基于逆向工程的汽车覆盖件拉延模具数字化设计与制造

1、机械 2008年第2期 总第35卷 机械制造技术 37基于逆向工程的汽车覆盖件拉延模具数字化设计与制造孙小刚，丁国富，李晓丽，谢斌斌（西南交通大学 机械工程学院先进设计与制造技术研究所，四川 成都 610031）摘要：汽车覆盖件模具的设计水平决定了汽车覆盖件的质量，并影响着汽车的性能与外观。本研究在分析拉延模结构设计特点的基础上，提出一种汽车覆盖件数字化设计制造的思路和方法。现有的汽车覆盖件冲压成形工艺设计一般采用经验与计算机相结合的设计方法，这在某种程度上满足了企业生产的需要，但其设计周期长、效率低、设计质量难于保证。为适应汽车工业的快速发展和市场竞争要求，在汽车模具生产中采用该方法综合利用

2、逆向工程软件、CAD/CAM软件、材料成型分析软件和加工仿真软件的有效组合和数据集成，有效地解决了汽车覆盖件拉延模具快速设计与制造的过程。综合实例表明，该过程可以快速提高模具类产品的研制周期，提高产品的质量。 关键词：汽车覆盖件；拉延模；CAD/CAM；成形分析；数字化设计与制造中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：10060316(200802003704Digital design and manufacturing of automobile panel die based on reverse engineeringSUN Xiao-gang，DING Guo-fu，LI

3、Xiao-li，XIE Bin-bin(Institute of Advanced Design & Manufacturing，School of Mechanical Engineering，SWJTU ，Chengdu 610031，China Abstract ：The mold design level of automobile panels at certain degree determines automobile panels，automobile performance and appearance，Based on the analysis of draw di

4、e structure features，the paper brings forward a way to design and manufacture automobile panel. At present，the process design is now mainly carried out by combination method automobile panel's of designer's experience and computer calculation，which meets the demands from the present industry

5、 manufactures，but the long design period，low efficiency，unsatisfied design quality should not be neglected. this method of CAD/CAM deal with the problem of the rapid design and manufacture process of automobile panel with the combination and data integration of ImageWare sofeware，CAD/CAM software，Dy

6、naform software and Vericut software. The example shows that the process can decrease die design periods and increase product design quality.Key words：automobile panel；draw die；CAD/CAM；analysis of deformation；digital design and manufacturing数字化设计与制造是指利用数字化技术完成产品设计和制造的全过程，包括产品的三维（3D ）设计、虚拟装配、仿真、虚拟制造、

7、虚拟检测和通过数字化机床加工出实际产品等。它是先进制造技术的核心技术。汽车覆盖件的设计方法设计制造周期长、信息共享程度低、复杂的空间曲面形状难以表达，并且设计质量和结果难以预测。随着计算机技术的不断提高和计算机性能的不断完善，计算机在制造业中所承担的任务越来越多且越来越复杂和精细。面对汽车行业的激烈竞争，快速响应市场、提高产品质量、降低成本是该行业追求的根本。汽车覆盖件形状复杂，不易于采用传统的设计方法，而数字化设计与制造是解决这类产品的一种有效方法。本文将诸如汽车覆盖件这类复杂的零件的设计延伸到数模获得的前端，通过引入反求的概念获得所建模型，并将虚拟加工仿真综合结合起来，提出了基于反求的汽车

8、覆盖件模具数字化设计与制造方法，并以拉延工艺为实例，给出了相应的实施过程。收稿日期：20070912作者简介：孙小刚（1982），男，硕士研究生，研究方向为模具设计与制造，数控技术；丁国富（1972），男，博士生导师，研究方向为虚拟制造技术先进制造技术等；李晓丽（1981），女，硕士研究生，研究方向为数控技术；谢彬彬（1983），男，硕士研究生，研究方向为数控技术。38 机械制造技术 机械 2008年第2期 总第35卷1 整体设计思路与制作方法如图1所示，首先依据汽车覆盖件的点云数据，用ImageWare 软件做出汽车覆盖件的数模，并在UG CAD 环境中生成实体模型，通过对该数模的工艺分析，

9、进行相应的工艺处理，给出合理的模具设计方案，然后分步设计各套模具。针对拉延模，利用Dynaform 软件对冲压过程进行模拟仿真来确定冲压过程中需要的各种条件是否合理。一旦确定，便可以设计基于三维CAD 的拉延模具总体设计和结构设计，制作出凸模、凹模、压边圈以及各个组装件的实体造型，进而展开设计出完整的上模、下模、及压边圈，再将它们逐一装配起来，并输出内容详实的二维图纸。同时可以利用UG 加工模块中的后置处理功能输出数控加工走刀程序（G 代码），最后可以利用VERICUT 软件对NC 程序进行加工仿真验证。 间距构成的圆柱形“管道”进行数据筛选。曲面重构过程中需注意的问题包括点云数据的分块，因为

