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汽车车身工程图纸三维建模方法 A Method on Three Dimension Model Building of Auto Body Through Engineering Drawing 张 剑 孔 健 万德安 摘 要 本文提出根据工程图纸建立汽车车身零部件计算机三维模型的方法 借助于轿车车身覆盖件 计算机辅助设计的原理 通过获取少量的数据点生成轮廓线 然后借助轮廓线生成三维模型的轮廓曲面 该 方法应用简单 快捷 精度较高 关键词 汽车车身 三维建模 曲面生成 Abstract This paper presents a method to build the three dimension model of auto body parts in computer based on engineering drawing According to CAD theories of car body covering parts the three dimension model of curved surface profile is established through outlines which is acquired by lining effectively a small amount of data points Keywords auto body model building curved surface 1 前言 CAD CAM CAE 系统应用与研究的速度十 分迅速 如波音公司应用美国 EDS 的 UG 软件对 波音 777 飞机制造的 CAD CAM CAE 全过程已 实现了无 纸化 同样 在 汽车 工业 中 CAD CAM CAE 系统得到了广泛应用 在我国汽车行 业中 在 CAD CAE 方面与国外存在较大差距 不能对汽车车身完全进行计算机设计 在很大程 度上计算机只能用于画图与局部设计 CAD 设计 与 CAE CAM 分析脱节 二者之间未建立数据库 以实现数据共享 1 在我国汽车制造厂中 拥有 大批汽车设计图纸 这些图纸一部分是从国外汽 车制造厂吸收引进的 一部分是国内厂家自行开 发设计的 计算机三维模型改变了在手工制图中 要通过三个视图线型去解释一条空间曲线的落后 方法 通过曲线去生成曲面 根据设计要求形成表 达三维空间的 数学模型 2 因此 利用这些工 程图纸 对其进行计算机三维建模是十分有必要 的 在建立汽车覆盖件表面数据模型后 便可进 行汽车车身机构设计 生成车身模具的 NC 程序等 设计与分析 2 工程图纸的三维建模方法 在开展对某型号轿车车身建模过程中 我们 寻求准确地从工程图纸中建立零件三维模型的 方法 由于该型轿车为我国引进车型 其车身图 纸只有总成图 而没有车身的零件图 故无法确 切的知道车身曲面的详细设计 在轿车车身设 计过程中大量使用了样条曲线与样条曲面 工程 图纸中曲线与曲面如何能够在计算机的三维数 学模型中得以实现 以及在此基础上如何建立汽 车车身各零件的三维模型是我们如今面对的课 题 研究中发现 在目前的计算机辅助设计方法 进行汽车车身外表面的设计中 其设计过程大致 如下 首先制作 1 5 油泥模型 然后用三坐标数 控测量机测量模型上有限点的坐标 大约 200 300个点 将这些数据送入计算机进行处理 将 离散数据通过计算几何的数学方法处理后生成 曲线和曲面 设计人员根据显示结果对曲线和曲 面及不光滑的过渡进行修改 图形一旦修改定 型后就可输出图纸 生成模具加工的 NC 程序及 CAE 分析等 借助于这种思想 在对工程图纸进 行三维建模时 采取了类似的方法 首先 建立 车身各个组成零件的模型 整个车身模型由零件 模型装配而成 在车身零件模型的建立过程中 第一步对工程图纸进行初步分析 了解构造车身 曲面的基本机理 从图纸上获取曲面的特征数据 39 汽车车身工程图纸三维建模方法 点 然后通过这些数据点生成曲线 再利用已生 成的曲线构造车身曲面 以下 以轿车中柱以及后车门的实际建模为 例 介绍利用工程图纸进行轿车车身三维建模的 整个过程 我们整个工作都是在 CAD CAM 软件 UG14 0 平台上进行的 2 1 识读汽车车身工程图纸 汽车车身工程图纸的坐标系有其特殊性 汽 车车身各个零件图纸统一采用车身坐标系 其图 纸的坐标原点都位于轿车前轮主轴的中点 采用 这种坐标系既省略了下一步的分析过程中繁琐的 坐标转换工作 同时也便于在质保部门利用三坐 标测量机对轿车零部件制造与装配精度进行 检测 2 2 特征数据点的获取 选择型面的特征轮廓线 通过手工测量与扫 描仪两种方式获取轮廓线上的数据点 通过测量 获取这些数据点以形成特征轮廓曲线 因此测量 数据时 为了在下一步骤形成曲线中能更精确地 拟合曲线 应对空间曲线曲率较小的地方测量较 多的数据点 在对轿车车身中柱的建模中 共测 量了 300个左右的数据点 图 1 B 柱曲线与数据点 2 3 曲线的形成 基本上由数据点生成空间曲线有三种方法形 成 拟合 插值与逼近 拟合是指通过定型值点 列来构造曲线 求给定型值点之间在曲线上的点 称为曲线的插值 求出在几何形状上与给定型值 