CMM与CAM一体化技术在汽车整车模型制作中的应用(正文)GGG

CMM/CAM一体化技术在汽车车身设计中的应用徐海卫、李卫春、江舟、吴培松（中国测试技术研究院测量仪器研究所）摘要：汽车产业是我国重点支柱产业。各种车身实物模型作为车身造型的直接体现和车身工程数据的重要载体,在汽车设计开发过程中,特别是车身设计与制造过程中起着举足轻重的作用。而车身造型设计中最关键的阶段是全尺寸模型的制作，它将汽车的理论设计与实物造型相结合，直观反映设计理念，因而越来越受到各汽车厂家的重视和关注。目前国内各汽车生产厂基本还停留在传统手工制作上，不仅制作精度低，耗费大量的人力和工时，也制约了汽车工业自主开发的进程。所以，在汽车设计模型制作过程中将三维数学主模型直接编程加工并通过数字照相式测量在线检测分析和逆向工程再造，快速而准确全面的重构三维数学主模型,即将CMM技术与CAM技术在线统一，使测量检测和切削加工一体化，能有效缩短整车模型制作周期和提高制作精度，缩短车身设计与制造的开发周期,提高我国汽车企业的市场竞争力,从而促进和带动我国汽车工业的快速发展。本文将对汽车车身设计的传统和现代方法流程进行介绍和比较。关键词：CMM/CAM一体化在线检测车模加工各种车身实物模型作为车身造型的直接体现和车身工程数据的重要载体,在汽车设计开发过程中,特别是车身设计与制造过程中起着举足轻重的作用.而车身造型设计中最关键的阶段是全尺寸模型的制作，它将汽车的理论设计与实物造型相结合，直观反映设计理念。汽车车身由一系列复杂的空间曲面构成,它既是一种工艺品,又是一种运载空间.我国汽车企业大多数采用传统的车身设计方法，开发周期长，制造精度低。随着CAD/CAM技术的应用发展，传统设计方法受到挑战并改进为现代设计方法，使设计开发效率得到大大提高。而将CMM（三坐标测量机）技术与CAD/CAM技术相结合，更是对此现代设计方法的如虎添翼，促进着汽车工业的快速发展。目前此技术在国外同类企业中已经成功地得到运用，极大提高了新车车身开发的效率。而我国在此技术的应用上还处在起步阶段，为此尽快将CMM/CAM一体化技术运用在汽车车身开发中，加快我国汽车工业自主开发的步伐，对我国汽车工业的发展是势在必行的。1.传统的设计方法传统的设计方法由初步设计和技术设计两个阶段组成.其特点是通过实物和图纸来传递信息,至少有1:5的油泥模型,全尺寸油泥模型,及实车三次风洞实验.传统的设计方法存在下述缺点:1.1周期长在车身整个开发和生产准备的周期,在国内一般需要3~5年的时间,而制作1:1的油泥模型并取样绘制主图板将要耗费大量时间、人力和物力，而且初始设计的可信度相当低，为了产品定型只能依靠样车试制和实验分析验证，逐步修改设计，一般都需要3次以上，所以周期相当长。现代汽车的竞争也包括其造型的多变性，如果能缩短汽车更新换代的周期，就能给汽车公司在竞争中带来有利条件，而传统的设计方法周期长、效率低，必然使其在竞争中处于不利地位。1.2累积误差较大首先，雕刻油泥模型主要依靠人眼来判断形状和连接的光顺性，特别是那些圆弧面，很难通过人眼判断其是否光滑，而目前汽车造型又以圆弧化为时尚，圆弧面及小角落很难雕刻，这样就会产生初始的油泥模型误差。而采用三坐标机进行测量是也多采用接触式测头，采集测点数目有限，会丢失一些关键点，所以不能真实反映一些曲面的特征，造成测量误差图1-传统设计方法开发流程2.车身现代设计方法随着计算机技术的发展，高速数字式计算机的出现，特别是高速图形处理终端及工作站的出现，使计算机几何图形处理成为现实。从70年代计算机辅助技术CAX逐步广泛应用于工业设计制造领域，三维CAD系统的出现标志着计算机辅助设计技术从单纯的模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，实现了计算机对产品零件主要信息的描述，同时也促进了CAE、CAM技术的发展和实现。CAD的曲面造型功能，是复杂曲面的计算机数学模型的建立成为现实，车身设计开发手段比旧的模式有了质的飞跃。