汽車(chē)車(chē)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(guó) EDS 的 UG 軟件對(duì)波音 777 飛機(jī)制造的 CAD/ CAM/ CAE 全過(guò)程已實(shí)現(xiàn)了無(wú)紙化。同樣 , 在汽車(chē)工業(yè)中 , CAD/CAM/ CAE 系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。在我國(guó)汽車(chē)行業(yè)中 , 在 CAD/ CAE 方面與國(guó)外存在較大差距。不能對(duì)汽車(chē)車(chē)身完全進(jìn)行計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì) , 在很大程度上計(jì)算機(jī)只能用于畫(huà)圖與局部設(shè)計(jì) ;CAD 設(shè)計(jì)與 CAE/ CAM 分析脫節(jié) , 二者之間未建立數(shù)據(jù)庫(kù)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享 [1] 。在我國(guó)汽車(chē)制造廠中 , 擁有大批汽車(chē)設(shè)計(jì)圖紙 , 這些圖紙一部分是從國(guó)外汽車(chē)制造廠吸收引進(jìn)的 , 一部分是國(guó)內(nèi)廠家自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的。計(jì)算機(jī)三維模型改變了在手工制圖中要通過(guò)三個(gè)視圖線型去解釋一條空間曲線的落后方法 , 通過(guò)曲線去生成曲面 , 根據(jù)設(shè)計(jì)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(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)三維建模是十分有必要的。在建立汽車(chē)覆蓋件表面數(shù)據(jù)模型后 , 便可進(jìn)行汽車(chē)車(chē)身機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、生成車(chē)身模具的 NC 程序等設(shè)計(jì)與分析。

2 　工程圖紙的三維建模方法

在開(kāi)展對(duì)某型號(hào)轎車(chē)車(chē)身建模過(guò)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(chē)為我國(guó)引進(jìn)車(chē)型，其車(chē)身圖紙只有總成圖，而沒(méi)有車(chē)身的零件圖，故無(wú)法確切的知道車(chē)身曲面的詳細(xì)設(shè)計(jì)。在轎車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)算機(jī)的三維數(shù)學(xué)模型中得以實(shí)現(xiàn)，以及在此基礎(chǔ)上如何建立汽車(chē)車(chē)身各零件的三維模型是我們?nèi)缃衩鎸?duì)的課題。研究中發(fā)現(xiàn) , 在目前的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法進(jìn)行汽車(chē)車(chē)身外表面的設(shè)計(jì)中 , 其設(shè)計(jì)過(guò)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(cè)量機(jī)測(cè)量模型上有限點(diǎn)的坐標(biāo) ( 大約 200 ～300 個(gè)點(diǎn)) ;將這些數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理 , 將離散數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算幾何的數(shù)學(xué)方法處理后生成曲線和曲面 ; 設(shè)計(jì)人員根據(jù)顯示結(jié)果對(duì)曲線和曲面及不光滑的過(guò)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(duì)工程圖紙進(jìn)行三維建模時(shí) , 采取了類似的方法。首先 , 建立車(chē)身各個(gè)組成零件的模型 , 整個(gè)車(chē)身模型由零件模型裝配而成。在車(chē)身零件模型的建立過(guò)程中 ,第一步對(duì)工程圖紙進(jìn)行初步分析 , 了解構(gòu)造車(chē)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(diǎn) , 然后通過(guò)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)生成曲線 , 再利用已生成的曲線構(gòu)造車(chē)身曲面。

以下 , 以轎車(chē)中柱以及后車(chē)門(mén)的實(shí)際建模為例 , 介紹利用工程圖紙進(jìn)行轎車(chē)車(chē)身三維建模的整個(gè)過(guò)程。我們整個(gè)工作都是在 CAD/ CAM 軟件UG14. 0 平臺(tái)上進(jìn)行的。

2. 1 　識(shí)讀汽車(chē)車(chē)身工程圖紙

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

2. 2 　特征數(shù)據(jù)點(diǎn)的獲取

選擇型面的特征輪廓線 , 通過(guò)手工測(cè)量與掃描儀兩種方式獲取輪廓線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)。通過(guò)測(cè)量獲取這些數(shù)據(jù)點(diǎn)以形成特征輪廓曲線。因此測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí) , 為了在下一步驟形成曲線中能更精確地?cái)M合曲線 , 應(yīng)對(duì)空間曲線曲率較小的地方測(cè)量較多的數(shù)據(jù)點(diǎn)。在對(duì)轎車(chē)車(chē)身中柱的建模中 , 共測(cè)量了 300 個(gè)左右的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

2. 3 　曲線的形成

基本上由數(shù)據(jù)點(diǎn)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(guò)定型值點(diǎn)列來(lái)構(gòu)造曲線 ; 求給定型值點(diǎn)之間在曲線上的點(diǎn)稱為曲線的插值 ; 求出在幾何形狀上與給定型值點(diǎn)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(guò)型值點(diǎn)列。

