汽车覆盖件逆向设计及其拉延模具设计.docx

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汽车覆盖件逆向设计及其拉延模具设计

*****毕业设计

菲亚特汽车发动机罩外板曲面逆向重构及拉延模设计

学生姓名：

***

学号：

07047126

专业班级：

车辆工程07-1班

指导教师：

***

2011年6月23日

摘要

汽车覆盖件模具设计和逆向工程是现代汽车行业中比较热门的研究领域。

本文以南京菲亚特派朗汽车发动机罩外板作为研究对象，进行了汽车发动机罩外板逆向曲面重构及汽车发动机罩外板拉延模具设计。

本文对汽车发动机罩外板利用三维激光扫描仪进行三维坐标测量得到点云数据，对所得点云数据使用逆向工程软件CATIA进行预处理。

包括点云的过滤、修剪、补洞、形成三角网格等；用CATIA软件对其进行逆向曲面重构，得到重构出的发动机罩外板曲面；以重构出的曲面为基础，设计出汽车发动机罩外板的拉延模具结构外形，在CATIA软件中做出凸模、凹模和压料圈等结构；并对拉延模具进行有关的工艺计算和参数确定。

最终，做出汽车发动机罩外板的加工动画。

关键词：

汽车覆盖件；逆向工程；曲面重构；拉延模具

ABSTRACT

Automotivepaneldiedesignandthereverseengineeringarethemodernautomobileindustryinthehotresearchfield.Inthispaper,weasthecarenginehoodouterpanelofNanjingFiatPerlatostudy,carriedoutthecarenginehoodouterpanelsurfacereverseremodelingandcarhoodcovermolddesign.

Inthisthesis,weusetheThree-dimensionaltoscanthecarenginehoodouterpanel,andweachievethepointcloud.ThenwechooseCATIA,whichisahigh-classsoftwareofInverseEngineering,toprocessthedata.Next,it’stheprocessingofthepointcloudandsurfacereconstruction.Asthesurfacefinished,thedrawingdiesneedtobemodeled;Tomeetthechallenge,weconstructthembythesoftwareofCATIA.Therearethreepartsinthedrawingdies,whicharepunch,dieandblank-holder,anddrawingdieforthecalculation.Finally,makeacarhoodouterpanelmachiningsimulation.

Keywords:

AutomobilePanels,InverseEngineering,SurfaceReconstruction,DrawingDies

第一章绪论

1.课题研究的内容及意义

汽车工业的迅速发展，车型的快速更新换代，要求汽车制造商能够在很短的时问内研究、开发并制造出高质量的汽车。

近年来，国内外各大汽车制造企业都将车身外形的设计和制造能力作为衡量汽车，特别是轿车车型开发水平的重要标志，而覆盖件模具正是车身生产的主要工艺装备。

为此，世界各国均投入了大量的人力和财力开展汽车覆盖件模具设计及其制造技术的研究与开发，解决模具设计及制造过程中的“TQCS”问题（T-Tirne-较短的交货期，Q-Quaity-较高的质量，C-Cost-较低的成本，S-Service-较好的用户服务）。

工艺设计是联接产品设计与制造的桥梁和纽带，合理的成形工艺设计是模具设计与制造的基础，也是决定覆盖件能否顺利成形的关键，它将直接关系到产品的质量、成本、生产效率以及模具的使用寿命等方面[1]。

覆盖件工艺设计及其关键技术已成为人们研究的热点。

运用逆向工程，对汽车覆盖件的逆向造型不仅可以弥补传统设计上存在的技术缺陷，使产品的外观或局部性能更好地满足不同用户的需求，而且缩短了产品设计周期，降低了生产成本，同时逆向工程与快速成型技术的结合，即CAD/CAE/CAM以及RPM（快速成型制造）的综合运用将使我国汽车制造业产生前所未有的本质变化。

本课题我们以汽车发动机罩外板为研究对象，首先利用CATIA软件逆向出外板的曲面，并创建拉延模具。

此次汽车覆盖件外形设计不仅有助于我们进一步学习和研究有关逆向工程以及模具制造等方面的技术，而且培养我们的实践和自学能力。

通过逆向曲面重构和拉延模具设计，综合的运用了逆向工程知识和汽车覆盖件冲压模具知识，培养了我们运用计算机技能、工程图纸以及书面和口头表达工程技术的能力,同时也训练我们查阅应用中外科技文献，提高我们的综合能力，为以后学习和工作打下一定的基础。

