汽车车身开发与模具制造新探讨

　　本文探讨研究了汽车车身开发与模具制造相关内容。

　　摘要：本文使用英国 DELCAM 公司产品 Power solution 从局部逆向技术、在完全造型系统中进行特征装配的概念车身设计、油泥模型制造及复合材料快速车型制造创新概念、数控机床在线检测体系在模具快速制造中的应用、 DELCAM 公司产品 Power solution 在汽车 2MM 工程中的应用进行阐述等，限于约稿较为仓促，部分内容将不能展开。

　　关键词：局部逆向、特征装配、复合材料、在线检测、 Total Modelling 、 PowerMILL 、 2MM 工程、自适应加工。

　　现在国内各大汽车厂商都在组建自己的汽车研究设计中心，大专院校进行汽车设计的研究取得了许多重大成果，部分海外归来人士也在组建汽车设计中心，迅速崛起的私有企业团体也在组建自己的汽车研究中心，车身设计在中国呈现出巨大的技术、设备、人才缺口，另外观念和概念也是众多栖身该行业的人事非常关注的话题，本文从几个新的思路来探讨车身设计的众多方向的不同解决方案。

　　一、 局部逆向技术

　　国内车身设计现阶段仍然大量采用逆向工程手段完成，逆向工程众所周知是一个多学科的工程概念，工作量巨大，严重影响整车开发周期，传统逆向工程由于工程软件或其他技术制约，很难对中间 STL 模型进行处理，例如编辑修改，全局变形处理等，而需要把整个模型生成曲面模型，工作量繁重，例如对车型的局部修改，也非常困难，局部逆向是在此基础上提出的一个新的概念，掌握局部逆向工程的设计思路和应用手段，对新产品开发提供更强、更高的设计能力和设计手段。以下是对逆向工程的一个描述。

传统方式的逆向工程

　　局部逆向和传统方式有较大区别的处理方式，避免全部处理点云到 NURBS 曲面的烦琐过程，能够节约 90% 的工作时间，因为 COPYCAD 可以直接修改由点云生成的 STL 模型，例如;光顺、部分修改以及最为重要的对同时存在 STL 模型和曲面模型的数控编程，对局部需要修改的模型也能够快速处理，生成直接制造的 NC 代码，用于 NC 机床的加工，下图对描述了一个局部逆向的一个简单流程，首先快速从点云生成 STL 模型，然后对需要修改的局部，如图示的在某个局部增加两条加强筋，然后可以把混合模型直接用于模具制造。

　　该方法在汽车车身设计过程中同样可以得到广泛应用，在 COPYCAD 中可以使用 STL 造型工具生成部分需要的特征，并和原有 STL 模型进行布尔运算操作，例如我们从外部读入一个车灯的造型，可以放置到合适的部位进行布尔运算等

　　值得一提的是 COPYCAD 可以进行模仿变形操作( Morphing )，可以改变你的模型到需要的形状，例如一个车门的 STL 模型，和理想的门框重合线不能达到要求，那么你可以选定需要变形的部分，再选中需要变形到的轮廓，全局变形将在很短的时间内完成，达到我们的要求，以下图例是对该功能的一个简单描述，首先是一个柱状产品，由于设计需要对口部的两种 Morphing 操作。

　　从以上描述可以看出，局部逆向不仅仅是不进行完整的曲面造型，配合其工作的 STL 光顺功能、 STL 布尔运算功能、 STL 的模仿变形( Morphing )功能，使用局部逆向技术可以在车型逆向初期，就可以在电脑屏幕上看到你的预期修改车型局部部位使用支持“混合模型”编程系统，对混合模型编程直接生成 NC 代码的功能用于数控加工等，都是进行局部逆向必备条件， PowerMILL 能够很好的支持混合模型的编程并生成高质量的 NC 代码。就可以制造出 1/16 或其他规格的模型。

