摘要：以虛擬樣機(jī)技術(shù)為設(shè)計(jì)理念，通過UG軟件，建立汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖的虛擬樣機(jī)模型。運(yùn)用UG 的Motion模塊時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，建立了4個(gè)運(yùn)動(dòng)分析方案，在虛擬樣機(jī)模型中為每個(gè)運(yùn)動(dòng)分析方案建立相應(yīng)的裝配排列。將發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖的運(yùn)動(dòng)模擬以MPEG 電影文件形式輸出，形成電影動(dòng)畫，并用超級(jí)解霸3000播放器進(jìn)行播放。虛擬樣機(jī)技術(shù)可以減少實(shí)物模型和樣機(jī)的投入，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的最優(yōu)設(shè)計(jì)或變形產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：虛擬樣機(jī)技術(shù)；汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖；運(yùn)動(dòng)分析；裝配
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖屬于發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的附件，是具有獨(dú)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(dòng)開啟。發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)蓋鎖為例進(jìn)行研究，該車型的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖屬于卡板鎖，它的工作原理是：發(fā)動(dòng)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(diǎn)在于：使用可靠，不易自動(dòng)脫開，大大提高了汽車行駛的安全性。發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)蓋鎖的發(fā)展前景。
虛擬樣機(jī)技術(shù)（Virtual Prototype Technology）是在計(jì)算機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、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(jì)與制造過程的相關(guān)分析，保證制造實(shí)施的可行性。在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域，虛擬樣機(jī)技術(shù)是指在計(jì)算機(jī)里應(yīng)用三維設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)的背景中得以實(shí)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(jì)構(gòu)思演變成基于三維實(shí)體模型的虛擬產(chǎn)品（虛擬樣機(jī)），建立起數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)。因?yàn)榇隧?xiàng)技術(shù)在汽車開發(fā)上的巨大作用，使其在汽車設(shè)計(jì)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(jì)研究平臺(tái)，UG軟件是集CAD/CAM/CAE功能于一體的軟件集成系統(tǒng)。運(yùn)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(jì)方法，建立發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖的虛擬樣機(jī)模型，并運(yùn)用UG的Motion模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(shí)物模型和樣機(jī)的投入，避免設(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)體模型，只有這樣才能滿足用戶不斷修改從而最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的最優(yōu)設(shè)計(jì)或變形產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。本文首先對已有車型卡板鎖實(shí)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(gè)部件的三維實(shí)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(gè)部件的建模過程中，主要運(yùn)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(dòng)機(jī)蓋鎖的鎖體模型建立
汽車發(fā)動(dòng)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(jì)模塊創(chuàng)建和制作了汽車發(fā)動(dòng)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(yùn)用到了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖的鎖體建模中。汽車發(fā)動(dòng)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(gè)部件的參數(shù)化實(shí)體模型，為后續(xù)的設(shè)計(jì)分析、修改模型打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，從而不斷提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖的設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量。
1．2 汽車發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)蓋鎖的虛擬樣機(jī)模型。完成發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖的各個(gè)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(dòng)機(jī)蓋鎖的虛擬樣機(jī)模型將隨著改變，實(shí)現(xiàn)了真正意義的參數(shù)化設(shè)計(jì)。汽車發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)蓋鎖的虛擬分析
本文主要對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖進(jìn)行虛擬運(yùn)動(dòng)分析，為了方便研究和分析，建立了四個(gè)運(yùn)動(dòng)分析方案scenario1、scenario2、scenario3、scenario4。每種分析方案對應(yīng)著一個(gè)裝配排列。分析時(shí)若發(fā)現(xiàn)干涉或間隙過大等問題，可以及時(shí)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(diǎn)，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(dòng)機(jī)蓋鎖的運(yùn)動(dòng)模擬