点列的连接线相近似的曲线 称之为曲线的逼近 这种曲线不必通过型值点列 在曲线的生成过程中 可以利用手工测量或 通过扫描仪来获取有限数据点 节点 来生成曲 线 这将要求曲线通过测量获取的数据点 并且生 成的曲线与工程图上的曲线误差最小 在工程 上 特别在汽车设计上三次 B 样条曲线得到了广 泛的应用 虽然三次 B 样条曲线对于今后的修 改存在一定的局限 但是其优越的曲面光顺性能 因此选择其作为生成曲线的方法 图1 所示 为轿车 B 柱的测量特征点及其生 成的曲线 利用特征数据点形成轮廓曲线时 往 往不可能去形成完整的一条曲线 而应仔细分析 再将曲线分段进行处理 在建立轿车 B 柱外板 轮廓曲线中 曲线的一部分为直线 而曲线与直线 间为光滑过渡 可以采用多种方法形成该曲线 一是增加数据点 特别在过渡处 二是找出过渡点 将曲线分段 分为空间曲线部分和空间直线部分 各部分之间单独生成 三是在 UG 软件中 B 样 条曲线的设计方法中可以由设计者定义数据点的 斜率 定义轮廓曲线的直线段各点的斜率 然后整 体生成最终轮廓曲线 第一种方法形成的曲线 直线部分往往不能形成 且工作量比较大 第二种 方法形成的曲线 曲线与直线的过渡点往往不易 精确选取 因此在直线和曲线过渡处不够光顺 前两种方法与第三种方法比较而言 生成的曲线 误差更大些 图 2 轿车后车门与车身 B柱三维模型 2 4 曲面的形成 在获得了零件的轮廓曲线后 依据这些曲线 形成曲面 汽车车身为薄壁板件 主要的构成形 式是各种曲面 曲面的生成不同方法将直接影响 40 机电一体化 Mechatronica 2000年第 3 期 到曲面的光顺性 最终影响到车身的外观造型 空 气阻力 模具的加工制造及其它性能 汽车车身曲面是一个复杂的雕塑曲面 通过 曲线生成曲面的方法有许多种 1 过曲线 Through Curve 可通过在一个方向 的曲线集建立一个曲面 2 过曲线网格 Through Curse Mesh 可从运行 在两个方向的已存在的曲面外形 线串 集合建立 一个面 线串不一定要相交 3 扫描 Swept 由一曲线外形沿一空间的路 径以一预定的方式移动扫出的片实体 4 直纹面 Ruled Face 两曲线间的参数对应 点用直线段连接而成的曲面 在通过上一步骤中所生成的三维特征曲线生 成曲面的过程 应当考虑到如下几个方面 首先 灵活选择生成曲面的各种方法 不同的方法生成 的曲面是不同的 可以根据图纸的设计进行选择 使生成曲面与工程图上的曲面的误差最小 其次 基于并行工程思想 曲面造型设计要考虑适用于 今后的CAE CAM 的需要 在曲面形成以后 还必须利用其它方法对生 成的曲面进行处理 如 通过圆角面 Blend 圆 角曲面 Fillet 修剪 Trimmed 延伸 Extension 等 手段对曲面进行在细节处理 在曲线生成的过程中 应该注意一些问题 从制造的角度来看 曲面的形成不能仅仅满足于 用各种曲面生成方法形成汽车车身的各个型 面 这样形成的结果往往是曲面出现皱褶 并且 生成的曲面与曲面之间出现缝隙 无法进行弥 合 只能采取 补丁 的方法进行缝合 这都将影 响到曲面的光顺性 进而对模型进行有限元分 析时 将会发现曲面表面产生应力集中 从而影 响零件的质量 由于汽车车身主要由钢板冲压 加工后焊接而成 在一些面与面之间存在相关 性 如在轿车 B 柱内板上两个密封条镶嵌面应 为同一曲面 在这两个曲面的生成中 利用直 纹面的方法先生成一个曲面 然后再利用相关 曲面进行修剪而形成 2 5 模型准确度的检验 在曲面形成以后 应同时建立模型的公差信 息 如尺寸公差 形位公差 表面粗糙度等 以及非 形状信息 如技术说明 零件编号 类型说明 这 样就最终完成了轿车后车门和轿车 B 柱的三维 模型 图 2 所示 三维模型建成以后 对模型的 准确性检验是很有必要的 如何在理论上评价曲 面的准确度是一个较难解决的问题 有待研究工 作者进一步地探讨 目前采用的方法是 在建立 的轿车中柱模型曲面上生成密集的点阵 获取点 阵的坐标值 然后将在零件图上找出 X Y 坐标值 相同的点 求出 Z 坐标的偏差值 通过对轿车 B 柱模型 图 2 所示 的检验可知 在模型中获取 1 000多个数据点 其各坐标值与相应图纸上的坐 标值和误差在 0 2mm 以内 3 结论 利用以上介绍的方法 成功地将轿车车身 的各个部件工程图纸建立了计算机三维模型 并利用所建立的轿车计算机三维模型 对轿车 的车身各部件进行了虚拟装配 同时成功地对 轿车车门 车身侧围进行了刚度有限元分析 以及对轿车后车门在关闭过程中翘曲变形进 行了分析与研究 实践表明 该方法能够快速 地 精确地对复杂的工程图纸进行计算机三维 建模 为今后研究人员进行进一步的轿车零部 件有限元分析 装配干涉检查及 CAM 加工等 分析研究提供了方便 并且方法简单 方便 实 用 参 考 文 献 1 张东业 汽车工业 CAD CAM 技术的发展和展望 汽车技术 1995 8 2 邓泽英 当代汽车车身造型技术与结构特征 汽车研究与开 发 1998 5 3 张洪欣 汽车设计 北京 机械工业出版社 1995 4 Motoo KONDO et al Generation of Tool Paths for a Die Sinki