本文探討研究了汽車車身開發與模具制造相關內容。

　　摘要：本文使用英國 DELCAM 公司產品 Power solution 從局部逆向技術、在完全造型系統中進行特征裝配的概念車身設計、油泥模型制造及復合材料快速車型制造創新概念、數控機床在線檢測體系在模具快速制造中的應用、 DELCAM 公司產品 Power solution 在汽車 2MM 工程中的應用進行闡述等，限于約稿較為倉促，部分內容將不能展開。

　　關鍵詞：局部逆向、特征裝配、復合材料、在線檢測、 Total Modelling 、 PowerMILL 、 2MM 工程、自適應加工。

　　現在國內各大汽車廠商都在組建自己的汽車研究設計中心，大專院校進行汽車設計的研究取得了許多重大成果，部分海外歸來人士也在組建汽車設計中心，迅速崛起的私有企業團體也在組建自己的汽車研究中心，車身設計在中國呈現出巨大的技術、設備、人才缺口，另外觀念和概念也是眾多棲身該行業的人事非常關注的話題，本文從幾個新的思路來探討車身設計的眾多方向的不同解決方案。

　　一、 局部逆向技術

　　國內車身設計現階段仍然大量采用逆向工程手段完成，逆向工程眾所周知是一個多學科的工程概念，工作量巨大，嚴重影響整車開發周期，傳統逆向工程由于工程軟件或其他技術制約，很難對中間 STL 模型進行處理，例如編輯修改，全局變形處理等，而需要把整個模型生成曲面模型，工作量繁重，例如對車型的局部修改，也非常困難，局部逆向是在此基礎上提出的一個新的概念，掌握局部逆向工程的設計思路和應用手段，對新產品開發提供更強、更高的設計能力和設計手段。以下是對逆向工程的一個描述。

傳統方式的逆向工程

　　局部逆向和傳統方式有較大區別的處理方式，避免全部處理點云到 NURBS 曲面的煩瑣過程，能夠節約 90% 的工作時間，因為 COPYCAD 可以直接修改由點云生成的 STL 模型，例如;光順、部分修改以及最為重要的對同時存在 STL 模型和曲面模型的數控編程，對局部需要修改的模型也能夠快速處理，生成直接制造的 NC 代碼，用于 NC 機床的加工，下圖對描述了一個局部逆向的一個簡單流程，首先快速從點云生成 STL 模型，然后對需要修改的局部，如圖示的在某個局部增加兩條加強筋，然后可以把混合模型直接用于模具制造。

　　該方法在汽車車身設計過程中同樣可以得到廣泛應用，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 模型進行布爾運算操作，例如我們從外部讀入一個車燈的造型，可以放置到合適的部位進行布爾運算等

　　值得一提的是 COPYCAD 可以進行模仿變形操作( Morphing )，可以改變你的模型到需要的形狀，例如一個車門的 STL 模型，和理想的門框重合線不能達到要求，那么你可以選定需要變形的部分，再選中需要變形到的輪廓，全局變形將在很短的時間內完成，達到我們的要求，以下圖例是對該功能的一個簡單描述，首先是一個柱狀產品，由于設計需要對口部的兩種 Morphing 操作。

　　從以上描述可以看出，局部逆向不僅僅是不進行完整的曲面造型，配合其工作的 STL 光順功能、 STL 布爾運算功能、 STL 的模仿變形( Morphing )功能，使用局部逆向技術可以在車型逆向初期，就可以在電腦屏幕上看到你的預期修改車型局部部位使用支持“混合模型”編程系統，對混合模型編程直接生成 NC 代碼的功能用于數控加工等，都是進行局部逆向必備條件， PowerMILL 能夠很好的支持混合模型的編程并生成高質量的 NC 代碼。就可以制造出 1/16 或其他規格的模型。

　　二、完全造型系統中進行特征裝配的概念車身設計

　　在汽車研究單位、車身設計企業、逆向工程企業、汽車覆蓋件制造企業，大家都有一個共同的愿望，歷史資源的使用，車身數據庫的積累及重復使用，看到理想的設計要融合到新的車型設計中，那么，下面談到的內容主要在這些方面展開論述。

