CMM与CAM一体化技术在汽车车身设计中的应用

作者：徐海卫 李卫春 周建瑜 江舟

欢迎访问e展厅 展厅 6 三坐标测量机展厅 三坐标测量机, 关节臂测量机, 逆向工程/测量机软件, ... 汽车产业是我国重点支柱产业，但目前国内各汽车生产厂的车身造型设计基本还停留在传统手工制作上，不仅制作精度低，耗费大量的人力和工时，也制约了汽车工业自主开发的进程，所以在汽车设计模型制作过程中将三维数学主模型直接编程加工并通过数字照相式测量在线检测分析和逆向工程再造，快速而准确全面地重构三维数学主模型，使测量检测和切削加工一体化，能有效缩短整车模型制作周期、提高制作精度，缩短车身设计与制造的开发周期，提高我国汽车企业的市场竞争力，从而促进和带动我国汽车工业的快速发展。 各种车身实物模型作为车身造型的直接体现和车身工程数据的重要载体，在汽车设计开发过程中,特别是在车身设计与制造过程中起着举足轻重的作用。而车身造型设计中最关键的阶段是全尺寸模型的制作，它将汽车的理论设计与实物造型相结合，直观反映设计理念。 汽车车身由一系列复杂的空间曲面构成，它既是一种工艺品，又是一种运载空间。我国汽车企业大多数采用传统的车身设计方法，开发周期长、制造精度低，而将CMM（三坐标测量机）技术与CAD/CAM技术相结合，能使现代设计方法如虎添翼，促进着汽车工业的快速发展。目前此技术在国外同类企业中早已经成功地得到运用，极大地提高了新车车身开发的效率，而此技术在我国的应用还处在起步阶段，为此我们应该尽快将CMM/CAM一体化技术实际运用在汽车车身设计开发中，加快我国汽车工业自主开发的步伐。 传统的设计方法 传统的设计方法由初步设计和技术设计两个阶段组成，其特点是通过实物和图纸来传递信息，至少包括1:5的油泥模型、全尺寸油泥模型以及实车三次风洞实验等相关步骤。传统的设计方法主要存在下述缺点： □ 周期长 在车身整个开发和生产准备的周期，在国内一般需要3~5年的时间，而制作1:1的油泥模型并取样绘制主图板还将要耗费大量时间、人力和物力，而且初始设计的可信度相当低，为了产品定型只能依靠样车试制和实验分析验证，逐步修改设计，这一般都需要3次以上，所以周期相当长。 现代汽车的竞争是速度的竞争，包括造型的不断更新，如果能缩短汽车更新换代的周期，就能使汽车公司在竞争中处于有利地位，而传统的设计方法周期长、效率低，必然无法适应现代汽车激烈的市场竞争。 □ 累积误差较大 首先，雕刻油泥模型主要依靠人眼来判断形状和连接的光顺性，但汽车造型的圆弧面是很难通过人眼判断其是否光滑，而目前汽车造型又以圆弧化为时尚，圆弧面及小角落很难雕刻，这样就会产生初始的油泥模型误差，而采用三坐标机进行测量也多采用接触式测头，采集测点数目有限，会丢失一些关键点，所以不能真实反映一些曲面的特征，造成测量误差。 现代化的车身设计方法 随着计算机技术的发展，高速数字式计算机的出现，特别是高速图形处理终端及工作站的出现，使计算机几何图形处理成为现实。从1970年代计算机辅助技术CAX逐步广泛应用于工业设计制造领域开始，三维CAD系统的出现标志着计算机辅助设计技术从单纯的模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，它实现了计算机对产品零件主要信息的描述，同时也促进了CAE、CAM技术的发展和实现。CAD的曲面造型功能，使复杂曲面的计算机数学模型的建立成为现实，车身设计开发手段有了质的飞跃。CAD、CAM的集成废除了过去车身设计过程中长期沿用的“三主”方式，主图板、主样板不再存在，保留下来的主模型也不同于以前。在三维工程设计软件中，最著名的包括，美国的UGS公司的UGⅡ，美国PTC公司的PRO/E，法国达索公司的CATIA等，这些三维工程设计软件广泛应用于世界各大汽车公司，为各公司提高设计制造的质量、缩短开发周期、增强产品市场竞争力发挥了关键作用。 □ 车身三维数学主模型与CAE 车身造型的三维模型数据在CAE系统中重构车身三维模型，可以用于包括车身刚度强度的有限元分析、汽车碰撞模拟实验、空气动力学性能分析及车身表面光顺性分析等。 □ 车身三维模型与1：1样车模型的加工 由于小比例油泥模型与真实大小的车在外形比例、细节等方面还存在一些偏差，以及计算机系统表现物体能力的限制，因此在新车型开发过程中，必须制作1：1的实车比例模型，以最终确定各部位的线条，并检验整车外观的视觉效果。 目前1：1车身模型的快速加工方法一般采用数控加工（NCM）方法，其基本原理是在CAM模块或系统中处理三维CAD数学模型，通过CAM选择加工刀具，确定加工轨迹等前处理工作。CAM模块（系统）自动生成数控加工的程序代码直接传输到数控加工设备，进行三维实体模型的加工。该方法运用比较成熟，精度高，是目前国外汽车制造厂家广泛使用的加工方法，但这种大型的数控加工设备成本相当昂贵，在我国一般汽车企业很难得到推广应用。 □ 车身三维数学主模型与车身结构设计 车身的三维数学主模型将给车身结构工程师的设计带来极大的方便，结构工程师根据三维数学主模型能够进行更加合理、更加准确、更加有效的车身结构设计。车身三维造型数据还可以直接传送给模具CAD/CAM系统，这将提高车身覆盖件模具制造的品质，缩短设计和制造的周期。 CMM/CAM一体化切削测量机 随着以电子计算机技术为代表的现代科技的发展和应用，车身设计开发技术有了革命性的变化，这给我国汽车工业带来了压力，也带来了机遇，计算机应用技术也融进或取代了不少传统技术，与传统技术相比，在计算机应用方面国内比较容易追赶发达国家。中测量仪在充分了解现代车身设计方法的变迁，以及准确的国内市场定位的前提下，在国内首创研制了CMM/CAM一体化切削测量机，其特点和应用举例如下： □ 功能全，针对性强 中测量仪CMM/CAM一体化切削测量机在其悬臂式三坐标测量机的基础上，在增加主机刚性结构的基础上增强了CAM数控加工功能，保留了原来接触式测头测量功能，并增加了数字照相测量功能。其数字照相功能是专门为车身设计中快速而准确地构造三维数学主模型而增加的功能，解决了接触式测量采点速度慢、对某些特征点及圆弧过渡处无法测量的缺陷。数字照相式测量可以一次扫描一个完整的面（包括曲面及曲面之间的连接线），因而能快速准确地采集油泥模型表面的数据，同时由于是非接触式并且不遗漏物体特征的测量方法，因此可以减小累积误差。工程师可以将采集的数据进行格式转换后，作为原始数据，传送到三维模型造型软件，快速而准确地生成车身的三维数学主模型。 同时，中测量仪CMM/CAM一体化切削测量机功能完备的手持式控制盒，既方便CAM系统的对刀，又方便照相式测量系统的测量。其设计结构独特的切削头，扩充了数控切削加工的功能，保证了在整车模型加工的过程中，不存在加工死区；独特的刚性机体设计，能满足高速高精度的切削加工，快速高效地完成1：1车身模型的加工。 □ 良好的集成性 中测量仪CMM/CAM一体化切削测量机良好地集成了测量功能和切削加工功能，可以在测量功能和加工功能之间快速切换，快速地用测量的数据指导加工，或将加工完成的模型通过测量将数据快速反馈到三维造型系统，这可以减少三维数学主模型的确定时间，从而缩短车身设计的开发周期。 □ 流程应用举例 1、概念草图设计 由汽车造型师概念设计，通过计算机三维模拟表达出设计意图，由此产生的三维3D模型，是设计验证、修改、样车模型制造的基础。 2、加工程序编制，生成NC代码 对加工位置和加工余量进行分析，编制加工程序和生成刀具路径，并对各刀具路径进行防碰撞、过切检查和模拟加工，验证路径的正确性，通过后处理生成适合于本机读取的NC代码，并对照处理过后的NC程序走刀点确定是否与设计的刀具路径点相同。 3 、系统初始化 数控系统初始化，确认各系统工作正常，在Windows界面下把系统切换到切削状态（系统有测量和切削两种状态），机器开始回原点，待机。 4、加工原点确认 把刀头转到程序相应状态后，利用手控脉冲轮对刀，找加工原点，对刀块为接触触发式，接触后即将当前轴位置状态数据发出，并在数控系统里存储相应的加工原点数据。 5、加工程序传输 计算机通过串行口与数控系统连接传输NC加工代码，数控系统缓存代码。 6、执行加工 在执行加工前，先空快速运行NC程序，验证NC程序的正确性，看系统是否有报警发生，而后执行加工。 7、数据采集 非接触式测量系统为光学成相，称为工业采数相机，拥有效率高、像素高、采数面积大、带关节旋转、能在同一坐标系下多角度拍摄等优点；单点触发方式采集数据，精度较高但效率低，因此中测量仪CMM/CAM一体化切削测量机将接触与非接触测量配合使用。利用非接触式采集大部分点数据， 用接触式采集实现对特殊点的辅助采集，可方便地完成采点过程，采集的数据经过稍微处理后可以输出IGES、ASC格式，方便其他软件的读取。 8、模型反求 在对油泥模型进行修改后，再通过如Imageware、Geomagic、CATIA、UG等诸多的逆向造型软件读取采集的点云数据可以求得曲面，如此反复，直到设计者满意为止。 结束语 我国新的汽车工业规划纲明确提出要以车身开发为突破口，形成我国轿车自主开发能力，而轿车车身占整车总成本的比例约为1/3，甚至接近1/2，而且它又是汽车商品性的重要标志，轿车车身更新频度高、技术进步快，因此车身开发能力是轿车自主开发的突破口。 中测量仪CMM/CAM一体化切削测量机，是国内首款将测量与切削加工功能集成在一起的设备，其功能已基本接近或达到国外同类型设备的各项技术指标，但在成本价格上占有明显的优势，适合在国内各大、中、小汽车企业推广使用。 作者单位：中国测试技术研究院测量仪器研究所(end)

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