UG的Motion模塊具有強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)仿真及分析功能，形象的運(yùn)動(dòng)模擬很好地體現(xiàn)了虛擬樣機(jī)技術(shù)在設(shè)計(jì)中的運(yùn)用。運(yùn)動(dòng)模擬仿真的全過程大致可以分為以下幾個(gè)步驟：創(chuàng)建連桿、建立運(yùn)動(dòng)付、定義運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)、創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)模擬仿真四個(gè)步驟。本文所研究的卡板鎖的運(yùn)動(dòng)方式如下：發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板由開啟位置落下撞到輔助掛鉤，此時(shí)蓋板所帶有的勢能在鎖鉤撞擊輔助掛鉤時(shí)全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，從而使鎖鉤能頂開輔助掛鉤形成第一重鎖止。但此時(shí)，鎖鉤所具有的動(dòng)能還不足以推動(dòng)卡板帶動(dòng)它一起運(yùn)動(dòng)。這時(shí)候就需要人用手用力的按住發(fā)動(dòng)機(jī)蓋往下運(yùn)動(dòng)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(gè)運(yùn)動(dòng)分析方案scenario1、scenario2、scenario3、scenario4。在四個(gè)運(yùn)動(dòng)方案中，所定義的連桿及運(yùn)動(dòng)付如表1所示。在不同的方案中，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖中各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)主要是以旋轉(zhuǎn)為主，所以應(yīng)分別為發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、卡板、輔助掛鉤及鎖緊手柄加上旋轉(zhuǎn)付，并在運(yùn)動(dòng)付上施加恒定驅(qū)動(dòng)為運(yùn)動(dòng)函數(shù)。當(dāng)創(chuàng)建好連桿、運(yùn)動(dòng)付，定義好運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)之后，就可以創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)模擬仿真了。本文采用關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的方式來模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析的優(yōu)點(diǎn)在于可以同時(shí)使多個(gè)運(yùn)動(dòng)付運(yùn)動(dòng)，并且每一個(gè)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(gè)裝配模型中為組件提供多個(gè)可選組件位置，從而方便用戶在一個(gè)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(gè)排列，這樣就不必在打開裝配時(shí)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(gè)或多個(gè)組件指定可選位置，并將這些可選位置與部件存儲(chǔ)在一起。裝配排列是UG NX2.0所特有的一項(xiàng)功能，它可以確定：任何子組件的可變組件定位（Variable Component Positioning ，VCP）。運(yùn)用裝配排列功能，可以建立多個(gè)組件的不同裝配位置，為實(shí)現(xiàn)多個(gè)運(yùn)動(dòng)分析方案奠定基礎(chǔ)。本文根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖的運(yùn)動(dòng)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(gè)裝配排列，每個(gè)裝配排列對應(yīng)著一種運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)仿真的MPEG文件兩個(gè)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(dòng)機(jī)蓋鎖的四個(gè)運(yùn)動(dòng)分析方案，分別創(chuàng)建了UG/Photo Animation照相機(jī)的視點(diǎn)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?yàn)榉謩e生成了四個(gè)MPEG電影文件，雖然我們可以分別在各個(gè)方案中看到蓋鎖零件在不同運(yùn)動(dòng)位置的運(yùn)動(dòng)模擬，但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖的整個(gè)工作運(yùn)動(dòng)過程被分解在四個(gè)運(yùn)動(dòng)分析方案中，無法串聯(lián)成全程模擬，所以使整個(gè)運(yùn)動(dòng)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(gè)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(yùn)動(dòng)直觀地展現(xiàn)在讀者面前，本文選擇了超級(jí)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(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖的四個(gè)運(yùn)動(dòng)模擬仿真串聯(lián)起來，形成電影動(dòng)畫，進(jìn)行播放。
3 結(jié)論
以虛擬樣機(jī)技術(shù)為設(shè)計(jì)理念，通過UG軟件，建立汽車發(fā)動(dòng)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(shí)體模型，從而滿足用戶不斷修改并最終實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)或變形產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。運(yùn)用UG的Motion模塊對發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，建立了四個(gè)運(yùn)動(dòng)分析方案，在虛擬樣機(jī)模型中為每個(gè)運(yùn)動(dòng)分析方案建立相應(yīng)的裝配排列。將發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖的運(yùn)動(dòng)模擬以MPEG電影文件形式輸出，形成電影動(dòng)畫，并用超級(jí)解霸3000播放器進(jìn)行播放。通過動(dòng)畫演示，可以更直觀、正確的理解汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖的工作原理和運(yùn)動(dòng)的基本過程，提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋鎖的設(shè)計(jì)水平。虛擬樣機(jī)技術(shù)可以減少實(shí)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的最優(yōu)設(shè)計(jì)或變形產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