　　論述該命題之前首先提出一個概念是完整造型系統( Total Modelling )，完整造型就是在同一個環境中使用 Delcam 的全部造型能力 (PowerSHAPE/CopyCAD/ArtCAM) 來創建和管理模型獨特的模型是由實體模型、曲面模型和作為裁減特征的 Triangle 模型結合而成的;在 ArtCAM 或 CopyCAD 中創建的 Triangle 圖元，包括在 PowerSHAPE 的實體樹形結構中。同時可以通過 DELCAM 公司的數據輸入軟件 PS-Excheng 來直接輸入 CATIA 、 UG 、 PRO/E 等軟件的 PART 模型，充分利用車型設計公司已有的能力和資源。

　　我們從使用 Delcam 公司產品進行車型設計的英國 Lotus 車型設計案例展開論述， Lotus 品牌是英國紳士柯林 · 查普曼的杰作，英國 Lotus 是早期一級方程式冠軍車隊、著名的工業造型設計公司，在汽車行業及工業制造行業久負盛名。

　　首先我們看到的是 Lotus 一款車型的設計模型圖片，這款車是基于一系列 Lotus 公司的眾多車型的特點完成的新的概念車型設計。該車型是選取了眾多的設計方案，并采用完整造型技術在計算機上虛擬出不同形態的側板，4個可選方案其中有該公司自己的歷史車型同時也包含其他創意，此方案應用到 Delcam 公司的完整造型系統，把其中的多個側面板可以以逆向得到的 STL 模型，作為裝配特征應用。

　　在基礎車型上，反復替換，這些特征可多次重復利用，反復替換，直到設計者的意圖得到充分的發揮和表現，下面會以前臉的3個方案在 PowerSHAPE 中的具體操作進行闡述

　　軟件首先通過逆向或其他方式獲得基礎車型，當然也可以采用 PowerSHAPE 的模仿變形功能或 CopyCAD 的逆向或局部逆向獲得，然后在基礎車型上進行操作。

　　第一步，首先從選中要裝備特征的區域，然后啟動 PowerSHAPE 的幾何特征設計模塊中的 (Embossing) 功能，從外部讀入要加入的特征，此特征和我們傳統設計的裝配有完全不同的概念，傳統的裝配僅僅是把一模型調入，然后裝配的正確的位置，通常都是要使用到點、線、孔、平面等特征，而 PowerSHAPE 的幾何特征設計 (Embossing) 是把基礎模型作為一個整體，并和該模型融合為一個整體，而裝配的特征不具備點、線、孔、平面等裝配基準，而是如圖所示，圈點的部分是從外部讀入的STL模型，然后調整該特征的位置。

　　第二步，對模型進行幾何特征設計 (Embossing) 計算，這樣我們就粘貼了一個 3d 的特征在需要的形體上，并可以隨時進行位置、大小等編輯調整如圖示

　　第三步，適時替換不同的設計概念和特征并可以進行渲染等操作。

　　第四步，計算獲得新的結果。

　　那么同理對后保險杠的概念設計也可以輕松完成。

　　上述是關于特征裝配式車型設計的一般流程的簡單描述，這里對完整造型系統做一個基本的總結總結，完整造型有那些好處呢?

　　1 )完整造型集成了所有的造型設計方法，方便設計者使用;

　　2 )可進行完整設計，無需考慮是從新創意、 2D 草圖或已有設計開始進行，沒有任何限制;

　　3 )設計者可以更容易地合并各種不同的設計方法，并可以很快看到變化的結果;

　　4 )設計的圖元可以包裹在實體模型上，并可以使用模仿變形技術進行調整，減少了重新建模的時間;

　　5 )完整造型能力保障了在短時間內進行創新設計的需求。

　　三、油泥模型制造及復合材料快速車型制造創新概念

　　通常開發一個新的零部件，第一階段是獲取原始數據，這些數據可以采用不同的方法生成，包括使用 PowerSHAPE, 通過這些數據生成澆注樹脂復合材料的模具，制成標準樣品，并初裝在汽車上，確保設計上不存在問題，僅當一切檢查無誤后，或參加概念車發布會公認，然后才正式生產模具。

