第五章車身CAD數(shù)字建模技術(shù)

數(shù)字化就是將許多復(fù)雜多變的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远攘康臄?shù)字、數(shù)據(jù),再以這些數(shù)字、數(shù)據(jù)建立起適當(dāng)?shù)臄?shù)字化模型,把它們轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗卸M(jìn)制代碼,引入計(jì)算機(jī)內(nèi)部,進(jìn)行統(tǒng)一處理,這就是數(shù)字化的基本過程。20世紀(jì)40年代提出的采樣定理,為數(shù)字化技術(shù)奠定了重要基礎(chǔ)。數(shù)字化是數(shù)字計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ);數(shù)字化也是多媒體技術(shù)的基礎(chǔ);同時(shí),數(shù)字化也是軟件技術(shù)的基礎(chǔ),是智能技術(shù)的基礎(chǔ)。車身的坐標(biāo)測(cè)量就是車身的一種數(shù)字化。數(shù)字化車身,是以車身計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)為核心的,應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、制造、使用、回收等一系列綜合技術(shù)的數(shù)字車身模型。數(shù)字化的車身,是虛擬技術(shù)在整個(gè)車身生命周期中應(yīng)用的基礎(chǔ)。車身虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、總布置設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。車身虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車身性能如剛度、強(qiáng)度、模態(tài)、疲勞、安全、NVH等的模擬分析。車身虛擬制造能夠在車身概念設(shè)計(jì)階段,模擬車身未來設(shè)計(jì)制造全過程及其對(duì)車身設(shè)計(jì)的影響,從而更有效、更經(jīng)濟(jì)、更靈活地組織生產(chǎn),提高生產(chǎn)線的效率和布局合理性。同時(shí),數(shù)字化的車身能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬的車身駕駛、維修和回收等。數(shù)字化車身技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)為:(1)汽車造型設(shè)計(jì)思想能夠更好地在三維形體上得到體現(xiàn)。(2)提高設(shè)計(jì)及生產(chǎn)效率,縮短新車的開發(fā)周期。(3)減少新車開發(fā)中的實(shí)物模型數(shù)量,降低成本。(4)數(shù)字化的車身能夠提高設(shè)計(jì)和制造精度。(5)能夠快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)換型和局部改型。一、光順的概念與應(yīng)用1.曲線曲面光順的概念車身外形曲線曲面的設(shè)計(jì)一方面要保證良好的空氣動(dòng)力學(xué)特性,另一方面又要符合汽車造型的藝術(shù)審美原則,這兩方面都要求車身外形的曲線曲面是光順的。對(duì)于平面曲線,一般只要滿足下列三條準(zhǔn)則,就可以稱為是光順的:(1)曲線C2

階連續(xù)。(2)沒有多余的拐點(diǎn)。(3)曲率變化較均勻。圖5-1所示的是曲線光順與不光順的情況對(duì)比。顯然圖5-1a)曲線滿足光順的三條準(zhǔn)則,圖5-1b)曲線和圖5-1c)曲線不滿足準(zhǔn)則(1)和(3),而圖5-1d)曲線三條準(zhǔn)則都不滿足。對(duì)于空間曲線,數(shù)學(xué)上的光順準(zhǔn)則為:(1)二階光滑性。曲線的二階導(dǎo)矢連續(xù),從而曲率連續(xù);低次樣條曲線(二次)在節(jié)點(diǎn)處的曲率可能有一個(gè)跳躍,此時(shí)要求躍度和盡可能小。(2)不存在多余拐點(diǎn)。(3)曲率變化比較均勻。當(dāng)曲線上的曲率出現(xiàn)大幅度改變時(shí),盡管沒有多余拐點(diǎn),曲線仍不光順。因此,要求光順后曲線的曲率變化比較均勻。(4)不存在多余變撓點(diǎn)。變撓點(diǎn)是指撓率為零的點(diǎn),通常與撓率變號(hào)點(diǎn)相關(guān)。(5)撓率變化比較均勻。撓率不連續(xù)(節(jié)點(diǎn)處左右撓率差)躍度和足夠小;撓率的變化比較均勻,無連續(xù)變號(hào)。在滿足數(shù)學(xué)要求的基礎(chǔ)上,光順曲線還要滿足造型設(shè)計(jì)師的主觀美學(xué)要求。在實(shí)際應(yīng)用過程當(dāng)中,一般地,把空間曲線投影到三個(gè)正交平面上,可以用這三條投影曲線的光順性作為空間曲線光順性判據(jù)。

圖5-2所示的是一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)(圖5-2a)、二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)(圖5-2b)和三階導(dǎo)數(shù)連續(xù)(圖5-2c)的光順性示意圖。曲面的光順準(zhǔn)則更為復(fù)雜,通常根據(jù)曲面上的關(guān)鍵曲線(如

