（光学工程专业论文）车身零件建模及其虚拟装配研究.pdf

圭塑查望垄兰堕主兰堡丝圭 一丝 车身零件建模及其虚拟装配研究 摘要 轿车新车型的推m 在很大程度1 ：依赖于轿车车身的变化，冈此，汽 乍制造商要想在激烈的市场竞争中赢得一席之地，不断地开发出新产，钴 就必须掌握轿午车身开发这一关键性的技术。国内外实践证明，c a d 技 术是提高轿车车身设计质量、缩短开发周期以及降低设计成本的种行 之有效的途径。根据我国汽车工业发展远景规划，c a d 技术并入轿车车 身设计已成为汽车设计技术发展的必然趋势。但是目前我国轿车车身开 发技术较为落后，距离发达国家还有很长段距离，新年型的推出仍依 赖丁技术引进。因此，很有必要在我国开展轿车车身开发技术的研究r 作。本文针对轿车车身开发中最重要的c a d 技术作了定的研究，总结 出轿车车身零件建模的五种方法，并对所建的c a d 模型做了虚拟装配方 而的应用研究。 本文讨论了进行轿车车身零件建模所必须具备的数学基础，总结出 适合车身零件建模的曲线曲面重构方法，同时深入研究了不同曲线曲面 重构方法在c a t i a 软件上的功能实现及其应用技巧。 本文从构建轿车车身零件c a d 模型数据来源的角度将建模方法分成 了五类，它们是：逆向工程法、矢量化技术、映射法、二维图纸生成法 和自由外形设计。本文分析总结了每一一种建模方法的优缺点以及它们各 自的适用范围，并针对每种建模方法给出厂具体的应用实例。 作为对所构造的车身零件c a d 模型的一种应用一一轿车车身零件虚 拟装配是本文的另一研究内容。、针对轿车车身零件模型多为曲面表示的 特点，本文提出了车身零件局部实体化的方法，这种方法解决厂车身零 件曲面模型向实体模型转换无法伞部实现也不现实的难题一- 关键词：逆向工程，矢量化，映射法，自由外形设计，局部实体化 上缚交通大学硕士学位论文 摘要 r e s e a r c ho np a r t sm o d e l ln gt e c h niq u e so fa u t o m o tiv eb o d y a n dl t sv l r t u a la s s e m b l y a b s t r a c t n e wc a rs t y l ed e p e n d sm u c ho nt h ec h a n g eo fa u t o m o t i v eb o d y a u t o m a n u f a c t u r e r sh a v et os e i z et h ek e y t e c h n i q u e so fa u t o b o d yd e v e l o p m e n ts o a st oh o l dap o s i t i o ni nt h ef u r i o u s c o m p e t i t i o n e x p e r i e n c ei nh o m ea n d a b r o a ds h o w st h a tc a d t e c h n o l o g yi s a ne f f i c i e n tw a yw h i c hc a ni m p r o v e d e s i g nq u a l i t y , s h o r t e nc y c l ea n dr e d u c ec o s t a c c o r d i n gt ot h ep e r s p e c t i v e l a y o u to f c a rd e v e l o p m e n ti no u rc o u n t r y , i t st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o nt o i n c o r p o r a t ec a dt e c h n o l o g yi n t oa u t o - b o d yd e s i g n b u ta tt h ep r e s e n t ，t h e t e c h n i q u e s o f a u t o ，b o d yd e v e l o p m e n t i n o u r c o u n t r yl a g s b e h i n dt h e d e v e l o p e dc o u n t r yi nt h ew o r l d 。