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汽車設計制造論文|CMM與CAM一體化技術在汽車車身設計中的應用
本文比較了傳統(tǒng)設計方法和現(xiàn)代設計方法的特點，介紹了CMM和CAM一體機并給出了其應用流程舉例。
汽車產(chǎn)業(yè)是我國重點支柱產(chǎn)業(yè)，但目前國內(nèi)各汽車生產(chǎn)廠的車身造型設計基本還停留在傳統(tǒng)手工制作上，不僅制作精度低，耗費大量的人力和工時，也制約了汽車工業(yè)自主開發(fā)的進程，所以在汽車設計模型制作過程中將三維數(shù)學主模型直接編程加工并通過數(shù)字照相式測量在線檢測分析和逆向工程再造，快速而準確全面地重構三維數(shù)學主模型，使測量檢測和切削加工一體化，能有效縮短整車模型制作周期、提高制作精度，縮短車身設計與制造的開發(fā)周期，提高我國汽車企業(yè)的市場競爭力，從而促進和帶動我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展。
各種車身實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，在汽車設計開發(fā)過程中,特別是在車身設計與制造過程中起著舉足輕重的作用。而車身造型設計中最關鍵的階段是全尺寸模型的制作，它將汽車的理論設計與實物造型相結(jié)合，直觀反映設計理念。
汽車車身由一系列復雜的空間曲面構成，它既是一種工藝品，又是一種運載空間。我國汽車企業(yè)大多數(shù)采用傳統(tǒng)的車身設計方法，開發(fā)周期長、制造精度低，而將CMM（三坐標測量機）技術與CAD/CAM技術相結(jié)合，能使現(xiàn)代設計方法如虎添翼，促進著汽車工業(yè)的快速發(fā)展。目前此技術在國外同類企業(yè)中早已經(jīng)成功地得到運用，極大地提高了新車車身開發(fā)的效率，而此技術在我國的應用還處在起步階段，為此我們應該盡快將CMM/CAM一體化技術實際運用在汽車車身設計開發(fā)中，加快我國汽車工業(yè)自主開發(fā)的步伐。
傳統(tǒng)的設計方法
傳統(tǒng)的設計方法由初步設計和技術設計兩個階段組成，其特點是通過實物和圖紙來傳遞信息，至少包括1:5的油泥模型、全尺寸油泥模型以及實車三次風洞實驗等相關步驟。傳統(tǒng)的設計方法主要存在下述缺點：
周期長
在車身整個開發(fā)和生產(chǎn)準備的周期，在國內(nèi)一般需要3~5年的時間，而制作1:1的油泥模型并取樣繪制主圖板還將要耗費大量時間、人力和物力，而且初始設計的可信度相當?shù)�，為了產(chǎn)品定型只能依靠樣車試制和實驗分析驗證，逐步修改設計，這一般都需要3次以上，所以周期相當長。
現(xiàn)代汽車的競爭是速度的競爭，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爭中處于有利地位，而傳統(tǒng)的設計方法周期長、效率低，必然無法適應現(xiàn)代汽車激烈的市場競爭。
累積誤差較大
首先，雕刻油泥模型主要依靠人眼來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人眼判斷其是否光滑，而目前汽車造型又以圓弧化為時尚，圓弧面及小角落很難雕刻，這樣就會產(chǎn)生初始的油泥模型誤差，而采用三坐標機進行測量也多采用接觸式測頭，采集測點數(shù)目有限，會丟失一些關鍵點，所以不能真實反映一些曲面的特征，造成測量誤差。
現(xiàn)代化的車身設計方法
隨著計算機技術的發(fā)展，高速數(shù)字式計算機的出現(xiàn)，特別是高速圖形處理終端及工作站的出現(xiàn)，使計算機幾何圖形處理成為現(xiàn)實。從1970年代計算機輔助技術CAX逐步廣泛應用于工業(yè)設計制造領域開始，三維CAD系統(tǒng)的出現(xiàn)標志著計算機輔助設計技術從單純的模仿工程圖紙的三視圖模式中解放出來，它實現(xiàn)了計算機對產(chǎn)品零件主要信息的描述，同時也促進了CAE、CAM技術的發(fā)展和實現(xiàn)。CAD的曲面造型功能，使復雜曲面的計算機數(shù)學模型的建立成為現(xiàn)實，車身設計開發(fā)手段有了質(zhì)的飛躍。CAD、CAM的集成廢除了過去車身設計過程中長期沿用的“三主”方式，主圖板、主樣板不再存在，保留下來的主模型也不同于以前。在三維工程設計軟件中，最著名的包括，美國的UGS公司的UGⅡ，美國PTC公司的PRO/E，法國達索公司的CATIA等，這些三維工程設計軟件廣泛應用于世界各大汽車公司，為各公司提高設計制造的質(zhì)量、縮短開發(fā)周期、增強產(chǎn)品市場競爭力發(fā)揮了關鍵作用。
車身三維數(shù)學主模型與CAE
車身造型的三維模型數(shù)據(jù)在CAE系統(tǒng)中重構車身三維模型，可以用于包括車身剛度強度的有限元分析、汽車碰撞模擬實驗、空氣動力學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大小的車在外形比例、細節(jié)等方面還存在一些偏差，以及計算機系統(tǒng)表現(xiàn)物體能力的限制，因此在新車型開發(fā)過程中，必須制作1：1的實車比例模型，以最終確定各部位的線條，并檢驗整車外觀的視覺效果。
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)學模型，通過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)）自動生成數(shù)控加工的程序代碼直接傳輸?shù)綌?shù)控加工設備，進行三維實體模型的加工。該方法運用比較成熟，精度高，是目前國外汽車制造廠家廣泛使用的加工方法，但這種大型的數(shù)控加工設備成本相當昂貴，在我國一般汽車企業(yè)很難得到推廣應用。