　　二、完全造型系统中进行特征装配的概念车身设计

　　在汽车研究单位、车身设计企业、逆向工程企业、汽车覆盖件制造企业，大家都有一个共同的愿望，历史资源的使用，车身数据库的积累及重复使用，看到理想的设计要融合到新的车型设计中，那么，下面谈到的内容主要在这些方面展开论述。

　　论述该命题之前首先提出一个概念是完整造型系统( Total Modelling )，完整造型就是在同一个环境中使用 Delcam 的全部造型能力 (PowerSHAPE/CopyCAD/ArtCAM) 来创建和管理模型独特的模型是由实体模型、曲面模型和作为裁减特征的 Triangle 模型结合而成的;在 ArtCAM 或 CopyCAD 中创建的 Triangle 图元，包括在 PowerSHAPE 的实体树形结构中。同时可以通过 DELCAM 公司的数据输入软件 PS-Excheng 来直接输入 CATIA 、 UG 、 PRO/E 等软件的 PART 模型，充分利用车型设计公司已有的能力和资源。

　　我们从使用 Delcam 公司产品进行车型设计的英国 Lotus 车型设计案例展开论述， Lotus 品牌是英国绅士柯林 · 查普曼的杰作，英国 Lotus 是早期一级方程式冠军车队、著名的工业造型设计公司，在汽车行业及工业制造行业久负盛名。

　　首先我们看到的是 Lotus 一款车型的设计模型图片，这款车是基于一系列 Lotus 公司的众多车型的特点完成的新的概念车型设计。该车型是选取了众多的设计方案，并采用完整造型技术在计算机上虚拟出不同形态的侧板，4个可选方案其中有该公司自己的历史车型同时也包含其他创意，此方案应用到 Delcam 公司的完整造型系统，把其中的多个侧面板可以以逆向得到的 STL 模型，作为装配特征应用。

　　在基础车型上，反复替换，这些特征可多次重复利用，反复替换，直到设计者的意图得到充分的发挥和表现，下面会以前脸的3个方案在 PowerSHAPE 中的具体操作进行阐述

　　软件首先通过逆向或其他方式获得基础车型，当然也可以采用 PowerSHAPE 的模仿变形功能或 CopyCAD 的逆向或局部逆向获得，然后在基础车型上进行操作。

　　第一步，首先从选中要装备特征的区域，然后启动 PowerSHAPE 的几何特征设计模块中的 (Embossing) 功能，从外部读入要加入的特征，此特征和我们传统设计的装配有完全不同的概念，传统的装配仅仅是把一模型调入，然后装配的正确的位置，通常都是要使用到点、线、孔、平面等特征，而 PowerSHAPE 的几何特征设计 (Embossing) 是把基础模型作为一个整体，并和该模型融合为一个整体，而装配的特征不具备点、线、孔、平面等装配基准，而是如图所示，圈点的部分是从外部读入的STL模型，然后调整该特征的位置。

　　第二步，对模型进行几何特征设计 (Embossing) 计算，这样我们就粘贴了一个 3d 的特征在需要的形体上，并可以随时进行位置、大小等编辑调整如图示

　　第三步，适时替换不同的设计概念和特征并可以进行渲染等操作。

　　第四步，计算获得新的结果。

　　那么同理对后保险杠的概念设计也可以轻松完成。

　　上述是关于特征装配式车型设计的一般流程的简单描述，这里对完整造型系统做一个基本的总结总结，完整造型有那些好处呢?

　　1 )完整造型集成了所有的造型设计方法，方便设计者使用;

　　2 )可进行完整设计，无需考虑是从新创意、 2D 草图或已有设计开始进行，没有任何限制;

　　3 )设计者可以更容易地合并各种不同的设计方法，并可以很快看到变化的结果;

　　4 )设计的图元可以包裹在实体模型上，并可以使用模仿变形技术进行调整，减少了重新建模的时间;

　　5 )完整造型能力保障了在短时间内进行创新设计的需求。

　　三、油泥模型制造及复合材料快速车型制造创新概念

　　通常开发一个新的零部件，第一阶段是获取原始数据，这些数据可以采用不同的方法生成，包括使用 PowerSHAPE, 通过这些数据生成浇注树脂复合材料的模具，制成标准样品，并初装在汽车上，确保设计上不存在问题，仅当一切检查无误后，或参加概念车发布会公认，然后才正式生产模具。