m o s to fn e wc a rs t y l e sa r ei n t r o d u c e df r o m a b r o a d s oi t s u r g e n tt o m a k er e s e a r c hw o r ko n a u t o b o d yd e v e l o p m e n t t e c h n i q u e s t h i s d i s s e r t a t i o nf o c u s e so nc a dt e c h n o l o g y i n a u t o b o d y d e v e l o p m e n t ，s u m m a r i z e sf i v et e c h n i q u e so f p a n sm o d e l i n gi na u t o b o d ya n d m a k e ss o m ea p p l i c a t i o nr e s e a r c hw o r ki n a u t o b o d yv i r t u a la s s e m b l yu s i n g c a dm o d e l s t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h ee s s e n t i a lm a t ht h e o r yi n a u t o _ b o d vd a r t s m o d e l i n ga n ds u m su pd i f f e r e n tr e c o n s t r u c t i o nm e t h o d so f c u r v ea n ds u r f a c e w h i c ha r es u i t a b l ef o ra u t o b o d y p a r t sm o d e l i n g a n dt h i sd i s s e r t a t i o nm a k e s ad e e pr e s e a r c ho nt h er e m i z a t i o na n d a p p l i c a t i o ns k i l l so fc u r v ea n ds u r f a c e r e c o n s t r u c t i o ni nc a t i a s o f t w a r e t h i sd i s s e r t a t i o nc l a s s i f i e s f i v em e t h o d si n a u t o b o d yc a dm o d e l i n g a c c o r d i n g t od i f f e r e n td a t a r e s o u r c e s t h ef i v e m e t h o d sa r e r e v e r s e 。n g l n e e r m gm e t h o d ，v e c t o r i z a t i o n t e c h n i q u e ，m a p p i n g ，2d i m e n s i o nd r a w i n 旦s l i 上海交通大学硕士学位论丈 摘要 a n df r e ef o r md e s i g n t h ed i s s e r t a t i o n a n a l y s e sa n ds u m m a r i z e st h em e r i t s a n d s h o r t c o m i n g s o fe a c hm e t h o da n di t sa p p l i c a t i o n s c o p e sw i t he x a m p l e s a u t o b o d y v i r t u a l a s s e m b l y i sa n o t h e rr e s e a r c h c o n t e n t so ft h i s d i s s e r t a t i o n a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e ro fa u t o b o d y p a n s m o d e l s t h i s d i s s e r t a t i o n p u t s f o r w a r dal o c a l s o l i d i n g m e t h o di n a u t o b o d y v i r t u a l a s s e m b l y t h i sm e t h o ds o l v e st h ep r o b l e mi ns u r f a c e sm o d e l s t r a n s f o r m i n gt o s o 】j dm o d e l s k e yw o r d s ：r e v e r s e e n g i n e e r i n g ，v e c t o r i z a t i o n ，m a p p i n g ，f r e ef o r md e s i g n ， l o c a ls o l i d i n g 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1国内外车身c a d 技术发展概况 111 c a d 技术发展及其动向 1 c a d 概况 在当今_ 丁：程界，c a d 技术发展已r | 趋深入，越来越明显地显示出了它的技术经 济效益，已成为有关j ：业部门在竞争q 叼i 可缺少的手段。