車身三維數(shù)學主模型與車身結(jié)構設計
車身的三維數(shù)學主模型將給車身結(jié)構工程師的設計帶來極大的方便，結(jié)構工程師根據(jù)三維數(shù)學主模型能夠進行更加合理、更加準確、更加有效的車身結(jié)構設計。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)，縮短設計和制造的周期。
CMM/CAM一體化切削測量機
隨著以電子計算機技術為代表的現(xiàn)代科技的發(fā)展和應用，車身設計開發(fā)技術有了革命性的變化，這給我國汽車工業(yè)帶來了壓力，也帶來了機遇，計算機應用技術也融進或取代了不少傳統(tǒng)技術，與傳統(tǒng)技術相比，在計算機應用方面國內(nèi)比較容易追趕發(fā)達國家。中測量儀在充分了解現(xiàn)代車身設計方法的變遷，以及準確的國內(nèi)市場定位的前提下，在國內(nèi)首創(chuàng)研制了CMM/CAM一體化切削測量機，其特點和應用舉例如下：
功能全，針對性強
中測量儀CMM/CAM一體化切削測量機在其懸臂式三坐標測量機的基礎上，在增加主機剛性結(jié)構的基礎上增強了CAM數(shù)控加工功能，保留了原來接觸式測頭測量功能，并增加了數(shù)字照相測量功能。其數(shù)字照相功能是專門為車身設計中快速而準確地構造三維數(shù)學主模型而增加的功能，解決了接觸式測量采點速度慢、對某些特征點及圓弧過渡處無法測量的缺陷。數(shù)字照相式測量可以一次掃描一個完整的面（包括曲面及曲面之間的連接線），因而能快速準確地采集油泥模型表面的數(shù)據(jù)，同時由于是非接觸式并且不遺漏物體特征的測量方法，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，快速而準確地生成車身的三維數(shù)學主模型。
同時，中測量儀CMM/CAM一體化切削測量機功能完備的手持式控制盒，既方便CAM系統(tǒng)的對刀，又方便照相式測量系統(tǒng)的測量。其設計結(jié)構獨特的切削頭，擴充了數(shù)控切削加工的功能，保證了在整車模型加工的過程中，不存在加工死區(qū)；獨特的剛性機體設計，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
中測量儀CMM/CAM一體化切削測量機良好地集成了測量功能和切削加工功能，可以在測量功能和加工功能之間快速切換，快速地用測量的數(shù)據(jù)指導加工，或?qū)⒓庸ね瓿傻哪Ｐ屯ㄟ^測量將數(shù)據(jù)快速反饋到三維造型系統(tǒng)，這可以減少三維數(shù)學主模型的確定時間，從而縮短車身設計的開發(fā)周期。
流程應用舉例
1、概念草圖設計
由汽車造型師概念設計，通過計算機三維模擬表達出設計意圖，由此產(chǎn)生的三維3D模型，是設計驗證、修改、樣車模型制造的基礎。
2、加工程序編制，生成NC代碼
對加工位置和加工余量進行分析，編制加工程序和生成刀具路徑，并對各刀具路徑進行防碰撞、過切檢查和模擬加工，驗證路徑的正確性，通過后處理生成適合于本機讀取的NC代碼，并對照處理過后的NC程序走刀點確定是否與設計的刀具路徑點相同。
3 、系統(tǒng)初始化
數(shù)控系統(tǒng)初始化，確認各系統(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)有測量和切削兩種狀態(tài)），機器開始回原點，待機。
4、加工原點確認
把刀頭轉(zhuǎn)到程序相應狀態(tài)后，利用手控脈沖輪對刀，找加工原點，對刀塊為接觸觸發(fā)式，接觸后即將當前軸位置狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)出，并在數(shù)控系統(tǒng)里存儲相應的加工原點數(shù)據(jù)。
5、加工程序傳輸
計算機通過串行口與數(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，先空快速運行NC程序，驗證NC程序的正確性，看系統(tǒng)是否有報警發(fā)生，而后執(zhí)行加工。
7、數(shù)據(jù)采集
非接觸式測量系統(tǒng)為光學成相，稱為工業(yè)采數(shù)相機，擁有效率高、像素高、采數(shù)面積大、帶關節(jié)旋轉(zhuǎn)、能在同一坐標系下多角度拍攝等優(yōu)點；單點觸發(fā)方式采集數(shù)據(jù)，精度較高但效率低，因此中測量儀CMM/CAM一體化切削測量機將接觸與非接觸測量配合使用。利用非接觸式采集大部分點數(shù)據(jù)， 用接觸式采集實現(xiàn)對特殊點的輔助采集，可方便地完成采點過程，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過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
在對油泥模型進行修改后，再通過如Imageware、Geomagic、CATIA、UG等諸多的逆向造型軟件讀取采集的點云數(shù)據(jù)可以求得曲面，如此反復，直到設計者滿意為止。
結(jié)束語
我國新的汽車工業(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志，轎車車身更新頻度高、技術進步快，因此車身開發(fā)能力是轎車自主開發(fā)的突破口。
中測量儀CMM/CAM一體化切削測量機，是國內(nèi)首款將測量與切削加工功能集成在一起的設備，其功能已基本接近或達到國外同類型設備的各項技術指標，但在成本價格上占有明顯的優(yōu)勢，適合在國內(nèi)各大、中、小汽車企業(yè)推廣使用。
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