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汽車設(shè)計(jì)制造論文|CMM與CAM一體化技術(shù)在汽車車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
本文比較了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)，介紹了CMM和CAM一體機(jī)并給出了其應(yīng)用流程舉例。
汽車產(chǎn)業(yè)是我國(guó)重點(diǎn)支柱產(chǎn)業(yè)，但目前國(guó)內(nèi)各汽車生產(chǎn)廠的車身造型設(shè)計(jì)基本還停留在傳統(tǒng)手工制作上，不僅制作精度低，耗費(fèi)大量的人力和工時(shí)，也制約了汽車工業(yè)自主開發(fā)的進(jìn)程，所以在汽車設(shè)計(jì)模型制作過(guò)程中將三維數(shù)學(xué)主模型直接編程加工并通過(guò)數(shù)字照相式測(cè)量在線檢測(cè)分析和逆向工程再造，快速而準(zhǔn)確全面地重構(gòu)三維數(shù)學(xué)主模型，使測(cè)量檢測(cè)和切削加工一體化，能有效縮短整車模型制作周期、提高制作精度，縮短車身設(shè)計(jì)與制造的開發(fā)周期，提高我國(guó)汽車企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，從而促進(jìn)和帶動(dòng)我國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展。
各種車身實(shí)物模型作為車身造型的直接體現(xiàn)和車身工程數(shù)據(jù)的重要載體，在汽車設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中,特別是在車身設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中起著舉足輕重的作用。而車身造型設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的階段是全尺寸模型的制作，它將汽車的理論設(shè)計(jì)與實(shí)物造型相結(jié)合，直觀反映設(shè)計(jì)理念。
汽車車身由一系列復(fù)雜的空間曲面構(gòu)成，它既是一種工藝品，又是一種運(yùn)載空間。我國(guó)汽車企業(yè)大多數(shù)采用傳統(tǒng)的車身設(shè)計(jì)方法，開發(fā)周期長(zhǎng)、制造精度低，而將CMM（三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)）技術(shù)與CAD/CAM技術(shù)相結(jié)合，能使現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法如虎添翼，促進(jìn)著汽車工業(yè)的快速發(fā)展。目前此技術(shù)在國(guó)外同類企業(yè)中早已經(jīng)成功地得到運(yùn)用，極大地提高了新車車身開發(fā)的效率，而此技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用還處在起步階段，為此我們應(yīng)該盡快將CMM/CAM一體化技術(shù)實(shí)際運(yùn)用在汽車車身設(shè)計(jì)開發(fā)中，加快我國(guó)汽車工業(yè)自主開發(fā)的步伐。
傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法
傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法由初步設(shè)計(jì)和技術(shù)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段組成，其特點(diǎn)是通過(guò)實(shí)物和圖紙來(lái)傳遞信息，至少包括1:5的油泥模型、全尺寸油泥模型以及實(shí)車三次風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等相關(guān)步驟。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要存在下述缺點(diǎn)：
周期長(zhǎng)
在車身整個(gè)開發(fā)和生產(chǎn)準(zhǔn)備的周期，在國(guó)內(nèi)一般需要3~5年的時(shí)間，而制作1:1的油泥模型并取樣繪制主圖板還將要耗費(fèi)大量時(shí)間、人力和物力，而且初始設(shè)計(jì)的可信度相當(dāng)?shù)停瑸榱水a(chǎn)品定型只能依靠樣車試制和實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證，逐步修改設(shè)計(jì)，這一般都需要3次以上，所以周期相當(dāng)長(zhǎng)。
