（车辆工程专业论文）轿车顶盖多点成形逆向建模及其数值模拟研究.pdf

摘要 摘要 轿车车身覆盖件多点成形技术是种柔性加工方法。具有压边装置的 多点成形压力机能够实现轿车顶盖等车身覆盖件的多点成形。多点成形采 用数控技术来控制各基本体的位移和速度，实现基本体群包络面的变化， 达到柔性成形。 本文运用已有的逆向工程和曲面重构理论成果，由用户给定轿车顶盖 的离散采样数据，从这些数据出发重构顶盖c a d 模型，以确定各基本体调 节高度，这是实现轿车顶盏多点成形c a m 的重要步骤。 在轿车顶盖多点成形中，用参数双三次样条曲面重构轿车顶盖模型， 对于曲面较平缓的( 由给定公差作为判别依据) 部分，则以双线性插值曲 面来拟合，这样即可直接进行基本体高度的计算。 本文在进行轿车顶盖多点成形的数值模拟中，基本体群的运动采用给 定位移时间曲线的控蒂i 方式。采用b e l y t s c h k o w j n g - c h i a n g ( b w c ) 壳单 元作为轿车项盖多点成形壳单元模型，充分考虑了空闻的几何构形，其计 算精度较高。 本文以帕萨特1 8 t 轿车顶盖为例，采用动态显式算法针对其多点成形 过程中压痕缺陷的产生进行了模拟研究，为改善轿车顶盖多点成形质量， 确定合理的工艺参数奠定了基础。 关键词轿车顶盖；多点成形；数值模拟；逆向工程；曲面重构 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fc a rb o d yo u t e rp a n e l sm u l t i p o i n tf o r m i n g ( m p f ) p r o c e s si sa f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gm e t h o d m p fp r e s sw i t hb l a n kh o l d e rd e v i c e c a nr e a l i z et h ec a l r o o f m p fp r o c e s s m p fa p p l i e sn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y t oc o n t r o lt h ed i s p l a e e m e n ta n dv e l o c i t yo fe l e m e n t s ，s oi tc a nf o r ma l t e r a b l e e n v e l o p e ，a n da e h i e v e sf l e x i b l ef o r m i n g b yt h ee x i s t i n gt h e o r yo fr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o n , a s e to fd i s c r e t ed a t as a m p l e df r o mae r rr o o fi sg i v e ni na d v a n c ed u r i n gt h ec a l r o o fm p fp r o c e s s ac a dm o d e lo ft h er o o fb a s e do nt h e s ed a t am u s th e f a i t h f u l l yr e c o n s t r u c t e di no r d e rt oc a l c u l a t e t h eh e i g h to fa l le l e m e n t s ，a n dt h a t i so n eo f t h em o s tc r u c i a ls t e p sf o rt h em p fc a m i np r a c t i c e t h i sp a p e rw i l lf i tt h em o d e lo fae a rr o o fi nap a r a m e t r i cb i c u b i cs p l i n e s u r f a c e h o w e v e r , s o m e p l a c ew i t hf l a t t e rs h a p e ( d i f f e r e n t i a t e db y ag i v e n t o l e r a n c e ) w i l lb ef i t t e di nh y p e r b o l i cp a r a b o l o i ds ot h a tt h eh e i g h to f e l e m e n t s c a nb ei m m e d i a t e l yc a l c u l a t e da n dp r o g r a m m e d i nt h i sp a p e r ，t oe a l t yo l lt h ec a rr o o fm p fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , w