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基于逆向工程的汽车仪表板开发 |
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作者：朱险锋 蔡兰 王霄 刘会霞 |
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绪论
仪表板是汽车内饰件中最重要的组成部分，是各种仪表、信号及操作开关的集合处，是汽车的操纵控制与显示的集中部位。在行车过程中，设计好的仪表板能为驾驶员方便、安全地提供内部各种信息，使驾驶员感到得心应手，反之影响驾驶员以及乘车人员的安全；另一方面，仪表板也体现了车的个性和风格，可作为衡量不同厂家的工艺水平和艺术风格的标准之一。造型美观的仪表板，给人一种美的享受；而造型恶劣的仪表板，有一种拒人千里之外的感觉，使购车者望而却步，直接影响企业效益。因此，仪表板的造型和产品表面质量对整车的性能、美感及产品销售至关重要。
仪表板早期设计仅从功能上着手，设计比较规则、简陋，很难做到造型上的美观。随着人类生活水准的提高，现代仪表板造型逐步注重美感。表面质量的要求也从过去的B级曲面提高到现在的A级曲面。曲面平滑的仪表板由自由曲面拼接而成，是纯流线型的，极富动感。因此，内饰造型的曲面化是发展的趋势。逆向工程是汽车产品开发的主流形式，在仪表板开发过程中使用逆向工程技术可以大大提高产品设计的一次成功率，因而缩短了设计周期，在降低成本的同时，减少风险，提高质量，增强企业竞争力。
设计方法及路线
仪表板的造型设计，最初是要像设计整车一样确定出最初的布置方案，然后由造型师参考初始总布置的大致轮廓尺寸，作出二维效果图和三维油泥模型。但不可完全按照总布置尺寸而约束创作思维若二者有冲突，则需要与总布置设计部门相协调从而达到一种最佳模式。其造型特点是由其外部造型决定的，什么样的外形就需要什么样的内饰（仪表板、座椅）造型，它应与整车造型相匹配。一般来说，仪表板造型设计应考虑如下问题：一是要体现功能性，并通过造型将结构的内在美与外形美结合起来；二是要体现装饰性，外形美的仪表板给人第一眼的印象是安全、舒适、恬静、愉快，给人以美好而积极的作用；三与汽车外部造型、其它饰件相呼应做到整体感强，达到内外统一；四是仪表板的布局应做到系统、简练、有层次、有起伏感；五是附件的造型应相互协调、配套。
将制作好的油泥模型再通过CMM（Coordinat Measuring Machine）进行接触式测量或激光扫描进行非接触式测量，以数字化的点云形式表达仪表板外形。由于使用激光扫描方法比机械接触式方法测量速度快、劳动强度低；且由于激光扫描法可测柔软、易碎、不可接触薄件、皮毛、变形细小的工件等优点，所以在工程实践中被大量采用。数字化点在 商 用 逆 向 软 件 （ 如 ：Surface、 Imageware Geomagic Copy CAD）里面打开，利用强大的数据预处理功能对数据进行去噪、插补、精简、定位、光顺处理，然后利用曲面重构功能生成仪表板的A级曲面模型。由于这些专用的逆向工程软件的正向设计功能很弱，所以，被处理过的仪表板表面模型再通过数据接口以＊.igs或＊.stp 等格式导入正向设计软件如Pro／e、UGNX2、CATIA进行三维结构设计最终完成仪表板模型。此时的模型再通过快速原型制出样件进行产品试装及检验，若不合格，则需要再修改模型。若检验合格，就利用该模型数据进行模具的设计与制造，进而进行仪表板的批量生产。 其开发流程如图1所示。
图1 基于逆向工程的汽车仪表板开发流程
工程实践
本节是结合一个横向课题项目“汽车内饰件的逆向工程技术开发”（项目代码1811110225）；来叙述逆向工程的实践。在本文完成课题过程中，整个逆向工程系统由硬件系统和软件系统两部分构成。硬件系统主要是测量设备、快速成型设备和注塑成型设备；软件系统主要是数据处理、CAD建模软件，分别是 Imageware、CATIA Ｖ5。整个系统示意图如图2所示。
图2 逆向工程系统构成示意图
硬件系统
