基于CATIA逆向环境的车门附件设计

河 北 农 业 大 学本 科 毕 业 论 文 (设 计 )题 目： 基于 CATIA 逆向环境车门附件的开发研究The Development of door accessories based on The Reverse Environment of CATIA学 院： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 二 O 一 O 年 月 日基于 CATIA逆向环境车门附件的开发研究The Development of door accessories based on The Reverse Environment of CATIA本 科 生： 指导教师： 二一年六月基于 CATIA逆向环境车门附件的开发研究The Development of door accessories based on The Reverse Environment of CATIA摘要：论文阐述了 CATIA 逆向环境下的设计方法及流程，对汽车车身开闭件件中的车门附件进行了比较具体的研究，并对其设计方法、步骤、要求进行了一定的阐述。文中阐述了 CAD/CAM 技术的发展，CATIA 逆向设计流程,车门附件中车门开闭系设计研究，门锁系的设计研究，玻璃升降系的设计研究，车门密封系的设计，通过借助 CATIA 按照设计规则进行开发研究。关键词：CATIA 逆向 车门附件Abstract: Paper explains the reverse CATIA design environment and process, on the vehicle body opening and closing the door attachment piece is made more specific studies and their design methods, steps, require some elaboration. The paper describes the CAD/CAM technology, CATIA reverse design process, the doors open and close the door annex Department of Design Research, Design and Research of the Department of locks, window lift system for the design of the door seal system design, in accordance with the design through the use of CATIA Development of rules.Keywords: CATIA reverse parts accessories目 录1、前 言 .12、CAD/CAM 技术的发展 .12.1、CAD 技术在汽车开发中的应用 .22.2、CATIA 模块介绍 .22.3、产品逆向设计的产生与应用 .32.4、CATIA 逆向流程 .43、车门开闭系的设计 .73.1、车门铰链的研究 .73.2、车门限位器的设计 .93.2.1、限位器的组成及工作原理 .93.2.2、限位器主臂的设计: .103.2.3、铰链限位器及车门的运动分析 .124、门锁系的研究设计 .134.1、内扣手和门把手 .144.2、开启度和行程 .154.3、位置要求 .154.4、结构设计要求及与钣金和附件的关系 .165、玻璃升降系的设计研究 .165.1、环面玻璃的设计思想 .165.2、玻璃升降器 .175.2.1、绳轮式 .175.2.2、叉臂式 .186、密封系设计研究 .196.1、密封条 .196.2、作用 .196.3、设计规则 .197、总结与展望 .20参考文献 .20河北农业大学本科生毕业论文 第 1 页 共 21 页1、前言CATIA 是计算机辅助设计及制造（CAD/CAM）技术软件的一种，由于设计方便，设计精度高，功能强大，受到广泛的应用和推崇。