ea p p l y t h ea l g e b r a i cr e l a t i o nb e t w e e nt h ed 卸l a c e m e n t ( o rv e l o c i t y ) a n dt i m et oc o n t r o l t h em o v e m e n to fe l e m e n t s w el l s eb e y t s e h k o w o n g c h i a n g ( b w c ) s h e l l e l e m e n t 嬲t h ee a rr o o fm p fs h e l le l e m e n tm o d e l ，b w cs h e l le l e m e n ti n v o l v e s d i m e n s i o n a lg e o m e t r ys h a p e i t ss i m u l a t i o np r e c i s i o ni sb e t t e r w i t ht h ep a s s a t1 8 tr o o fa sa ne x a m p l e ，t h i sp a p e rd i s c u s s e si m p r e s s e d m a r k sd u r i n gi t sm p fp r o c e s sb yd y n a m i ce x p l i c i tf i n i t ee l e m e n ta l g o r i t h m ， w h i c he s t a b l i s h e st h eb a s ef o rf o r m i n gq u a l i t y , a s c e r t a i n i n gr e a s o n a b l et e c h n i q u e p a r a m e t e r s k e y w o r d sc a rr o o f j m u l t i - p o i n tf o r m i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；r e v e r s e e n g i n e e r i n g ；s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 轿车顶盖冲压成形过程是轿车车身覆盖件设计和制造的重要一环，在 轿车车身覆盖件设计和制造领域，随着时代的发展，新产品的更新换代越 来越快，轿车顶盖等车身覆盖件生产的多品种、小批量趋势越来越明显。 自2 0 世纪9 0 年代以来，高新技术全面促进了轿车顶盖冲压成形技术的改 造，使先进成形技术不断形成和发展。 2 1 世纪的轿车顶盖冲压成形技术将更加科学化、数字化、可控化。成 形过程的数值模拟技术将在实用化方面取得很大进展，并与数字化制造系 统很好地集成。另外，轿车顶盖冲压技术将具有更大的灵活性或柔性，以 适应未来小批量多品种混流生产模式及市场多样化、个性化需求的发展趋 势。轿车顶盖冲压成形应向单机连线自动化、机器人冲压生产线，特别是 大型多工位压力机方向发展，应加速发展数字化柔性成形技术、液压成形 技术、高精度复合化成形技术以适应新一代轻量化车身结构覆盖件成形技 术。轿车顶盖多点成形就是一种利用高度可调的基本体群形成可变的离散 曲面进行成形，从而极大地提高对工件适应性的柔性加工技术。 1 2 多点成形技术简介 1 2 1 多点成形技术的基本概念 多点成形技术是板料三维曲面成形的一种柔性加工方法，可以实现轿 车顶盖的快速无模柔性成形，是对传统模具成形生产方式的重大创新。其 基本原理是将整体模具离散化，利用一系列规则排列、高度可调的基本体 ( 冲头) ，通过对各基本体的实时控制，构造出所需的成形面形状，取代传 统的模具来实现轿车顶盖的三维曲面快速无模成形。使用该工艺，不需要 模具，可以省去模具的设计、制造和调试工序，节约制造模具的材料、工 具、能源和时间等，将生产准备时间缩短为模具成形时间的几十分之一。 同时，可以改善顶盖成形时的变形路径，提高项盖成形极限，扩大加工范 燕山大学工学硕士学位论文 围；可以减少成形过程中产生的残余应力，实现无回弹成形：可以在较小 的设备上成形较大尺寸的工件，使加工件尺寸精度高，表面质量好，生产 效率高。轿车顶盖多点成形技术实现了“一机多用”的构想，利用计算机 辅助设计、辅助制造和辅助测试技术，采用闭环形状控制系统能够成形精 度良好的制品，实现了冷加工成形，并提高了生产自动化程度，是轿车顶 盖生产向柔性化，集成化和智能化方向发展迈出的重要一步【1 】。 1 2 2 轿车顶盖多点成形技术的优势 与传统的轿车顶盖模具成形相比，轿车顶盖多点成形具有以下特点【2 】： ( 1 ) 通过对各基本体运动的控制来构造出各种不同的成形曲面，可以取 代传统的整体模具，显著地缩短产品生产周期，降低生产成本，提高产品 的竞争力。 ( 2 ) 通过调整各基本体，实时控制变形曲面，随意改变板料的变形路径 和受力状态，提高材料的成形极限，实现难加工材料的塑性变形，扩大加 工范围。 ( 3 ) 可采用反复成形新技术，消除材料内部的残余应力，实现减少回弹 成形，甚至达到无回弹成形，保证汽车顶盖的成形精度。 ( 4 ) 采用分段成形新技术，可以连续逐次成形超过设备工作台尺寸数倍 的工件。 ( 5 ) 采用带有压边装置的多点成形压力机，可实现轿车顶盖拉延成形。 f 6 ) 曲面造型、工艺计算、压力机控制、工件钡试等整个过程全部采用 计算机技术。实现c a d c a m c a t 一体化生产，工作效率高，劳动强度小， 极大地改善劳动者作业环境。 1 2 3 轿车顶盖几何构形 轿车顶盖的几何形状描述及基本体高度的求取是轿车顶盖多点成形中 的关键技术。建立轿车顶盏的计算机几何数学模型称为轿车顶盖几何构形， 轿车顶盏几何构形是轿车顶盖多点成形系统的重要组成部分，它利用c a d 技术不仅为轿车顶盏多点成形系统奠定了计算机交互图形设计的基础，而 2 第1 苹绪论 且也为成形中专业分析及基本体的高度求取提供了几何数学模型依据。 轿车顶盖几何构形的目的1 3 l ： 首先是建立完整准确的轿车顶盖表面模型为基本体的高度求取提供 数学模型依据。 其次是建立轿车顶盖三维几何数学模型，为轿车顶盖多点成形有限元 分析提供几何数据。 轿车顶盖几何构形原始数据的提供，可分为以下三大类1 4 l ： 第一类是c a d 图形与数据。大多数生产企业都有自己的c a d 设计系 统，用于对轿车顶盖外形自由曲线、自由曲面构成的形状加以处理，将创 建的轿车顶盖外形数学模型以三维数据格式传送，通过接口在c a d c a m 系统中获得轿车顶盏的c a d 数据和几何信息，随后进行多点成形系统的基 本体的高度求取及基本体高度编程等工作。当轿车顶盖产品外形变更修改 时，必须准确地予以传送。 第二类是常规设计图纸。对于这部分资料，须通过汽车造型c a d c a m 系统中的造型功能模块，以轿车顶盖常规设计图纸为依据，建立轿车顶盖 产品的曲面数学模型，造型过程中要依照原有的图纸数据，对轿车顶盖曲 面数学模型进行分块、拟合、光顺及边界约束等处理，以建好的轿车顶盖 曲面数学模型作为多点成形制造的依据。 第三类是实物模型( 已成形轿车顶盖产品或原始汽车油泥模型) 。这是 一种辅助性的制造依据，针对所提供的实物模型，采用测量取点、扫描方 式采集数据，送入c a d 造型模块，建立其外形数学模型作为多点成形制造 依据。通常，从实物模型上采集的数据局部地可以直接利用，即通过数据 处理直接用于轿车顶盖多点成形技术。 本文在进行轿车顼盖多点成形实验时采用了通过第三类原始数据建立 轿车顶盖几何数学模型的方法。 1 3 轿车顶盖成形过程的数值模拟现状 1 3 1 轿车顶盖多点成形中有限元分析的作用 数值分析方法是汽车覆盖件成形过程中优化模具设计、预测成形缺陷 3 燕山大学工学硕士学位论文 及分析成形质量必不可少的工具，而有限元分析则是各种数值方法中最为 有效的方法。当采用多点成形方式成形轿车顶盖时，虽然无需设计和制造 模具，但形状控制仍主要依靠不同形状轿车顶盖的回弹计算经验公式，成 形精度主要靠各基本体高度误差的反复修正来满足，其修正过程主要靠经 验与类比，带有一定的盲目性，增加了不必要的误差补偿次数1 5 1 。 随着有限元数值模拟方法的改进以及快速、功能强大的计算机硬件的 飞速发展，使得有限元方法成为复杂板材成形过程模拟的主要手段。有限 元模拟技术已从作为求解塑性成形问题的数值分析方法逐步发展到应用于 工业领域。通过对轿车顶盖多点成形过程进行数值分析，了解轿车顶盖多 点成形时轿车顶盖内部的应力、应变规律，预测成形时可能出现的缺陷， 可以给设计者进行工艺分析提供科学依据，优化工艺设计，从而提高多点 成形设备的成形精度。在轿车顶盖多点成形过程中可大大降低成形误差。 缩短向目标形状收敛的时间，减少基本体调整次数。将有限元数值模拟技 术引入到轿车顶盖多点成形领域，可开发基于开环系统的可处理各种载荷 分布方式、接触状况、边界条件的理想模型。采用有限元数值模拟技术可 通过各个基本体运动模式、边界条件的改变产生千变万化的成形方式，有 利于缩短轿车顶盏多点成形新产品的开发周期。 1 3 2 有限元方法在轿车顶盖冲压成形分析中的应用现状 自从将有限元方法应用到冲压加工过程的数值模拟方面以来，已取得 了很大的进展。主要表现在； ( 1 ) 三维有限元模拟已从实验室进入工业生产实践中，轿车顶盖冲压成 形可以用不同的程序进行有限元模拟。 ( 2 ) 随着有限元方法在实践中的不断应用，汽车工业中三维有限元应用 的投入资金充足，在这方面，日本和德国尤为突出。 ( 3 ) 动态显式算法在有限元数值模拟中占有优势，因为它对内存的要求 低，易于实现并行计算，并且能够快速处理大型问题1 6 j 。 ( 4 ) 计算机辅助图形学进展明显。成形蛆面上微小的形状变化也能够利 用有限元数值模拟通过计算机图形预测出来。 4 第1 章绪论 有限元方法作为一个具有牢固理论基础和广泛应用价值的数值分析工 具，在工程中芷起着越来越重要的作用。 l s - d y n a 3 d 是美国l a w r e n c el i v e r m o r e 国家材料实验室j o h a l | q u i s t 教授主持开发的几何大变形、非线性材料和接触摩擦滑动边界三重非线性 动力分析程序。l s d y n a 3 d 近年来成功地应用于轿车顶盖多点成形的分析 中。