兩個(gè)方向的等參線,或曲面與某一組平行平面的一系列截線等)是否光順以及曲面的曲率(主曲率、高斯曲率、平均曲率等)的變化是否均勻等來判斷。曲面光順準(zhǔn)則是:(1)關(guān)鍵曲線(曲面的骨架線)光順。(2)網(wǎng)格線無多余拐點(diǎn)(或平點(diǎn))及變撓點(diǎn)。(3)主曲率變化均勻。(4)高斯曲率變化均勻。2.車身曲線曲面光順的應(yīng)用目前,CAD/CAM系統(tǒng)廣泛應(yīng)用參數(shù)B樣條曲線曲面,構(gòu)造參數(shù)曲線曲面的最重要的一種方法是對(duì)給定的型值點(diǎn)進(jìn)行插值或擬和。所生成的曲線曲面不光順的原因主要有兩種情況:(1)型值點(diǎn)序列是比較好的,但由于曲線曲面的生成方式或所采用的曲線曲面表達(dá)形式不合適,因而導(dǎo)致所生成的曲線曲面不光順。(2)型值點(diǎn)序列本身不是很好,因而導(dǎo)致生成的曲線曲面不光順。因此,為了使生成的曲線曲面具有良好的光順性,通常采用以下的方法:(1)采用合適的曲線曲面生成和表達(dá)方式。(2)適當(dāng)調(diào)整型值點(diǎn)(或控制頂點(diǎn))的空間位置。二、車身曲線的光順對(duì)曲線的光順處理的方法主要有選點(diǎn)修改法和優(yōu)化法等。優(yōu)化法又可以分為整體優(yōu)化法和局部優(yōu)化法。1.選點(diǎn)修改法選點(diǎn)修改法首先要判斷影響曲線光順性的壞點(diǎn)。選點(diǎn)修改法的關(guān)鍵是“壞點(diǎn)”的判別和“壞點(diǎn)”的修改。壞點(diǎn)的判斷可由用戶根據(jù)觀察來決定,這種方法稱為交互方式,也可以根據(jù)一定的光順準(zhǔn)則來判斷,由程序自動(dòng)地來判斷哪些點(diǎn)是壞點(diǎn),這種方式稱為自動(dòng)方式。在處理實(shí)際問題時(shí),自動(dòng)和交互兩種方式相結(jié)合是比較切實(shí)可行的,主要是針對(duì)實(shí)際情況具體問題具體分析。選點(diǎn)修改法一般都包含有初光順、精光順兩個(gè)階段。圓率法是一種選點(diǎn)修改法。圓率法的特點(diǎn)是,不需要插值曲線,可以從離散型值點(diǎn)分布的幾何位置出發(fā)直接判斷型值點(diǎn)序列的光順性,進(jìn)而挑出壞點(diǎn)給以光順修改。圓率法在數(shù)學(xué)處理過程中,不必引進(jìn)坐標(biāo)系。在平面上給出了型值點(diǎn)序列

和兩邊界切向,過相鄰三點(diǎn)

所作圓的相對(duì)曲率

稱為在點(diǎn)

處的圓率。當(dāng)圓弧

走向?yàn)槟鏁r(shí)針時(shí)

取正號(hào),順時(shí)針時(shí)

取負(fù)號(hào)。邊界點(diǎn)

處的圓率則以過兩點(diǎn)P0,P1

和

處的切向

所作的圓來確定。

也是這樣確定。這樣我們便得到對(duì)應(yīng)于型值點(diǎn)序列

的圓率序列

。初光順階段:在符號(hào)序列

中,凡使連續(xù)變號(hào)的點(diǎn)為壞點(diǎn)。初光順的目標(biāo)是要達(dá)到圓率符號(hào)序列無連續(xù)變號(hào)。精光順階段:在圓率差分

的符號(hào)序列

中,凡使連續(xù)變號(hào)的點(diǎn)為壞點(diǎn)。精光順的目標(biāo)是要達(dá)到圓率差分符號(hào)序列無連續(xù)變號(hào)。圓率法采用圓率的二次差變最小作為光順目標(biāo)。2.整體優(yōu)化法(1)能量法和最小二乘法光順都是將曲線曲面的光順問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題進(jìn)行求解。能量法的力學(xué)模型很直觀。由給定一組待光順的型值點(diǎn),插值作一條光順的曲線,型值點(diǎn)被修正為曲線上的點(diǎn),而在

與

兩點(diǎn)之間掛一條彈性系數(shù)為

的小彈簧,如圖5-3所示。因此,包含樣條和小彈簧在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的能量為式中,常數(shù)