CATIA 已经广泛的应用到汽车的设计及生产制造中，国内现在汽车厂商基本上都在采用 CATIA。CATIA逆向是设计过程中的一小部分，是在样件的基础上，对其进行模仿并创新，目的为缩短设计周期，同时对设计进行改良创新。车门是汽车车身的主要部件之一，它不仅为司乘人员上下车提供方便的条件，而且与整车动力性（空气动力性） 、舒适性（风流噪声、密封等）和使用性能（开启方便灵活）等有着密切的关系，同时对整车造型起着协调作用，并直接影响车身外形的美观。车门附件的设计好坏直接影响到整车的质量。汽车车身中车门是主要开闭件，车门附件包括四大部分车门开闭系、玻璃升降系、门锁系、车门密封系等。车门的设计涉及到车身的外观、安全性、可靠性，车门的设计同时涉及到人机工程学等，汽车车门的设计反映出车身外形的发展趋势，可以使汽车内部空间更加宽敞使驾驶员和乘客感觉更加舒适，车门的开关还涉及到乘客和驾驶员上下车的方便性。车门的设计涉及车身侧围和地板等的布置。2、CAD/CAM 技术的发展计算机辅助设计及制造（CAD/CAM）技术就是将计算机迅速、准确地处理信息的特点与人类创造的思维能力及推理判断能力巧妙地结合起来，用计算机硬件、软件的新成就特别是计算机绘图、数据库、智能模拟技术，为现代设计提供了理想的手段。1972 年国际信息处理联合会（IFIP）曾对 CAD 技术作如下定义：“CAD 是一种技术，其中人与计算机结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每一方，并为应用多学科方法的综合性协作提供了可能”计算机辅助制造（CAM）利用计算机将产品的设计信息自动转换为制造信息，以控制产品的加工、装配、检验、包装等全过程，以基于这些过程相关的物流系统和初步的生产调度CAD/CAM( 计算机辅助设计及制造)技术产生于本世 50 年代后期发达国家的航空和军事工业中，随着计算机软硬件技术和计算机图形学技术的发展而迅速成长起来。CAD/CAM 在机械制造行业的应用最早，也最为广泛。采用 CAD 技术进行产品设计不但可以使设计人员“甩掉图板” ，更新传统的设计思想，实现设计自动化，降低产品的成本，提高企业及其产品在市场上的竞争能力；还可以使企业由原来的串行式作业转变为并行作业，建立一种全新的设计和生产 技术管理体制，缩短产品的开发周期，提高劳动生产率。如今世界各大航空、航天及汽车等制造业巨头不但广泛采用 CAD/CAM 技术进行产品设计，而且投入大量的人力物力及资金进行 CAD/CAM 软件的开发，以保持自己技术上的领先地位和国际市场上的优势。CAD/CAM 技术的广泛应用大大减轻了设计者的劳动强度， 改善了他们的工作环境和条件，提高了产品的设计质量，极大的提高了产品的开发和设计效率，缩短了新产品的开发周期。CAD/CAM 技术彻底改变了传统的产品设计方式，使设计人员的智慧和能力得河北农业大学本科生毕业论文 第 2 页 共 21 页2到充分的发挥，CAD/CAM 技术的发展与应用水平已成为和衡量一个国家的科学技术现代化和工业现代化的重要标志。我国的 CAD/CAM 技术的研究和应用起步较晚，从八十年代才逐步开始，但是发展的非常快，特别是进入九十以后得到迅速的发展，CAD/CAM 技术在我国的航空、航天、造船、机械、汽车等领域得到较广泛的应用，一些国产的优秀 CAD 软件也应运而生，但是我国 CAD/CAM 技术研究和应用的广度和深度与国外相比还存在较大的差距，要想提高我国汽车等机械产品在国际市场竞争力，CAD 技术的研究和应用是关键。2.1、CAD 技术在汽车开发中的应用CAD 技术首先在航空、航天领域得到广泛应用，而后开始逐渐应用于汽车领域。1959年 GM 汽车公司的 DAC-1（Design Augmented Computer）项目标志着 CAD 技术在汽车行业应用的开始。CAD 技术给使用者带来了巨大的好处及颇丰的收益，汽车工业开始大量采用 CAD 技术。80 年代初，几乎全世界所有的汽车工业和航空工业都购买过相当数量的CATIA，其结果是 CATIA 跃居制造业 CAD 软件榜首，并且保持了许多年。最近几年，从造型理论上来说，CATIA 并没有突破性的进展，其 CAD 技术本身已相对落后。