10、在逆向设计中，由点云一次性生成符合要求的曲面实现起来比较困难，而且即便生成了，在光顺性上也不能满足要求，所以常用分块法来生成完整的曲面，常用的分块法为曲率法，通过计算点云的曲率找到尖边区域，以此作为边界进行区域划分；基于NURBS 的曲面重构，其数学模型为：mnwp (u , v =i =0j =0m n i =0j =0i , jd i , j N i , k (u N j , l (v N i , k (u N j , l (v 式中：d i , j 为控制顶点，呈拓扑矩行阵列，形 成一个控制网格，i =0，1，. ，m ；j =1，2，. ，n ；wi , jwi , j为与顶点联系的权

11、因子，规定四交顶点处用正i , l (v 权因子，且顺序k *L 个权因子不能同时为零；N 分别为u 向k 次和v 向l 次的规范B 样条基。采用由线来构造面的思想，基于NURBS 构造曲线，用Loft ，Sweep ，Extrude 等来构造光顺曲面。（2）数字化设计与制造。UG NX3是美国Uni graphics Solution of EDS 公司推出的CAD/CAE/CAM 高端软件，为制造业产品开发的全过程提供解决方案。UG 系统可自动产生NC 程序，具有较强的(CAD绘图功能，即可直接在系统上通过绘制所加工零件图，然后再转化成NC 零件加工程序，适用性相当广泛，具有铣削、车削及激

12、光加工等多种数控加工程序制作功能。在汽车覆盖件模具中，可以把点云文件导入到UG 中，在UG 中进行CAD/CAPP ，然后再在CAM 中进行加工代码的生成，其中应该注意的问题是：如果对UG 二维出图命令不熟悉的话可以把它导入到AutoCAD 中进行设计，具体过程是：UG 的二维图导出（*CGM）再导入UG 中导出（*DWG）在AutoCAD 中打开，进行修改。具体的UG 中的CAD/CAM设计见实例说明。（3）Dynaform 成形分析。eta/DYNAFORM软件是把LS-DYNA 、LS-NIKE3D 强大的分析能力与eta/FEMB的流程化前后处理功能结合起来，eta/DYNAFORM分

13、析的求解器是LS-DYNA 和LS-NIKE3D ，这两个求解器是通用的、非线性的、动态的有限元分析程序，利用显式或隐式计算方法来解决结构及流体等问题。DYNAFORM 的计算单图1 汽车覆盖件数字化设计思路在处理过程中，每个步骤需要注意如下问题及其所涉及的理论基础：（1）逆向工程。点云数据的处理是用ImageWa re 软件实现的，其遵循着模型数字化点云数据处理曲面重构三个基本步骤，其中在点云数据处理中应该注意的内容包括点云的除噪、除杂，常用的处理程序有判断滤波法、N 点平均滤波法以及自适应滤波法，本例用N 点平均滤波法来降噪、降杂，它是根据数据点的图像中的像素点的灰度值来删除噪声点；点云的

14、过滤，常用的处理程序有均匀采样法、弦差分法、空间采样法、包围盒法4种，本例用弦差分法，弦差分法是利用最大偏差值和最大点机械 2008年第2期 总第35卷 机械制造技术 39元是壳单元，最常用的是HL 壳单元和BT 壳单元，且其壳单元公式默认的是BT 壳单元，Belytschko_Tsay（BT ）薄壳单元计算过程简单，是目前有限元分析最常用的一种。在分析设定的过程中应该注意：如果汽车覆盖件的拉深深度不是很大，必须考虑在设定过程中添加过渡面，增长覆盖件的深度，使冲压出的零件更加真实；如果冲压件中存在法兰（即会造成冲压无法进行下去的面），应该把法兰面展开，把以前的法兰删除，使冲压过程能顺利进行下去

