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三坐标测量机 |
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逆向工程应用于汽车覆盖件模具设计 |
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作者：天津汽车模具有限公司 李君君 |
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作为汽车车身关键装备的汽车覆盖件模具，其设计、制造速度直接制约汽车工业的发展。本文阐述了逆向工程在汽车覆盖件模具设计中所发挥的巨大作用，它是用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD数学模型的过程。
坐标测量机测定工件的空间坐标
汽车工业是全球制造业的支柱产业之一，随着巿场需求的改变，汽车的更新换代速度日趋加快，其设计、制造速度的快慢直接制约着汽车业的发展。现代化设计理念的形成将给汽车发展带来巨大的变革，由此而提出的逆向工程在汽车制造领域的应用将大大的改进汽车制造业的现状。
逆向工程（Reverse Engineering），是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程。逆向工程在汽车工业中的应用，着眼於实际问题就是在汽车设计中怎样进行实物测量和逆向建模，所使用的CAD设计工具主要是UG和CATIA，利用现有的设计方法和手段，根据汽车自身特点，建立起与原模型相近的模型。
硬件条件
天津汽车模具有限公司的测量技术已达到国内先进水平，该公司所使用的测量仪器包括三坐标测量机、ATOS扫描仪和数码相机，三者相结合使用，使测量达到更高的精度，并准确地反映了原物体的实际型面特征和搭接关系，为以後的建型提供了可靠的数据。下面是在测量过程中使用的三种仪器：
三坐标测量机（DELTA4507）
三坐标测量机是从意大利引进的先进仪器，可以测量模具，检具及各种装卡具，是一种接触式的测量仪器。它的测量範围是4.07m×2.54m×1.83m，一般的工件都可以在测量範围内进行测量，大型的工件可以分段测量，测量後将所测数据合并，得到整个工件的测量数据。该仪器的测量不确定度为0.018mm，重复测量精度为0.008mm。在这样的精度下得到的测量结果足以满足汽车覆盖件模具设计的要求。它可以为所测工件建立空间坐标系，以便在後面的测量中有一个原始的统一的坐标系将数据合并到一起，保证测量精度。
ATOS便携式三维扫描仪
德国GOM公司的ATOS便携式三维扫描仪在测量时可随意绕着被测物体移动，在距被测物体约700 mm处高速摄取实物表面数据。扫描系统可连续投影11种不同间距的光带於物体上，通过光带间距的变化，再经过数码影像处理器分析，在数秒内便可得到实物表面数据，实现三维扫描高速化，对於大型物体需分块扫描。该系统的测量（扫描）範围可达8m×8m，曲面拼接精度达到0.1mm/m。这种扫描系统的扫描不用编程，不受场地和实物、检具等位置的限制，操作方面，又由於重量较轻、体积较小，可实现异地测量。ATOS扫描仪不但可以用於尖角、凹槽、复杂轮廓及软质件的测量，而且可用於汽车、摩托车外饰件的造型和大型模具的制造。
XL数码相机
在ATOS测量大的工件分块扫描时，为了减少扫描照片的拼接误差，利用一台XL数码相机，使若乾不同位置扫描的曲面能按特征点自动拼接，形成一个完整的三维数字模型，是专为扫描大型物体而设的预先定位工具。扫描物体尺寸小於500mm时用ATOS基本系统就可以完成，如果扫描物体尺寸小於1500mm×1500mm×1000mm时，需要ATOS和低分辨率XL数码相机配合，如果扫描物体大至8~10m就需要高分辨率XL数码相机和ATOS配合。
软件条件
建型过程中主要使用两种软件CATIA和UG。CATIA的功能强大，它能够读取较大的数据，数字建型编辑（Digitized Shape Editor）模块对点云进行编辑、点云复位、点云的面化处理、激活、稀化、删除。它的稀化可以根据曲率的变化来稀化点云，使曲率变化大的地方所保留点的数目要比规则面多，以保证所得点能够反映物体表面的实际特征；快速表面改造模块（Quick Surface Reconstruction）可以激活点云的某一部分，利用点云生成面；外形生成设计模块（Generative Shape Design）主要编辑由点云生成的面，它在建型过程中起了主要作用；自由造型模块（Freestyle）可以进行模具设计中曲线和面的设计工作。CATIA解决了逆向工程中点云数据庞大而无法处理的情况。UG突破传统CAD/CAM模式，为用户提供一个全面的产品建模系统，在UG中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的。在设计过程中主要用到Modeling和Surface模块。
建型过程
由於测量过程中测得的是离散点数据，缺乏必要的特征信息，往往存在数字化误差，需要先对汽车的外形进行建型，主要是从美学的角度来考虑，外形的光顺性是最主要的，设计的准则是曲线上曲率极值点尽可能少些；相邻两个极值点之间的曲率尽可能接近线性变化。曲面光顺往往归结为网格的光顺，其含义是指网格的每一条曲线都是光顺的，光顺的曲面，应该是没有凸区和凹区，此时要从车的风格考虑由意匠面人员来调节。然後在数控机床上用可加工塑料进行1：1的仿形加工，加工出来的模型与原车型进行比较，经过有关人员的研讨之後，再对意匠面进行修改，反复三到四次，最终定下意匠面之後，其它件的外形皆根据意匠面来设计。
开始结构设计前，要先理解原有模型的设计思想，对模型进行系统的分析，在此基础上还可能要修复或克服原有模型上存在的缺陷，此时主要从零件的功能上考虑，主要考虑以下一些要点：
（1） 型面分析
系统地分析，然後将模型划分为几个特征区，得出设计的整体思路，确定模型基本构成形状的曲面类型。分析所要设计的件与其它件的配合关系，找到配合面、基准孔，分清在一个具体实物中哪些是重要面，哪些是过渡面，有配合关系的表面根据基准侧进行面的偏置，这时就要根据此面在那个件中的重要性来定，定出重要面後，另一个配合面不再根据点云建，而是由此面偏置，与意匠面有关的要根据意匠面来设定，例如车门外板。过渡面要看它的作用，还要考虑是否能够成形。
（2） 曲线曲面的光顺处理
要求类似於前面外形的光顺性处理，但相对於外形，零件就相对降低了要求，它的结构设计主要从功能的角度出发。
（3） 协调
尖角模型建成後，要进行协调，看相配合的面及过渡区是不是发生抵触。还要进行重建CAD模型的检验与修正，根据获得的CAD模型重新测量和采用加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其它试验性能指标的要求，对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的设计要求。
通过上述流程，天津汽车模具有限公司已能够成功地完成整车的测量和建型工作。逆向工程是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术，它已经广泛应用到新产品的开发、旧零件的还原以及产品的检测中，不仅消化和吸收实物原型，并且能修改再设计以制造出新的产品。逆向工程将加快汽车更新换代速度，加快其设计、制造速度，提高质量，降低成本，提高中国汽车工业竞争力。(end)
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(10/14/2004) |
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