但 CATIA除了给用户提供丰富的交互曲线、曲面造型、拟合功能外，还给用户提供了二次开发工具，无疑给用户带来了极大的方便。经过半个世纪的发展，CAD 技术在国外汽车行业得到广泛而成熟的应用。各汽车公司不仅拥有非常好的 CAD 软硬件条件，而且还有高素质 CAD 设计队伍，很好的将各公司多年的汽车设计理论、经验和 CAD 技术相结合，成功的用于其新产品的开发和设计，CAD 技术的广泛应用极大的缩短了新车型的开发周期。国外各汽车公司不仅在汽车设计和 CAD应用方面积累了丰富的经验，而且还结合专业知识和专家经验对 CAD 软件进行二次开发，克服通用 CAD 软件在汽车设计方面的局限性，开发适合公司内部设计需要的智能 CAD 专业模块，帮助其产品设计人员快速的开发和设计出更好的产品，以求在市场竞争中处于有利地位。目前，国外用的比较多的 CAD 软件，主要有：CATIA(IBM/Dassault)、Unigraphics(EDS)、I-DEAS(SDRC)、PRO/E(PTC)、EUCLID(MATRA)、CADDS(ComputerVision)等。可以说我国汽车行业 CAD 软硬件的条件是相当不错的，经过十多年努力，CAD 技术在我国汽车行业的应用已取得很大的进步，而且一些大学和科研机构在通用的 CAD/CAM 软件基础上进行二次开发专业模块。现在各国制造企业均纷纷采用各种新实现、新方法、新技术来改进自己的产品开发模式，力图使企业及其产品具有较强的竞争力和生命力。 2.2、CATIA 模块介绍CATIA 是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为 PLM 协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。河北农业大学本科生毕业论文 第 3 页 共 21 页3模块化的 CATIA 系列产品旨在满足客户在产品开发活动中的需要，包括风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟。CATIA 产品基于开放式可扩展的 V5 架构。CATIA 系列产品已经在七大领域里成为首要的 3D 设计和模拟解决方案：汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造。CATIA 拥有远远强于其竞争对手的曲面设计模块，在此有必要介绍一下：1.Generic Shape Design, GSD，创成式造型，非常完整的曲线操作工具和最基础的曲面构造工具，除了可以完成所以曲线操作以外，可以完成拉伸，旋转，扫描，边界填补，桥接，修补碎片，拼接，凸点，裁剪，光顺，投影和高级投影，倒角等功能，连续性最高达到 G2，生成封闭片体 Volume，完全达到普通三维 CAD 软件曲面造型功能，比如Pro/E。完全参数化操作。2.Free Style Surface, FSS,自由风格造型，几乎完全非参。除了包括 GSD 中的所有功能以外，还可完成诸如曲面控制点（可实现多曲面到整个产品外形同步调整控制点、变形），自由约束边界，去除参数，达到汽车 A 面标准的曲面桥接、倒角、光顺等功能，所有命令都可以非常轻松的达到 G2。凭借 GSD 和 FSS，CATIA 曲面功能已经超越了所有CAD 软件，甚至同为汽车行业竞争对手的 UG NX。3.Automotive Class A, ACA，汽车 A 级曲面，完全非参，此模块提供了强大的曲线曲面编辑功能，和无比强大的一键曲面光顺功能。几乎所有命令可达到 G3，而且不破坏原有光顺外形。可实现多曲面甚至整个产品外形的同步曲面操作（控制点拖动，光顺，倒角等）。对于丰田等对 A 级曲面要求近乎疯狂（全 G3 连续等）的要求，可应付自如。4.FreeStyle Sketch Tracer，FST，自由风格草图绘制，可根据产品的三视图或照片描出基本外形曲线。5.Digitized Shape Editor，DSE，数字曲面编辑器，根据输入的点云数据，进行采样，编辑，裁剪已达到最接近产品外形的要求，可生成高质量的 mesh 小三角片体。