CAD、CAM的集成废除了过去车身设计过程中长期沿用的“三主”方式，即主图板、主样板不再存在，保留下来的主模型也不同于以前。三维工程设计软件最著名的有美国的UGS公司的UGⅡ，美国PTC公司的PRO/E，法国达索公司的CATIA等。这些三维工程设计软件广泛应用于世界各大汽车公司。为个公司提高设计制造的质量，缩短开发周期，增强产品市场竞争力发挥了关键作用，基于CAD/CAM车身开发流程如下图2所示：2.1.车身三维数学主模型与CAE车身造型的三维模型数据将在CAE系统中重构车身三维模型，用于包括车身刚度强度的有限元分析，汽车碰撞模拟实验，空气动力学性能分析及车身表面光顺性分析等。2.2.车身三维模型与1：1样车模型的加工由于小比例油泥模型与真实大小的车在外形比例、细节等方面还存在一些偏差，以及计算机系统表现物体能力的限制，因此在新车型开发过程中，必须制作1：1的实车比例模型，用以最终确定个部位的线条，并检验整车外观的视觉效果。目前1：1车身模型的快速加工方法一般采用数控加工（NCM）方法，其基本原理是在CAM模块或系统中处理三维CAD数学模型，通过CAM人员选择加工刀具，确定加工轨迹等前处理工作。CAM模块或系统自动生成数绘制1:5车身布置图雕塑1:5的油泥模型风洞实验修改外形绘制1:1的图板雕塑1:1的油泥模型风洞实验外形\技术设计制作1:1内部模型及内饰三坐标测量机获取数据绘制车身主图板绘制车身内外覆盖件图制作车身主模型取样板加工模具加工车身样车风洞实验控加工的程序代码，这些代码直接传输到数控加工设备，进行三维实体模型的加工。该方法运用比较成熟，精度高，是目前国外汽车制造厂家广泛使用的加工方法，但这种大型的数控加工设备成本相当昂贵，在我国一般汽车企业很难得到推广应用。图2-现代设计方法开发流程2.3.车身三维数学主模型与车身结构设计车身的三维数学主模型将给车身结构工程师的设计带来极大的方便，结构工程师根据三维数学主模型能够进行更加合理、更加准确、更加有效的车身结构设计。2.4.车身三维数学模型与模具CAD/CAM将车身三维造型数据直接传送给模具CAD/CAM系统，势必将提高车身覆盖件模具制造的品质，缩短设计和制造的周期。随着车身开发流程中其他阶段水平的提高和速度的加快，1：1油泥模型的制作以及三维数学模型的反复重构越来越影响车身整体开发速度，为解决这个问题，一方面需要高水平的三维造型软件，另一方面，由于1：1的车身模型又不可缺少，所以高效率、高精度、低成本的加工设备不可缺少。3.CMM/CAM一体化切削测量机由上所述，汽车车身的设计已经从传统完全手工的设计方法逐渐转向CAD/CAM阶段的现代设计方法。中测量仪在顺应这样一种车身设计方法变迁的潮流下，并且在准确了解现代车身设计方法以及准确市场定位的前提下，国内首创的研制了CMM/CAM一体化切削测量机，其特点和应用举例如下：3.1.特点：3.1.1功能全，针对性强中测量仪CMM/CAM一体化切削测量机，是在其悬臂式三坐标测量机的基础上，增加主机刚性结构和增强CAM数控加工功能。保留了原来接触式测头测量功能，并增加了数字照相测量功能。数字照相功能是专门为车身设计中快速而准确的构造三维数学主模型而增加的功能，其解决了接触式测量采点速度慢，对某些特征点及圆弧过渡处无法测量的缺陷，数字照相式测量一次扫描一个完整的面（包括曲面及曲面之间的连接线），因而其能快速准确的采集油泥模型表面的数据，同时其是非接触式并且不遗漏特征的测量方法，故可以减小累积误差。将其采集的数据进行格式转换后，作为原始数据，传送到三维模型造型软件，快速而准确的生成车身的三维数概念草图小比例油泥模型测量设备获得数据，CAS构造车身三维数学模型加工1：1油泥模型CAE分析车身结构设计CAE分析车身覆盖件模具CAD/CAM车身覆盖件制造学主模型。功能完备的手持式控制盒，既方便CAM系统的对刀，又方便照相式测量系统的测量。设计了结构独特的切削头，扩充了数控切削加工的功能，使在整车模型加工的过程中，不存在加工死区。