武振鋒，盧 鑫，蔣永琪

（蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070）

制造軟件

SUV汽車后尾燈處多曲面拼接質(zhì)量分析

武振鋒，盧 鑫，蔣永琪

（蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070）

在分析SUV汽車后尾燈處多曲面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用CATIA V5軟件，分別完成了汽車尾燈、后背門、側(cè)圍以及后包角的三維模型設(shè)計(jì)。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果，分別采用等照度線、多截面曲率梳以及高光線等曲面可視化分析工具，對(duì)汽車尾燈處的多曲面拼接質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明SUV汽車后尾燈處的曲面拼接質(zhì)量均達(dá)到了曲率連續(xù)的要求，研究?jī)?nèi)容可為后續(xù)汽車尾部零部件注塑模具以及鈑金模具的設(shè)計(jì)與制造提供可靠的理論依據(jù)。

SUV汽車；后尾燈；曲面拼接；質(zhì)量分析

0 引言

SUV（Sport Utility Vehicle）指運(yùn)動(dòng)型多用途汽車，通常是以轎車平臺(tái)為基礎(chǔ)，在一定程度上既具有轎車的舒適性，又具有一定越野性的車型。SUV型汽車因具有動(dòng)力強(qiáng)、乘坐舒適以及價(jià)位寬泛等特點(diǎn)，目前已經(jīng)成為最受消費(fèi)者歡迎的主要車款之一[1]。SUV汽車的后尾燈通常是由轉(zhuǎn)向燈、剎車燈、倒車燈以及霧燈所組成的光效良好的LED燈組，可以起到提示的作用，提示后車此時(shí)前車的行進(jìn)狀態(tài)，有利于避免發(fā)生行車意外。

在SUV汽車車身曲面外覆蓋件的設(shè)計(jì)過程中，不僅要滿足光順性、連續(xù)性以及準(zhǔn)確性的基本要求，同時(shí)也要體現(xiàn)設(shè)計(jì)師的思想和美學(xué)理念。因此，SUV車身曲面的質(zhì)量分析已經(jīng)成為車身設(shè)計(jì)過程的重要環(huán)節(jié)。后尾燈不僅是SUV汽車典型的曲面外覆蓋件，而且需要與后背門、后包角以及側(cè)圍相互配合，以形成光順質(zhì)量良好的汽車尾部曲面。

近年來，研究人員對(duì)汽車車身外覆蓋件的研究主要集中在整車建模[2]、主要部件，包括引擎蓋、車門、保險(xiǎn)杠[3～5]等的三維模型設(shè)計(jì)與質(zhì)量評(píng)價(jià)以及逆向設(shè)計(jì)方法在車身設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用等[6]，而針對(duì)SUV汽車后尾燈處多曲面拼接質(zhì)量分析的文獻(xiàn)相對(duì)較少。本文采用CATIA V5軟件，完成了SUV汽車后尾燈處多個(gè)曲面部件的三維設(shè)計(jì)，并對(duì)多曲面之間的拼接質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，進(jìn)而可為后續(xù)的車身尾部零部件制造提供可靠的理論依據(jù)。

1 建模坐標(biāo)系

參照《乘用車尺寸代碼》（GB/T19234-2003）中的相關(guān)規(guī)定，建立如圖1所示的建模坐標(biāo)系，其中X和Y基準(zhǔn)平面均為豎直方向，X面通過車輛前輪輪軸的中心，Y面通過車輛縱向中心；Z基準(zhǔn)平面為通過車輪底部切點(diǎn)的水平面。

圖1 建模坐標(biāo)系

2 尾燈處多曲面模型設(shè)計(jì)

SUV汽車尾燈處主要涉及到后背門、側(cè)圍、尾燈以及后包角等曲面，以上曲面外覆蓋件不僅具有復(fù)雜的外部形狀，而且也要求具有嚴(yán)格的裝配關(guān)系。為了體現(xiàn)SUV汽車的整體視覺美感，要求側(cè)圍與后背門之間呈現(xiàn)自然流暢的過渡，即采用光順質(zhì)量較高的后尾燈曲面和后包角曲面來代替棱角明顯的轉(zhuǎn)折線，進(jìn)而形成圓滑流暢的汽車尾部外形。因后背門、側(cè)圍、尾燈以及后包角曲面的都是采用空間多點(diǎn)創(chuàng)建曲線，多線掃掠創(chuàng)建曲面的設(shè)計(jì)過程，所以現(xiàn)只著重介紹后背門曲面的設(shè)計(jì)過程，而其余曲面的設(shè)計(jì)過程與后背門均有相似之處，不再一一說明。