在曲線的生成過(guò)程中 , 可以利用手工測(cè)量或通過(guò)掃描儀來(lái)獲取有限數(shù)據(jù)點(diǎn) ( 節(jié)點(diǎn) ) 來(lái)生成曲線 , 這將要求曲線通過(guò)測(cè)量獲取的數(shù)據(jù)點(diǎn) , 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(chē)設(shè)計(jì)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(duì)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(chē) B 柱的測(cè)量特征點(diǎn)及其生成的曲線。利用特征數(shù)據(jù)點(diǎn)形成輪廓曲線時(shí) , 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(chē) 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(guò)渡?？梢圆捎枚喾N方法形成該曲線 :一是增加數(shù)據(jù)點(diǎn) , 特別在過(guò)渡處 ; 二是找出過(guò)渡點(diǎn)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(dú)生成 ; 三是在 UG Ⅱ軟件中 ,B 樣條曲線的設(shè)計(jì)方法中可以由設(shè)計(jì)者定義數(shù)據(jù)點(diǎn)的斜率 , 定義輪廓曲線的直線段各點(diǎn)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(guò)渡點(diǎn)往往不易精確選取 , 因此在直線和曲線過(guò)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(chē)后車(chē)門(mén)與車(chē)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(chē)車(chē)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(chē)身的外觀造型、空氣阻力、模具的加工制造及其它性能。

汽車(chē)車(chē)身曲面是一個(gè)復(fù)雜的雕塑曲面。通過(guò)曲線生成曲面的方法有許多種 :

（1）過(guò)曲線 (Through Curve) 可通過(guò)在一個(gè)方向的曲線集建立一個(gè)曲面。

（2）過(guò)曲線網(wǎng)格 (Through Curse Mesh) 可從運(yùn)行在兩個(gè)方向的已存在的曲面外形 ( 線串 ) 集合建立一個(gè)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(dòng)掃出的片實(shí)體。

（4）直紋面 (Ruled Face) 兩曲線間的參數(shù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)用直線段連接而成的曲面。

在通過(guò)上一步驟中所生成的三維特征曲線生成曲面的過(guò)程 , 應(yīng)當(dāng)考慮到如下幾個(gè)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(jì)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(jì)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(duì)生成的曲面進(jìn)行處理。如 : 通過(guò)圓角面 (Blend) 、圓角曲面 (Fillet) 、修剪 (Trimmed) 、延伸 (Extension) 等手段對(duì)曲面進(jìn)行在細(xì)節(jié)處理。

在曲線生成的過(guò)程中 , 應(yīng)該注意一些問(wèn)題。從制造的角度來(lái)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(chē)車(chē)身的各個(gè)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(wú)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(duì)模型進(jìn)行有限元分析時(shí) , 將會(huì)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(chē)車(chē)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(chē) B 柱內(nèi)板上兩個(gè)密封條鑲嵌面應(yīng)為同一曲面。在這兩個(gè)曲面的生成中 , 利用直紋面的方法先生成一個(gè)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(yàn)

在曲面形成以后 , 應(yīng)同時(shí)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(shuō)明、零件編號(hào)、類型說(shuō)明。這樣就最終完成了轎車(chē)后車(chē)門(mén)和轎車(chē) B 柱的三維模型 ( 圖 2 所示 ) 。三維模型建成以后 , 對(duì)模型的準(zhǔn)確性檢驗(yàn)是很有必要的。如何在理論上評(píng)價(jià)曲面的準(zhǔn)確度是一個(gè)較難解決的問(wèn)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(chē)中柱模型曲面上生成密集的點(diǎn)陣 , 獲取點(diǎn)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(diǎn) , 求出 Z 坐標(biāo)的偏差值。通過(guò)對(duì)轎車(chē) B柱模型 ( 圖 2 所示 ) 的檢驗(yàn)可知 , 在模型中獲取1 000 多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn) , 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(chē)車(chē)身的各個(gè)部件工程圖紙建立了計(jì)算機(jī)三維模型 ,并利用所建立的轎車(chē)計(jì)算機(jī)三維模型 , 對(duì)轎車(chē)的車(chē)身各部件進(jìn)行了虛擬裝配 ; 同時(shí)成功地對(duì)轎車(chē)車(chē)門(mén)、車(chē)身側(cè)圍進(jìn)行了剛度有限元分析 ,以及對(duì)轎車(chē)后車(chē)門(mén)在關(guān)閉過(guò)程中翹曲變形進(jìn)行了分析與研究。實(shí)踐表明 , 該方法能夠快速地、精確地對(duì)復(fù)雜的工程圖紙進(jìn)行計(jì)算機(jī)三維建模 ; 為今后研究人員進(jìn)行進(jìn)一步的轎車(chē)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(jiǎn)單、方便、實(shí)用。