為彈性線的剛度,為曲線在弧長

處的曲率。使

達(dá)到極小的曲線

就是用能量法光順后的曲線。(2)最小二乘法只能對(duì)函數(shù)樣條進(jìn)行光順,是一種整體優(yōu)化方法。最小二乘法和能量法的主要區(qū)別是所采用的目標(biāo)函數(shù)不同。能量法采用樣條的應(yīng)變能作為目標(biāo)函數(shù),光順的目標(biāo)是使樣條的應(yīng)變能較小。曲線的應(yīng)變能較小,可以粗略地說成絕對(duì)曲率較小。但曲率較小并不能保證曲率的變化比較均勻。此外,如采用能量法光順,不論原來的曲線是什么形狀,光順后的曲線均趨于直線段變化。這也是能量法的一個(gè)缺點(diǎn)。最小二乘法采用樣條的剪力躍度的平方和作為目標(biāo)函數(shù),光順的目標(biāo)是使樣條的剪力躍度平方和較小。因而可以使樣條的曲率變化比較均勻。3.局部優(yōu)化法通常的能量法和最小二乘法光順都屬于整體優(yōu)化方法。即將曲線的所有控制頂點(diǎn)均作為未知量,通過求解優(yōu)化問題的解來確定。這種方法具有很好的整體光順效果,但計(jì)算量大,計(jì)算速度慢。為減少計(jì)算量,我們自然希望每次光順處理中只將少數(shù)控制頂點(diǎn)(或型值點(diǎn))作為未知量,采用最優(yōu)化的方法對(duì)其進(jìn)行調(diào)整,而其他控制頂點(diǎn)(或型值點(diǎn))則保持不變。這種方法稱為局部優(yōu)化法。三、車身曲面的光順1.車身曲面光順的方法一種方式是,將曲面的光順性轉(zhuǎn)換成網(wǎng)格線的光順性問題進(jìn)行處理,即只要對(duì)曲面上的兩族或三族曲線進(jìn)行了光順處理,就認(rèn)為曲面已經(jīng)光順,這個(gè)過程稱為網(wǎng)格線光順。但對(duì)三族剖面線獨(dú)立地進(jìn)行光順時(shí),必須滿足網(wǎng)格的協(xié)調(diào)條件,即分屬于兩族的每對(duì)曲線在空間必須是相交的,不允許出現(xiàn)間隙。這個(gè)過程稱為三向光順。另一方式則根據(jù)曲面特有的一些量對(duì)曲面進(jìn)行光順處理,而并不僅僅考慮曲面的網(wǎng)格線,如能量法。2.車身曲面的光順性檢查1)基于曲率的實(shí)際應(yīng)用分析方法(1)曲率的顏色映射。所謂的曲率顏色映射,就是把曲面上每一點(diǎn)處的曲率值用顏色和亮度信息直觀地表示出來。(2)繪制等曲率線。由曲面上具有相同曲率(如高斯曲率、平均曲率、絕對(duì)曲率等)的點(diǎn)連成的線稱作等曲率線。繪制曲面的等曲率線也是一種常用的曲面分析方法,這種方法和曲率的顏色映射方法本質(zhì)上是相同的,只是顯示的方式不同而已。兩者都可反映曲面曲率的分布,從中得到有關(guān)曲面光順性的信息。(3)繪制聚焦曲面。通過繪制曲面的聚焦曲面可以反映曲面曲率(或曲率半徑)的變化情況。也可以在曲面上的每一點(diǎn)處,以曲面的法矢為方向、以曲面的某種曲率半徑為長度畫一有向線段來反映曲面曲率(或曲率半徑)的變化情況。兩種方法的實(shí)質(zhì)是完全一樣的。(4)繪制反映截面線曲率變化的直線段。用一組平行的平面去截給定的曲面。在每一條截線上,畫出表示曲率半徑變化趨向的直線段。即在每一點(diǎn)處,以該點(diǎn)的單位法矢為方向、以截線的曲率半徑為長度畫一有向線段。若截線的曲率半徑變化比較均勻,則曲面比較光順。(5)繪制主曲率線。由于計(jì)算機(jī)主曲率線很煩瑣,并且很難根據(jù)主曲率線的形狀做出恰當(dāng)?shù)慕忉?所以至今對(duì)主曲率線的使用很有限。2)基于光照模型的實(shí)際應(yīng)用分析方法(1)繪制真實(shí)感圖形。采用先進(jìn)的真實(shí)感圖形繪制技術(shù)繪制曲面的真實(shí)感圖形,對(duì)曲面的光順性分析有很大幫助。(2)繪制等照度線。由曲面上具有相同照度的點(diǎn)連成的線稱為等照度線。(3)繪制反射線。可以利用一束平行的、等間距的日光燈在曲面上的反射線檢查曲面的光順性。(4)繪制高亮線。高亮線和反射線類似。高亮線具有的性質(zhì):不依賴于視點(diǎn);曲面的不連續(xù)性在高亮線上被擴(kuò)大1階。3)等高線法曲面和一組平行平面的交線稱為曲面的等高線,亦稱輪廓線或等值線。4)基于線性變換的方法(構(gòu)造輔助曲面)基于線性變換的方法是指通過對(duì)原曲面做一定的線性變換,得到另一曲面(稱為輔助曲面)而將原曲面的不規(guī)則性放大,以幫助我們判斷原曲面的光順性。5)各種方法的比較各種方法都有一定的特點(diǎn)?；谇实姆椒梢允刮覀兎奖愕赜^察曲面曲率的分布情況。繪制等高線可以幫助我們了解曲面的形狀、找出峰、谷、最大、最小值點(diǎn),通過等高線的光順性幫助我們判斷曲面的光順性?；诰€性變化的方法可以幫助我們識(shí)別高斯曲率為零的區(qū)域,但對(duì)于其他信息則很難判斷。圖5-4為前風(fēng)窗玻璃表面光順性的反射線檢查圖;圖5-5為前風(fēng)窗玻璃表面光順性的等照度線檢查圖。實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中,對(duì)于車身曲面光順性的評(píng)價(jià),一般可以將反射線的變化情況作為評(píng)價(jià)依據(jù),實(shí)際上這也是對(duì)曲面的曲率變化情況的評(píng)價(jià)。應(yīng)用較多的,還有用任意一組平面與曲面的相交曲線的光順性,及繪制車身曲面等照度線等,作為評(píng)價(jià)曲面光順性的依據(jù)。圖5-6所示是等照度線法評(píng)價(jià)車身曲面的光順性示意圖。圖5-7所示是等照度線法評(píng)測(cè)車身翼子板曲面的光順性示意圖。