　　DELCAM 软件组成的独特复合设计制造系统，帮助澳大利亚的 UP Industries 公司取得了巨大的成功，成功的向福特 Falcon AU 车型的部分概念设计， 公司董事 Schell 先生曾给 DELCAM 的完全解决方案十分高的评价：“引进DELCAM系列软件后，公司的设计和加工能力得到极大的提高，使工程师的设计理念得到充分的发挥，同时使用 PowerMILL 加工，使我们的机床性能得到很大的提高，缩短了交货期，DELCAM软件在极短的交货时间内完成任务”　 下面我们使用一个可行的案例来进行说明：

　　一个完整的车型设计，如果要制造出全套的模具，那将耗费大量的时间，我们可以考虑采用新的方法来进行，对覆盖件的制造采用复合材料模具来完成，模具可以采用泡沫材料或代木材料完成。 PowerMILL 的五轴电热丝切割功能在这些材料加工中有巨大的用武之地，加工可以整块快速的切割掉多余材料，迅速得到仅有很少余量的毛坯，使进一步的加工可以迅速完成，使用 PowerMILL 的五轴、五轴自动避让技术可以快速对这些加工部件进行编程，生成五轴加工机床的加工代码，并自动生成指导生产的工艺表格。

　　五轴编程工作做完后，进一步的工作需要下面三个过程，首先是加工泡沫材料或代木的基本模型，然后采用编写好的五轴涂抹复合材料的程序，完成复合材料的涂抹，均匀涂抹的复合材料根据工艺要求存在一定的再加工余量，进一步的工作是要切削这些材料到要求的尺寸，这样去掉作为模具坯料的泡沫材料，就可以得到我们概念设计的产品样品

　　使用上述方法可以在极短的时间内完成根据设计数据生成浇注树脂复合材料产品，通过如下图机器人五轴切边打孔处理，就可以制成标准样品，并安装在汽车上进行分析或展示。

　　此方法无疑在快速制作概念车型的过程，包括车模制造中有绝对的优势，但对五轴 CAM 软件同样提出了更高的要求，全程无过切、安全的真实机床碰撞防护技术、处理刀夹系统和工件间干涉的自动避让技术、支持包含 STL 模型的五轴编程技术，作为新的 CAM 新技术能够在概念车型快速制造中起到巨大的作用。

　　对整车模型的制造，在车身设计中有巨大的工作量，从 1/16 、 1/8 、 1/4 等修改制作过程，都要求快速制造出不同比例的车模，做相应的实验和修改参考，对五轴编程响应的快速性，有较高的需求，同时做车型设计的人员，对加工工艺、编程工艺、刀具工艺等知识相对较弱，要求软件要安全、易学易用，当然 PowerMILL 作为一个专业的 CAM 软件能够满足需求，下图是在 PowerMILL 工作环境中真实机床仿真过程中截取的图片及使用及加工过程演示。

　　使用 PowerMILL 的五轴、五轴自动避让技术来完成整体车模的五轴编程和加工，为使读者对整车加工的工艺过程有一个详细的了解，使用英国 Lotus 某个车型的完整加工过程展示出来。

　　四、 数控机床在线检测( OMV )体系在模具快速制造中的应用

　　在数控机床上加装测头，就能够使使一台数控加工设备具备了三坐标检测能力。这不仅能够减少工件在反复装夹过程中出现的误差，同时由于大部分检测工作在机床上完成，减少了工件的搬运和装卡时间，显著提高了生产效率，企业也不需要再投入资金购买更多的检测设备。 DELCAM 公司与计量设备商雷尼绍( RENISHAW )公司合作，提供完整的在机检测解决方案。