美国国家，丁_ ：程科学院将 c a d c a m 技术评为当代最杰出的1 0 大工程技术成就之一。我们国家的领导和有关部 门对这一技术也很重视，国家科委将“c a d 应用工程技术丌发和应用示范”定为“九 ”重中之重项目”，其目的也在于向令国广泛深入地推广c a d 技术的应用。 从狭义的角度看c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ，就是用计算机来进行各种工 、【k 产品设计和工程设计，它改变了过去人们在绘图板上用手工进行绘图和设计的状 况。但我们刁i 能简单地把计算机辅助设计与计算机绘图等同起来，从j “义j ：讲，人 们所说的c a d 蕴含着更丰富的内容，它往往包括c a d 、c a m 、c a e ，即用计算机和相 应的软件来进行产品的设计、制造和工程分析，我们往往把计算机在这些方面的综 合应用概括地称为c a d 技术。 c a d c a m 技术起源丁二5 0 年代工业发达国家的航空工业，这是因为航空一i ：业既有 这方面的迫切需求，又有它的技术优势，例如在飞机设计和制造过程中，复杂曲面 造型、实体模型的空间布置、运动结构协调、大型结构有限元分析、35 轴坐标数 控加 ：、c n c 技术、计算机辅助一l 艺过程设计、柔性制造系统仿真等方面的问题都 是非解决不可的，他们在这些方面远远地走在其它工业部门的l j 头。c a d c a m 技术 伴随着计算机技术r 新月异地发展而迅速发展起来。目前c a d c a m 技术门趋成熟， 已广泛应用于航空、航天、汽车、造船、机械、轻工、纺织、电子、电器、建筑和 r ：程设计等领域，成为工业发达国家制造业保持竞争优势、丌拓市场的重要手段， 有力地促进了全世界高新技术的发展和新产品的迅速更新换代。 5 0 年来，工业发达圈家的c a d 技术不断创新，系统不断完善，逐步发展形成。 个从研究丌发、， i 产制造、推广应用到销售服务的完整的高技术产业，相应产乍了 批高技术产业公司，从事于c a d 硬件平台的制造、软件的丌发、市场销售、服务 f 咨询等方面的工作。这些公司尽管胜败、沉浮、兼并、合作随时可见，并面临着 很大的风险，但从全局看，他们的发展推动了c a d 技术的发展，形成了c a d 商品、 市场和产业，从而推动了社会生产的发展。现在，发达国家的c a d 商品以其领先 步的优势，争夺着发展中国家的c a d 市场，以获取高产出的最大利润。 圭堂圣望苎兰竺主兰堡垒墨兰二! _ _ ! ! 鱼 c a d 技术的应用按行、i p 的分布大体i ：为：机械行业5 1 ，电子电器 f 、l p 2 ：讹，建 筑15 ，其它1 1 。日前c a d 技术的应用领域进步扩展，从机械产 的设汁、 分析、制造和管理到气象颅报、地质绘图等无不涉及。c a d 不仅应用领域遍及所有 i ：业部门，而h 在体育、医疗、艺术电影动i 匝j 电视和广告等领域也有着广阔的应用 前景。 2 c a d 技术发展动向 【1 ) c a d 的五种建模方法 线框模型 这是最简单的一种几何造型方法，应用这种造型方法建立的几何模型称为线框 ( w i r e f r a m e ) 模型( 又称线架模型) 。它仅用线条( 曲线、直线、圆弧) 描述零什 或产品的轮廓。线框模型没有面的信息。 曲面模型 应用这种造型方法建立的几何模型称为曲面( s u r f a c e ) 模型( 又称为表面模，塑) 。 曲面有规则曲面、自由曲面、复杂曲面。先进的曲面造型系统还发展了许多高级曲 面功能，如曲面求交、曲面过渡、曲面裁减、曲面延拓、曲面拼接、曲面修改、曲 面光顺等。曲面模型没有体的信息。 实体造型 应用这种造型方法建立的几何模型成为实体( s o li d ) 模型。复杂几何形体的实 体模型山规则的体素经多次拼合得到。拼合方法可以采用稚尔运算一一并、交、差 等方式。早期的实体模型为多面体模型。以后进一步发展，把曲面也作为体素，把 曲面造型和实体造型融合起来，构造精确描述的曲面实体。现在的主流是发展基于 n u r b s ( 非均匀有理b 样条) 的精确描述的曲面实体造型系统。 参数化特征造型 参数化特征造型技术采用了特征造型技术和参数化设计方法。其中特征造型特 征造型把一门新技术一特征( f e a t u r e ) 技术引入到产品设计中。以往的实体造型 是用低层次的几何元素如面、边、点等来描述零件，它所描述的零件信息不完整， 尤其是未包括材料、光洁度、公差等：【业信息，无法实施c a d c a m 的集成。特征造 型是用高一层次的具有工程意义的特征形素来描述零件。这些形素代表一定的设计 功能和加j ：特征。每个特征形素不但带有完整的几何信息，如圆角、倒角、凹槽、 凸台、台阶孔、盲孔等，而且带有大量的工业信息，如公差、光洁度、加 ：方法、 材料、装配数据等。