由于它拥有弹塑性本构材料模型和各向异性材料模型，因此可用来分 析顶盖的各向异性性质。库仑摩擦算法和丰富的接触算法可用来处理任意 复杂的三维接触面问题。对于处理轿车顶盖多点成形问题，l s - d y n a 3 d 具有多种函数和特性以满足数值分析的需要，如网格自适应、c a d 模型接 口、大规模并行( m p p ) 算法等。 k a w k a 和m a k i n o u c h i 针对轿车车身覆盖件多工步成形过程，提出了一 种模拟方法，并对轿车顶盖包括拉深、修边、翻边连续的成形过程进行了 模拟。对成形后的回弹，采用外力代替模具逐步卸载的方法计算，避免了 接触问题。模拟修边过程时利用外力代替被修掉的部分的作用，并将保留 部分的网格重新划分编号进行逐步卸载计算用。 f i n n 等人用显式算法模拟轿车顶盏成形过程，用隐式算法模拟卸载后 回弹问题1 8 1 。这种方法将显式算法处理接触问题的高效与隐式算法处理回弹 问题时步长较大的特点结合起来，使模拟过程快速而准确。 在我国轿车顶益成形过程模拟方面的工作起步较晚，目前还有定差 距。余庆华、董湘怀等采用一种新的静态隐式有限元刚度阵的p c g 求解方 法，成功地对顶盖成形进行了回弹模拟f 鲥。西北工业大学的向毅斌、陈敦军 等在对轿车顶盖成形过程进行数值模拟时，为获得可信的计算结果，在全 面分析成形中工件与模具接触边界动态变化的基础上，给出了动态边界条 件识别与处理的具体方法【l o 】。吉林大学的柳玉起、胡平等运用弹塑性有限 变形的拟流动理论对轿车顶盖成形局部塑性失稳与起皱现象进行了数值模 拟【1 1 j 。华中理工大学的吴勇国、李尚健等根据连续介质力学及有限变形理 论，建立了退化四节点壳单元的动力有限元模型，用于三维板料成形过程 分析1 1 2 1 。燕山大学彭加耕、裴永生等针对轿车顶盖多点成形采用基于u l 隐式格式的弹塑性大变形有限元方法，解决了隐式算法迭代收敛以及回弹 燕山大学工掌硕士学位论文 计算等问题，提出了处理多点不连续接触边界的接触单元技术与径向返回 方法以及计算弹塑性应力的回映技术，此方法与技术的有效性已在数值模 拟应用中得到了验证。 1 4 选题的意义及主要研究内容 采用轿车顶盖多点成形技术，可以最大限度地缩短轿车项盖开发时间， 提高开发效率。采用有限元数值模拟技术实现轿车顶盖多点成形冲压过程 的高精度数值模拟并实现工艺优化，可以最大限度地缩短轿车顶盖成形制 造周期，并提高成形时的表面质量。采用并行工程技术，使轿车顶盖多点 成形的设计与制造各个环节紧密相扣，充分协调，可以有效缩短轿车车身 覆盖件的设计制造时间。 前已叙及，轿车顶盖多点成形中轿车顶盖几何形面的原始数据提供方 式大体分为三类，本文研究中，原始数据提供方式来自第三类原始数据， 所以，如何获取轿车顶盖曲面的离散数据点是本文研究的前端起点。使用 获取的离散点数据重构轿车顶盖三维曲面模型，然后对轿车顶盖进行多点 成形加工处理( c a l v 0 和数值模拟( c a n ) 是本文要达到的目的。因此，本文研 究的后端出口是通过求取基本体的高度将得到的数据输出给多点成形系 统，从而实施c a m 加工和c a e 数值模拟。 综上，本文拟在以下几个方面进行研究： 1 ) 对轿车顶盏多点成形的基本原理及变形特点进行研究。 ( 2 ) 对轿车顶益多点成形技术中逆向工程和曲面重构的应用进行研究。 ( 3 ) 对基本体高度的求取进行研究。 ( 4 ) 对轿车顶盖多点成形数值模拟方法进行研究。 ( 5 ) 以帕萨特1 8 t 轿车顶盖为例进行多点成形数值模拟和实验验证。 6 第2 章轿车顶盖多点成形基本原理及变形特点 第2 章轿车顶盖多点成形基本原理及变形特点 2 1 引言 随着工业生产的制造方式与水平不断改进和提高，轿车顶盖的成形方 法，经过产业革命进入到使用压力机与模具的大批量生产阶段；随着信息 革命的发展，轿车顶盖的成形方法正在进入更加先进的柔性制造阶段。多 点成形就是一种可以应用于轿车顶盖三维曲面成形的柔性加工方法。 自从三十多年前，国外有入提出多点成形的设想以来，已有很多学者 与企业界人士对这项技术进行了不同的研究与探索。但是，到目前为止， 尚未见到针对轿车顶盖的多点成形的探讨以及进行这方面的有限元数值模 拟。针对轿车顶盖的特点，对轿车顶盏多点成形关键技术及其数值模拟进 行研究是本文的主要研究内容。 2 2 具有压边装置的多点成形的几种类型 轿车顶盖多点成形的主要特征是通过基本体高度的调节实现轿车顶盖 曲面的成形，各基本体的相对运动状态决定了轿车项盏的变形路径与载荷 分布。对基本体运动状态的控制是轿车顶盖多点成形技术的关键。轿车顶 盖多点成形的基本体控制类型可分为固定型、被动型与主动型( 图2 一1 ) 。 回 厂i i j l - ( a ) 固定型( b ) 被动型 ( a ) t h es t a t i ct y p e b ) t h ep a s s i v et y p e 图2 - 1 基本体控制类型 ( c ) 主动型 ( c ) t h ea c t i v et y p e f i g 2 - 1 t h ec o n t r o lt y p e so f f t m d a m e n t a le l e m e n t 固定型：在威形前把各基本体调整到所需高度，成形过程中相邻各基 本体之间无相对运动； 被动型：成形过程中在压力或顶盖的成形力的作用下被迫移动； 7 燕山大学工学硕士学位论文 主动型：在成形过程中可实现各基本体的速度、加速度及位移等的实 时独立控制，控制装置复杂。 