汽車車身工程圖紙三維建模方法

1 　前言

CAD/ CAM/ CAE 系統(tǒng)應(yīng)用與研究的速度十分迅速 , 如波音公司應(yīng)用美國 EDS 的 UG 軟件對波音 777 飛機(jī)制造的 CAD/ CAM/ CAE 全過程已實現(xiàn)了無紙化。同樣 , 在汽車工業(yè)中 , CAD/CAM/ CAE 系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。在我國汽車行業(yè)中 , 在 CAD/ CAE 方面與國外存在較大差距。不能對汽車車身完全進(jìn)行計算機(jī)設(shè)計 , 在很大程度上計算機(jī)只能用于畫圖與局部設(shè)計 ;CAD 設(shè)計與 CAE/ CAM 分析脫節(jié) , 二者之間未建立數(shù)據(jù)庫以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享 [1] 。在我國汽車制造廠中 , 擁有大批汽車設(shè)計圖紙 , 這些圖紙一部分是從國外汽車制造廠吸收引進(jìn)的 , 一部分是國內(nèi)廠家自行開發(fā)設(shè)計的。計算機(jī)三維模型改變了在手工制圖中要通過三個視圖線型去解釋一條空間曲線的落后方法 , 通過曲線去生成曲面 , 根據(jù)設(shè)計要求形成表達(dá)三維空間的“數(shù)學(xué)模型” 。因此, 利用這些工程圖紙 , 對其進(jìn)行計算機(jī)三維建模是十分有必要的。在建立汽車覆蓋件表面數(shù)據(jù)模型后 , 便可進(jìn)行汽車車身機(jī)構(gòu)設(shè)計、生成車身模具的 NC 程序等設(shè)計與分析。

2 　工程圖紙的三維建模方法

在開展對某型號轎車車身建模過程中，我們尋求準(zhǔn)確地從工程圖紙中建立零件三維模型的方法。由于該型轎車為我國引進(jìn)車型，其車身圖紙只有總成圖，而沒有車身的零件圖，故無法確切的知道車身曲面的詳細(xì)設(shè)計。在轎車車身設(shè)計過程中大量使用了樣條曲線與樣條曲面 , 工程圖紙中曲線與曲面如何能夠在計算機(jī)的三維數(shù)學(xué)模型中得以實現(xiàn)，以及在此基礎(chǔ)上如何建立汽車車身各零件的三維模型是我們?nèi)缃衩鎸Φ恼n題。研究中發(fā)現(xiàn) , 在目前的計算機(jī)輔助設(shè)計方法進(jìn)行汽車車身外表面的設(shè)計中 , 其設(shè)計過程大致如下 : 首先制作 1 ∶ 5 油泥模型；然后用三坐標(biāo)數(shù)控測量機(jī)測量模型上有限點的坐標(biāo) ( 大約 200 ～300 個點) ;將這些數(shù)據(jù)送入計算機(jī)進(jìn)行處理 , 將離散數(shù)據(jù)通過計算幾何的數(shù)學(xué)方法處理后生成曲線和曲面 ; 設(shè)計人員根據(jù)顯示結(jié)果對曲線和曲面及不光滑的過渡進(jìn)行修改。圖形一旦修改定型后就可輸出圖紙 , 生成模具加工的 NC 程序及CAE 分析等。借助于這種思想 , 在對工程圖紙進(jìn)行三維建模時 , 采取了類似的方法。首先 , 建立車身各個組成零件的模型 , 整個車身模型由零件模型裝配而成。在車身零件模型的建立過程中 ,第一步對工程圖紙進(jìn)行初步分析 , 了解構(gòu)造車身曲面的基本機(jī)理 ; 從圖紙上獲取曲面的特征數(shù)據(jù)點 , 然后通過這些數(shù)據(jù)點生成曲線 , 再利用已生成的曲線構(gòu)造車身曲面。

以下 , 以轎車中柱以及后車門的實際建模為例 , 介紹利用工程圖紙進(jìn)行轎車車身三維建模的整個過程。我們整個工作都是在 CAD/ CAM 軟件UG14. 0 平臺上進(jìn)行的。