利t e f 】这些工程技术人员所熟悉的概念进行设计，比用通常的点、 线、面等儿何元素更符合设计人员的设计思路，提高设计工作的效率，而h 有利f 设计、制造过程的集成化，自动产生c a p p 所需的信息。 从上面可以看出，特征造型和实体造型有很大区别，实体造型只解决产品的几 何建模，特征造型是为集成化产品信息建模服务的，它使c a d c a p p c a m 卣至生f - 管 理的真正集成化成为可能。同时，当前基于特征的c a d 系统了f 在以体素布尔运算为 上体的实体造型体系，转向采用二维草图和尺寸标注形式给出约束，形成线框构架 并按特定规则生成特征形素，以面的求交、哉减为主体的变异产品建模体系。 以卜所述的几何造型系统，往往足针对已确定了的几何形状和具体尺j ，来建立 儿何模型，我们把它称为几何驱动的系统，或称为静态造型系统。使用这些系统， 从一丌始设汁，就要确定最终的几何模型，很难进行修改。需要修改时，行住需要 重新建立模裂。所以静态的几何造型系统不能适应产品丌发的动态过程，即从q - 图 设计丌始，经详细设计逐步细化，并住性能分析和样机制造过程中反复修改以到达 优化设计，最终形成满足各方面要求的几何模型。另外，一个产品的更新、改型， 都具有一定的继承性，应充分利用原有产品的几何模型，经适当修改，即可很快牛 成新的几何模型。还有，很多系列化的标准件或零件，其形状几乎相同，只是l 体 尺、r 的大小不同，如果这些只需要修改尺i j 大小的几乎模型都要重新建口，将浪费 很多人力并延长产品丌发周期。 因此，实际t 作中非常需要建立便于动态修改的几乎模型，为此，幽际上i ：程 界从8 0 年代初就开始研究参数化几何造型方法，这种方法使用约束来定义儿何模 型，建立元素问的几何关联关系，当模型修改或变型时，模型能够自动维护已建立 的约束关系，实现对产品动态丌发过程的支持。约束包括几何约束和尺i j 约束。儿 何约束又称隐式约束，如水平、垂直、平行、相交、相切等；尺j j 约束又称碌示约 束，如线性尺寸、角度尺寸等。设计时将尺寸作为设计的几何参数，以建直通f h 的 几何模型，人工输入一组实际尺寸后，即可生成设计所需的几何模型，改变其中某 些尺寸，又可直接生成修改后的另一个几何模型，由于有相关性，修改非常方便， 这样的造型系统称为尺寸驱动的系统，或称为动态造型系统“。参数化几何造型 往先建立参数化二维几何模型，然后在二维几何模型基础上通过拉伸、旋转、扫描 等操作产生参数化三维几何模型。参数化设计方法可以将二维造型和二维的线框、 表面和实体造型纳入统一的系统，采用单一的数据库并实行统一的数据管理，直接 实施模型之l 、日j 的转换。 参数化特征造型技术中，王见汇在发展一种采用剪贴( c u ta n dp a s l e ) 的新方法， 考虑到产品设计有一定的继承性，可将产品上成熟的特征( 功能形素) 切取卜束， 解除该特征在原零件中的约束关系，然后将它插入到新产品的结构中，交上建莎新 的约束关系，使该特征成为新产品几何模型的一部分。因为采用了参数化设计，门丁 以改变特征的定形和定位参数，使之符合新产品的要求。这样比用点、线、面的操 作来设计产品要快得多。 变量化技术 长期以来，变量化技术只能在二维上实现，过于复杂三维超变量化技术直困 扰着c a d 厂商和用户。去年7 月，在全国首届c a d 应用工程博览会上，种新必变 量化技术引起了与会者的“泛关注。这一被业界称为2 1 【f c 纪c a d 领域具有革命性突 破的新技术就是超变量几何( v a r i a t i o n a ig e o m e t r ve x t e n d e d ) 。 第一聿结论 超变量化几何是山s b r c 公司今年独家推出的+ 种c a o 核心技术。c a i ) 1 一程师在 进行机械设训和工艺设汁时，总是希望零部件能够被随心所欲地构建，可以随意拆 卸，能够住平面的显示器上，构造三维直体的设计作品，而且希挈保留每个中 f 、口j 结果，以备反复设计和优化设计n 寸使用。v ( ；x 实现的就是这样种思想。v ( | x 技术 扩展了变量化产品结构，允许用户对个完整的三维数宁产品从几何造型、设汁过 程、特征，到设计约束，都呵以进行实时直接操作。对于设计人员而吉采用v ( ；x ， 就象拿捏个真实的零部件而凼一样，可以随意塑造其形状，而且，随着设计的深 化，v g x 叮以保留每个中间设计过程的产品信息。美国一家著名的专、世咨询评估 公司d h b r o w n 这样评价v g x ：“自从l0 年的第一次运用参数化基于特征的实体建 模技术之后，y g x 可能是最引人注目的次革命“2 。” v g x 的特点是：v g x 为用户提出了种交互操作模型的j 维环境，设计人员在零 部件上定义关系时，不再关心二维设计信息如何变成三维，从而简化了设计建模的 过程。采用v g x 的长处在予，原有的参数化基于特征的实体模型，在可编辑性及易编 辑性方面得到极大的改善和提高。当用户准备作预期的模型修改时，不必深入理解 和查询设计过程。