以上三种不同控制类型基本体可组合成六种成形方法，其中有代表性 和实用性的四种成形方法是：多点模具成形、半多点模具成形、多点压机 成形和半多点压机成形l n l 。 2 2 1 多点模具成形 多点模具成形法是在成形前把基本体调整到所需的适当位置，使基本 体群形成制品曲面的包络面，在成形时各基本体间无相对运动。其实质与 模具成形基本相同，只是把模具分成离散点。这种成形方法的整个成形过 程如图2 2 所示。多点模具成形的主要特点是其装置简单，而且容易制作成 小型设备。 凰n j 一面一画墅避避 成形开始 成形过程中 成形结束 图2 - 2 多点模具成形过程 f i g 2 2 t h ep r o c e s so f m u l t i - m td i ef o r m i n g 2 2 2 半多点模具成形 半多点模具成形是在成形前先把上基本体群( 或下基本体群) 调成所 需曲面的包络面，而另- - 6 t 基本体群不调整。在成形时，上基本体群( 或 下基本体群) 整体发生位移即基本体间无相对运动，起到离散模具的作用， 下基本体群( 或上基本体群) 由于受另一组基本体群的压力而被动地运动， 直至成形结束。这种成形方法的整个成形过程如图2 - 3 所示。半多点模具成 形的主要特点是可以明显减少控制点数目，但控制基本体和轿车顶盖的接 触力比较困难。 8 第2 章轿车顶盖多点成形基本原理及变形特点 叠一画一罾 成形开始成形过程中成形结束 图2 - 3 半多点模具成形过程 f i g 2 3 t h ep r o c e s so f s e m i m u l t i p o i n td i ef o r m i n g 2 2 3 多点压机成形 这种成形方法为上、下基本体均是主动调整型。在成形前对基本体并 不进行预先调整，而是在成形过程中，每个基本体根据需要分别移动到合 适的位置，形成制品的包络面。在这种成形方法中，各基本体间都有相对 运动，每个基本体都可单独控制，上下相对应的每对基本体都相当于一台 小型压机，故称为多点压机成形法。其整个成形过程如图2 - 4 所示。多点压 机成形时能够充分体现柔性特点，不但可以随意改变被成形件的变形路径， 而且还可以随意改变被成形件的受力状态，使被成形件与基本体的受力状 态最佳，实现最佳变形。 蕊,llllllllllllj l l l l l , 一画一叠 成形开始 成形过程中 成形结束 图2 4 多点压机成形过程 f i g 2 - 4 t h ep r o c e s so f m u l t i p o i n tp r e s sf o r m i n g 2 2 4 半多点压机成形 此种为主动型基本体与被动型基本体组成的成形方式。即在成形过程 中，对主动型基本体群根据需要控制其行程，而另一方基本体由于受到主 动基本体群的压力而被迫运动，因此称之为半多点压机成形法。图2 5 给 o 燕山大学工学硕士学位论文 出了此种成形法的整个成形过程。在用这种方法成形时，可以改变被成形 件的成形路径，但控制被动基本体群和被成形件间接触力很困难。接触力 过大，被成形件和基本体接触的地方易出凹坑或压痕，影响被成形件的表 面质量；接触力过小，被成形件不能成形到所需的形状，影响被成形件的 使用。所以，这种方法在轿车顶盖多点成形时不常使用。 画一疆一叠 成形开始成形过程中 成形结束 图2 5 半多点压机成形过程 f i g 2 5 t h ep r o c e s so f s e m i m u l t i p o i n tp r e s sf o r m i n g 2 3 轿车顶盖多点成形基本原理及变形特点 2 3 1轿车顶盖多点成形的基本原理 轿车顶盖多点成形的实质就是把模具曲面分解为很多离散点，用多数 基本体代替传统的模具，同时根据顶盖的材料性能和顶盖形状的复杂性， 选择剐性压边或柔性压边，调整液体压力以控制压边力，从而能够有效防 止顶盖在多点成形过程中容易产生的起皱现象。如果再通过调整上、下各 基本体的高度形成不同的曲面，就可以用一套装置替代不同的模具进行多 种曲面成形。也就是说轿车顶盖多点成形的基本思路首先是用基本体群( 离 散点) 形成模具表面，然后通过调节刚性压边圈或柔性压边圈的压力，从 而代替传统的整体式模具。现在这些基本体的相对位置以及压边圈的压力 已经可以用计算机加以控制，能随时调节压边圈的压力大小。这种离散化 的方法，与中国古代四大发明之一，宋朝毕异发明的活字印刷术非常类似。 具有压边装置的多点成形压力机，其结构简图如图2 - 6 所示。 此压力机是由上下基本体群l 、4 ，上下压边装置2 、5 ，加载机构6 、7 和8 ，上下压边圈9 、1 0 所组成。依据材料性能和制品形状的复杂性，可以 1 0 第2 章轿车顶盖多点成形基本原理及变形特点 选择刚性压边或柔性压边，调整液体压力以控制压边力。如图2 7 所示为 采用柔性压边圈，图2 8 为采用刚性压边圈，如图2 - 9 所示为压边缸布置的 俯视图。