程彩霞 馬利華 黃河交通學(xué)院 河南焦作 454950

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分析數(shù)字化技術(shù)在汽車設(shè)計制造中的應(yīng)用

程彩霞 馬利華 黃河交通學(xué)院 河南焦作 454950

【文章摘要】

時代的快速發(fā)展，使得汽車的社會需求量也大大提高，人們對于汽車產(chǎn)品的質(zhì)量以及汽車產(chǎn)品的更新的速度也有更高的要求。為滿足社會的需要及人們的需要，汽車制造企業(yè)必須想辦法提升汽車產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率以及加快產(chǎn)品更新速度。這樣，企業(yè)才能在激烈的市場競爭中具有較強(qiáng)的競爭力。數(shù)字化技術(shù)的誕生為汽車制造的發(fā)展創(chuàng)造了一個有利條件，使這一切成為現(xiàn)實(shí)。本文詳細(xì)介紹了數(shù)字化技術(shù)的概念，以及數(shù)字化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，分析了數(shù)字化技術(shù)在汽車設(shè)計制造中的應(yīng)用，包括了拉延模及拉延面等方面的設(shè)計，并且提出了汽車制造采用數(shù)字化技術(shù)所存在的優(yōu)勢。

【關(guān)鍵詞】

數(shù)字化技術(shù)；汽車設(shè)計；制造；應(yīng)用

最近幾年，隨著汽車制造業(yè)的快速發(fā)展，其市場競爭也越來越激烈，為了提高市場競爭力，企業(yè)必須加快新產(chǎn)品推出的速度。企業(yè)需要降低汽車生產(chǎn)成本，同時提高汽車生產(chǎn)的效率，并且要保證汽車的性能。在這個背景下，數(shù)字化汽車制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字化技術(shù)是先進(jìn)的、科學(xué)的以及系統(tǒng)的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。數(shù)字化技術(shù)在汽車制造的各個環(huán)節(jié)的應(yīng)用較為廣泛，較大程度上提高了產(chǎn)品生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，在汽車制造企業(yè)的發(fā)展過程中起到了重要而又積極的作用。

1 數(shù)字化技術(shù)的概念

二十一世紀(jì)，人們已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字化時代，數(shù)字化技術(shù)也使人們生活的各個方面發(fā)生翻天覆地的變化。關(guān)于數(shù)字化技術(shù)，其是指借助于計算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫以及多媒體等先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的需要，快速進(jìn)行相關(guān)信息的獲取，對產(chǎn)品各方面的信息進(jìn)行處理，以此來完成產(chǎn)品外觀及結(jié)構(gòu)的設(shè)計、性能的模擬以及生產(chǎn)制造，從而較快地制造出能滿足客戶需要的產(chǎn)品。

計算機(jī)的快速發(fā)展和相關(guān)計算機(jī)軟件的大量研發(fā)，促進(jìn)了計算機(jī)輔助設(shè)計（）系統(tǒng)的誕生。系統(tǒng)的最重要的部分是數(shù)據(jù)庫，其采用的軟件為交互圖形系統(tǒng)，其具有較強(qiáng)的計算和數(shù)據(jù)分析能力。系統(tǒng)對于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以在二維或者三維的空間里進(jìn)行，具有較高的準(zhǔn)確度，系統(tǒng)的應(yīng)用使產(chǎn)品的生產(chǎn)效率與質(zhì)量得到了較大程度上的提高，系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床及數(shù)控技術(shù)等一起為機(jī)械制造業(yè)中數(shù)字化的廣泛使用創(chuàng)造了有利條件。

2 數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)的理論依據(jù)

數(shù)字化制造相比傳統(tǒng)制造具有較大的優(yōu)勢：數(shù)字化技術(shù)能夠系統(tǒng)地、獨(dú)立地、靈活地對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計和制造，制造參數(shù)的數(shù)字化是其本質(zhì)特征。其中，數(shù)字化技術(shù)最典型的特點(diǎn)是其具有分散性、獨(dú)立性，能夠?qū)?fù)雜的、不明確的相關(guān)信息進(jìn)行具體化、詳細(xì)化，并以數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行代替。并且，計算機(jī)制造學(xué)是數(shù)字化制造中的基本理論。

所謂計算機(jī)制造學(xué)，是指在建立各種設(shè)計模型的基礎(chǔ)上，采用計算機(jī)對其幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，其中包括計算機(jī)智能運(yùn)算的使用。通過計算機(jī)計算，將制造所需要的具體信息例如振動、聲波以及力學(xué)等計算出來，再建立設(shè)計模型，對設(shè)計模型進(jìn)行調(diào)整和修正。模型中的一系列信息用具體的數(shù)字進(jìn)行表示，從而使模型變成包含大量數(shù)據(jù)信息的“系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計制造時的精確性、靈活性和合理性。

