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轿车内门板计算机辅助建模 |
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作者： |
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引言
汽车覆盖件是典型的具有复杂型面的大型板料件，该类零件形状极其复杂，一般为空间三维曲面，许多情况下为复杂自由曲面和雕塑曲面。轿车内门板则是汽车覆盖件中最具有代表性的一种，其具有多岛和多坑、坯料尺寸大、多处为混合的复杂曲面以及曲面形状变化多样的特点，因此在产品图上只能用投影线来反映其各主要部位的几何关系，其形体特性一般不能反映出来。这就使得其最初的产品模型设计难以在CAD软件上直接设计出来，所以一般的方法都是先制造出实物模型(木模、泥模以及蜡模等)，然后再测量实物模型，再通过对实物模型的处理，获取三维实体模型。另外也可能已经有了产品，但没有产品的实体模型，因此反向工程成为解决这一问题的有效方法［1］。本文以轿车内门板的计算机模型建立为例，探讨了反向工程在具有复杂型面板料件计算机建模过程中的应用，以及在计算机辅助造型中值得注意的问题。
1建模的一般步骤
对于类似轿车车内门板这样的复杂板料应用反向工程技术建立CAD模型的一般步骤如下：
(1) 初始形状离散数字化，即通过非接触式或接触式扫描测量机来获得被测实物表面的离散点的空间位置信息。非接触式测量方式有光栅法、全息法、深度图象三维测量法、激光三角法等，这些方法都有各自的应用范围。接触式测量中最常用的方法是三坐标测量仪法(CMM)，采用三坐标测量仪法可以达到较高的测量精度，但也存在着测头易于被损伤、划伤零件和受操作水平及人工干预影响较严重等缺点，因这种方法在应用中已经比较成熟，所以在现场仍大量被应用［2］。
(2) 离散数字化后的数据处理，包括对接触式三坐标测量机触头半径的补偿，以及将扫描数据转换成IGES、DXF或其它的数据格式等工作。若采用有效的非接触式测量方法，可以避免测头半径的补偿问题，但在象轿车内门板这样尺寸庞大而形状又特别复杂的零件中，投入实际应用而又有效的非接触测量方法并不多见，因此三坐标测量机触头半径的三维补偿也是个不容忽视的问题。IGES(Initial Graphics Exchange Specification)定义了一套表示CAD/CAM中常用的几何和非几何数据格式以及相应的文件结构，是国内外CAD/CAM/CAE系统最为常用的一种数据交换标准。
(3) 将经过补偿和转换处理好的数据文件转入造型软件中，获得由基本曲线(直线和圆弧)连成的基本轮廓。常用的商品化造型软件有UG-Ⅱ、CATIA-CADAM、Ⅰ-DEAS、Pro/E等。
(4) 按照造型要求，利用产品图和在造型软件中获得的轮廓线所提供的信息进行模型的三维曲面生成工作。造型流程如下图1所示。
图1造型流程
2建模的关键技术问题
在汽车覆盖件CAD模型的建立过程中，有以下几个技术问题是必须要注意的，能否正确地处理这些问题往往是最后建立的模型是否准确的关键。
(1) 由接触式三坐标测量机所测得的数据实际上是测头中心的坐标值，因此对测头半径的补偿是必须要考虑到的。比较一般的测头半径补偿方法是二维的，由于象轿车内门板这样的覆盖件表面为不规则的复杂曲面，测头与工件的接触点并不位于测头中心所确定的测量平面内，在测量平面内对测头进行二维补偿，必然会有较大误差，不能满足汽车覆盖件要求精度较高的条件，所以必须采用三维的测头半径补偿方法。目前对测头半径的三维补偿的方法也比较多。一种实用的方法是先将被测数据进行规则化处理，然后以双有序的节点为交点形成网络线，这些网络线能够反映被测量曲面的特征。从而简化测量操作，取消对各截面内采样点及采样点位置的限制，而且可以使测头半径的三维补偿适合于多种不同类型复杂曲面。根据测头中心轨迹曲面与被测曲面上各点的一一对应关系，从测头中心坐标点找到被测表面上对应的测头触点坐标，从而进行测头半径的三维补偿［3］。