其中，1 i 为上柔性压边圈，1 2 为下柔性压边圈，1 3 为上刚性压边 圈，1 4 为下刚性压边圈，1 5 为基本体，1 6 为下压边缸。 七1上1 ， 讨 叶 i 。j j - li 科 1l 3 fhl 1 0 i 9 刊葶如11 l1 l 卧 图2 - 6 具有压边装置的多点成形压力机结构简图 f i g 2 6 t h es k e t c ho f m u l t i - p o 疏f o r m i n gm a c h i n ew i t h b l a n k - h o l d e r 图2 7 采用柔性压边圈 f i g 2 7 a p p l y i n gf l e x i b l e b l a n k - h o l d e r 图2 - 8 采用刚性压边圈 f i g 2 8a p p l y i n gr i g i d b l a n k - h o l d e r ，、，、，、 ，、i ，、 t to ，孑 ，、i ， 、 t i、 一 厂、i i 7 i i ：x ： 图2 - 9 压边缸布置的俯视图 f i g 2 - 9 t h ep l a n f o r mo f t h e h y d r o c y l i n d e ra r r a n g e m e n t 燕山大学工学硕士学位论文 压边装置可以采用液压缸、氮气弹簧或螺旋弹簧，本文中的压力机的 压边装置采用液压缸。通过改变压边圈的结构，可以实现刚性压边或柔性 压边。通过液压控制系统压力的调节，可以实现对压边圈压力的无级控制。 为适应不同的轿车顶盖需要，上下基本体的个数可以变化，压边缸数 也可以变化。 2 3 2 轿车顶盖多点成形的变形特点 轿车顶盖多点成形时，与工件接触的基本体头部表面形状对成形曲面 的表面质量产生较大的影响。如果基本体头部的表面形状采用平面，则在 成形过程中基本上都是与其边角处接触，所以会产生很多缺陷( 图2 - 】0 ( a ) ) 。 为便于计算及控制基本体的位移量，头部形状采用球形面( 图2 - 1 0 ( b ) ) 。在 成形过程中，由于工件与基本体都产生变形，基本体采用球形面头部以后， 工件与基本体的接触点实际上成为一个面，但各基本体的接触面积之和还 是远小于工件的面积。另外，这些接触点的位置将随着成形的进展不断发 生变化。成形时，为使工件产生塑性交形，必须通过基本体施加足够的压 力。但如果接触点处的接触面积很小，却很容易产生压痕。 罾量 ( a ) 平面头部( b ) 球形头部 ( a ) t h ef i a ts h a p e( b ) t h es p h e r i c a ls h a p e 图2 - 】0 基本体头部形状 f i g 2 - 1 0 t h en o d d l es h a p eo f f u n d a m e n t a le l e m e n t 图2 1 l ( a ) 所示为上、下接触点相对应时易产生的压痕，图2 1 1 ( b ) 所示 为上、下接触点有错位时易产生的压痕。上、下接触点相对应时，产生压 痕处工件厚度变薄，但压痕部位的面积一般比较小，对实际应用没有太大 的影响。然而上、下接触点错位时，虽然工件厚度变化很小，但压痕部位 面积有可能比较大，限 t l j y 产品的使用。轿车顶盖多点成形时，容易产生 1 2 第2 章轿车顶盖多点成形基本原理及变形特点 的另外一个主要缺陷是皱纹。皱纹产生的主要原因在于基本体与工件的接 触面积太小，而且工件在成形过程中抗皱能力较弱。因为在工件成形时， 其与基本体的接触面积远小于传统模具成形时的接触面积，也就是说工件 受力比较集中，因而受到压应力的部位容易发生失稳，引起起皱，如图2 1 2 所示。概括起来，轿车顶盖多点成形时产生的压痕、皱纹等缺陷，其最主 要原因在于工件与基本体之间的接触面积太小，抗皱能力较差l 】。因此， 应尽量增加成形过程中基本体与工件的接触面积，通过刚性压边圈或柔性 压边圈施加适当压力很关键。 ( a ) 接触点相对( b ) 接触点错位 ( a ) t h ec o n t a c tp o i n t( b ) t h ec o n t a c tp o i n t d e a da g a i n s te a c ho t h e r i n t e r l e a v i n ge a c ho t h e r 图2 1 1 压痕的产生 f i g 2 1 l t h ea p p e a r a n c eo f d i m p l e 图2 1 2 皱纹的产生 f i g 2 1 2 t h ea p p e a r a n c eo fw r i n k l e 在轿车顶盖有限元分析中，轿车顶盏可以看成是由直边部分和转角部 分组成。成形时，转角部分近似圆筒形件拉深，直边部分近似板材弯曲。 因此，轿车顶盖多点成形是转角部分拉深、直边部分弯曲两种变形方式的 复合。除了起皱与压痕等成形缺陷以外，拉裂和壁裂也是轿车顶盖多点成 形的主要缺陷之一。当轿车顶盖侧壁处所承受的拉应力超过了材料的强度 极限时，就会被拉裂。影响侧壁强度的因素有：板料的力学性能、板料厚 度、拉深系数、下压边圈的圆角半径大小、压边力大小及摩擦系数等。 