2.逆向工程及其发展状况

随着工业技术的进步以及经济的发展，在消费者对产品高质量的要求下，功能上的需求已不再是赢得市场的惟一条件。

产品不仅要具有先进的功能，还要有流畅、造型富有个性的产品外观，以吸引消费者的注意。

流畅、造型富有个性的产品外观要求必然会涉及到复杂的自面造型。

逆向工程为制造业提供了一个全新的、高效的产品开发方案，它能实现从己有复杂外观造型的样件或实物模型→三维测量数据→三维产品数模→产品的一体化开发。

逆向工程技术现已广泛地用于产品的复制、仿制、改进及创新设计。

利用逆向工程技术，可以直接在国内外已有的先进产品的基础上进行结构性能分析、设计模型的重构、再设计优化与制造，吸收并改进国内外先进的产品和技术，可以缩短产品开发周期，重要的是可以快速赶上世界先进生产技术水平，有效地占领市场，领导技术前沿[2]。

随着计算机技术，特别是数字化测量技术的迅猛发展，逆向工程技术除了在航空航天、汽车工业、模具行业、消费性电子产品、电动工具、玩具等传统领域得到广泛应用外，也开始应用于人体工程、服装、数字化博物馆、艺术品仿制与破坏修复等领域。

另外在医学领域，如骨科颅骨修补、义耳义肢制作、假牙设计、医疗均压鞋垫等方面都有其应用价值。

逆向工程技术是随着计算机技术的普及和进步，以及计算机辅助设计与制造技术（CAD/CAM）的迅猛发展而发展起来的。

它是一个多学科综合性的术语，是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创造思维，对已有新产品进行解剖、深化和再创造，是已有设计的设计。

逆向工程在汽车行业的发展十分的有前景。

在制造业，逆向技术是根据实物模型和样件测量数据，建立数学模型，得到其设计思想，从而进一步修改原有设计，然后将这些模型和表征用于产品分析、制造和加工生产的技术。

随着数控测量技术的发展，这种技术己被广泛应用于机械、轻工、航空、航天、造船、汽车和模具等现代制造业的各个领域[3][4]。

在产品开发过程中，运用逆向工程可以达到吸取精华去其糟粕目的。

3.汽车覆盖件的含义及特点

覆盖件主要指覆盖汽车发动机和底盘、构成驾驶室及构成车身的一些零件，如轿车的挡泥板、顶盖、车门外板、发动机盖、水箱盖、行李箱盖、骨架等。

覆盖件组装后构成了车身或驾驶室的全部外部和内部形状，它既是外观装饰性零件，又是封闭薄壳的受力零件。

覆盖件的制造是汽车车身制造的关键环节。

覆盖件表面一般都具有装饰性，除考虑好用、好修、好造外，要求美观大方。

覆盖件与一般冲压件的区别：

材料薄、形状复杂（多为立体曲面），结构尺寸大，尺寸精度高，因此冲压工艺编制、冲模设计、冲模制造工艺都有一些特殊的要求，冲压设计中常把他作为一种特殊类型研究。

覆盖件应满足的条件：

良好的表面质量、符合要求的几何尺寸和曲面形状、要有足够的刚性、良好的工艺性。

4.汽车覆盖件国内外研究现状

汽车工业的迅速发展，车型的快速更新换代，要求汽车制造商能够在很短的时问内研究、开发并制造出高质量的汽车。

而国内目前车身覆盖件的制造却直接制约着新车型的开发。

其原因就是覆盖件模具设计水平较低，周期很长，对于一些较复杂的零件甚至设计不出合格的模具。

这显然不能适应汽车工业快速发展的需要，因此近年来有关覆盖件的研究成了热点，并目取得了许多可喜的成绩，但仍存在许多问题[1]。

4.1国外研究现状与分析

目前，国外已经形成一套成熟的从概念设计到造型风格的理论与方法，并采用基于正向设计思路开发新产品，然后根据市场的需求变化，再进行车身改型或改装来改进产品。

由于国外CAD/CAE/CAM技术应用较早，软硬件系统功能强大，各大汽车公司已普遍建立了完善的虚拟产品开发系统，已积累了大量的经验和品牌风格。

因此，对汽车覆盖件的三维重构，国外更多的是着眼于研究二维图向三维模型转换的智能识别与自动重构系统和对实物逆向的曲面重构技术，并提出了许多有效的理论和方法[5][6]。

