基于CATIA汽车副车架特征面拟合与分析

基于 CATIA汽车副车架特征面拟合与分析

纪东兵 王制 张晓闯

中国人民解放军 32127部队 辽宁 大连 116000

摘 要：针对汽车行业对冲压零部件逆向设计的需求，采用三维数字化软件CATIA对汽车副车架点云特征面进行了拟合与分析。运用CATIA软件对处理好的点云进行曲率分析，根据曲率分布情况拟定特征拟合的方法及步骤，按照先基准特征再次要特征的顺序进行逆向设计，并通过QSR模块对特征拟合情况进行检测与分析，确保拟合曲面的精度符合产品误差要求。该拟合设计方法适用于各类复杂冲压件及钣金件，对控制逆向设计产品的精度具有指导意义。

关键词：逆向设计；数字化建模；特征拟合

1 引言

汽车零部件的设计精度直接影响到汽车驾驶的舒适度和安全性。当前汽车零部件多数采用金属板材多工序冲压成型，由于汽车车体部件结构较复杂，导致设计周期长，检测程序繁琐等问题，此时需要运用逆向设计来达到缩短设计周期，简化检测程序的目的。传统的逆向设计技术是通过测绘将已有产品进行测量描绘再依据图纸加工出产品，这种逆向技术已普遍的应用于各机械制造行业，但存在成本高、周期长等缺点。为解决传统测绘方法的弊端，采用先进的三维数字化软件，通过逆向采集方法提取汽车副车架的外部形貌，再将其点云特征进行拟合，达到快速设计的目的。

2 技术流程

首先将处理好的点云导入CATIA软件，对点云进行曲面分析，找出零部件特征确定设计拟合步骤及顺序，而后按照先基准特征再次要特征的顺序进行逆向设计，并通过QSR模块对特征拟合情况进行检测与分析，确保拟合曲面的精度符合产品误差要求。技术流程图如图1所示。

图1 检测技术流程图

3 特征面拟合

特征面拟合是指逆向设计过程中运用三维数字化技术拟合产品特征曲面的过程。本文运用CATIA软件对汽车副车架点云进行了形貌重构。

3.1 曲率分析

副车架是汽车构造中的关键构件，主要影响着驾驶员的操控性以及乘车人的舒适性。如今，副车架的结构已单独成为一个体系，其能够承载车身的重量也能够稳定的连接前后车轮的驱动系统，结构趋于柔性化，使后续零部件配换带来便捷性。副车架的结构如图2所示。

A—车身连接部位一 B—发动机悬置连接部位 C—车身连接部位二

图2 副车架结构图

首先对副车架点云进行曲率分析，如图3所示。

图3 副车架点云曲率分布

从曲率分析可以看出，其左右两侧曲率分布图形基本相同，因此该副车架仅对其进行对称侧结构搭建即可。

3.2 曲面重构

（1）车身连接部位一

如图2中A所示，副车架的该部位是连接车身框架以及承载车身重量的关键位置，其通过橡胶衬套与车身连接。根据设计准则，先将上平面与底面通过截断面形成的轮廓用相交十字线扫掠的方法重构，然后运用渲染模式曝光位置，判断侧面结构的铺面形式，将凸台整体结构搭建完成。在凸台前侧，有两个加强肋结构，此结构起到支撑加强凸台强度的作用，通过联合剪裁将加强肋设计完成。最后，顶端平面的基准孔是连接车身的关键部位，其精度要求较高，因此通过断面圆将其拟合，对其圆的直径进行整化约束。车身连接部位一的曲面重构的结果如图4所示。

图4 车身连接部位一曲面重构

（2）发动机悬置连接部位

发动机悬置连接位置是整个副车架的主结构，其作用是支撑与连接发动机，由两个小凸台、两个工艺孔及大平面构成。设计时先将大平面结构搭建完成，再对小凸台进行拟合，最后进行相互的剪裁，修剪完成后再将两个工艺孔进行拉伸构建。

选择横向扫掠进行铺面，最终发动机悬置连接部位曲面重构如图5所示。

图5 发动机悬置连接部位曲面重构

（3）车身连接部位二

该部位是由大平面及钣金肋搭建而成，在肋部结构处有多个凹槽，其作用是避让车身零部件及加强连接部位承载力。最终设计结果如图6所示。

图6 车身连接部位二曲面重构

4 贴合度分析

贴合度分析是指后期设计的结构与点云之间的误差分析，其能够在设计过程中随时检查构建的曲面是否符合精度和加工要求。CATIA设计软件的快速曲面成型模块（Quick Surface Reconstruction）具有该方面强大的功能，可以对合成体进行全面的贴合度分析。

1）车身连接部位一的贴合度分析

结构设计完成后，利用逆向设计数模与原点云的贴合状态，通过垂直方向QSR数字化拟合，得到图7所示的色差分布图。

图7 车身连接部位一的贴合度分析

如图7所示，产品要求贴合范围为 ，由色差分布可以看出，凸台部分为绿色，符合要求，而上方颜色稍深，边缘位置偏差过大。此处经过与原件的比对发现，是因原件在搬运过程中边缘受力过大而发生的变形以及冲压后钣金件回弹所引起的误差，在数模搭建中，已通过平面取整处理将其实际误差修复，因此该误差符合标准，车身连接部位一整体符合贴合度要求。

2）发动机悬置连接部位的贴合度分析

经误差分析色差带如图8所示。

图8 发动机悬置连接部位的贴合度分析

从图中可以看出，基准孔、工艺孔和两个凸台部分色差均为绿色，符合设计要求，而前方边缘凸台有少许黄色误差块，因该位置只起到加强的作用，并不与车身直接装配接触，故误差符合范围要求。综上分析，发动机悬置连接部位贴合度符合验收规定。

3）车身连接部位二的贴合度分析

从图9中可以看到，除肋部周围有少许红色杂点，其余均为绿色区域。基准孔处是装配汽车结构的关键位置，也是冲压过程中的关键定位基准孔，因此该处误差应尽量控制的越小越好，根据色差带分析基准孔周围均为绿色，设计符合要求，可作为副车架数模进行下一阶段的加工及检测模版。

图9 车身连接部位二的贴合度分析

经贴合度分析，副车架关键位置均符合标准，逆向设计符合加工要求。

5 结论

（1）采用CATIA中QSR模块对汽车副车架点云进行逆向设计，提高了建模的质量，大幅度缩短了设计周期。

（2）针对复杂钣金件的特征面拟合应遵循：先铺重要基准面后铺次要面的原则。

（3）相比于传统测量工具进行多次单点误差分析，通过QSR模块可以更加精确快速的对曲面整体做出误差反馈及控制。

参考文献

1. 牟鲁西.复杂曲面零件在机测量关键技术研究与应用[D].湖北：华中科技大学，2012.

2. 高晓康,几何精度设计与检测[M].上海：上海交通大学出版社，2002:1-6.

3. 张潇予.基于ATOS扫描的异形件形貌检测与逆向技术研究[D].吉林：长春理工大学，2014.