基于逆向工程的汽車覆蓋件拉延模具數(shù)字化設(shè)計與制造

1、機械 2008年第2期 總第35卷 機械制造技術(shù) 37基于逆向工程的汽車覆蓋件拉延模具數(shù)字化設(shè)計與制造孫小剛，丁國富，李曉麗，謝斌斌（西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院先進設(shè)計與制造技術(shù)研究所，四川 成都 610031）摘要：汽車覆蓋件模具的設(shè)計水平?jīng)Q定了汽車覆蓋件的質(zhì)量，并影響著汽車的性能與外觀。本研究在分析拉延模結(jié)構(gòu)設(shè)計特點的基礎(chǔ)上，提出一種汽車覆蓋件數(shù)字化設(shè)計制造的思路和方法。現(xiàn)有的汽車覆蓋件沖壓成形工藝設(shè)計一般采用經(jīng)驗與計算機相結(jié)合的設(shè)計方法，這在某種程度上滿足了企業(yè)生產(chǎn)的需要，但其設(shè)計周期長、效率低、設(shè)計質(zhì)量難于保證。為適應(yīng)汽車工業(yè)的快速發(fā)展和市場競爭要求，在汽車模具生產(chǎn)中采用該方法綜合利用

2、逆向工程軟件、CAD/CAM軟件、材料成型分析軟件和加工仿真軟件的有效組合和數(shù)據(jù)集成，有效地解決了汽車覆蓋件拉延模具快速設(shè)計與制造的過程。綜合實例表明，該過程可以快速提高模具類產(chǎn)品的研制周期，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。 關(guān)鍵詞：汽車覆蓋件；拉延模；CAD/CAM；成形分析；數(shù)字化設(shè)計與制造中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：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數(shù)字化設(shè)計與制造是指利用數(shù)字化技術(shù)完成產(chǎn)品設(shè)計和制造的全過程，包括產(chǎn)品的三維（3D ）設(shè)計、虛擬裝配、仿真、虛擬制造、

7、虛擬檢測和通過數(shù)字化機床加工出實際產(chǎn)品等。它是先進制造技術(shù)的核心技術(shù)。汽車覆蓋件的設(shè)計方法設(shè)計制造周期長、信息共享程度低、復(fù)雜的空間曲面形狀難以表達，并且設(shè)計質(zhì)量和結(jié)果難以預(yù)測。隨著計算機技術(shù)的不斷提高和計算機性能的不斷完善，計算機在制造業(yè)中所承擔(dān)的任務(wù)越來越多且越來越復(fù)雜和精細。面對汽車行業(yè)的激烈競爭，快速響應(yīng)市場、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本是該行業(yè)追求的根本。汽車覆蓋件形狀復(fù)雜，不易于采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，而數(shù)字化設(shè)計與制造是解決這類產(chǎn)品的一種有效方法。本文將諸如汽車覆蓋件這類復(fù)雜的零件的設(shè)計延伸到數(shù)模獲得的前端，通過引入反求的概念獲得所建模型，并將虛擬加工仿真綜合結(jié)合起來，提出了基于反求的汽車

8、覆蓋件模具數(shù)字化設(shè)計與制造方法，并以拉延工藝為實例，給出了相應(yīng)的實施過程。收稿日期：20070912作者簡介：孫小剛（1982），男，碩士研究生，研究方向為模具設(shè)計與制造，數(shù)控技術(shù)；丁國富（1972），男，博士生導(dǎo)師，研究方向為虛擬制造技術(shù)先進制造技術(shù)等；李曉麗（1981），女，碩士研究生，研究方向為數(shù)控技術(shù)；謝彬彬（1983），男，碩士研究生，研究方向為數(shù)控技術(shù)。38 機械制造技術(shù) 機械 2008年第2期 總第35卷1 整體設(shè)計思路與制作方法如圖1所示，首先依據(jù)汽車覆蓋件的點云數(shù)據(jù)，用ImageWare 軟件做出汽車覆蓋件的數(shù)模，并在UG CAD 環(huán)境中生成實體模型，通過對該數(shù)模的工藝分析，