对汽车覆盖件的工艺分析与成形仿真，国外各汽车公司非常重视在产品批量生产之前对产品的工艺分析和可成形性与冲压工艺的研究与优化。

当产品结构设计与制造工艺发生矛盾时，通常采用修改产品结构的方法来达到既满足整车结构又满足制造工艺要求。

同时，国外从概念设计开始就大量采用有限元模拟技术，实现对产品的动力学分析、虚拟装配等的有效分析和预防，大大节省了开发成本，缩短了产品开发周期[7][8]

4.2国内研究现状与分析

与国外的发展现状相比，我国从严格意义上对车身开发还没有形成从概念设计到造型风格的系统工程,新产品的开发能力仍然很弱，更多的是通过引进国外技术或委托国外公司进行对汽车覆盖件产品的开发[9]。

国内对由二维工程图纸重构出三维CAD模型的研究也比较广泛、深入，发表了大量的论文，但对汽车覆盖件等特别复杂的零部件研究相对较少，尤其是没有形成成熟的系统理论和行之有效的方法。

对于逆向工程技术，我国在跟踪国外的研究理论、算法和方法进展的基础上进行了较多的应用研究，并取得了较大的理论成果，已成功应用于汽车车身的开发实践[10][11]。

对于汽车覆盖件的工艺分析与成形仿真，在国内，对整车性能及效果、冲压件的工艺性及经济性的重视还不够，导致产品制造成本高、质量差。

同时，我国在有限元分析方面，大大落后于国外的发展应用水平，计算机辅助与虚拟产品开发基础薄弱。

在实际的汽车覆盖件工艺分析中，大部分依靠专家的经验来分析。

随着我国加入WTO，市场竞争的不断加剧，各大公司正逐渐建立起自己的信息系统平台，各种主流软件正逐渐被应用于汽车产品的开发中。

我国在先进计算机技术、虚拟数字化技术等方面的研究与应用水平正逐步向国外看齐。

5.现代模具工业发展趋势

随着汽车工业的迅速发展，新车型不断更新换代，传统的覆盖件模具设计制造方法已不能跟上新产品的开发步伐。

汽车覆盖件模具作为汽车车身生产的重要工艺装备，直接制约着汽车产品的质量和新车型的开发。

覆盖件模具因其设计制造难度大、周期长而常常成为制约汽车生产的主要因素。

通用的二维CAD系统无法满足模具设计的一些特殊要求。

为了提高模具设计的技术水平、缩短模具设计周期，应用针对汽车覆盖件模具结构设计的CAD系统进行设计是十分必要的。

因此汽车模具工业越来越受到人们的重视。

6.课题研究技术路线

汽车覆盖件的数字化建模，包括了覆盖件的点云数据采集、点云数据编辑处理、曲面重构、建立拉延模具3D造型等方面，需要分步骤完成。

本课题的研究步骤如下：

第一步：

根据课题任务要求，阅读查阅国内外相关资料，了解逆向工程、汽车覆盖件和汽车冲压模具的有关知识，并学习CATIA软件。

第二步：

获取点云数据，并且用CATIA软件对获得的数据进行编辑处理。

第三步：

用CATIA软件将处理的点云数据进行曲面重构。

第四步：

以重构的曲面为基础，用CTIA软件进行拉延模具的3D造型设计，并作出冲压加工动画。

第二章发动机罩外板点云数据采集及预处理

1.发动机罩外板点云数据的采集