独特的刚性机体设计，满足高速高精度的切削加工，快速高效的完成1：1车身模型的加工。3.1.2.良好的集成性测量功能和切削加工功能的良好集成，测量功能和加工功能之间的快速切换，可以快速将测量的数据指导加工，或者将加工完成的模型通过测量快速将数据反馈到三维造型系统。减少三维数学主模型的确定时间，从而缩短车身设计的开发周期。3.1.3.低廉的价格，有利于市场推广中测量仪CMM/CAM一体化切削测量机,是国内首款将测量与切削加工功能集成在一起的设备,开发此款设备目的就是定位在国内各种规模的汽车设计和制造企业,其功能已基本接近或达到国外同类型设备的各项技术指标,而在成本价格上却占有明显的优势,适合在国内各大、中、小汽车企业推广使用。3.2流程应用举例3.2.1概念草图设计由汽车造型师概念设计，通过计算机3维模拟表达出设计意图，由此产生的3D模型，是设计验证、修改、样车模型制造的基础。3.2.2加工程序编制，生成NC代码对加工位置和加工余量进行分析，编制加工程序和生成刀具路径，并对各刀具路径进行防碰撞、过切检查和模拟加工，验证路径的正确性，通过后处理生成适合于本机读取的NC代码，并对照处理过后的NC程序走刀点是否与设计的刀具路径点相同3.2.3系统初始化数控系统初始化，确认各系统工作正常，在Windows界面下把系统切换到切削状态（系统有测量和切削两种状态），机器开始回原点，待机3.2.4加工原点确认把刀头转到程序相应状态后，利用手控脉冲轮对刀，找加工原点，对刀块为接触触发式，接触后即将当前轴位置状态数据发出。在数控系统里存储相应的加工原点数据3.2.4加工程序传输计算机通过串行口与数控系统连接传输NC加工代码，数控系统缓存代码。再大的NC程序也能连续加工3.2.5执行加工在执行加工前，先空快速运行NC程序，验证NC程序的正确性，看系统是否有报警发生，而后执行加工3.2.5数据采集非接触式测量系统为光学成相，称为工业采数相机，效率高，拥有高像素，采数面积大、带关节旋转能在同一坐标系下多角度拍摄等优点，而单点触发方式采集数据，精度较高，但效率低，为此，将接触与非接触测量配合使用，利用非接触式采集大部分点数据，和接触式对特殊点的辅助采集，可方便地完成采点过程。采集的数据经过稍微处理后可以输出IGES、ASC格式，方便其他软件的读取3.2.6模型反求在对油泥模型进行修改后，再通过如Imageware、Geomagic、CATIA、UG等诸多的逆向造型软件读取采集的点云数据求得曲面。如此反复直到设计者满意为止。4.结束语我国汽车工业规划纲要明确提出要以车身开发为突破口，形成我国轿车自主开发能力。轿车车身占整车总成本的比例约为1/3，甚至接近1/2，而且它又是汽车商品性的重要标志；轿车车身更新频度高，技术进步快，因此我们要把车身开发能力作为轿车自主开发的突破口。随着以电子计算机技术为代表的现代科技的发展和应用，车身设计开发技术有了不少革命性的变化，这给我国汽车工业带来了压力，也带来了机遇；相对于传统技术相比，国内外在计算机应用方面的差距小的多，也比较容易追赶；而且，计算机应用技术也融进或取代了不少传统技术。中测量仪在充分了解现代车身设计方法的变迁，以及准确的国内市场定位的前提下，研制了CMM/CAM一体化切削测量机，其快速完整的数字照相式测量与高效高精度的数控切削加工，使传统设计方法与现代设计方法无缝的衔接；高效高精度的数控切削加工几乎替代了传统方法中费时和劳动量大的手工雕刻工作，快速完整的数字照相式测量能快速完整的提供构造三维数学主模型的原始数据，既保留传统方法中必须的部分，又为现代设计方法提供更高效的手段。在国内大、中、小型汽车设计制造企业中推广和应用CMM/CAM一体化切削测量机，必将缩短车身或整车的开发周期，提高我国汽车企业在国际市场上的竞争力，从而带动和促进我国汽车工业的发展。参考文献:1.江涛,刘克强等.车身实物模型的变迁与车身开发技术的发展,世界汽车,2000(8).2.石晓祥等.现代汽车车身设计方法的研究与展望,机械科