現(xiàn)代汽車的競(jìng)爭(zhēng)是速度的競(jìng)爭(zhēng)，包括造型的不斷更新，如果能縮短汽車更新?lián)Q代的周期，就能使汽車公司在競(jìng)爭(zhēng)中處于有利地位，而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法周期長(zhǎng)、效率低，必然無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代汽車激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。
累積誤差較大
首先，雕刻油泥模型主要依靠人眼來(lái)判斷形狀和連接的光順性，但汽車造型的圓弧面是很難通過(guò)人眼判斷其是否光滑，而目前汽車造型又以圓弧化為時(shí)尚，圓弧面及小角落很難雕刻，這樣就會(huì)產(chǎn)生初始的油泥模型誤差，而采用三坐標(biāo)機(jī)進(jìn)行測(cè)量也多采用接觸式測(cè)頭，采集測(cè)點(diǎn)數(shù)目有限，會(huì)丟失一些關(guān)鍵點(diǎn)，所以不能真實(shí)反映一些曲面的特征，造成測(cè)量誤差。
現(xiàn)代化的車身設(shè)計(jì)方法
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高速數(shù)字式計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，特別是高速圖形處理終端及工作站的出現(xiàn)，使計(jì)算機(jī)幾何圖形處理成為現(xiàn)實(shí)。從1970年代計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)CAX逐步廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域開始，三維CAD系統(tǒng)的出現(xiàn)標(biāo)志著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)從單純的模仿工程圖紙的三視圖模式中解放出來(lái)，它實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)品零件主要信息的描述，同時(shí)也促進(jìn)了CAE、CAM技術(shù)的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)。CAD的曲面造型功能，使復(fù)雜曲面的計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立成為現(xiàn)實(shí)，車身設(shè)計(jì)開發(fā)手段有了質(zhì)的飛躍。CAD、CAM的集成廢除了過(guò)去車身設(shè)計(jì)過(guò)程中長(zhǎng)期沿用的“三主”方式，主圖板、主樣板不再存在，保留下來(lái)的主模型也不同于以前。在三維工程設(shè)計(jì)軟件中，最著名的包括，美國(guó)的UGS公司的UGⅡ，美國(guó)PTC公司的PRO/E，法國(guó)達(dá)索公司的CATIA等，這些三維工程設(shè)計(jì)軟件廣泛應(yīng)用于世界各大汽車公司，為各公司提高設(shè)計(jì)制造的質(zhì)量、縮短開發(fā)周期、增強(qiáng)產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
車身三維數(shù)學(xué)主模型與CAE
車身造型的三維模型數(shù)據(jù)在CAE系統(tǒng)中重構(gòu)車身三維模型，可以用于包括車身剛度強(qiáng)度的有限元分析、汽車碰撞模擬實(shí)驗(yàn)、空氣動(dòng)力學(xué)性能分析及車身表面光順性分析等。
車身三維模型與1：1樣車模型的加工
由于小比例油泥模型與真實(shí)大小的車在外形比例、細(xì)節(jié)等方面還存在一些偏差，以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)表現(xiàn)物體能力的限制，因此在新車型開發(fā)過(guò)程中，必須制作1：1的實(shí)車比例模型，以最終確定各部位的線條，并檢驗(yàn)整車外觀的視覺(jué)效果。