1.1三维激光扫描仪介绍

近年来，随着传感技术、控制技术等相关技术的发展，出现了各种各样的样件表面数字化方法。

数据的采集方式主要有两种：

一是传统的接触式测量法，如三坐标测量仪、三维激光扫描仪等；二是非接触式测量法，如激光三角法、图像法、距离法等[12][13]。

三维激光扫描仪是指在三维可测的空间范围内，能够根据测头系统返回的点数据，通过三坐标的软件系统计算各类几何形状、尺寸等测量能力的仪器。

其工作原理是将被测零件放入它允许的测量空间，精确地测量出被测零表面的点在空间三个坐标位置的数值。

本次数据测量采用STINGER柔性臂三维激光扫描仪，轻便易操作，它具有测头自动识别和补偿功能，并且主轴可以无限旋转，能够检测到不容易达到的位置，并且避免臂身在旋转过程中突然停止带来的伤害。

三维激光扫描仪见图2-1。

图2-1三维激光扫描仪

1.2点云数据的获取

测量时，首先选择适当的位置放置三维激光扫描仪，并安装好三维扫描仪，保证发动机罩外板在测量范围之内。

将扫描仪连接电脑，并启动程序，然后旋转测头，将外板均匀扫描。

在扫描仪扫描外板的过程中，应当注意以下几个方面：

三维激光扫描仪和外板表面相对位置不可移动，测头与外板之间的距离要适当，以减少或避免出现不必要的噪声【14】。

2.数据点云的编辑处理

在取得发动机罩外板点云数据后，第一步工作是进行点云数据的编辑。

此项任务需要在CATIA数字曲面编辑器DigitizedShapeEditor模块当中进行。

数字曲面编辑器模块拥有强大的点数据预处理功能.通过对点数据进行剪切、合并，过浦、三角网格化等处理，以不丢失特征的前提将庞大的点云转换为部分点数据，点云经过三角闷格化处理后，工件的特征更容易观察，可以建立特征线提供给CATIA其他模块进行建模，也可直接进行NC加工。

本次课题的发动机罩外板点云数据编辑按以下步骤进行：

点云导入、点云过滤、点云修剪、建立三角网格、补洞等。

2.1点云导入

在CATIA（DSE）数字曲面编辑器中利用

CloudImport工具将三维扫描仪扫描得到的点云数据导入到CATIA软件之中。

此工具可以处理的点数据文件格式有CGO、ASCI、Atos、Iges及St1等。

2.2点云过滤

三维激光扫描仪对发动机罩外板进行扫描，由于人为的操作，往往会获得很大的点云数据，而其中包括大量冗余数据，这些数据对后面的曲面重构会带来困难。

因此，对扫描出的文件，需要在逆向工程软件中进一步按照一定的要求去除冗余的数据；同时一些对重构结果影响不大的数据点，也要相应地去除。

目前激光扫描技术在数据采集方面有了广泛的应用，但激光扫描侧里的点的数目是非常庞大的，如果直接对点云进行造型处理.将会造成文件过大，处理速度慢，既费时而且整个过程也变得难以控制，实际上并不是所有点的数据对模型重建都有用，因此，有必要在保证一定精度的前提下减少数据量，即在曲面变化缓慢的地方.点密度较稀疏，在曲率变化较大部分需要密集的取点，如此用来表现此曲面的点数量就会变少。