　　DELCAM 軟件組成的獨特復合設計制造系統，幫助澳大利亞的 UP Industries 公司取得了巨大的成功，成功的向福特 Falcon AU 車型的部分概念設計， 公司董事 Schell 先生曾給 DELCAM 的完全解決方案十分高的評價：“引進DELCAM系列軟件后，公司的設計和加工能力得到極大的提高，使工程師的設計理念得到充分的發揮，同時使用 PowerMILL 加工，使我們的機床性能得到很大的提高，縮短了交貨期，DELCAM軟件在極短的交貨時間內完成任務”　 下面我們使用一個可行的案例來進行說明：

　　一個完整的車型設計，如果要制造出全套的模具，那將耗費大量的時間，我們可以考慮采用新的方法來進行，對覆蓋件的制造采用復合材料模具來完成，模具可以采用泡沫材料或代木材料完成。 PowerMILL 的五軸電熱絲切割功能在這些材料加工中有巨大的用武之地，加工可以整塊快速的切割掉多余材料，迅速得到僅有很少余量的毛坯，使進一步的加工可以迅速完成，使用 PowerMILL 的五軸、五軸自動避讓技術可以快速對這些加工部件進行編程，生成五軸加工機床的加工代碼，并自動生成指導生產的工藝表格。

　　五軸編程工作做完后，進一步的工作需要下面三個過程，首先是加工泡沫材料或代木的基本模型，然后采用編寫好的五軸涂抹復合材料的程序，完成復合材料的涂抹，均勻涂抹的復合材料根據工藝要求存在一定的再加工余量，進一步的工作是要切削這些材料到要求的尺寸，這樣去掉作為模具坯料的泡沫材料，就可以得到我們概念設計的產品樣品

　　使用上述方法可以在極短的時間內完成根據設計數據生成澆注樹脂復合材料產品，通過如下圖機器人五軸切邊打孔處理，就可以制成標準樣品，并安裝在汽車上進行分析或展示。

　　此方法無疑在快速制作概念車型的過程，包括車模制造中有絕對的優勢，但對五軸 CAM 軟件同樣提出了更高的要求，全程無過切、安全的真實機床碰撞防護技術、處理刀夾系統和工件間干涉的自動避讓技術、支持包含 STL 模型的五軸編程技術，作為新的 CAM 新技術能夠在概念車型快速制造中起到巨大的作用。

　　對整車模型的制造，在車身設計中有巨大的工作量，從 1/16 、 1/8 、 1/4 等修改制作過程，都要求快速制造出不同比例的車模，做相應的實驗和修改參考，對五軸編程響應的快速性，有較高的需求，同時做車型設計的人員，對加工工藝、編程工藝、刀具工藝等知識相對較弱，要求軟件要安全、易學易用，當然 PowerMILL 作為一個專業的 CAM 軟件能夠滿足需求，下圖是在 PowerMILL 工作環境中真實機床仿真過程中截取的圖片及使用及加工過程演示。

　　使用 PowerMILL 的五軸、五軸自動避讓技術來完成整體車模的五軸編程和加工，為使讀者對整車加工的工藝過程有一個詳細的了解，使用英國 Lotus 某個車型的完整加工過程展示出來。

　　四、 數控機床在線檢測( OMV )體系在模具快速制造中的應用

　　在數控機床上加裝測頭，就能夠使使一臺數控加工設備具備了三坐標檢測能力。這不僅能夠減少工件在反復裝夾過程中出現的誤差，同時由于大部分檢測工作在機床上完成，減少了工件的搬運和裝卡時間，顯著提高了生產效率，企業也不需要再投入資金購買更多的檢測設備。 DELCAM 公司與計量設備商雷尼紹( RENISHAW )公司合作，提供完整的在機檢測解決方案。

　　在汽車覆蓋件模具制造環節，可以在模具制造過程中進行在線模具檢測，確保零件達到設備經濟精度，同時可以考慮在切邊模具制造過程中，購置激光淬火系統，在進行模具制造檢測達到要求的基礎上，進行切口的激光淬火處理，最大限度的減少自由工作的工作量。