与传统二维变量化技术相比，v g x 的技术突破丰要表现在以卜两 个方面： 首先，v g x 提供前所未有的三维变量化控制技术。这一技术可望成为解决长期 悬而未决的尺寸标注问题的首选技术。因为传统面向设计的实体建模软件，无论是 变量化的、参数化的、基于特征的或尺寸驱动的，其尺寸标注方式通常并不是根据 实际加工需要而设，往往是根据软件的规则来确定。显然，这在用户主宰技术的时 代势必不能令用户满意。采用v g x 的三维变量化控制技术，在不必重新生成几何模 型的前提下，能够任意改变三维尺寸标注方式，这也为寻求面向制造的设计( d f ) 解 决方案提供了一条有效的途径。 其次，v ( ；x 将两种最佳造型技术直接几何描述和历史树描述结合起来，从 而提供了更为易学易用的特性。设计人员可以针对零件上的任意特征直接进 j 图形 化的编辑、修改，这就使得用户对其三维产品的设计更为直观和实时。用广j 在个 上模型中，就可以实现动态地捕捉设计、分析和制造的意图。 ( 2 c a d 的3 代软件“ c a d 技术发展很快，目前已推出了第三代c a d 软件产品。 第一代c a d 软件产品丌发于6 0 年代，其主要功能是三维设计和绘图。 第二代c a d 软件产品丌发于7 0 年代，它主要有三维造型、：二维绘图、有限儿分 析和数控加工编程，它是多个数掘库的软件系统，从设计到加工的全过程仍是传统 的页序方式，即串行方式进行。 第三代c a d 软件产品开发于8 0 年代术，在软件设计上有了重大突破，它对原来 的c a d 系统进行了彻底的改进。它以三维殴计为基础，采用参数化技术和特征技术， 把所有功能在单一的公用数据库下集成起来，实现了c a d 系统的真正集成，使设计 圭塑兰望苎兰翌主兰堡笙圭 一! 三二兰! ! ! 蔓 到制造伞过程的所有j 一作能同时完成，从而彻底改变了传统的顺序1 作方式。第二 代c a d 软件发展与应用的最典型的代表，当代最高设计水平的体现为美i 划波音7 7 7 飞机的设计。在波音7 7 7 e 机的设计中，波音公司花了上亿美元的资会，采用法困 d a s s a u l ts v 吼e m i b m 的c a t i a 三维i 殳计与仿真系统，组织综合设计人员，刖并行 方式进行设计，实现了整机飞机外形及有关零部件的三维数字化定义，f 用一i 维实 体模型数字化预装配检验它们之问是_ 台有干涉存在，做到在零件加工以前甚至诅：设 计发放以d u 就消除干涉现象，使其精确度达到前所未有的程度，并从根本上减少了 由于没计变更、错误和返工而引起的浪费。波音7 7 7 飞机成为有史以来具有最高级 设计水平的“无图纸”飞机。 3 ) c a d 技术应用的两个层次 i 二维绘图 二维绘图足量大面广的第一层次的应用。一维图纸目前仍是产品描述的一种最 常用的形式。美国a u t o d e s k 公司推出的a t u o c a d 以其低价、普及、丌放的产品发展 策略使得c a d 技术一下子进入了千家万户。但a u l o c a d 并不足真j f 的二二维设计，相 当一部分企业只是用它取代了绘图板的作用。 i i 二维设计 三维造型设计是第二层次的应用，反映出c a d 技术的应用向深度和广度发展， 它主要包括以下内容： 三维造型设计：线框造型、前面造型、实体造型、特征造型、参数化设计等： 计算机辅助工程分析c a e ：包括有限元分析及其它工程分析，如物体属性计算( 重 心、重量、惯性矩、惯性积的计算) 等； 机构运动分析运动机构设计； 装配干涉检查，数字化预装配： 二维工程图的生成； 逆向工程； 数控加工：包括数控编程中的刀轨生成、刀轨优化、干涉检查与排除、后霄处理、 加工过程的模拟和仿真； 计算机辅助工艺过程设计c a p p ； 计算机辅助工艺装配设计：包括各种模具和央具等的设计； 计算机辅助成形过程模拟：如钣会零件塑性成形过程的模拟及回弹控制等。 112车身c a d 概况 随着市场竞争的r 趋激烈，汽车车身的丌发周期不断缩短。据市场凋查表明， 日6 口国际上一种轿车车型的丌发周期平均为5 年左右，闩本轿车的丌发周期甚至短 至： 一4 年“。汽车车型的变化主要是车身的变化，而汽车底盘等内部零部件的7 ：发 周期一般在1 0 年左右。因而对于各种基本车型的变形车，甚至新丌发的车型，其底 上海交通走学硕士学位论支 蕊总成和零部件一般变化不人，而4 ：身部分则变动较人，必须重新没计。所以，为 了争夺市场，缩短产品的丌发刷期，必须采用新的技术和设计手段，其中最重要的 一点就是c a d 技术在车身设计中的j 衄用。 在_ ， i 身设计中应用c a d 技术改变了用传统方法设计车身的那种重复劳动量人、 没计周期长的状况，已成为目f j 和今后乍身设计的发展趋势。利用c a d 系统获得车 身的内外覆盖件三维模型，可以完成车身的虚拟装配，车身冲压成形动态仿真分析 以及车体结构的碰撞模拟等；另外，根据c a d 模型采用c a m 系统可以完成具有复杂 曲面的模具数控加工，且在c a d 模型的基础上，可进1 步确定所加1 _ = 曲面轮廓度误 差评定的采样策略。