CATIA的过滤功能（Filter）可以达到这个目的[14]。

在CATIA软件的DigitizedShapeEditor（DSE）模块中，首先Import（导入）点云文件，选择Filter

选项，对点云数据进行稀释。

过滤多少必须适当，过滤过多的点云数据将使点云数据过少，不利于后面的逆向曲面重构，如果过滤太少将使点云数据过多，浪费计算机资源。

2.3点云修剪

稀释后的点云数据，由于在扫描中的各种原因，有一些多余的不必要的点云，与所需点云数据不在同一曲面上，如图2-2。

这时需要进行修剪，将不需要的点云数据删除，才可以进行后续的曲面重构任务。

因此，使用QSR模块中的Remove（删除点）

功能对其进行处理。

最终处理完成的点云，如图2-3。

图2-2多余的数据点

图2-3过滤和修剪完成的点云

2.4建立三角网格

将多余的发动机罩外板点云数据修剪完成后，需要用MeshCreation（建立网格）

工具，建立适当的三角网格，为以后完成曲面逆向重构打下基础。

建立三角网格完成后，将点云数据隐藏，形成三角网格。

2.5补洞

点云在进行铺面操作之后，可能会发现网格面上有破洞存在，如图2-4所示。

对于局部的一些小洞，增加Neighborhood数值效果不佳，而且会影响整个网格面的精度。

此时就必须利用FillHoles（孔填充）

功能将残缺的地方填补起来，以便进行后续的曲面重构。

孔填充时，首先设定补洞的间距规格，然后选择孔洞的边缘，此时将会出

现绿色边线（图2-5所示），点击确定，形成了边线范围内的多个连续的三角面片，如图2-6所示。

最后完成孔洞的填充，得到编辑完整的网格，如图2-7所示。

图2-4建立三角网格后出现的孔洞

图2-5孔洞编辑过程

图2-6孔洞修补完成

图2-7外板点云建立的三角网格

第三章汽车发动机罩外板的曲面重构

点云经过数字曲面编辑模块处理之后，可以在快速曲面重构（QuickSurfaceReconstruction,QSR）模块中进行快速而有效地构面，进一步缩短了产品开发的流程。

快速曲面重构模块拥有强大的曲面重构功能，包括建立自由边界，提取特征曲线，由双边边界重建自由曲面，辨识及重建几何曲面（平面、圆柱、圆球、圆锥等）。

CATIAV5创成式曲面外形设计GenerativeShapeDesign〔GSD）模块包括线框构造和曲面造型功能，它为用户提供了一系列应用广泛、功能强大、使用方便的工具集，以建立和修改用于复杂外形设计所需的各种曲面口同时，创成式曲面造型模块造型方法采用了基于特征的设计方法和全相关技术，在设计过程中能有效地捕捉设计念图，因此极大地提高了设计者的设计质量和效率，并为后续设计更改提供了强有力的技术支持。

通过创成式曲面造型模块与逆向工程设计的其他模块相结合，可以生成质量好的外形，也可以根据产品的结构特点及点云特征，运用此模块的强大的造型功能逐步建构出产品原型，并可以进行实时分析。

本次汽车发动机罩外板曲面逆向重构利用CATIA软件中的QuickSurfaceReconstruction（QSR）模块以及GenerativeShapeDesign（GSD）模块进行曲面重构,在逆向的过程中，（DSE）、（QSR）、（GSD）三个模块结合着运用，最终构造出理想的外板曲面。

1.CATIA的逆向曲面重构

一般而言，产品外形的CAD模型是由多张不同几何形状的曲面经过延伸、过渡、裁剪等处理混合而成，而每一种曲面都有其特性和生成方式。

因此，在应用逆向工程技术重构出产品的原CAU模型的过程中，单纯的使用某种曲面生成方法是无法完成晃个核型的重构，应该根据此产品外形的几何特性，选择适当的处理方法，方可较好地得到原产品的几何形状，以满足产品外形的几何特性。

可见，在曲面重建的过程中，了解一些曲面生成的方法及其数学原理.可以加快曲面重构的进程。

曲面造型分两种方法，一是由曲线构造曲面；二是由曲面派生曲面。

1.1由曲线构造曲面

由曲面构造曲面共有七种方法：

旋转曲面，一轮廓曲线绕某一轴线旋转某角度而生成的曲面；线性拉伸面，一曲线沿某一矢量方向拉伸一段距离而得到的曲面；直纹面，多条线沿某个方向（U或V）构成曲面；扫描面，截面发生曲线沿一条、一条或二条方向控制曲线运动、变化而生成的曲面；网格曲面，由一系列曲线构成的曲面；边界曲面，由四条曲线做边界创建一个封闭的曲面；填充曲而，在N条边界包围的区域填充形成的曲面。