一、車身CAD數(shù)字模型的分類1.線框模型線框模型是CAD技術(shù)發(fā)展過程中最早應(yīng)用的一種三維模型。2.曲面模型把線框模型中線框包圍的部分定義為面,所形成的模型就是曲面模型。3.實(shí)體模型如果處理完整的三維形體,最終必須實(shí)現(xiàn)實(shí)體模型,才能準(zhǔn)確無誤地反映物體的三維形狀。4.特征模型特征造型技術(shù)是為了在設(shè)計(jì)階段能夠捕捉除了產(chǎn)品幾何拓?fù)湫畔⒁酝獾脑O(shè)計(jì)和制造意圖的高層描述而產(chǎn)生的。5.產(chǎn)品模型產(chǎn)品在生命周期的不同階段,如設(shè)計(jì)、分析、修改、規(guī)劃、制造及裝配等,所涉及到的產(chǎn)品特征和參數(shù)不盡相同,使得信息的自動(dòng)傳遞和交換難以進(jìn)行。6.仿生模型根據(jù)仿生學(xué)原理建立的產(chǎn)品模型,使得產(chǎn)品的模型具有能相互約束、自決策性、分散管理和柔性等特點(diǎn),以減少再設(shè)計(jì)的工作量,目前這種建模方法還處于研究階二、車身CAD的曲面建模1.車身CAD建模的步驟車身CAD建模主要指的是車身曲面建模和車身實(shí)體建模,其一般步驟為:(1)造型的前期準(zhǔn)備,收集同類型造型資料和相關(guān)總布置資料等。(2)二維效果圖,是造型創(chuàng)意的圖面表達(dá),是初步造型方案的評(píng)審依據(jù)。(3)車身CAD三維曲面造型,是造型效果的數(shù)字化體現(xiàn),是進(jìn)一步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和空氣動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ),也是造型方案的確定。(4)實(shí)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在曲面模型的基礎(chǔ)上,可做進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程分析等。(5)實(shí)物模型,采用快速原型技術(shù)或NC加工制作實(shí)物造型模型。2.車身CAD曲面模型車身曲面模型是車身CAD三維曲面造型的結(jié)果,是車身CAD的重要內(nèi)容。在車身曲面建模過程中,造型師的設(shè)計(jì)思想是造型的基礎(chǔ)。以此為基礎(chǔ),得到最終的車身CAD曲面模型。一般情況下,在車身曲面建模過程中,車身曲線曲面的光順都是在造型設(shè)計(jì)師或工程師的指令下,由CAD軟件來完成的。在車身曲面建模過程中,曲線的光順和曲面的光順是密不可分的兩個(gè)部分,它們之間存在著一定的制約和相輔相成的關(guān)系。在車身曲面建模過程中,需要造型設(shè)計(jì)師和工程師通力合作,使得造型設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖能夠在數(shù)字模型上得到充分的體現(xiàn),并且能夠有很好的制造工藝保證。在車身曲面建模過程中,CAD軟件提供了廣泛實(shí)用的應(yīng)用工具。車身曲面建模的一般過程是:(1)根據(jù)汽車造型二維效果圖,生成三維光順曲線。(2)由光順曲線生成汽車造型的基礎(chǔ)曲面。(3)基礎(chǔ)曲面的裁剪與過渡。(4)車身CAD曲面模型的質(zhì)量檢查。在車身CAD曲面建模過程中,曲線曲面的光順處理與光順性檢查是車身CAD曲面建模的關(guān)鍵步驟,其曲面的光順性情況關(guān)系到曲面模型的成敗。車身曲面建模過程中還要考慮的兩個(gè)問題是對(duì)稱模型的處理和過渡曲面的處理。三、車身A級(jí)曲面A級(jí)曲面,即是ClassA曲面。A級(jí)曲面是既滿足幾何光滑要求又滿足審美需求的曲面,專指車身模型中對(duì)曲面質(zhì)量有較高要求或特殊要求的一部分曲面,如外形曲面、儀表板和內(nèi)飾件的表面等。為了達(dá)到A級(jí)曲面的要求,從工業(yè)設(shè)計(jì)及美學(xué)的角度考慮,A級(jí)曲面在多數(shù)情況下需要滿足下面幾點(diǎn)技術(shù)要求:(1)A級(jí)曲面應(yīng)是具有二階幾何連續(xù)性的光順曲面。(2)A級(jí)曲面的特征網(wǎng)格均勻合理分布。(3)A級(jí)曲面的曲率方向應(yīng)盡量指向一致。(4)在拼接線的垂直方向上,兩個(gè)相鄰曲面的階數(shù)應(yīng)一致,避免產(chǎn)生不必要的曲面扭曲變形。車身外部大表面和車身裝飾件一般都要求必須是A級(jí)曲面。實(shí)際上,車身上的零部件也并不是都需要A級(jí)曲面,對(duì)于絕大多數(shù)的車身內(nèi)部鈑金件和非金屬結(jié)構(gòu)件來說,一階連續(xù)就達(dá)到了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的大型三維CAD軟件都提供生成A級(jí)曲面的工具,如CATIA、NX等。圖5-8是車身從曲面測(cè)量、建模、光順到實(shí)時(shí)渲染全過程的示意圖。圖5-9是車身A級(jí)曲面示意圖。四、車身CAD實(shí)體建模在車身A級(jí)曲面凍結(jié)、車身外形曲面建模完成之后,下一步的工作就是進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一般車身鈑金件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),只要充分考慮總成裝配時(shí)的配合關(guān)系,做無厚度的曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就能夠很好地將車身三維結(jié)構(gòu)表示清楚,車身鈑金結(jié)構(gòu)件的二維工程圖也能夠達(dá)到工程要求。