在所有这些工作中，c a d 技术起着关键以及基础性作用。从图l _ 1 囱囱囱囱 i r 悭逖划 1 1现代车身设计中c a d 模型的功能 f i g 1 1 f u n c t i o n so f c a dm o d e li nm o d e m a u t o b o d yd e s i g n 中我们可以看到车身c a d 模型现代车身设计中的作用。 国外一些大公司从六十年代中期丌始把计算机技术引入到车身曲面的设计中 去。最早采用c a d 系统的是美国通用汽车公司，随后美国福特汽车公司从1 9 6 7 年丌 始丌发c a d 软件，目前8 0 的设计由c a d 完成，取代手工绘图程度最高的是车身方 面。“。1 9 7 4 年法国雷诺汽车公司设计师b e z i e p 运用他的设计理论实现了对曲面的 定义，并研制丌发了u n i s u r f 系统，该公司应用u n i s u r f 系统在五个星期内完成从 “蒙皮”的全尺寸粗糙图形丌始，作出最后图形及全尺寸的模型。八十年代初， 1 本各大汽车公司如同产、丰田等的c a d 系统都已基本完善。1 9 8 9 年f 1 本丰罔公司f f 式推出汽车覆盖件c a b c a e c a m 系统，即d 1 ef a c e - c a d 软件，随后在m a z d a 等几家 大汽车公司得到成功应用”“。美国福特汽车公司已有一套较完善的汽车覆盖件模具 c a d c a e c a m 系统，并规定一切设计方案必须经c a e 考核验证后方能投产加l ：，该 公刊于1 9 9 3 年提出了“c 3 p 计划”并取得巨大成功。采用c a d 技术使得复杂的l | 扫线 曲面设计成为现实，而且可以改善设计精度以及很容易校正设计。c a d 技术的应用 4 i 仅为车身设计带来技术革新，同时也增加了数据处理的意义，使并行工程应用于 i 身的虚拟制造。纵观世界上的各大汽车公司，c a d 系统已成为设计的主流。表1 1 上海交通走学硕士学住论文 是1 日外一些著名汽车公司所使用的c a d 系统”h 。 表1 ，l 国外一些汽车公司使用的c a d 系统 t a bi 1c a d s y s t e m si ns o m ef o r e i g na u t o m o b i l ec o m p a n y 汽乍企业下身核心c a d c a m 系统汽乍企业午身核心c a d c a m 系统 g e n e r a lm o t o ru gr e n a u l ti d e a s + e u c ljd f n r di d e a sc i t t o nc a d i ) s c h r y s l e f c a l t av o l v oc a d d s v o l k s w a g e n c a i t a t o y o t a i d e a s a u d ic a d d s n is s a n i d e a s m b e n zc a i t am a z d aid e a s f i a tc a i t ah o n d a c a i t a + i d e a s d a e w o oc a i t a h y u n d a i c a i t a + i d e a s 车身设计大致分为概念设计、详细设计、样车试验和设计反馈三个阶段”。其 c p 概念设计阶段包括造型设计、模型制作、总稚置设计、结构布置等内容；详细设 计阶段包括外表面三维属性模型的建立和处理、主图板设计、内外覆盖件及骨架件 设计等内容。目的，我国几种j ：要轿车车型如上海大众的s a n t a n a 和p a s s a t 、上海 通用的b u i c k 、广州的h o n d a 等均为与国外合资或合作生产，从严格意义上讲，我 图卜2 传统车身设计流程 f i g 1 2 f l o wc h a oo f t r a d i t i o n a la u t o b o d y d e s i g n 幽还不具备现代轿车车身丌发能力。现有的轿车车身丌发基本上仍延用老的方式 圭查薹望查兰婴鲎堡垒查一兰二兰! ! 鱼 即传统的牟身设计丌发，其过程如图1 。2 所乐。 传统的车身丌发体系沿袭串行的1 一作方式，表面上看似乎足一步 少稳打稳扎， f j i 由丁缺乏大系统观点，仅限于“头痛医7 l ”， 往往小有改动，就会常常导敛全局 重来，以致仵丌发过程中经常会h 现多次返工现象。此外，串行工作方式中每一阶 段都依赖于前一阶段的完成，并制约着后一阶段的进行，整个车身丌发的周期为各 个过程所需周期的总和。显然，传统的车身”发体系已远远落后丁时代。市场激烈 的竞争压力迫使人们不得不去探求如何生产优质、低耗、多品种、小批量、岛效率、 低成_ 奉的产品。正是在这样的背景下孕育而生了并行_ 程( c e c o n c u f f o n t e n g i n e e r i n g ) 5 7 【。