完全非参。6.Quick Surface Reconstruction,快速曲面重构，根据输入的点云数据或者 mesh以后的小三角片体，提供各种方式生成曲线，以供曲面造型，完全非参。7.Shape Sculpter,小三角片体外形编辑，可以对小三角片体进行各种操作，功能几乎强大到与 CATIA 曲面操作相同，完全非参。8.Automotive BIW Fastening，汽车白车身紧固，设计汽车白车身各钣金件之间的焊接方式和焊接几何尺寸。9.Image & Shape，可以像捏橡皮泥一样拖动，拉伸，扭转产品外形、增加“橡皮泥块”等方式以达到理想的设计外形。可以极其快速的完成产品外形概念设计。工业设计师在进行产品的造型设计时，所采用的方法一种是正向设计法，这是一个从概念设计起步到 CAD 建模、数控编程、数控加工的过程。这一设计过程难度系数大、周期较长、成本高、不利于产品的研制开发。 产品造型设计的正向设计流程示意：概念设计 CAD/CAM 系统 制造系统 新产品河北农业大学本科生毕业论文 第 4 页 共 21 页42.3、产品逆向设计的产生与应用在飞机、汽车、工艺美术品和模具等行业的设计和制造中，通常是由复杂的自由曲面拼接而成，因此在概念设计阶段难以用严密、统一的数学语言来描述。这些产品的初始模型是通过对事先制造出的木制或泥制模型来实现数字化产生的。近年来在产品造型设计中逐渐走向成熟形成逆向设计法。由于产品造型的逆向设计有起点高、成本低、周期短、易改型、易创新的特性，自出现以来便受到了现代工业设计师的关注。目前该技术在下面几方面得到了广泛应用：a用于汽车、摩托车等具有较复杂曲面外型产品的修复与改型设计中；b用于设计与制造个性化的产品，如人体拟合、太空服装设计、假肢设计等；c根据客户样件进行模具设计时，该项技术可使自动化程度大大提高；d在样件缺少图形文件时，可用逆向设计来生成图形文件：e.在快速原形制造中逆向设计可实现原形产品的快速准确建模并进行重新设计。2.4、CATIA 逆向流程逆向工程通常是以模型或实物产品为出发点，执行一个模型的仿制工作。在已有实物产品但没有设计图的情况下，利用数字测量仪器，将实物的 3D 点数据(点云)记录在计算机中,经过处理后再传送至 CAD/CAM 系统,让其产生 NC 代码并送至 CNC 加工,或送到快速原型机 将此模型重制。下面以一个钣金件为例对 CATIA 逆向进行一下简单介绍。1、数据采集，点云数据即零件表面离散点的几何坐标数据。点云的质量主要取决于测量设备的精度，而重构曲面的品质客观上取决于所选用的造型软件的功能。点云数据的采集是逆向工程中的第一个环节，是数据处理、模型重建的基础。在点云数据取得后，就可以利用三维造型软件进行后续工作,构造出我们需要的产品形状。利用 CATIA 中的Digitized Shape Editor(数字曲面编辑器 DSE)、Generative Shape Design(创成式外形设 GSD)、Quick Surface Reconstruction(快速曲面重 QSR)Freestyle(自由曲面造型 FS)等模块 ,通过对点云进行删除、过滤、创建特征线、铺面 、修补、曲面品质分析等一系列操作得到高质量曲面 ,并且将曲面转换成实体。图 2.1（导入点云界面）2、导入点云文件(Import)进人 DSE 模块工作台。点击 import 图标或从菜单选择import 命令加载点云(图 2.1)点云文件格式有多种,可以是。Cloud、cgo、asc、stl、等河北农业大学本科生毕业论文 第 5 页 共 21 页5格式。加载点云时可以根据需要 如工作站配置 来决定采样率 ,即加载点占原来点数据的百分比(sampling),这样可以提高处理速度。图 2.2（点云过滤）3、点云过滤点击 filter 图标或从菜单中选择 filter 命令进行点云过滤( 图 2.2)用户从测量仪器所得的数据点可能有成千上万个,数目非常庞大,但并非所有数据点都是有用的。一般测量仪器的测量准则是以固定间隔取点的 ,因此不论曲面变化幅度是大是小,取点的密度皆是相同的。因此初期采集的点云很可能文件过大,会拖慢处理速度,需要进行过滤来减少数据点