目前1：1車身模型的快速加工方法一般采用數(shù)控加工（NCM）方法，其基本原理是在CAM模塊或系統(tǒng)中處理三維CAD數(shù)學(xué)模型，通過(guò)CAM選擇加工刀具，確定加工軌跡等前處理工作。CAM模塊（系統(tǒng)）自動(dòng)生成數(shù)控加工的程序代碼直接傳輸?shù)綌?shù)控加工設(shè)備，進(jìn)行三維實(shí)體模型的加工。該方法運(yùn)用比較成熟，精度高，是目前國(guó)外汽車制造廠家廣泛使用的加工方法，但這種大型的數(shù)控加工設(shè)備成本相當(dāng)昂貴，在我國(guó)一般汽車企業(yè)很難得到推廣應(yīng)用。
車身三維數(shù)學(xué)主模型與車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
車身的三維數(shù)學(xué)主模型將給車身結(jié)構(gòu)工程師的設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的方便，結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)三維數(shù)學(xué)主模型能夠進(jìn)行更加合理、更加準(zhǔn)確、更加有效的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。車身三維造型數(shù)據(jù)還可以直接傳送給模具CAD/CAM系統(tǒng)，這將提高車身覆蓋件模具制造的品質(zhì)，縮短設(shè)計(jì)和制造的周期。
CMM/CAM一體化切削測(cè)量機(jī)
隨著以電子計(jì)算機(jī)技術(shù)為代表的現(xiàn)代科技的發(fā)展和應(yīng)用，車身設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)有了革命性的變化，這給我國(guó)汽車工業(yè)帶來(lái)了壓力，也帶來(lái)了機(jī)遇，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)也融進(jìn)或取代了不少傳統(tǒng)技術(shù)，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面國(guó)內(nèi)比較容易追趕發(fā)達(dá)國(guó)家。中測(cè)量?jī)x在充分了解現(xiàn)代車身設(shè)計(jì)方法的變遷，以及準(zhǔn)確的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)定位的前提下，在國(guó)內(nèi)首創(chuàng)研制了CMM/CAM一體化切削測(cè)量機(jī)，其特點(diǎn)和應(yīng)用舉例如下：
功能全，針對(duì)性強(qiáng)
中測(cè)量?jī)xCMM/CAM一體化切削測(cè)量機(jī)在其懸臂式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基礎(chǔ)上，在增加主機(jī)剛性結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增強(qiáng)了CAM數(shù)控加工功能，保留了原來(lái)接觸式測(cè)頭測(cè)量功能，并增加了數(shù)字照相測(cè)量功能。其數(shù)字照相功能是專門為車身設(shè)計(jì)中快速而準(zhǔn)確地構(gòu)造三維數(shù)學(xué)主模型而增加的功能，解決了接觸式測(cè)量采點(diǎn)速度慢、對(duì)某些特征點(diǎn)及圓弧過(guò)渡處無(wú)法測(cè)量的缺陷。數(shù)字照相式測(cè)量可以一次掃描一個(gè)完整的面（包括曲面及曲面之間的連接線），因而能快速準(zhǔn)確地采集油泥模型表面的數(shù)據(jù)，同時(shí)由于是非接觸式并且不遺漏物體特征的測(cè)量方法，因此可以減小累積誤差。工程師可以將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后，作為原始數(shù)據(jù)，傳送到三維模型造型軟件，快速而準(zhǔn)確地生成車身的三維數(shù)學(xué)主模型。
同時(shí)，中測(cè)量?jī)xCMM/CAM一體化切削測(cè)量機(jī)功能完備的手持式控制盒，既方便CAM系統(tǒng)的對(duì)刀，又方便照相式測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量。其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)獨(dú)特的切削頭，擴(kuò)充了數(shù)控切削加工的功能，保證了在整車模型加工的過(guò)程中，不存在加工死區(qū)；獨(dú)特的剛性機(jī)體設(shè)計(jì)，能滿足高速高精度的切削加工，快速高效地完成1：1車身模型的加工。
良好的集成性