并行工程是并行进行产i 锗及其相关过程一体化设计的系统方法。 这种方法要求产品，r 发人员从笈计一7 1 ：始就考虑产品生命周期中从概念形成到产品 报废处理的各种因素。由于可以并列地进行一系列处理，就能大幅度缩短汽乍丌发 与制造时间，降低产品的丌发成本。并行工程的基础是成熟地应用c a d c a m 、c a e 和 c a p p 技术，特别是c a d c a m 技术。目前，国内车身丌发技术较为落后，4 i 身零件建 模技术距国际水平还有很长的路要走。本文就是针对这一关键性的技术领域丌眨了 车身零件建模技术的研究工作。 1 2虚拟装配 虚拟装配技术是计算机技术、信息技术和自动化技术迅速发展的产物。它利片j 装配过程的计算机模型和仿真技术来实现产品的设计和装配，在设计阶段解决装配 中町能存在的问题，提高装配效率，减少装配时i 、日j ，降低装配成本，从而保证产品 的可装配性。轿车车身零件装配对象特殊、过程复杂，必须采用特殊的装配工业方 案。虚拟装配技术为轿车装配提高了可行的思路。 虚拟装配的定义是：使用计算机工具通过分析、预建模、可视化方法，做出或 “辅助”与装配有关的过程决策，而不需要制作真实的物体或支持过程来获得数据。 虚拟装配环境允许设计者在设计时“虚拟操作”产品，丌发支持机械零件装配的模 型、工具和环境，辅助开发装配设计、维护设计和装配计划。虚拟装配的几个关键 领域有：( 1 ) 虚拟装配环境和在环境中的对象的几何建模；( 2 ) 实时干涉检测；( 3 ) 装配 时的几何约束；( 4 ) 用于表述一个路径的表面和体积的消隐：( 5 ) 使被装配的零部件表 现出物理特性( 例如速度、加速度、惯性等) ：( 6 ) 在虚拟装配中如何与其他系统( c a d 、 c a e 等) 简单并准确地交换信息，如何有效地支持工程设计和制造系统；( 7 ) 没置零 件装配轨迹和经过空间的过程信息功能如零部件顺序变更、特性资料、装配轨迹、 部件方位测定和误差数据等) ”。由于虚拟装配横跨多个领域和组织结构，因此需 要使各种技术支持虚拟装配并使虚拟装配与各种技术保持同步发展。 兰：! 墨翌苎兰塑兰堡垒墨苎二! 二! ! 鱼 目外许多知彩企业已在积极地丌展虚拟产品j r 发、制造技术的应用研究。j 控拟 f 一：品丌发、制造技术在汽车、飞机、上程机械以及武器等产品上的j 世用事例和成果 已经陆续见诸报端协“。加利福尼业的鸣! 火承包商r o c k w e l 1i n t e r n a tio n j l 发j 将现有c a d 数据转换传递到虚拟环境的软件，工程技术人员能看到设备部件是如何 被装配的，而无须制造物理模型；波音e 机公司采用虚拟装配技术r l 引算机f ：建、z 了波爵7 7 7 飞机的最终模型：福特汽4 三公司已经计划应用虚拟环境技术f f f ( 4 - 发汁 与i = 程。陔公司的先进车辆技术组应用虚拟制造技术于装配仿真和虚拟成形，以提 高空气动力学、人机工程学和表而建模的效果：摩托罗拉向1 9 9 4 年起使用虚拟，。；6 丌发技术。据报道，浚项技术节约了该公司数百万美元的培训费用。陔公司义j i ：始 将此技术用于工厂技术人员的在岗培训。 虚拟装配作为虚拟产品丌发技术的。种单元技术，在虚拟制造、动态仿真，十，发 挥着重要的作用。特别是在当今制造业l f 处于技术卜1 新月异、市场需求h 趋多变、 阁际经济竞争同益激烈的环境中，企业需要以最快的速度、最好的质量、最低的成 本、最优的服务和最清洁的环境来满足不同顾客对产品的要求及持续多变、不可预 测的全球化市场竞争。虚拟产品开发技术正足适应这种形势，面向2 l 世纪的产品丌 发模式，而作为虚拟产品设计，产重要一环的虚拟装配技术，自然也得到了人们的 广泛关注和重视。国际上对该技术无论是在应用、研究，还是在相关产品的产品化 方面均取得了显著的成果，而国内对这方面的研究还刚刚起步，本文采用这一先进 的技术进行了车身零件虚拟装配方面的探索。 1 3本文的主要研究内容 1 车身零件的建模技术 车身零件c a d 模型的构建方法很多，从不同的角度有不同的分类方法。本文从 构建车身零件c a d 模型数据来源的角度将建模方法分成了五类。它们是：逆向 ：程 法、矢量化技术、映射法、二维图纸生成法和自由外形设计。本文介绍分析了每 种建模方法的优缺点以及它们各自的适用范围，并针对每种建模方法给出了具体的实 例。 2 虚拟装配技术 车身零件多为曲面模型，在虚拟装配中人们常常把曲面模型先转换成实体模型 再进行装配。这种方法带来的问题是，车身曲面模型向实体模型转换无法全部实胤 也4 ；现实。本文针对这种情况提出了车身零件局部实体化的方法，这种方法易j ：实 现而且可以解决全局实体化带来的问题。 q 第二章车身零件建模数学基础及其软件买现方法 第二章车身零件建模数学基础及其软件实现方法 点、线、面是构成三维模型的基础。在车身零件三维模型的构造中，i 蜥线和曲 而的质量在很大程度l 决定了零件模型的质量。