　　另外對大型模具，超過 20T 重的零件，如果在質量控制部門發現錯誤，需要花費大量的時間進行搬運和找正等工作，重復加工出錯的可能性很大，這樣的應用 OMV 顯然具有很大的意義， DELCAM 的檢測系統的主要優勢是數模對比功能，可以實時顯示實際加工結果和設計模型的誤差，其在汽車模具和零部件生產中作為制造過程控制的首選。

　　自適應加工是基于 DELCAM 完整解決方案的一套集數控編程、質量檢測、工件自由定位找正等的一套完整解決方案，限于篇幅這里不做更多的論述。

　　五、 DELCAM PowerSolution 產品在汽車 2MM 工程中的應用方案和技術

　　產生車身匹配誤差超差的基本原因，有關資料統計指出，產品設計、焊裝夾具調整、零部件車身坐標系制造三方面，焊接變形隨著現代焊接技術的提高，被逐步上升到零部件制造方面，這里以汽車主要部件汽車外覆蓋件為例說明。

　　首先、追溯到產品設計階段、覆蓋件模具制造階段、沖壓成型階段，在這些階段產生的誤差可以分析為以下幾個方面，首先，是通常的覆蓋件設計沒有過多考慮回彈變形等因素，往往采用整車設計分拆后的 CAD 模型為基礎，直接制造模具，那么使用此模具生產的覆蓋件，就存在較多的問題，處理這樣的問題，成為業界關注的一項主要內容，汽車企業實施 2MM 工程過程中，車身的設計工藝基準性、制造工藝基準、檢測工藝基準，很多汽車公司通過車身數據化制定了全部零件的參考點定位系統 (RPS), 并以這些數據為基礎 , 通過模具和夾具的調整來提高車身匹配精度，那么要制造考慮變形因素的 CAD 模型進行模具制造或模具修復，例如下圖看到的模型要改變模型由線 2 的位置到線 1 的位置，對模型進行整體變形，才能使制造的模具完成的沖壓部件滿足需求，那么在前面提到過的 PowerSHAPE 擁有模仿變形的功能，可以方便的控制模型整體產生變形，無須重新設計 CAD ，但這里提到的變形曲線，需要通過實際測量已有誤差部件得到，使用調整過的曲面進行模具制造才能達到實際要求。

　　第二、焊接夾具，如何獲取焊裝夾具的調整參數，也是眾多企業面臨的問題，大多數企業根據工程師的經驗進行調整等， DELCAM 公司的檢測產品 PowerINSPECT 有相關功能能夠方便的獲得相關參數，在線進行檢測，直接采用參考點定位系統 (RPS) 檢測焊裝夾具為主要手段，也可以把工件放置到夾具上測量工件。

　　第三、零部件制造環節的整車參考點定位系統 (RPS) ，嚴格執行整車坐標系同意檢測原則，通過 SPC 分析功能控制零件的公差趨勢并及時調整，在整車裝配過程中將會最大限度的降低車身匹配誤差。

　　六、小結

　　本文從車身設計的真個過程出發從逆向和局部逆向技術對逆向環節做了陳述，提到的逆向工程軟件支持 STL 的特征裝配和布爾運算體系，完整造型系統( Total Modelling) 特征裝配式車身設計新概念，通過詳實的案例進行分析講解，對 PowerMILL 的高級五軸加工技術通過五軸自動避讓的功能快速完成車模的加工，以及復合材料汽車零部件制造工藝，以期快速完成車型制造和樣車參展等 , 另外從汽車 2MM 工程中的部分應用進行了應用分析，不當之處請大家批評指正，文中使用的支持軟件是英國 DECAM 公司的產品，同時感謝使用該軟件一汽模具中心、安徽福臻、保定長城汽車、重慶長安模具、北京比亞迪、上海美唐、成飛集成科技、上海延峰偉世通等應用 DELCAM 系列產品的工程師的大力支持，同時希望能在我國的車身設計和覆蓋件制造領域有更多的合作機會。