中測(cè)量?jī)xCMM/CAM一體化切削測(cè)量機(jī)良好地集成了測(cè)量功能和切削加工功能，可以在測(cè)量功能和加工功能之間快速切換，快速地用測(cè)量的數(shù)據(jù)指導(dǎo)加工，或?qū)⒓庸ね瓿傻哪Ｐ屯ㄟ^(guò)測(cè)量將數(shù)據(jù)快速反饋到三維造型系統(tǒng)，這可以減少三維數(shù)學(xué)主模型的確定時(shí)間，從而縮短車身設(shè)計(jì)的開發(fā)周期。
流程應(yīng)用舉例
1、概念草圖設(shè)計(jì)
由汽車造型師概念設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算機(jī)三維模擬表達(dá)出設(shè)計(jì)意圖，由此產(chǎn)生的三維3D模型，是設(shè)計(jì)驗(yàn)證、修改、樣車模型制造的基礎(chǔ)。
2、加工程序編制，生成NC代碼
對(duì)加工位置和加工余量進(jìn)行分析，編制加工程序和生成刀具路徑，并對(duì)各刀具路徑進(jìn)行防碰撞、過(guò)切檢查和模擬加工，驗(yàn)證路徑的正確性，通過(guò)后處理生成適合于本機(jī)讀取的NC代碼，并對(duì)照處理過(guò)后的NC程序走刀點(diǎn)確定是否與設(shè)計(jì)的刀具路徑點(diǎn)相同。
3 、系統(tǒng)初始化
數(shù)控系統(tǒng)初始化，確認(rèn)各系統(tǒng)工作正常，在Windows界面下把系統(tǒng)切換到切削狀態(tài)（系統(tǒng)有測(cè)量和切削兩種狀態(tài)），機(jī)器開始回原點(diǎn)，待機(jī)。
4、加工原點(diǎn)確認(rèn)
把刀頭轉(zhuǎn)到程序相應(yīng)狀態(tài)后，利用手控脈沖輪對(duì)刀，找加工原點(diǎn)，對(duì)刀塊為接觸觸發(fā)式，接觸后即將當(dāng)前軸位置狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)出，并在數(shù)控系統(tǒng)里存儲(chǔ)相應(yīng)的加工原點(diǎn)數(shù)據(jù)。
5、加工程序傳輸
計(jì)算機(jī)通過(guò)串行口與數(shù)控系統(tǒng)連接傳輸NC加工代碼，數(shù)控系統(tǒng)緩存代碼。
6、執(zhí)行加工
在執(zhí)行加工前，先空快速運(yùn)行NC程序，驗(yàn)證NC程序的正確性，看系統(tǒng)是否有報(bào)警發(fā)生，而后執(zhí)行加工。
7、數(shù)據(jù)采集
非接觸式測(cè)量系統(tǒng)為光學(xué)成相，稱為工業(yè)采數(shù)相機(jī)，擁有效率高、像素高、采數(shù)面積大、帶關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)、能在同一坐標(biāo)系下多角度拍攝等優(yōu)點(diǎn)；單點(diǎn)觸發(fā)方式采集數(shù)據(jù)，精度較高但效率低，因此中測(cè)量?jī)xCMM/CAM一體化切削測(cè)量機(jī)將接觸與非接觸測(cè)量配合使用。利用非接觸式采集大部分點(diǎn)數(shù)據(jù)， 用接觸式采集實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊點(diǎn)的輔助采集，可方便地完成采點(diǎn)過(guò)程，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)稍微處理后可以輸出IGES、ASC格式，方便其他軟件的讀取。
8、模型反求
在對(duì)油泥模型進(jìn)行修改后，再通過(guò)如Imageware、Geomagic、CATIA、UG等諸多的逆向造型軟件讀取采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以求得曲面，如此反復(fù)，直到設(shè)計(jì)者滿意為止。
結(jié)束語(yǔ)
我國(guó)新的汽車工業(yè)規(guī)劃綱明確提出要以車身開發(fā)為突破口，形成我國(guó)轎車自主開發(fā)能力，而轎車車身占整車總成本的比例約為1/3，甚至接近1/2，而且它又是汽車商品性的重要標(biāo)志，轎車車身更新頻度高、技術(shù)進(jìn)步快，因此車身開發(fā)能力是轎車自主開發(fā)的突破口。
中測(cè)量?jī)xCMM/CAM一體化切削測(cè)量機(jī)，是國(guó)內(nèi)首款將測(cè)量與切削加工功能集成在一起的設(shè)備，其功能已基本接近或達(dá)到國(guó)外同類型設(shè)備的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，但在成本價(jià)格上占有明顯的優(yōu)勢(shì)，適合在國(guó)內(nèi)各大、中、小汽車企業(yè)推廣使用。
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