如果車身鈑金件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也用實(shí)體結(jié)構(gòu)來建模,無疑這樣能夠更加明晰地表達(dá)結(jié)構(gòu),裝配設(shè)計(jì)中也不必考慮板厚的影響,零件之間的裝配位置關(guān)系直接表明。一般可采用曲面偏置厚度(Thickness)操作得到鈑金件的實(shí)體模型,有時(shí)也可以由曲面鈑金設(shè)計(jì)(SheetMetalDesign)直接得到實(shí)體模型。對(duì)于車身的塑料件等結(jié)構(gòu)件都是采用實(shí)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),建模過程中采用曲面與實(shí)體復(fù)合建模方式。圖5-10車身數(shù)字實(shí)體模型實(shí)體數(shù)字模型可以很直觀地表達(dá)零件的結(jié)構(gòu),并且可以用于裝配分析(AssemblyDesign)與運(yùn)動(dòng)校核(MotionAnalysis)等。五、車身數(shù)字樣機(jī)汽車產(chǎn)品更新?lián)Q代速度越來越快,現(xiàn)有的樣機(jī)制造周期和制造成本已很難適應(yīng)產(chǎn)品開發(fā)的需要,使用計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)技術(shù)的數(shù)字樣機(jī)(DigitalMock-up,簡稱DMU),可仿真實(shí)物樣機(jī)的作用,有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低成本。數(shù)字樣機(jī)技術(shù)是一種新的產(chǎn)品開發(fā)技術(shù),可生成一部虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字樣機(jī),其具有物理真實(shí)樣機(jī)的很多特征,可在一定程度上取代物理真實(shí)模型。一般的DMU模塊都帶有優(yōu)化工具條(Optimizer)、檢查工具條(Check)和環(huán)境設(shè)定(CustomizingSetting)等,相應(yīng)地可完成DMU模型的數(shù)字再現(xiàn)、檢查和評(píng)估等功能。1.DMU的作用首先是提供各類、各種檔次的可視化功能,用不同方式對(duì)電子樣車的全部部位進(jìn)行審視、評(píng)估、漫游和模擬真實(shí)的視覺效果。其次是提供各類對(duì)車型或部件間進(jìn)行功能性分析的手段,包括機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、干涉分析、拆裝分析、空間分析和管理等。三是應(yīng)用相關(guān)性設(shè)計(jì),按照自上而下的設(shè)計(jì)方式,實(shí)現(xiàn)總成之間、零部件之間、一個(gè)模型文件中的多個(gè)幾何實(shí)體之間、曲面模型和實(shí)體模型中間、特征之間等多種層次的各種相關(guān)關(guān)系。2.DMU靜態(tài)干涉檢查根據(jù)項(xiàng)目周期情況,可以分為設(shè)計(jì)過程中的干涉檢查、后期的驗(yàn)證干涉檢查和設(shè)計(jì)變更后干涉檢查。從整車角度分析,可以分為系統(tǒng)內(nèi)部零件的干涉檢查,系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的干涉檢查。一般整車可以分為七大系統(tǒng),如車身、底盤、動(dòng)力總成、內(nèi)飾、外飾、開閉件以及線束等,也可以根據(jù)企業(yè)的設(shè)計(jì)情況來進(jìn)行分類。對(duì)于零件更新后,零部件的干涉檢查又分為單個(gè)零件與系統(tǒng)之間的干涉檢查和一組零件與周圍零件的干涉檢查。干涉檢查后要出檢查報(bào)告,報(bào)告中包括:干涉件所屬位置、涉及干涉的零部件名稱、干涉量的大小、干涉過濾和干涉解決狀態(tài)。3.DMU運(yùn)動(dòng)分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析是在虛擬的環(huán)境中模擬產(chǎn)品實(shí)際的運(yùn)動(dòng)狀況,在動(dòng)態(tài)過程檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是否符合概念設(shè)計(jì)階段對(duì)機(jī)構(gòu)所做的定義。在DMU環(huán)境下進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析時(shí),首先根據(jù)機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài),運(yùn)用相應(yīng)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副來創(chuàng)建兩個(gè)零部件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系,然后創(chuàng)建機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的參照物和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)源。