPEG電影文件的生成
在UG的Motion模塊中提供了將機(jī)構(gòu)的運動仿真轉(zhuǎn)化為可以播放的MPEG電影文件的功能。輸出MPEG文件的過程可以分為創(chuàng)建UG/Photo Animation照相機(jī)路徑和生成運動仿真的MPEG文件兩個步驟[3]。由于UG/Photo Animation必須在分析部件文件中創(chuàng)建，而不能在主裝配模型中創(chuàng)建。所以本文對應(yīng)發(fā)動機(jī)蓋鎖的四個運動分析方案，分別創(chuàng)建了UG/Photo Animation照相機(jī)的視點或路徑，再打開MPEG Output（輸出）開關(guān)，分別生成MPEG電影文件：scenario1.mpg、scenario2.mpg、scenario3.mpg、scenario4.mpg。
因為分別生成了四個MPEG電影文件，雖然我們可以分別在各個方案中看到蓋鎖零件在不同運動位置的運動模擬，但是由于發(fā)動機(jī)蓋鎖的整個工作運動過程被分解在四個運動分析方案中，無法串聯(lián)成全程模擬，所以使整個運動顯得很不連貫。而一般的播放器，如Windows操作系統(tǒng)自帶的Windows Media Player等，都只能單個的播放MPEG電影，為了解決這一難題，使蓋鎖零件的全程工作運動直觀地展現(xiàn)在讀者面前，本文選擇了超級解霸3000作為播放器，按順序選擇所生成的MPEG電影文件：scenario1.mpg 、scenario2.mpg、scenario3.mpg、scenario4.mpg，即可將整個發(fā)動機(jī)蓋鎖的四個運動模擬仿真串聯(lián)起來，形成電影動畫，進(jìn)行播放。
3 結(jié)論
以虛擬樣機(jī)技術(shù)為設(shè)計理念，通過UG軟件，建立汽車發(fā)動機(jī)蓋鎖的虛擬樣機(jī)模型。虛擬樣機(jī)模型應(yīng)是參數(shù)化的實體模型，從而滿足用戶不斷修改并最終實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計或變形產(chǎn)品設(shè)計的要求。運用UG的Motion模塊對發(fā)動機(jī)蓋鎖進(jìn)行運動學(xué)仿真分析，建立了四個運動分析方案，在虛擬樣機(jī)模型中為每個運動分析方案建立相應(yīng)的裝配排列。將發(fā)動機(jī)蓋鎖的運動模擬以MPEG電影文件形式輸出，形成電影動畫，并用超級解霸3000播放器進(jìn)行播放。通過動畫演示，可以更直觀、正確的理解汽車發(fā)動機(jī)蓋鎖的工作原理和運動的基本過程，提高汽車發(fā)動機(jī)蓋鎖的設(shè)計水平。虛擬樣機(jī)技術(shù)可以減少實物模型和樣機(jī)的投入，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品開發(fā)成本和制造成本，有利于實現(xiàn)產(chǎn)品的最優(yōu)設(shè)計或變形產(chǎn)品設(shè)計。