2.1 創(chuàng)建空間曲線

因后背門具有高度的對(duì)稱性，同時(shí)也為了便于進(jìn)行后續(xù)的曲面質(zhì)量分析，所以現(xiàn)只設(shè)計(jì)后背門在Y方向的一半數(shù)模。首先在CATIA的“創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)”工作臺(tái)中分別創(chuàng)建空間曲線1～7，然后對(duì)所有曲線進(jìn)行光順處理，最大偏差值設(shè)為0.001mm，完成后的7條曲線位置及走向如圖2所示。

圖2 后背門控制曲線

2.2 生成后背門曲面

首先以曲線1為輪廓線，曲線5為引導(dǎo)線掃掠生成后背門下部曲面，然后再以曲線2為輪廓線，曲線3為引導(dǎo)線掃掠生成后背門上部曲面，最后通過裁剪的方式完成汽車后窗玻璃的制作，完成后的后背門曲面如圖3所示。

圖3 后背門曲面

2.3 多曲面裝配

在虛擬環(huán)境下，采用距離約束的方式，將后背門、尾燈、后包角以及側(cè)圍曲面進(jìn)行裝配，其中尾燈與周圍曲面的距離均設(shè)為0.5mm，側(cè)圍與后包角的距離設(shè)為1mm，為方便后背門的開啟與關(guān)閉，后背門與側(cè)圍以及后包角的距離設(shè)為2mm，裝配完成的SUV汽車后尾燈處曲面如圖4所示。

圖4 后尾燈門曲面裝配

3 曲面拼接質(zhì)量分析

SUV汽車后尾燈處的后背門、尾燈、側(cè)圍以及后包角曲面裝配完成后，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果是否符合要求，需要對(duì)多曲面間的拼接質(zhì)量進(jìn)行分析，常用方法包括等照度線、多截面曲率梳以及高光線等。

3.1 等照度線評(píng)價(jià)

等照度線評(píng)價(jià)方法是將等距離的黑色條紋反射到被測(cè)曲面上，通過觀察條紋的走向及寬窄變化來完成曲面質(zhì)量的檢查。應(yīng)用“外形分析”工作臺(tái)中的等照度線分析工具，采用圓柱反射方式得到SUV汽車后尾燈處多曲面的等照度線如圖5所示。

圖5 后背門等照度線

通常情況，多曲面之間如果是G0連續(xù)（位置連續(xù)），則等照度線是相互錯(cuò)位且間斷的，如是G1連續(xù)（切線連續(xù)），雖然等照度線沒有錯(cuò)位，但會(huì)出現(xiàn)銳角形狀，若曲面達(dá)到G2連續(xù)（曲率連續(xù)），等照度線則呈現(xiàn)平滑且自然連續(xù)的狀態(tài)。

從圖5可以看出，SUV汽車后尾燈處多曲面的等照度線沒有發(fā)生錯(cuò)位和間斷，走向也呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，同時(shí)線條的寬窄無明顯變化，線條之間的間距也非常均勻。以上等照度線方法評(píng)價(jià)結(jié)果充分說明后尾燈處多曲面之間的拼接質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到了曲率連續(xù)的要求。

3.2 多截面曲率梳評(píng)價(jià)

曲面多截面曲率梳評(píng)價(jià)方法是采用多個(gè)距離相等的平行平面切割被測(cè)曲面，通過顯示平面與被測(cè)曲面交線的曲率分布情況完成曲面的質(zhì)量評(píng)價(jià)。曲率梳是曲線各點(diǎn)處曲率的矢量集中顯示，通過曲率梳工具，可以直觀地判斷曲面的光順情況，如曲率出現(xiàn)峰值，說明此處的曲率半徑最?。磺食霈F(xiàn)拐點(diǎn)，則說明此處曲面的凹凸形狀發(fā)現(xiàn)了改變。

在SUV汽車尾燈處設(shè)置平行于Y、Z基準(zhǔn)平面的平面數(shù)量均為8，其中Y方向的平面間距為110mm；Z方向間距為145mm。應(yīng)用“外形分析”工作臺(tái)中的多截面曲率梳分析工具，分別得到尾燈處Y、Z方向的多截面曲率梳分別如圖6(a)、圖6(b)所示。