2. 1 　識讀汽車車身工程圖紙

汽車車身工程圖紙的坐標(biāo)系有其特殊性。汽車車身各個零件圖紙統(tǒng)一采用車身坐標(biāo)系 , 其圖紙的坐標(biāo)原點都位于轎車前輪主軸的中點。采用這種坐標(biāo)系既省略了下一步的分析過程中繁瑣的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作 , 同時也便于在質(zhì)保部門利用三坐標(biāo)測量機(jī)對轎車零部件制造與裝配精度進(jìn)行檢測。

2. 2 　特征數(shù)據(jù)點的獲取

選擇型面的特征輪廓線 , 通過手工測量與掃描儀兩種方式獲取輪廓線上的數(shù)據(jù)點。通過測量獲取這些數(shù)據(jù)點以形成特征輪廓曲線。因此測量數(shù)據(jù)時 , 為了在下一步驟形成曲線中能更精確地擬合曲線 , 應(yīng)對空間曲線曲率較小的地方測量較多的數(shù)據(jù)點。在對轎車車身中柱的建模中 , 共測量了 300 個左右的數(shù)據(jù)點。

2. 3 　曲線的形成

基本上由數(shù)據(jù)點生成空間曲線有三種方法形成 : 擬合、插值與逼近。擬合是指通過定型值點列來構(gòu)造曲線 ; 求給定型值點之間在曲線上的點稱為曲線的插值 ; 求出在幾何形狀上與給定型值點列的連接線相近似的曲線 , 稱之為曲線的逼近。這種曲線不必通過型值點列。

在曲線的生成過程中 , 可以利用手工測量或通過掃描儀來獲取有限數(shù)據(jù)點 ( 節(jié)點 ) 來生成曲線 , 這將要求曲線通過測量獲取的數(shù)據(jù)點 , 并且生成的曲線與工程圖上的曲線誤差最小。在工程上 , 特別在汽車設(shè)計上三次 B 樣條曲線得到了廣泛的應(yīng)用。雖然三次 B 樣條曲線對于今后的修改存在一定的局限 , 但是其優(yōu)越的曲面光順性能 ,因此選擇其作為生成曲線的方法。

圖 1 所示 , 為轎車 B 柱的測量特征點及其生成的曲線。利用特征數(shù)據(jù)點形成輪廓曲線時 , 往往不可能去形成完整的一條曲線 , 而應(yīng)仔細(xì)分析 ,再將曲線分段進(jìn)行處理。在建立轎車 B 柱外板輪廓曲線中 , 曲線的一部分為直線 , 而曲線與直線間為光滑過渡。可以采用多種方法形成該曲線 :一是增加數(shù)據(jù)點 , 特別在過渡處 ; 二是找出過渡點將曲線分段 , 分為空間曲線部分和空間直線部分 ,各部分之間單獨生成 ; 三是在 UG Ⅱ軟件中 ,B 樣條曲線的設(shè)計方法中可以由設(shè)計者定義數(shù)據(jù)點的斜率 , 定義輪廓曲線的直線段各點的斜率 , 然后整體生成最終輪廓曲線。第一種方法形成的曲線 ,直線部分往往不能形成 , 且工作量比較大 ; 第二種方法形成的曲線 , 曲線與直線的過渡點往往不易精確選取 , 因此在直線和曲線過渡處不夠光順。前兩種方法與第三種方法比較而言 , 生成的曲線誤差更大些。

圖 2 　轎車后車門與車身 B 柱三維模型

2. 4 　曲面的形成

在獲得了零件的輪廓曲線后 , 依據(jù)這些曲線形成曲面。汽車車身為薄壁板件 , 主要的構(gòu)成形式是各種曲面 , 曲面的生成不同方法將直接影響到曲面的光順性 , 最終影響到車身的外觀造型、空氣阻力、模具的加工制造及其它性能。

汽車車身曲面是一個復(fù)雜的雕塑曲面。通過曲線生成曲面的方法有許多種 :

（1）過曲線 (Through Curve) 可通過在一個方向的曲線集建立一個曲面。

（2）過曲線網(wǎng)格 (Through Curse Mesh) 可從運行在兩個方向的已存在的曲面外形 ( 線串 ) 集合建立一個面 , 線串不一定要相交。