在定義完機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)所必需的條件之后,就可以對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真和分析了。4.可拆裝性分析產(chǎn)品拆裝分析是對(duì)產(chǎn)品拆裝過程的演示,和在拆裝過程中動(dòng)態(tài)地檢查產(chǎn)品同周圍零部件之間的關(guān)系,包括產(chǎn)品拆裝路徑的定義和優(yōu)化,拆裝過程中的動(dòng)態(tài)干涉檢查和工具空間校核等。在進(jìn)行產(chǎn)品拆裝分析時(shí),首先要規(guī)劃產(chǎn)品拆裝方案,對(duì)產(chǎn)品的拆卸要有清晰的思路,然后需要定義產(chǎn)品拆裝路徑,最后通過定義拆裝路徑的序列,對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的拆裝過程進(jìn)行模擬和分析。為了檢查產(chǎn)品在拆裝過程中是否符合產(chǎn)品預(yù)定的拆裝方案,是否為工具留下足夠的空間,以及拆裝過程中是否會(huì)同周圍產(chǎn)品存在著一定的干涉問題等,根據(jù)各個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際需求,應(yīng)進(jìn)行如下的內(nèi)容檢查和校核:(1)首先進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢查。動(dòng)態(tài)干涉檢查就是校核物體在拆裝過程中是否同周圍的零部件存在著數(shù)據(jù)上的干涉情況。(2)其次是進(jìn)行工具空間檢查。工具干涉檢查是產(chǎn)品拆裝分析的一項(xiàng)重要內(nèi)容,通過檢查工具空間來檢查產(chǎn)品拆裝的方便性和可行性。一、逆向工程的概念1.正向工程傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)均是按著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯块_發(fā)流程,從確定功能與規(guī)格的預(yù)期指標(biāo)開始,構(gòu)思產(chǎn)品的零件,然后進(jìn)行各個(gè)零件的設(shè)計(jì)、制造以及檢驗(yàn),再經(jīng)過組裝、整機(jī)檢驗(yàn)、性能測(cè)試等程序來完成。此類傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā),通常是從概念設(shè)計(jì)到圖樣,再制造檢驗(yàn)產(chǎn)品,通常稱為正向工程(ForwardEngineering)。對(duì)每一個(gè)零件來說,其正向工程的流程如圖5-11所示。2.逆向工程逆向工程(ReverseEngineering)也稱為反求工程、反向工程等。逆向工程起源于精密測(cè)量和質(zhì)量檢驗(yàn),它是設(shè)計(jì)下游向設(shè)計(jì)上游反饋信息的回路廣義的逆向工程包括形狀(幾何)逆向、工藝逆向和材料逆向等諸多方面,是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。通常所說的逆向工程即指對(duì)幾何形狀的逆向,稱為實(shí)物逆向工程,是將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱。這種從實(shí)物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)字模型并制造得到新產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù),已經(jīng)成為CAD/CAM系統(tǒng)中的一個(gè)研究及應(yīng)用熱點(diǎn),并發(fā)展成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的領(lǐng)域。圖5-12所示為逆向工程流程圖。逆向工程是隨著計(jì)算機(jī)CAD/CAM技術(shù)與測(cè)量技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)和發(fā)展起來的。20世紀(jì)90年代,逆向工程技術(shù)受到了各國工業(yè)和學(xué)術(shù)界的高度重視,成為CAD/CAM領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前逆向工程已發(fā)展成為CAD/CAM系統(tǒng)中的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的研究分支,其相關(guān)領(lǐng)域包括幾何測(cè)量、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、幾何造型和數(shù)字化制造等。計(jì)算機(jī)的高度集成以及先進(jìn)的測(cè)量技術(shù),使得逆向工程中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、曲面造型及實(shí)物造型成為可能。