圖6 尾燈處曲面多截面曲率梳圖

通常情況，多曲面之間若是G0連續(xù)，則曲率方向和大小均不一致，G1連續(xù)雖然可以達(dá)到曲率方向一致，但數(shù)值大小不一致，會(huì)出現(xiàn)曲率梳的錯(cuò)位，曲面之間如果達(dá)到G2連續(xù)，則曲面曲率方向和大小均一致。

由圖6(a)～圖6(b)可以看出，SUV汽車后尾燈處多曲面的曲率梳，在Y方向和Z方向上均沒有出現(xiàn)拐點(diǎn)，而是指向了曲面的同一側(cè)，說明尾燈處多個(gè)曲面都是單凸的。同時(shí)，兩個(gè)方向上的曲率梳均沒有出現(xiàn)錯(cuò)位，說明后尾燈處多曲面之間的拼接質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到了曲率連續(xù)的要求。雖然曲面之間的間距引起了曲率梳的間斷，但此間斷是由曲面之間必須存在的縫隙所引起的，對(duì)整體曲面質(zhì)量分析并無過大影響。

3.3 高光線評(píng)價(jià)

將線性光源設(shè)置在曲面上方的某一恰當(dāng)位置，高光線是曲面上法矢量與光源間垂直距離為零的所有點(diǎn)所形成的曲線。由于高光線是由無限長(zhǎng)的線性光源在曲面上投影所產(chǎn)生的，并且分析結(jié)果不隨視點(diǎn)的改變而變化，所以高光線是一種簡(jiǎn)化的反射線?，F(xiàn)將光源設(shè)置在+X方向處，并向-X方向照射，得到尾燈處的高光線如圖7所示。

圖7 尾燈處高光線圖

通常情況，多曲面之間若是G0連續(xù)，高光線呈間斷分布，G1連續(xù)雖然高光線是連續(xù)的，但呈扭曲形狀；G2連續(xù)的曲面則具有連續(xù)且光順光滑的高光線。由圖7可以看出，SUV汽車尾燈處多曲面的高光線呈現(xiàn)自然過渡的連續(xù)狀態(tài)，已經(jīng)說明后尾燈處多曲面之間的拼接質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到了曲率連續(xù)的要求。

4 結(jié)束語

與實(shí)體類零部件設(shè)計(jì)過程相比，曲面類零部件通常會(huì)涉及到空間點(diǎn)、空間曲線等要素，所以設(shè)計(jì)過程比較繁瑣，CATIA V5所提供的多工作臺(tái)設(shè)計(jì)模式，為完成復(fù)雜型面的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了諸多便捷條件。此外，CATIA V5所提供的曲面質(zhì)量分析可視化工具，包括等照度線、多截面曲率梳、高光線等，可以使設(shè)計(jì)人員盡早發(fā)現(xiàn)曲面產(chǎn)品所存在的問題，有利于提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和縮短設(shè)計(jì)周期。

SUV汽車后尾燈處多曲面設(shè)計(jì)及質(zhì)量分析對(duì)于后續(xù)的零部件制造具有一定的參考價(jià)值。根據(jù)尾燈、后背門等曲面的三維模型，可以完成尾燈注塑模具以及后背門沖壓模具的試制，對(duì)于注塑模具，要充分考慮脫模斜

【】【】度、澆口的數(shù)量和位置、型芯剛度等因素；而對(duì)于鈑金模具，則需充分考慮定位、回彈、修邊等因素。本文只著重介紹了SUV汽車后尾燈處多個(gè)曲面零件的設(shè)計(jì)與質(zhì)量分析，而后續(xù)的零部件制造與安裝等仍有待于做進(jìn)一步的研究。

[1] 武振鋒,段浩,丁旺才.SUV汽車尾門外板A級(jí)曲面設(shè)計(jì)[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2014,33(1):196-200.

[2] 馮偉,杜禮明.基于CATIA V5自由曲面的車身建模[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2014,52(3):39-42.

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[6] 文令強(qiáng).汽車車身逆向工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究[J].中國(guó)包裝工業(yè),2014(20):12-14.

Joint quality analysis of multiple surfaces near the taillight of SUV car

WU Zhen-feng, LU Xin, JIANG Yong-qi

U463.82

A

1009-0134(2016)12-0001-03

2016-04-05

甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目（2016A-021）

武振鋒（1976 -），男，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，博士研究生，主要從事復(fù)雜型面產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)相關(guān)理論及技術(shù)研究。