（3）掃描 (Swept) 由一曲線外形沿一空間的路徑以一預(yù)定的方式移動掃出的片實體。

（4）直紋面 (Ruled Face) 兩曲線間的參數(shù)對應(yīng)點用直線段連接而成的曲面。

在通過上一步驟中所生成的三維特征曲線生成曲面的過程 , 應(yīng)當(dāng)考慮到如下幾個方面 : 首先 ,靈活選擇生成曲面的各種方法 , 不同的方法生成的曲面是不同的 , 可以根據(jù)圖紙的設(shè)計進(jìn)行選擇 ,使生成曲面與工程圖上的曲面的誤差最小 ; 其次 ,基于并行工程思想 , 曲面造型設(shè)計要考慮適用于今后的 CAE/ CAM 的需要。

在曲面形成以后 , 還必須利用其它方法對生成的曲面進(jìn)行處理。如 : 通過圓角面 (Blend) 、圓角曲面 (Fillet) 、修剪 (Trimmed) 、延伸 (Extension) 等手段對曲面進(jìn)行在細(xì)節(jié)處理。

在曲線生成的過程中 , 應(yīng)該注意一些問題。從制造的角度來看 , 曲面的形成不能僅僅滿足于用各種曲面生成方法形成汽車車身的各個型面 , 這樣形成的結(jié)果往往是曲面出現(xiàn)皺褶 , 并且生成的曲面與曲面之間出現(xiàn)縫隙 , 無法進(jìn)行彌合 , 只能采取“補(bǔ)丁”的方法進(jìn)行縫合 , 這都將影響到曲面的光順性 , 進(jìn)而對模型進(jìn)行有限元分析時 , 將會發(fā)現(xiàn)曲面表面產(chǎn)生應(yīng)力集中 , 從而影響零件的質(zhì)量。由于汽車車身主要由鋼板沖壓加工后焊接而成 , 在一些面與面之間存在相關(guān)性。如在轎車 B 柱內(nèi)板上兩個密封條鑲嵌面應(yīng)為同一曲面。在這兩個曲面的生成中 , 利用直紋面的方法先生成一個曲面 , 然后再利用相關(guān)曲面進(jìn)行修剪而形成。

2. 5 　模型準(zhǔn)確度的檢驗

在曲面形成以后 , 應(yīng)同時建立模型的公差信息 , 如尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等 , 以及非形狀信息 , 如技術(shù)說明、零件編號、類型說明。這樣就最終完成了轎車后車門和轎車 B 柱的三維模型 ( 圖 2 所示 ) 。三維模型建成以后 , 對模型的準(zhǔn)確性檢驗是很有必要的。如何在理論上評價曲面的準(zhǔn)確度是一個較難解決的問題 , 有待研究工作者進(jìn)一步地探討。目前采用的方法是 , 在建立的轎車中柱模型曲面上生成密集的點陣 , 獲取點陣的坐標(biāo)值 , 然后將在零件圖上找出 X,Y 坐標(biāo)值相同的點 , 求出 Z 坐標(biāo)的偏差值。通過對轎車 B柱模型 ( 圖 2 所示 ) 的檢驗可知 , 在模型中獲取1 000 多個數(shù)據(jù)點 , 其各坐標(biāo)值與相應(yīng)圖紙上的坐標(biāo)值和誤差在 ± 0. 2mm 以內(nèi)。

3 　結(jié)論

利用以上介紹的方法 , 成功地將轎車車身的各個部件工程圖紙建立了計算機(jī)三維模型 ,并利用所建立的轎車計算機(jī)三維模型 , 對轎車的車身各部件進(jìn)行了虛擬裝配 ; 同時成功地對轎車車門、車身側(cè)圍進(jìn)行了剛度有限元分析 ,以及對轎車后車門在關(guān)閉過程中翹曲變形進(jìn)行了分析與研究。實踐表明 , 該方法能夠快速地、精確地對復(fù)雜的工程圖紙進(jìn)行計算機(jī)三維建模 ; 為今后研究人員進(jìn)行進(jìn)一步的轎車零部件有限元分析、裝配干涉檢查及 CAM 加工等分析研究提供了方便 ; 并且方法簡單、方便、實用。