1.2由曲面派生曲面

由曲面派生曲面共有八种方法：

等半径倒圆曲面，一定半径的圆弧段与两原始曲面相切，并沿着它们的交线方向运动而生成的圆弧形过渡面；变半径倒圆曲面，半径值按一定的规律变化的圆弧段与两原始曲面相切，并沿它们的交线方向运动而生成的圆弧形过渡面；等厚度偏移曲面，与原始曲面偏移一均匀厚度位的曲面；变厚度偏移曲面，在原始曲面的角点处，沿该点曲面法矢量方向偏移给定值而得到的曲面；混合曲面（桥接曲面），在两个〔或多个）分离曲面的指定边界线处，生成一个以指定边界为生成曲面的边界线，与所选周围原始曲面圆滑连接的中间曲面；延伸曲面，在曲面的指定边界线处，按曲面的原有趋势（或某一给定的矢量方向）进行给定条件的曲面扩展而生成的曲面；修剪曲面，把原始曲面的某一部分去掉而生成的曲面；拓扑连接曲面，把具有公共边界线的两个曲面进行拓扑相加后的曲面。

2.外板的曲面重构

重构是逆向设计的关键环节，它不仅要再现原有产品的设计思想，修复（或解决）山泥模型上存在的缺陷，而且要对车身外表面和内饰表面进行光顺处理。

曲面重构前应对模型分析，将曲面划分为几个特征区，以确定曲面重构方法并选用相关工具。

外板应该结合运用以上两种曲面重构方法。

汽车发动机罩外板具有对称结构，因此只需要逆出外板的一般曲面即可，再利用镜像功能做出另一半。

由于汽车发动机罩外板曲面面积较大，因此可以利用CATIA（QSR）逆向曲面重建模块中的启动选项

把外板分成若干块进行逆向，例如外板的前角端（图3-1所示）。

图3-1启动外板的一部分点云

沿着外板的边缘用3DCurve（3D曲线）工具

画出外板的轮廓，图3-2所示。

图3-2外板轮廓

运用CATIA逆向点云编辑（DSE）模块中的

PlanarSections将外板三角网格砍断面线，得到断面线，图3-3所示。

图3-3砍断面线

然后利用逆向曲面重构（QSR）模块中的3D曲线功能沿着断面线绘制出3D曲线。

在创成试外形设计（GSD）模块中的扫掠

、填充

、桥接

等命令做出外板的一半曲面，图3-4所示。

图3-4逆向出外板的一半曲面

接着用创成式外形设计（GSD）模块中的对称

命令做出另一半曲面，最后用本模块中的结合

命令将合成一整个曲面，最终完成了曲面的逆向，如图3-5所示。

图3-5外板曲面

第四章汽车发动机罩外板拉延模设计

汽车发动机点云数据在经过CATIA曲面重构以后，得到三维曲面。

要生产制造，需要进行模具设计。

本文主要针对汽车覆盖件拉深进行研究。

1.拉延模具概述

汽车覆盖件的形状复杂、尺寸大，因此一般不可能在一道冲压工序中直接获得。

覆盖件冲压的基本工序有：

落料、拉延、整形（也称校形）、修边、翻边和冲孔等。

其中，拉延工序是覆盖件冲压的关键工序，覆盖件的形状大部分是在拉延工序形成的。

在进行覆盖件的拉深工艺设计时，应遵循以下的设计原则[15]：

一次拉深成形、布置拉延筋（槛）、拉伸件局部形状的修改、工艺孔与工艺切口的设置、拉深工序中的冲孔、毛坯状态、有利于后工序加工。

对汽车覆盖件成形来说，由于形状复杂，二次拉伸的变形几乎是无法控制的，即使能用二次拉伸，覆盖件表面质量也得不到保证。

因此，应尽可能用一道拉深工序成形出覆盖件形状。

对大多数覆盖件的拉深成形都需要设置拉延筋。

特别是表面较为平坦的覆盖件拉深成形时，其主要变形方式为胀形变形，必须设置适当的拉延筋、拉延槛，以调整各部位的材料变形流动状况在覆盖件主要结构面上，往往有急剧的凹凸折曲和较深的鼓包等局部形状。

为满足合理拉深成形条件的要求，在制定拉深工艺时，可以对拉深件的形状进行局部的修改，通过加大过渡区域和过渡圆角，改善材料的流动和补充条件。

对一些拉深深度较深或胀形变形较大、容易产生破裂的部位，若正好存在内工艺补充部分，则应在拉深工序中考虑增加工艺孔或工艺切口来改变毛坯的变形程度，消除破裂因素。

覆盖件上的孔一般应在零件