(2) 交换数据所采用的标准也是一个值得注意的问题。将三坐标测量机上测得的扫描数据转入专门的造型软件中之前，必须先将其转换为标准的数据格式文件，而最后造型工作完成之后，在将模型转入其它的CAM或CAE系统中之前，同样涉及到数据交换的问题。考虑到系统之间数据转换的方便，应尽可能采用通用标准的数据格式。建议采用最为常用的IGES格式，一般的CAD/CAM/CAE系统都有专门的IGES接口。
(3) 在造型软件上进行的造型工作中，对所要建立的模型必须有长时间的仔细揣摩，并且尽可能地利用产品的设计图和原模型(或产品)以及从最初扫描所得到的轮廓线，获得对其结构上的整体认识和把握。另外要充分熟知并利用造型软件的各种功能。
(4) 最后建立模型的好坏不仅取决于模型对实物形状的拟合程度，也取决于曲面是否光顺以及曲面的连接是否光滑。由于直接从通过扫描实物表面得到的轮廓线上点取型值点，因此只要型值点的选取能保证位置准确而且数量足够多，则由此而得的曲线和曲面是能满足对实物的拟合精度要求的。另外，曲线和曲面的光顺是一个应该特别注意的问题，一般来讲，满足曲线光顺的条件是：① 二阶光滑，即曲率连续；② 曲线不存在多余的拐点；③ 曲率变化比较均匀。满足曲面光顺的条件是：① 构成曲面的关键曲线光顺；② 曲面的网格线无多余的拐点；③ 曲面高斯曲率变化均匀［4，5］。一般是通过对曲面进行渲染处理，借此来检验曲面的光顺性。通过透视渲染、镜面反射、透明、倒影、多重光源等处理手段，可以产生逼真的、视觉感良好的图象，从各个角度观察所生成的曲面光顺度，可以全面地判断整个曲面的光顺性。
3轿车内门板CAD模型的建立
3.1车门内板形状离散数字化
采用接触式的三坐标测量机进行测量，由于测头半径和测量所取间距等一些因素的影响，所以被测数据必须经测头半径误差三维补偿，然后转换为IGES格式的数据文件。
3.2造型系统
系统硬件采用：SGI-Indigo2工作站(内存为128M，硬盘容量2GB)。操作系统为IRIX6.2。造型软件为EDS公司的通用CAD/CAM软件Unigraphics(UGII)(版本为V13.0)，其具有较强的造型功能及丰富的修改编辑功能，可以方便地生成各种复杂精确的三维曲面模型。
3.3造型步骤
扫描数据经测头半径的三维补偿后，转入UGⅡ软件，生成的轮廓线如图2所示，再按照前面所述的造型流程图1进行建模工作，最后建立的轿车内门板的三维CAD模型见图3所示。 
图2扫描数据转入UG的轮廓线 图3轿车内门板三维CAD模型
4结束语
(1) 汽车覆盖件计算机辅助建模是一项难度较大的工作，要想出色地完成这项工作，必须在掌握计算机图形学理论和熟练使用造型软件的基础上，对所建立的模型在空间上有足够的认识和把握，造型的过程实际上就是一个把造型工作人员脑海中的模型在计算机上重现的过程。
(2) 反向工程的最终目标是建立一个能完全地再现实物几何模型的系统，然而，目前的技术离这一步的实现还有很长的距离，大量的工作仍然需要人力来完成，因此从一定程度上讲，工作经验仍是起决定性作用的因素。
(3) 经计算机辅助造型建立的轿车内门板CAD模型，为后续的CAM加工，CAE仿真分析奠定了基础，因此对于汽车覆盖件模具的设计制造具有十分重要的意义。(end)
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(9/7/2006) |
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