9、進行相應(yīng)的工藝處理，給出合理的模具設(shè)計方案，然后分步設(shè)計各套模具。針對拉延模，利用Dynaform 軟件對沖壓過程進行模擬仿真來確定沖壓過程中需要的各種條件是否合理。一旦確定，便可以設(shè)計基于三維CAD 的拉延模具總體設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，制作出凸模、凹模、壓邊圈以及各個組裝件的實體造型，進而展開設(shè)計出完整的上模、下模、及壓邊圈，再將它們逐一裝配起來，并輸出內(nèi)容詳實的二維圖紙。同時可以利用UG 加工模塊中的后置處理功能輸出數(shù)控加工走刀程序（G 代碼），最后可以利用VERICUT 軟件對NC 程序進行加工仿真驗證。 間距構(gòu)成的圓柱形“管道”進行數(shù)據(jù)篩選。曲面重構(gòu)過程中需注意的問題包括點云數(shù)據(jù)的分塊，因為

10、在逆向設(shè)計中，由點云一次性生成符合要求的曲面實現(xiàn)起來比較困難，而且即便生成了，在光順性上也不能滿足要求，所以常用分塊法來生成完整的曲面，常用的分塊法為曲率法，通過計算點云的曲率找到尖邊區(qū)域，以此作為邊界進行區(qū)域劃分；基于NURBS 的曲面重構(gòu)，其數(shù)學(xué)模型為：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 為控制頂點，呈拓撲矩行陣列，形 成一個控制網(wǎng)格，i =0，1，. ，m ；j =1，2，. ，n ；wi , jwi , j為與頂點聯(lián)系的權(quán)

11、因子，規(guī)定四交頂點處用正i , l (v 權(quán)因子，且順序k *L 個權(quán)因子不能同時為零；N 分別為u 向k 次和v 向l 次的規(guī)范B 樣條基。采用由線來構(gòu)造面的思想，基于NURBS 構(gòu)造曲線，用Loft ，Sweep ，Extrude 等來構(gòu)造光順曲面。（2）數(shù)字化設(shè)計與制造。UG NX3是美國Uni graphics Solution of EDS 公司推出的CAD/CAE/CAM 高端軟件，為制造業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的全過程提供解決方案。UG 系統(tǒng)可自動產(chǎn)生NC 程序，具有較強的(CAD繪圖功能，即可直接在系統(tǒng)上通過繪制所加工零件圖，然后再轉(zhuǎn)化成NC 零件加工程序，適用性相當(dāng)廣泛，具有銑削、車削及激

12、光加工等多種數(shù)控加工程序制作功能。在汽車覆蓋件模具中，可以把點云文件導(dǎo)入到UG 中，在UG 中進行CAD/CAPP ，然后再在CAM 中進行加工代碼的生成，其中應(yīng)該注意的問題是：如果對UG 二維出圖命令不熟悉的話可以把它導(dǎo)入到AutoCAD 中進行設(shè)計，具體過程是：UG 的二維圖導(dǎo)出（*CGM）再導(dǎo)入UG 中導(dǎo)出（*DWG）在AutoCAD 中打開，進行修改。具體的UG 中的CAD/CAM設(shè)計見實例說明。（3）Dynaform 成形分析。eta/DYNAFORM軟件是把LS-DYNA 、LS-NIKE3D 強大的分析能力與eta/FEMB的流程化前后處理功能結(jié)合起來，eta/DYNAFORM分