計算機(jī)制造學(xué)涉及多方面的理論，其中計算機(jī)幾何數(shù)據(jù)融合理論是其最關(guān)鍵的部分。計算機(jī)幾何和組合幾何、代數(shù)幾何等都是解決制造中的幾何問題的重要辦法，而且均對產(chǎn)品制造中困難的處理起到了較大的作用。幾何模型、空間計算、計算機(jī)模擬等都是其理論結(jié)構(gòu)，其中包含了數(shù)據(jù)和信息融合的過程。信息和數(shù)據(jù)的融合實(shí)際上是對諸多信息進(jìn)行整理合并，其處理的順序應(yīng)由低至高進(jìn)行，在低層往高層遞增的過程中，其信息抽象性也逐步增強(qiáng)。數(shù)字化技術(shù)中數(shù)據(jù)融合的辦法包括信息互補(bǔ)以及傳感器信息的傳輸。信息互補(bǔ)能夠?qū)F(xiàn)有的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)行優(yōu)勝劣汰的選擇，最終確定最為合理的產(chǎn)品設(shè)計方案。

3 數(shù)字化技術(shù)在汽車設(shè)計中的應(yīng)用

就目前而言，在新產(chǎn)品的開發(fā)過程中，逆向工程技術(shù)是其中各種先進(jìn)技術(shù)中的關(guān)鍵，在汽車、家用電器、飛機(jī)、摩托車等新產(chǎn)品的研發(fā)中被廣泛應(yīng)用，其能夠?qū)⑵渌夹g(shù)進(jìn)行有效結(jié)合以及利用。新產(chǎn)品的快速設(shè)計及生產(chǎn)離不開逆向工程技術(shù)的應(yīng)用。

逆向工程技術(shù)被普遍被應(yīng)用于原有產(chǎn)品的快速改造或者快速仿制中，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速更新，簡單來說，逆向工程技術(shù)的設(shè)計是反向進(jìn)行的，其根據(jù)該技術(shù)獲取到的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，制作出一張具有抽象性的自由曲面，接著利用曲面反求軟件對其進(jìn)行反求設(shè)計，然后把其引入或者等實(shí)體化設(shè)計軟件中，進(jìn)行相關(guān)設(shè)計。需要注意的是，逆向工程技術(shù)對于激光快速成型制造的影響越來越明顯，其起到的作用越來越大。

除此之外，在開發(fā)新產(chǎn)品時，產(chǎn)品設(shè)計師一般會憑借自己的想象及構(gòu)思來設(shè)計汽車產(chǎn)品原型，而且往往采用油泥塑造的方式，制造出理想的汽車模型。之后，利用三坐標(biāo)測量機(jī)，獲取汽車模型的三維數(shù)據(jù)信息。其中，三坐標(biāo)測量機(jī)分為兩種，其分別是非接觸式及接觸式。非接觸式相比接觸式具有一定的優(yōu)勢，比如其使用范圍廣、測量的速度快，在汽車模型設(shè)計中的應(yīng)用更為廣泛。本文針對的汽車的車身三維數(shù)據(jù)的獲取就是利用非接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)完成的。因為獲取的數(shù)據(jù)都必定會將噪聲點(diǎn)帶入，尤其是位于尖角及邊沿周邊的位置的噪聲點(diǎn)比較突出，并且通過激光掃描得到的大量數(shù)據(jù)信息也會對曲面重建的算法造成嚴(yán)重的影響，于是一定要處理其相關(guān)數(shù)據(jù)。因為大多數(shù)測量系統(tǒng)的軟件自帶對點(diǎn)云進(jìn)行初步處理的功能，其中包括對異常數(shù)據(jù)及噪聲數(shù)據(jù)的處理，以及還包括對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、補(bǔ)充遺點(diǎn)、使其三角面片化等。所以，為滿足設(shè)計的需要，可以對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化處理，然后進(jìn)行相關(guān)操作，比如變換坐標(biāo)及獲取截面等。

4 數(shù)字化技術(shù)在汽車覆蓋件模具設(shè)計中的應(yīng)用

數(shù)字化技術(shù)在汽車覆蓋件模具設(shè)計中也得到了較為有效的應(yīng)用。拉延模型的設(shè)計，是基于覆蓋件產(chǎn)品的三維模型上進(jìn)行，對其邊界進(jìn)行創(chuàng)造性設(shè)計。其凹模圓角、工藝補(bǔ)充面、拉延筋、壓料面的設(shè)計均可以在數(shù)字化軟件平臺上進(jìn)行。壓料面、工藝補(bǔ)充面、拉延筋和覆蓋件產(chǎn)品模型一起，組成了一個完整的拉延模型面幾何模型。