本章基于实际应用对曲线和曲厕的 要求，介绍了曲线和曲面的常用表示形式及其数学理论基础，并总结了1 i 同曲线曲 面重构方法在c a t i a 软件上的功能实现及其应用技巧。 2 1曲线曲面的数学基础 曲线、曲面有显示表示、隐式表示和参数表示等表示方法。对于一般简单实体 模型的描述方法可以采用解析函数表达的方法进行，如平面、柱面、球面等。而象 乍身覆盖件这类大型复杂的自 _ j 曲面零件很难用解析函数来描述，因此对这类零件 通常采用参数曲面表示的方法。另外，从计算机图形学和计算几何的角度看，参数 表示优于显示、隐式表示。 2 1 1 曲线曲面参数表示的发展历程 荚国波音( b o e i n g ) 飞机公司的佛格森( f e r g u s o n ) 首次将曲线曲面表示成参 数矢量函数形式，并用三次参数曲线构造组合曲线，用四个角点的位置矢量及其两 个方向的切矢量定义三次曲面。1 9 6 4 年美国麻省理工学院( m i t ) 的孔斯( c o o n s ) 用封闭曲线的四条边界定义一块曲面。同年，舍恩伯格( s c h o e n b e r g ) 提出了参数 样条曲线、曲面的形式。1 9 7 1 年法国雷诺( r e n a u l t ) 汽车公司的贝塞尔( b e z i e r ) 发表了一种用控制多边形定义曲线和曲面的方法一b e z i e r 方法。该方法存计算机 辅助几何设计( c o m p u t e ra i d e dg r a p h ic sd e s i g n ，简称c a g d ) 学科中占有重要的 地位，广为人们接受，也为c a g d 的进。步发展奠定了峰实的基储。但是b e z i e r 方 法仍然存在连接问题和局部修改问题。同期，法国雪铁龙( c i t r o e n ) 汽车公司的德 卡斯特奥( d ec a sl e l j a u ) 也独立地研究出与b e z i e r 类似的方法。1 9 7 2 年，德桶i 尔r d eb o o r ) 给出了b 样条的标准计算方法。1 9 7 4 年，美国通用汽车公司的戈蛩 ( g o r d o n ) 和咀森费尔德( r i e s e n f e ld ) 将b 样条理论用于形状描述，提h jri 样 条曲线、曲面。1 9 7 5 年，美国锡拉丘兹( s y r a c u s e ) 大学的佛斯普晕尔( v e r s p r j1 1 ) 在其博j 论文中提出了有理b 样条方法。b 样条方法几乎继承了b e z je r 方法的一 切优点，克服了b e z ie r 方法存在的缺点，较成功地解决了局部控制问题，又轻而易 举地在参数连续性基础上解决了连接问题。 第二章车身零件建模数学基础及其软件实现方法 卜述各种方法尤其是b 样条方法较成功地解决了自由型曲线曲面形状的描述问 题。然而应用于圆锥截线及初等解析曲面却是不成功的，都只能给f f ；近似表_ ，不 能适应大多数机械”品的要求。8 ( ) 年代后期，荚困的皮格尔( p i e 9 1 ) 和蒂勒( t i i l e r ) 将有理b 样条发展成非均匀有理b 样条( n u s b s ) 方法，并已成为当f j 自i 叫1 “线和曲 面描述的最广为流行的技术，用n u r b s 可统一表示初等解析曲线、曲面以及有理与 非有理b e z i e r 、非有理b 样条曲线、曲面。国际标准化组织( i s o ) 继美国的p d e s 标准之后，于1 9 9 1 年颁布了关于工业数据交换的s t e p 国际标准，把n u r b s 作为定 义d i k 产晶儿何形状的唯一数学方法。n u r b s 技术仍在发展中，些问题如，卜成曲 面是怎样确定合适的参数化与权因子等有待进一步研究。 2 1 2 曲线曲面的参数表达 在解析j l 何中，空间曲线l 的点p 的每个坐标被表示成某个参数“的函数 x = 石( “) ，y = y ( ) ，z = z ( u ) 。把j 个方程合写一起，三个坐标分量就组成曲线卜该点 的位置矢量，曲线被表示为参数“的矢函数。 p ( “) = x y z = b ( “) j ，( “) z ( “) 】( 2 一1 ) 它的每个坐标分量都是以参数“为变量的 标量函数。这种矢量表示等价于笛卡尔分 量表示( 见图3 4 ) p ( “) = x ( u ) i + y ( u ) j + z ( u ) k ( 22 ) 其中l 膏分别为沿z 轴、y 轴、z 轴f x 向的三个单位矢量。在讨论时，我们常 把卜述曲线方程简记为 p = p ( u ) ( 23 ) 图2 - 1 曲线上一点p 表示为参数u 的矢函数 f i g 2 1 p o i n to nac u r v e r e p r e s e n ta s p a r a m e t e r u sv e c t o rf u n c t i o n y 这刁i 仅被看作一种简洁的记法，更重要的在于它把曲线上表示一个点的位置矢量的 各个分量合写一起当成一个整体。点动成线，如果把参数“视为时间，p