13、析的求解器是LS-DYNA 和LS-NIKE3D ，這兩個求解器是通用的、非線性的、動態(tài)的有限元分析程序，利用顯式或隱式計算方法來解決結(jié)構(gòu)及流體等問題。DYNAFORM 的計算單圖1 汽車覆蓋件數(shù)字化設(shè)計思路在處理過程中，每個步驟需要注意如下問題及其所涉及的理論基礎(chǔ)：（1）逆向工程。點云數(shù)據(jù)的處理是用ImageWa re 軟件實現(xiàn)的，其遵循著模型數(shù)字化點云數(shù)據(jù)處理曲面重構(gòu)三個基本步驟，其中在點云數(shù)據(jù)處理中應(yīng)該注意的內(nèi)容包括點云的除噪、除雜，常用的處理程序有判斷濾波法、N 點平均濾波法以及自適應(yīng)濾波法，本例用N 點平均濾波法來降噪、降雜，它是根據(jù)數(shù)據(jù)點的圖像中的像素點的灰度值來刪除噪聲點；點云的

14、過濾，常用的處理程序有均勻采樣法、弦差分法、空間采樣法、包圍盒法4種，本例用弦差分法，弦差分法是利用最大偏差值和最大點機械 2008年第2期 總第35卷 機械制造技術(shù) 39元是殼單元，最常用的是HL 殼單元和BT 殼單元，且其殼單元公式默認的是BT 殼單元，Belytschko_Tsay（BT ）薄殼單元計算過程簡單，是目前有限元分析最常用的一種。在分析設(shè)定的過程中應(yīng)該注意：如果汽車覆蓋件的拉深深度不是很大，必須考慮在設(shè)定過程中添加過渡面，增長覆蓋件的深度，使沖壓出的零件更加真實；如果沖壓件中存在法蘭（即會造成沖壓無法進行下去的面），應(yīng)該把法蘭面展開，把以前的法蘭刪除，使沖壓過程能順利進行下去

15、；對沖壓方向的調(diào)整，在Dynaform 中沖壓方向是沿Z 軸正向進行，所以在后置處理前應(yīng)該把零件沖壓的方向調(diào)整到Z 軸正向；拉延筋的設(shè)定，后置處理后進行結(jié)果分析，如果出現(xiàn)拉皺的情況，應(yīng)該在該位置是添加拉延筋，再進行后置處理分析，直到得到理想的結(jié)果。（4）加工仿真用Vericut 進行機床仿真以NC 代碼為驅(qū)動程序，需要有相應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)文件（*ctl），才能正確讀取UG 中生成的NC 代碼，可以直接調(diào)用已有的控制系統(tǒng)文件，也可以自己建立新的文件，此外，為了實現(xiàn)機床的動態(tài)仿真，需要建立數(shù)控機床文件（.mch ），其中包括機床的運動學(xué)模型和實體模型，運動學(xué)模型定義機床各部件之間的關(guān)系和各自的位置，實

16、體模型可以由UG 中調(diào)用，也可以在Vericut 中建立；因為NC 代碼不象刀位原文件一樣包含刀具形狀、尺寸的描述，因此必須在Vericut 中建立刀具庫文件（.tls ），并進行合理的參數(shù)設(shè)置，完成后，就可以進行Vericut 仿真。 圖4 拉伸后結(jié)果 圖5 修剪命令構(gòu)造曲線，如圖2所示，然后通過ModifyDirectionHarmonize Curves Direction使各曲線的方向一致；最后可以用Loft Curves來創(chuàng)建整個曲面，完成汽車覆蓋件的初步生成，然后通過選中曲線，右鍵單擊選擇Edit Curve來編輯曲線，曲線的編輯就是依靠改變曲線控制點的位置和是數(shù)量來實現(xiàn)的。通過增