4.1拉延模型面的設(shè)計

設(shè)計工藝補(bǔ)充面時，沖壓方面的確定是第一步，盡可能保證各個部位具有相似的拉延深度，方便其拉延成形。設(shè)計壓料面采用了三種方法，其分別是邊界法、掃描法和延展法。拉延筋的設(shè)計步驟如下所示：第一、制作類似半圓弧的二維特征曲線；第二、通過掃描生成拉延筋曲面；第三、旋轉(zhuǎn)圓角將拉延筋和兩邊的光滑曲面相連接。按照實(shí)際需求選擇拉延筋尺寸的大小。進(jìn)行凹模圓角的設(shè)計應(yīng)按以下步驟進(jìn)行：在工藝延伸面和壓料面的相交線位置進(jìn)行倒圓角變尺寸的處理，并且應(yīng)該根據(jù)其金屬流動性進(jìn)行圓角大小的取值。

4.2拉延模結(jié)構(gòu)的設(shè)計

拉延模結(jié)構(gòu)的設(shè)計包括凹模、凸模和壓邊圈三大方面的內(nèi)容。并且拉延模其三大方面的設(shè)計高度需要根據(jù)壓力機(jī)的特點(diǎn)而定。以下是凹模設(shè)計的基本步驟：第一、創(chuàng)建凹模二維特征輪廓的曲線；第二、進(jìn)行拉伸操作制造出實(shí)體，利用拉延模型除去多余的部分；第三、在以上基礎(chǔ)上，進(jìn)行布爾計算，對其局部特征進(jìn)行細(xì)致處理，例如建凸臺、挖孔、建導(dǎo)柱、增加肋板等；第四、進(jìn)行倒角操作，制造出凹模、凸模以及壓邊圈；第五、進(jìn)行墊塊、頂桿、擋料銷等零件的設(shè)計。

5 數(shù)字化技術(shù)在汽車模具制造中的應(yīng)用

汽車自動化制造業(yè)也普遍采用了數(shù)字化技術(shù)，其不僅能夠?qū)δ＞哌M(jìn)行動態(tài)仿真、展示加工的具體步驟，也能馬上進(jìn)行改變，其不但提高了模具設(shè)計和制造的效率，而且使復(fù)雜曲面的加工精度得到提升。

5.1工件和刀具的設(shè)置

將上文所提到的汽車覆蓋件模具以統(tǒng)一的格式進(jìn)行保存，并將其引入到數(shù)字化設(shè)計軟件中，對工件毛坯、原材料及原點(diǎn)等進(jìn)行加工。打開工件設(shè)置選項，對工件進(jìn)行設(shè)置，對毛坯尺寸的外形進(jìn)行設(shè)定以及創(chuàng)建加工坐標(biāo)系，之后調(diào)整其刀具號、下刀量以及冷卻量等相關(guān)參數(shù)，還應(yīng)整理、檢查刀具名稱以及相關(guān)刀具材料。

5.2NC刀具軌跡的生成

在數(shù)字化設(shè)計軟件中的走刀模式有許多種。按照模具的特征，適合采用平行切法，其不但能夠保證加工的質(zhì)量，沒有較長的代碼，而且能縮短加工的時間。完成以上程序后，系統(tǒng)會立刻將刀具軌跡制作出來，接著把刀具以刀位點(diǎn)的形式進(jìn)行離散，操作完成后進(jìn)行數(shù)控程序的加工。而且，需引起重視的是：假如數(shù)控加工采用的球頭銑刀的半徑比曲面的曲率半徑更大，就會造成過切的狀況。此外還需注意的是，刀具的半徑如果比刀位點(diǎn)到曲面的距離更大，在操作過程中也會造成誤差，比如過切，需要重新調(diào)整相關(guān)參數(shù)進(jìn)行加工。已經(jīng)產(chǎn)生過切的位置可以采用一些方法進(jìn)行處理，比如繞行或者抬刀。之后利用程序進(jìn)行加工，借助坐標(biāo)變換的方法使模具下模的坐標(biāo)系與機(jī)床的坐標(biāo)系相吻合，才能實(shí)現(xiàn)模具的初步加工。

5.3生成后置處理代碼

通過軟件的公用管理模塊進(jìn)行加工報表的制定，報表的制定需要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的換刀指令、坐標(biāo)系、刀具說明等具體信息來定，在使用前還需做進(jìn)一步的檢查與修改。

6 結(jié)語

采用先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)投入到汽車的設(shè)計及制造中，能夠較大程度上節(jié)約汽車的設(shè)計、調(diào)試、制造等方面的時間，并且也能使汽車的生產(chǎn)成本降低。通過數(shù)字化技術(shù)，可以使汽車的質(zhì)量及安全性得到保障，同時提高汽車制造多方面的要素，包括質(zhì)量、精度和效率，有利于企業(yè)及汽車行業(yè)的快速發(fā)展。

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程彩霞，女（1982.3—），漢族，河南焦作人，本科，助教，研究方向：機(jī)械設(shè)計與自動化，汽車設(shè)計與制造

馬利華，女（1982.10.19-），漢族，河南鄭州人，本科，助教，研究方向:車輛工程汽車設(shè)計制造與維修

【作者簡介】