15、；对冲压方向的调整，在Dynaform 中冲压方向是沿Z 轴正向进行，所以在后置处理前应该把零件冲压的方向调整到Z 轴正向；拉延筋的设定，后置处理后进行结果分析，如果出现拉皱的情况，应该在该位置是添加拉延筋，再进行后置处理分析，直到得到理想的结果。（4）加工仿真用Vericut 进行机床仿真以NC 代码为驱动程序，需要有相应的数控系统文件（*ctl），才能正确读取UG 中生成的NC 代码，可以直接调用已有的控制系统文件，也可以自己建立新的文件，此外，为了实现机床的动态仿真，需要建立数控机床文件（.mch ），其中包括机床的运动学模型和实体模型，运动学模型定义机床各部件之间的关系和各自的位置，实

16、体模型可以由UG 中调用，也可以在Vericut 中建立；因为NC 代码不象刀位原文件一样包含刀具形状、尺寸的描述，因此必须在Vericut 中建立刀具库文件（.tls ），并进行合理的参数设置，完成后，就可以进行Vericut 仿真。 图4 拉伸后结果 图5 修剪命令构造曲线，如图2所示，然后通过ModifyDirectionHarmonize Curves Direction使各曲线的方向一致；最后可以用Loft Curves来创建整个曲面，完成汽车覆盖件的初步生成，然后通过选中曲线，右键单击选择Edit Curve来编辑曲线，曲线的编辑就是依靠改变曲线控制点的位置和是数量来实现的。通过增

17、加或者删除控制点就可以改变曲面的形状，完成汽车覆盖件的最后成型。 图2 构造曲线后结果 图3 由点云数据生成的曲面模型（2）在UG 中通过导入imw 格式来导入生成的汽车覆盖件，利用主菜单“插入设计特征拉伸”把覆盖件的边缘部分向外拉伸，通过“插入联合体缝合”把曲面缝合起来，如图4所示，然后用一个毛坯实体把曲面覆盖起来，通过“插入裁减修整”来完成对凸模、凹模的创建，如图5所示。利用凹模工作表面，通过“插入关联复制抽取”得到压边圈的各个曲面，然后把曲面缝合完成压边圈。 （3）把UG 中生成的凸模、凹模、压边圈以iges2 实例分析如图3所示，说明该数字化设计与制造过程。 （1）把模型数字化测得的点

18、云数据导入Image Ware 软件中，进行点云数据处理，完成后通过Par allel Cloud Cross Sections命令来实现特征点的选择；设置平行截面的个数，次项参数在Sections 中设置，选择后如果截面与工件方向不平行，可以在Rotate Angle中输入需要选择的角度；使用Constru ctCurves From CloudTolerance Curves来格式导出后直接可以导入Dynaform 中后，他们分别存放在三个层中，分别对其进行网格划分，通过“PreprocessElement Surface Mesh”可打开图6对话框，进行参数设定，然后进行网格划分，完成后

19、，对网格进行检查及修补，显示各个层的图形，其中冲压方向可以在DFE preparation TIPPING 中进行修改。进入“QuickSetupDraw”，打开图7对话框，可选择冲压方式、冲压材料、冲压力等参数，设定拉延筋，选择完成后，可选择Submit.Job 键进40 机械制造技术 机械 2008年第2期 总第35卷 行求解设置，选择求解器，求解完成后可对结果进行分析。检查结果是否合理。如图8所示。（4）在UG 中分别对凸模、凹模、压边圈进行结构设计，主要包括导向板的选择、蜂窝槽选择、螺孔、螺栓、起吊装置的设计等，在UG 的实体建模中可以完成各个组件，然后在UG 中主菜单“应用装配”对各

20、个组件进行装配，通过“应用制图”来生成二维图。总装配图见图9。（5）使用UG 的汽车覆盖件的凸模部分进行计算机辅助加工是与前面的CAD 部分的有机结合，在“应用加工”中进行设定，主要有四部加工工序：型腔粗加工型腔侧面精加工型腔外分型面精加工固定轴曲面轮廓铣，加工过程按照如图10所示流程进行。随着系统进行后处理，生成程序指定路径的文件名的程序文件，可将其另存为机床易识别各个部分的结构，然后在SetUp Tool Manager中设定加工过程中所需的刀具，在SetUp Toolpath 中载入在UG 中经过后置处理生成的NC 程序，载入加工过程所需要的机床控制文件，最后进行加工过程仿真，验证加工过程中是否会出现碰撞、干涉等现象。图11所示为零件的粗加工过程仿真。图12为加工过程所设定的机床。图11 零件加工过程仿真 图12 加工所需要的机床4 结束语的文件类型，详细的G 指令由于篇幅所限不予列出。 通过上面的实例证明，在现代模具制造业中，整个模具从设计、检验到制造过程是统一的、相互联系的一个整体。通过CAD/CAE/CAM及加工过程仿真综合协同设计，实现了产品设计和