　　在汽车覆盖件模具制造环节，可以在模具制造过程中进行在线模具检测，确保零件达到设备经济精度，同时可以考虑在切边模具制造过程中，购置激光淬火系统，在进行模具制造检测达到要求的基础上，进行切口的激光淬火处理，最大限度的减少自由工作的工作量。

　　另外对大型模具，超过 20T 重的零件，如果在质量控制部门发现错误，需要花费大量的时间进行搬运和找正等工作，重复加工出错的可能性很大，这样的应用 OMV 显然具有很大的意义， DELCAM 的检测系统的主要优势是数模对比功能，可以实时显示实际加工结果和设计模型的误差，其在汽车模具和零部件生产中作为制造过程控制的首选。

　　自适应加工是基于 DELCAM 完整解决方案的一套集数控编程、质量检测、工件自由定位找正等的一套完整解决方案，限于篇幅这里不做更多的论述。

　　五、 DELCAM PowerSolution 产品在汽车 2MM 工程中的应用方案和技术

　　产生车身匹配误差超差的基本原因，有关资料统计指出，产品设计、焊装夹具调整、零部件车身坐标系制造三方面，焊接变形随着现代焊接技术的提高，被逐步上升到零部件制造方面，这里以汽车主要部件汽车外覆盖件为例说明。

　　首先、追溯到产品设计阶段、覆盖件模具制造阶段、冲压成型阶段，在这些阶段产生的误差可以分析为以下几个方面，首先，是通常的覆盖件设计没有过多考虑回弹变形等因素，往往采用整车设计分拆后的 CAD 模型为基础，直接制造模具，那么使用此模具生产的覆盖件，就存在较多的问题，处理这样的问题，成为业界关注的一项主要内容，汽车企业实施 2MM 工程过程中，车身的设计工艺基准性、制造工艺基准、检测工艺基准，很多汽车公司通过车身数据化制定了全部零件的参考点定位系统 (RPS), 并以这些数据为基础 , 通过模具和夹具的调整来提高车身匹配精度，那么要制造考虑变形因素的 CAD 模型进行模具制造或模具修复，例如下图看到的模型要改变模型由线 2 的位置到线 1 的位置，对模型进行整体变形，才能使制造的模具完成的冲压部件满足需求，那么在前面提到过的 PowerSHAPE 拥有模仿变形的功能，可以方便的控制模型整体产生变形，无须重新设计 CAD ，但这里提到的变形曲线，需要通过实际测量已有误差部件得到，使用调整过的曲面进行模具制造才能达到实际要求。

　　第二、焊接夹具，如何获取焊装夹具的调整参数，也是众多企业面临的问题，大多数企业根据工程师的经验进行调整等， DELCAM 公司的检测产品 PowerINSPECT 有相关功能能够方便的获得相关参数，在线进行检测，直接采用参考点定位系统 (RPS) 检测焊装夹具为主要手段，也可以把工件放置到夹具上测量工件。

　　第三、零部件制造环节的整车参考点定位系统 (RPS) ，严格执行整车坐标系同意检测原则，通过 SPC 分析功能控制零件的公差趋势并及时调整，在整车装配过程中将会最大限度的降低车身匹配误差。

　　六、小结

　　本文从车身设计的真个过程出发从逆向和局部逆向技术对逆向环节做了陈述，提到的逆向工程软件支持 STL 的特征装配和布尔运算体系，完整造型系统( Total Modelling) 特征装配式车身设计新概念，通过详实的案例进行分析讲解，对 PowerMILL 的高级五轴加工技术通过五轴自动避让的功能快速完成车模的加工，以及复合材料汽车零部件制造工艺，以期快速完成车型制造和样车参展等 , 另外从汽车 2MM 工程中的部分应用进行了应用分析，不当之处请大家批评指正，文中使用的支持软件是英国 DECAM 公司的产品，同时感谢使用该软件一汽模具中心、安徽福臻、保定长城汽车、重庆长安模具、北京比亚迪、上海美唐、成飞集成科技、上海延峰伟世通等应用 DELCAM 系列产品的工程师的大力支持，同时希望能在我国的车身设计和覆盖件制造领域有更多的合作机会。