2 。4 本章小结 本章阐述了轿车顶盖多点成形的四种基本类型、基本成形原理、变形 特点以及优缺点，对具有压边装置的多点成形压力机进行了结构说明。 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 第3 章轿车顶盖多点成形技术中逆向工程和曲 面重构的应用 3 1 引言 在轿车顶盖设计与制造中，设计者和制造者面对的顶盖样件的实物模 型往往非c a d 模型可以直接描述的。对于轿车顶盖的模具成形，传统的设 计方法一般是先用石膏或油泥翻制出整车模型，通过采用仿形的方法加工 翻造出轿车顶盖模具，这种方法一般来说精度很低，而且没能考虑产品的 成形工艺性。如果通过一种途径，我们可以将顶盖的实物模型转化为c a d 模型，从而获得顶盖几何形状的数学模型，我们就可以利用c a d 、c a m 等 先进技术进行处理。这种从实物样件获取产品数学模型的技术，就是计算 机辅助几何设计( c o m p u t e r a i d e dg e o m e t r i cd e s i g n ，c a g d ) 中的逆向工程技 术的应用，亦即曲面重构技术，更具体地说，曲面重构技术就是研究如何 从曲面上的部分采样信息来恢复原始曲面的几何模型。 逆向工程在轿车顶盖多点成形中的重要任务就是由物理模型重建出几 何表示模型，这其中包括数据采集、预处理、曲面重构与c a d 建模三个步 骤。其核心问题就是如何从采样点集出发重构出曲线、曲面的模型。 3 2 轿车顶盖多点成形中的逆向工程 由实物模型或者通过通用造型软件造型得到的产品模型产生c a d 设计 模型的过程称为逆向工程几何建模，是逆向工程最基本最关键的功能，也 是逆向工程的研究重点。逆向工程过程描述为如下几个阶段( 对实物模型 而言) ：数据采集、数据预处理、数据分割、曲面重构及c a d 模型的建立。 对于轿车顶盖多点成形，可采用逆向工程技术，首先获得顶盖实物表 面几何点的数据，然后通过c a d 系统对这些数据进行预处理，并充分考虑 多点成形的成形工艺性，再进行曲面重构以获得基本体群高度，最后通过 c a m 系统进行数控程序编制，完成顶盖的制造。运用这种方法可大大提高 】4 第3 章轿车顶盖多点成形技术中逆向工程和曲面重构的应用 设计和制造效率及成形质量，从而产生良好的经济效益。 在轿车顶盖多点成形中逆向工程的实际应用，大体可分为三个阶段， 即：数据的获取；数据预处理；曲面熏构与c a d 建模【”1 。 3 3 轿车顶盖实物三维数据的采集 第l 章中己叙及，轿车顶盖多点成形中提供的原始数据依据大体分为 三类，一些通用软件( 如c a t i a 、i d e a s 、u g 、p r o e 等) 的功能日益强大化， 借助它们可以直接在计算机上生成顶盖三维数学模型，并获得顶盖曲面的 离散数据。尽管如此，第三类原始数据( 即顶盏实物模型) 仍然具有很重 要的实际意义：实际生产中经常要进行汽车覆盖件的复制、油泥模型的重 构等等。第三类原始数据中顶盖实物模型数字化是轿车项盖多点成形中逆 向工程的关键技术之一。顶盖曲面重构的首要任务是提取顶盖实物表面数 据点的三维坐标信息，只有获得应有的顶盖实物三维坐标数据信息，才能 进行顶盖曲面的重构，这是本文叙及的逆向工程的基础和关键。顶盖实物 数字化需要专门的数字化设备来完成，数字化设备主要有三种：一是三坐 标测量机，二是数控机床，三是专用数字化仪或者扫描仪。 轿车顶盖实物三维数据的采集方法一般可用接触式和非接触式两种。 接触式测量包括点位触发式数据采集和连续式数据采集两种。点位触发式 数据采集，如普通三坐标测量机测量，其采集速度较低，一般只适用于表 面形状的检测，或需要数据较少的表面数字化的场合；连续式数据采集， 如接触式扫描测量，其采集速度较快，因而可用于采集较大规模的数据。 接触式测量方法精度较高，操作容易，抗干扰性好，成本低，但是由于测 量时接触压力的存在，测头半径三维补偿问题仍然存在。对于非接触式测 量，其测头不接触顶盖的表面，数据传递需要依靠传递介质如激光、声波、 电磁场等，其中常见的是以激光为媒介的激光三角形法和层摄像法，非接 触式测量具有速度快，不会刮伤零件表面，没有测头半径三维补偿问题， 工作距离远，对环境要求低等优点，因此受到了极大的关注。 曲面测量路径规划直接关系到数字化的效率和精度，如何以最少的数 字化点最大限度地提取轿车顶盖原曲面的形状信息是测量路径规划中的主 燕山大学工学硕士学位论文 要研究内容，并且，测量路径的规划也要充分考虑c a d 系统所提供的各种 自由曲面造型功能，如c a t i a 提供的t c s s c l l a t i o n ，c o n t r o lp o h a t s ，s w e e p ， l o r ，b l e n d ，e x t r a p o l a t e ，g e o m e t r ye x t r a c t i o n ，h e a l m g ，n e ts u r f a c e 等多 种自由曲面造型功能，对这些功能的深入理解对于测量路径的规划具有指 导作用。对于使用普通三坐标测量机进行数据采集时，文献【1 5 】总结出了一 些行之有效的实际经验。 