17、加或者刪除控制點就可以改變曲面的形狀，完成汽車覆蓋件的最后成型。 圖2 構(gòu)造曲線后結(jié)果 圖3 由點云數(shù)據(jù)生成的曲面模型（2）在UG 中通過導(dǎo)入imw 格式來導(dǎo)入生成的汽車覆蓋件，利用主菜單“插入設(shè)計特征拉伸”把覆蓋件的邊緣部分向外拉伸，通過“插入聯(lián)合體縫合”把曲面縫合起來，如圖4所示，然后用一個毛坯實體把曲面覆蓋起來，通過“插入裁減修整”來完成對凸模、凹模的創(chuàng)建，如圖5所示。利用凹模工作表面，通過“插入關(guān)聯(lián)復(fù)制抽取”得到壓邊圈的各個曲面，然后把曲面縫合完成壓邊圈。 （3）把UG 中生成的凸模、凹模、壓邊圈以iges2 實例分析如圖3所示，說明該數(shù)字化設(shè)計與制造過程。 （1）把模型數(shù)字化測得的點

18、云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Image Ware 軟件中，進行點云數(shù)據(jù)處理，完成后通過Par allel Cloud Cross Sections命令來實現(xiàn)特征點的選擇；設(shè)置平行截面的個數(shù)，次項參數(shù)在Sections 中設(shè)置，選擇后如果截面與工件方向不平行，可以在Rotate Angle中輸入需要選擇的角度；使用Constru ctCurves From CloudTolerance Curves來格式導(dǎo)出后直接可以導(dǎo)入Dynaform 中后，他們分別存放在三個層中，分別對其進行網(wǎng)格劃分，通過“PreprocessElement Surface Mesh”可打開圖6對話框，進行參數(shù)設(shè)定，然后進行網(wǎng)格劃分，完成后

19、，對網(wǎng)格進行檢查及修補，顯示各個層的圖形，其中沖壓方向可以在DFE preparation TIPPING 中進行修改。進入“QuickSetupDraw”，打開圖7對話框，可選擇沖壓方式、沖壓材料、沖壓力等參數(shù)，設(shè)定拉延筋，選擇完成后，可選擇Submit.Job 鍵進40 機械制造技術(shù) 機械 2008年第2期 總第35卷 行求解設(shè)置，選擇求解器，求解完成后可對結(jié)果進行分析。檢查結(jié)果是否合理。如圖8所示。（4）在UG 中分別對凸模、凹模、壓邊圈進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括導(dǎo)向板的選擇、蜂窩槽選擇、螺孔、螺栓、起吊裝置的設(shè)計等，在UG 的實體建模中可以完成各個組件，然后在UG 中主菜單“應(yīng)用裝配”對各

20、個組件進行裝配，通過“應(yīng)用制圖”來生成二維圖。總裝配圖見圖9。（5）使用UG 的汽車覆蓋件的凸模部分進行計算機輔助加工是與前面的CAD 部分的有機結(jié)合，在“應(yīng)用加工”中進行設(shè)定，主要有四部加工工序：型腔粗加工型腔側(cè)面精加工型腔外分型面精加工固定軸曲面輪廓銑，加工過程按照如圖10所示流程進行。隨著系統(tǒng)進行后處理，生成程序指定路徑的文件名的程序文件，可將其另存為機床易識別各個部分的結(jié)構(gòu)，然后在SetUp Tool Manager中設(shè)定加工過程中所需的刀具，在SetUp Toolpath 中載入在UG 中經(jīng)過后置處理生成的NC 程序，載入加工過程所需要的機床控制文件，最后進行加工過程仿真，驗證加工過程中是否會出現(xiàn)碰撞、干涉等現(xiàn)象。圖11所示為零件的粗加工過程仿真。圖12為加工過程所設(shè)定的機床。圖11 零件加工過程仿真 圖12 加工所需要的機床4 結(jié)束語的文件類型，詳細的G 指令由于篇幅所限不予列出。 通過上面的實例證明，在現(xiàn)代模具制造業(yè)中，整個模具從設(shè)計、檢驗到制造過程是統(tǒng)一的、相互聯(lián)系的一個整體。通過CAD/CAE/CAM及加工過程仿真綜合協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計和