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,逆向工程技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的結(jié)合日趨緊密,如20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的快速原型技術(shù)、基于網(wǎng)絡(luò)的異地設(shè)計(jì)及制造技術(shù)等,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造階段都需要逆向工程技術(shù)的支持。同時(shí),逆向工程技術(shù)也和計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)、輔助設(shè)計(jì)、輔助制造以及計(jì)算機(jī)輔助工程分析密切相關(guān)。逆向工程成功應(yīng)用的關(guān)鍵不僅在于一個(gè)計(jì)算機(jī)輔助子模塊能較好地獨(dú)立完成各項(xiàng)工作,很大程度上還取決于各個(gè)子模塊的計(jì)算機(jī)集成程度?？梢哉f,逆向工程是CAT/CAD/CAM/CAE等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)集成應(yīng)用的一個(gè)典型例子,也是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)研究的一個(gè)分支。產(chǎn)品的數(shù)字化和三維模型重建是逆向工程的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),有關(guān)逆向工程建模方法的研究主要也集中在這兩個(gè)方面。得到CAD模型后,其下游過程主要是利用成熟的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的強(qiáng)大功能,組成一個(gè)完整的檢測(cè)、設(shè)計(jì)、分析和制造系統(tǒng),這也體現(xiàn)了集成的逆向工程系統(tǒng)。如果將CAD/CAM先進(jìn)制造技術(shù)看作正向技術(shù),則逆向工程技術(shù)與它的區(qū)別有兩點(diǎn):一是實(shí)物外形的數(shù)字化;二是基于離散測(cè)量數(shù)據(jù)的三維模型重建。幾何模型建立后,其下游的過程基本與正向技術(shù)相同。圖5-13所示是逆向工程與計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品開發(fā)過程。簡單地,只要將實(shí)物數(shù)字化、模型重建與現(xiàn)有的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)相連接,即可構(gòu)成集成逆向工程系統(tǒng)。從功能和應(yīng)用的目標(biāo)考慮,一個(gè)完整的集成逆向工程系統(tǒng)應(yīng)該具有以下特點(diǎn)和要求：(1)逆向工程與CAD/CAE/CAM系統(tǒng)采取一種柔性集成的方案,支持不同應(yīng)用的要求。(2)實(shí)物的數(shù)字化(包括模型檢測(cè))應(yīng)在技術(shù)指導(dǎo)下完成。(3)系統(tǒng)具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型。(4)支持異地過程。二、車身逆向工程系統(tǒng)逆向工程系統(tǒng)主要由三部分(或三個(gè)子系統(tǒng))組成:產(chǎn)品實(shí)物幾何形狀的數(shù)字化及數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、模型重建子系統(tǒng)、產(chǎn)品或模具制造子系統(tǒng)。圖5-14所示是集成逆向工程系統(tǒng)框架。數(shù)字化及數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的任務(wù)是規(guī)劃、測(cè)量和數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換。模型重建子系統(tǒng)主要包括模型重建、模型分析、模型評(píng)價(jià)等模塊,其功能包括從測(cè)量點(diǎn)云重建曲面模型、實(shí)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和重建模型評(píng)價(jià)等。產(chǎn)品或模具制造子系統(tǒng)主要是加工制造設(shè)備,包括各種機(jī)床和快速成型機(jī)等。組成逆向工程系統(tǒng)的設(shè)備和軟件主要包括:(1)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。是進(jìn)行實(shí)物數(shù)字化的關(guān)鍵設(shè)備。(2)數(shù)據(jù)處理軟件。由坐標(biāo)測(cè)量機(jī)得到的外形點(diǎn)云數(shù)據(jù)在進(jìn)行CAD模型重構(gòu)之前,必須進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、噪聲點(diǎn)濾除、數(shù)據(jù)精簡、多視測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)齊、點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)定位和對(duì)稱基準(zhǔn)重建等處理。