该系统测量设备采用德国 GOM公司的基于结构光法的 ATOS光学扫描系统，由测量头、三角架、控制器、TRITOP数码相机系统和相应的计算机软硬件系统组成。其测量简单、速度快，数据信息完备，可输出的多 种 数 据 格 式 ：ASCII（＊.asc），IGES（＊.igs） 、Pro／E（＊.prt）、CLI（＊.cli）、DXF、VDA／PS以及ASCII形 式 的STL（＊．ａｓｔ） 和 二 进 制 （Binary）形 式 的STL（＊.stl）。快速成型系统采用武汉滨湖机电技术产业有限公司的快速成型系统 HRP-IV，可在短时间内制作出任意复杂程度的三维模型和非常精细的细节（包括多种薄壁结构），完全摆脱切削加工的限制，克服手工模型容易失真的缺陷，改善了传统的生产过程，并节省昂贵的模具加工费用。系统注塑成型设备是国内最大的注塑机龙头企业宁波海天集团股份有限公司的HTF1600X2。
ATOS
软件系统
Imageware 采用先进的NURBS曲面模型，与UG、Pro/E和CATIA等通用 CAD/CAM软件采用的曲面描述方法相同，相互间可方便地沟通，并具有强大的点云处理和线面重构功能。CATIA软件是法国著名飞机制造商达索（Dasault）公司开发的大型三维结构设计和造型软件，是一个大型集成的CAD／CAM／CAE／PDM应用系统。因此，本次采用Imageware 来完成曲面的逆向重构，采用适合于汽车行业的CATIA软件进行结构设计生成完整的仪表盘模型。
仪表板的逆向设计
（1）前期准备。首先对产品进行剖析，确定产品结构的主要特征、合理的建模顺序和设计的整体思路。确定产品结构的主要特征，需要分清哪些是基本特征（如配合面，保证产品外形轮廓的特征），哪些是构造特征（如面与面之间的过渡、凸台、凹腔、倒圆角等）。
从基本特征入手，保证重点，生成模型的基本形状，在这基础上再完成细节部分的设计，如过渡面和微小的局部特征（凸台、凹腔、孔、筋条等）；其次确定设计应遵循的原则。每个零件作为汽车整体中的一个有机部分，在进行零件的曲面重构前，要首先考虑它和其它零件在整车中的装配协调问题。所以，对在装配中起重要作用的位置或者边界，必须给出一个统一的标准。本次完成仪表板的设计，遵循"外表面保证质量，内部保证精度"的原则。
（2）数据获取。使用ATOS进行扫描，并将测得的数据以＊.asc或＊.stl格式输入到 Imageware 软件中，点云如图3所示。
图3 测量点云图
（3）数据预处理。一是由于汽车仪表板的油泥模型尺寸太大，且形状过于复杂。因此，须经过多次扫描，并且要配合使用 TRITOP 数码相机系统。由TRITOP 数码相机系统拍到多视点云间的参考点坐标位置，然后利用这些参考点建立各点云间的对应关系，并在 ATOS 自带的软件中实现了点云的拼合过程。二是在 Imageware 软件里面交互式删除噪声点。三是等距离法来精简点云。四是将点云摆到实际装车位置。五是确定产品的出模方向。
（4）曲面重构。曲面生成方法：一是由曲线生成曲面；二是由点云直接生成曲面。曲面重构步骤为：一是曲面分块；二是基础面的构建；三是过渡面的建立；四是曲面分析；五是模型完善。完成的表面模型如图4所示。
图4 表面模型图
（5）三维结构设计。完成了表面模型的重构，就可以进行结构设计。汽车仪表板的本体主要由发泡部分和骨架组成。发泡层的厚度一般在7㎜左右可将外表面的基础面往里偏移发泡层厚度，然后再添加过渡面，得到内表面，最后封闭内外表面，并将曲面模型转化为实体模型。骨架采用钢骨架形式其厚度一般是1㎜，表面布置些工艺孔，让发泡层顺利流通。骨架设计应使骨架既满足一定的装配要求，又有一定的刚度，以保证仪表板不变形。产品骨架如图5所示。
图5 产品骨架图
小结
本文介绍了基于逆向工程仪表板开发的方法和路线和仪表板的具体实践中系统的构成和产品设计过程中的具体步骤，完成了汽车仪表板复杂曲面的三维几何模型逆向设计，为后续的分析、模具设计、NC加工等奠定了基础，极大地缩短产品的开发周期。从实际工程应用角度来看，其应用领域十分广泛，因而，发展前景十分诱人。(end)
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(4/13/2006) |
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