测量时获取准确数据是准确建模的基础，影响数据获取质量的因素很 多，主要包括以下几个方面【1 6 】：测量方法本身的精度、仪器的校准、测量 范围的限制、阻塞( 阴影，主要存在于光学测量系统中) 、定位的准确性、 多视图问题( 要获取顶盖的所有数据，需要从几个方向测量，或者为了得 到不同的数据密度，进行分片测量) 、数据的局部丢失、被测表面的光洁度、 所测数据的统计性分析等。 由于测量过程中随机误差的存在以及测量设备精度及测量环境等因素 的影响，采集的三坐标数据肯定会存在一定的误差，若直接将测量数据用 于曲线、曲面造型，势必会造成重构曲面不能满足精度要求，对于那些测 量误差太大的无效测量点数据，还会导致拟合曲面发生干涉、翘曲等变形， 甚至导致曲面无法拟合。因此，需要根据轿车顶盖曲面的几何特性及生成 规律，在进行曲面重构之前进行测量数据预处理，对数据点的可靠性进行 评估，利用c a d 造型软件的编辑功能对误差较大的数据点进行修正，对于 误差太大的无效数据点给予删除，以保证生成的拟合曲线曲面光顺、平滑。 数据预处理过程主要是进行数据过滤，它有多种方式：例如程序判断滤波、 n 点平均滤波以及预测误差递推辨识与卡尔曼滤波相结合的自适应滤波法 等。 3 4 轿车顶盖多点成形中的点云数据处理 不同的数据采集方法为逆向工程c a d 建模提供了不同的数据来源。在 多数情况下，逆向工程中表面数据具有数量大、散乱等特点，被形象地称 为r 点云”。根据数据点的排列形式来分类，点云数据可分为三大类1 7 1 ： 第一类是阵列数据，数据具有行列的特点；第二类是按线组织的数据， 】6 第3 章轿车顶盖多点成形技术中逆向工程和曲面重构的应用 可认为是部分散乱数据；第三类是完全为散乱的、无组织的数据。 由于数据间缺乏明显的拓扑关系，因而在c a d 建模前必须先建立起点 与点之间的拓扑关系。同时，由于测量系统必然会给测量数据带来误差， 为了减少误差对建模的影响，在c a d 建模前必须对数据进行必要的平滑。 “点云”数据预处理内容包括数据点之间拓扑关系的建立和散乱数据 的平滑两部分。在散乱数据的曲面重构中，为了确保逆向造型中分块曲面 之间的拼接、过渡、缝合等处理能顺利进行，必须对测量获得的散乱云状 数据进行规则化处理，即数据分割，将散乱云状数据转变为具有规则四边 形网格的有序数据组，形成多块易于皓面造型的数据块。另外，为了快速 高质量地获得最终的轿车顶盖，在曲面重构前还需进行充分的多点成形工 艺性分析。 3 4 1 点云数据的预处理 3 4 1 1 轿车顶盖c a d 模型数据与点云数据的对齐将轿车顶盖c a d 模 型数据与点云数据进行对齐即两个坐标系的统一，是点云数据预处理的关 键环节1 8 】。两个坐标系的统一需要作一系列的平移和旋转变换。 ( 1 ) 对齐原理设点云数据所在坐标系为x f y ，z7 ，轿车顶盏c a d 模型所 在坐标系为x y z ，点云所在坐标系相对轿车顶盖c a d 模型坐标系的原点平 移缸、缈、6 z ，绕轿车顶盖c a d 模型坐标系的z 、y 、z 轴的旋转角为以、 0 。0 ，则两坐标系之间的关系为： 旋转矩阵见： r = c o s o ：c o s o ys i n o ：c o s o ，+ c o s 0 z s i n o ys i n 0 ，s i n 0 ：s i n o r c o s o zs i n o yc o s o ，i l s i n 0 = c o s o r c 0 $ 0 z c o s o ，一s i n 0 ：s i n o ys i n o jc o s o ：s i n o j + s i n 0 ：s i n o y c o s o ，1 s i n o y - - c o s o ys i n 以c o s o yc o s 吨 i x7 ，y ，r = r x i x a x ，y a y ，z 一业r ( 3 - 1 ) ( 2 ) 对齐方法首先在所需扫描的轿车顶盖实物上寻找三个较平坦的地 方，分别放上一个半径已知的钢球；然后，测出三个钢球在轿车顶盖坐标 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 系x y z t 的球心坐标值分别为置( 毛，m ，z 1 ) 、t 2 ( x 2 ，儿，z 2 ) 、t 3 ( x 3 ，y 3 ，毛) ，将 此三点添加到三维顶盖曲顽图内；再对所需扫描的轿车顶盖实物和钢球一 起扫描，获取点云数据，在逆向处理软件中拟合出三个钢球并求出点云数 据所在坐标系x y z 下的球心坐标值分别为q l ( z ：，y ：，z ：) 、0 2 ( x ：，y 2 ，2 ：) 、 q 3 ( 墨，以，2 ；) ；最后，通过将，最，b ) 与 9 1 ，0 2 ，蜴 进行对齐( 保持 对应三点分别重合) 而实现将轿车顶盖实物数据与点云数据对齐。需要指 出的是：三个钢球在所测轿车顶盖实物上分布应均匀，间距不应过小，直 径不能过大，且对放置钢球的所在平面在扫描时遮蔽尽可能少：钢球位置 确定后，应加以固定，在扫描过程中应保持不动；对钢球扫描数据进行拟 合时，应将拟合精度尽可能提高，以保证三球心定位重合的准确而带来具 有较高对齐精度的轿车顶盖实物数据与