(3)模型重構(gòu)軟件。如Imageware、ICEMSurf、Pro/ENGINEER、CATIA、NX等軟件,還有產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件,以及支撐軟件的硬件平臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)和工作站等。(4)CAE軟件。用于計(jì)算機(jī)輔助工程分析,包括機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、結(jié)構(gòu)仿真、流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分析等,目前流行的分析軟件有Ansys、MSCNastran、ADAMS、Moldflow等。(5)快速成型機(jī)。產(chǎn)生模型樣件,按制造工藝原理分為立體光刻、分層實(shí)體制造、選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積造型、三維噴涂粘結(jié)、焊接成型和數(shù)字累積成型等方法。(6)NC加工設(shè)備。用于零件原型和模具的制作。(7)產(chǎn)品制造設(shè)備。包括各種注塑成型機(jī)、扎出機(jī)、鈑金成型機(jī)等。三、車身逆向工程流程車身逆向工程的一般步驟為:(1)前期準(zhǔn)備。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行剖析,確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要特征、合理的建模順序和設(shè)計(jì)的整體思路。(2)數(shù)據(jù)獲取。即應(yīng)用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)車身、車身零件或模型進(jìn)行測(cè)量。在車身逆向工程中,多采用非接觸式的光學(xué)坐標(biāo)測(cè)量機(jī),測(cè)得被測(cè)件的點(diǎn)云數(shù)據(jù),并存儲(chǔ)為標(biāo)準(zhǔn)的文件格式*.asc或*.stl等。(3)數(shù)據(jù)處理。包括噪聲點(diǎn)的剔除、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的車身坐標(biāo)定位等。(4)曲面模型重構(gòu)。這個(gè)過程一般分為點(diǎn)云的分塊、基礎(chǔ)曲面的構(gòu)建、過渡曲面的構(gòu)建、曲面質(zhì)量分析、表面模型的完善等。(5)實(shí)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(6)零件實(shí)物模型的制作。曲面模型的重構(gòu)是車身逆向工程中的關(guān)鍵步驟。車身逆向工程中構(gòu)建A級(jí)曲面的方法與步驟為:(1)先用階數(shù)較小的曲面進(jìn)行擬合,一般是4×4階曲面,這樣就能較容易地調(diào)整出一個(gè)較為近似的曲面。曲面擬合時(shí)可以給定一定的邊界約束條件。(2)若4×4階曲面不能很好地?cái)M合點(diǎn)云數(shù)據(jù),則采用提高曲面階數(shù)的方法來提高曲面的擬合精度。(3)精細(xì)調(diào)整曲面時(shí),應(yīng)該將曲面上所有的橫向、縱向網(wǎng)格線投影到不同平面上,調(diào)整均勻合理分布,以生成高質(zhì)量的曲面。(4)單個(gè)曲面生成后,對(duì)相鄰曲面進(jìn)行匹配處理,以生成曲率連續(xù)的曲面組。(5)采用各種曲面質(zhì)量檢查工具判斷曲面的生成質(zhì)量,以便做出相應(yīng)的修改來滿足技術(shù)要求。(6)對(duì)曲面進(jìn)行修剪處理,以生成給定大小與范圍的曲面形狀與邊界。目前利用車身逆向工程技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要有兩種方式:一種是由造型師設(shè)計(jì)制作的產(chǎn)品油泥模型,經(jīng)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)將模型數(shù)字化,得到測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù),再建立CAD模型;另一種是針對(duì)已有的產(chǎn)品實(shí)物零件(通常是國內(nèi)外一些最新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品),這種產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)方法也就是我們通常所說的仿制。在產(chǎn)品的逆向工程技術(shù)中,經(jīng)過數(shù)字化測(cè)量和模型重構(gòu),獲得了產(chǎn)品的數(shù)字化模型,這個(gè)數(shù)字化模型和CAD技術(shù)為產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)和一個(gè)支持平臺(tái)。四、快速原型技術(shù)在車身CAD中,快速原型技術(shù)主要用于對(duì)車身及其零件的造型效果的真實(shí)評(píng)價(jià)。1.快速原型技術(shù)的概念快速原型(RapidPrototyping,簡稱RP)技術(shù)是一種集機(jī)械、電子、光學(xué)、材料等多學(xué)科為一體的新型綜合制