程彩霞 馬利華 黃河交通學院 河南焦作 454950

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分析數字化技術在汽車設計制造中的應用

程彩霞 馬利華 黃河交通學院 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，人們對于汽車產品的質量以及汽車產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品質量、提高產品生產效率以及加快產品更新速度。這樣，企業(yè)才能在激烈的市場競爭中具有較強的競爭力。數字化技術的誕生為汽車制造的發(fā)展創(chuàng)造了一個有利條件，使這一切成為現實。本文詳細介紹了數字化技術的概念，以及數字化技術的理論基礎，分析了數字化技術在汽車設計制造中的應用，包括了拉延模及拉延面等方面的設計，并且提出了汽車制造采用數字化技術所存在的優(yōu)勢。

【關鍵詞】

數字化技術；汽車設計；制造；應用

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)必須加快新產品推出的速度。企業(yè)需要降低汽車生產成本，同時提高汽車生產的效率，并且要保證汽車的性能。在這個背景下，數字化汽車制造技術應運而生。數字化技術是先進的、科學的以及系統(tǒng)的現代科學技術。數字化技術在汽車制造的各個環(huán)節(jié)的應用較為廣泛，較大程度上提高了產品生產的效率和質量，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 數字化技術的概念

二十一世紀，人們已經進入數字化時代，數字化技術也使人們生活的各個方面發(fā)生翻天覆地的變化。關于數字化技術，其是指借助于計算機系統(tǒng)、數據庫以及多媒體等先進技術，結合實際生產的需要，快速進行相關信息的獲取，對產品各方面的信息進行處理，以此來完成產品外觀及結構的設計、性能的模擬以及生產制造，從而較快地制造出能滿足客戶需要的產品。

計算機的快速發(fā)展和相關計算機軟件的大量研發(fā)，促進了計算機輔助設計（）系統(tǒng)的誕生。系統(tǒng)的最重要的部分是數據庫，其采用的軟件為交互圖形系統(tǒng)，其具有較強的計算和數據分析能力。系統(tǒng)對于產品結構的設計可以在二維或者三維的空間里進行，具有較高的準確度，系統(tǒng)的應用使產品的生產效率與質量得到了較大程度上的提高，系統(tǒng)和數控機床及數控技術等一起為機械制造業(yè)中數字化的廣泛使用創(chuàng)造了有利條件。

2 數字化技術應用于制造業(yè)的理論依據

數字化制造相比傳統(tǒng)制造具有較大的優(yōu)勢：數字化技術能夠系統(tǒng)地、獨立地、靈活地對產品進行設計和制造，制造參數的數字化是其本質特征。其中，數字化技術最典型的特點是其具有分散性、獨立性，能夠將復雜的、不明確的相關信息進行具體化、詳細化，并以數據的形式進行代替。并且，計算機制造學是數字化制造中的基本理論。

所謂計算機制造學，是指在建立各種設計模型的基礎上，采用計算機對其幾何數據進行計算，其中包括計算機智能運算的使用。通過計算機計算，將制造所需要的具體信息例如振動、聲波以及力學等計算出來，再建立設計模型，對設計模型進行調整和修正。模型中的一系列信息用具體的數字進行表示，從而使模型變成包含大量數據信息的“系統(tǒng)”，實現產品設計制造時的精確性、靈活性和合理性。

計算機制造學涉及多方面的理論，其中計算機幾何數據融合理論是其最關鍵的部分。計算機幾何和組合幾何、代數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、計算機模擬等都是其理論結構，其中包含了數據和信息融合的過程。信息和數據的融合實際上是對諸多信息進行整理合并，其處理的順序應由低至高進行，在低層往高層遞增的過程中，其信息抽象性也逐步增強。數字化技術中數據融合的辦法包括信息互補以及傳感器信息的傳輸。信息互補能夠將現有的相關數據進行處理，進行優(yōu)勝劣汰的選擇，最終確定最為合理的產品設計方案。

3 數字化技術在汽車設計中的應用

就目前而言，在新產品的開發(fā)過程中，逆向工程技術是其中各種先進技術中的關鍵，在汽車、家用電器、飛機、摩托車等新產品的研發(fā)中被廣泛應用，其能夠將其他技術進行有效結合以及利用。新產品的快速設計及生產離不開逆向工程技術的應用。

逆向工程技術被普遍被應用于原有產品的快速改造或者快速仿制中，從而實現產品的快速更新，簡單來說，逆向工程技術的設計是反向進行的，其根據該技術獲取到的相關數據信息，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行反求設計，然后把其引入或者等實體化設計軟件中，進行相關設計。需要注意的是，逆向工程技術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)新產品時，產品設計師一般會憑借自己的想象及構思來設計汽車產品原型，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，利用三坐標測量機，獲取汽車模型的三維數據信息。其中，三坐標測量機分為兩種，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，在汽車模型設計中的應用更為廣泛。本文針對的汽車的車身三維數據的獲取就是利用非接觸式三坐標測量機完成的。因為獲取的數據都必定會將噪聲點帶入，尤其是位于尖角及邊沿周邊的位置的噪聲點比較突出，并且通過激光掃描得到的大量數據信息也會對曲面重建的算法造成嚴重的影響，于是一定要處理其相關數據。因為大多數測量系統(tǒng)的軟件自帶對點云進行初步處理的功能，其中包括對異常數據及噪聲數據的處理，以及還包括對數據進行整合、補充遺點、使其三角面片化等。所以，為滿足設計的需要，可以對獲得的數據進行簡化處理，然后進行相關操作，比如變換坐標及獲取截面等。

4 數字化技術在汽車覆蓋件模具設計中的應用

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

4.1拉延模型面的設計

設計工藝補充面時，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、旋轉圓角將拉延筋和兩邊的光滑曲面相連接。按照實際需求選擇拉延筋尺寸的大小。進行凹模圓角的設計應按以下步驟進行：在工藝延伸面和壓料面的相交線位置進行倒圓角變尺寸的處理，并且應該根據其金屬流動性進行圓角大小的取值。

4.2拉延模結構的設計

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

5 數字化技術在汽車模具制造中的應用

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

5.1工件和刀具的設置

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

5.2NC刀具軌跡的生成

在數字化設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的形式進行離散，操作完成后進行數控程序的加工。而且，需引起重視的是：假如數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，需要重新調整相關參數進行加工。已經產生過切的位置可以采用一些方法進行處理，比如繞行或者抬刀。之后利用程序進行加工，借助坐標變換的方法使模具下模的坐標系與機床的坐標系相吻合，才能實現模具的初步加工。

5.3生成后置處理代碼

通過軟件的公用管理模塊進行加工報表的制定，報表的制定需要根據數控系統(tǒng)的換刀指令、坐標系、刀具說明等具體信息來定，在使用前還需做進一步的檢查與修改。

6 結語

采用先進的數字化技術投入到汽車的設計及制造中，能夠較大程度上節(jié)約汽車的設計、調試、制造等方面的時間，并且也能使汽車的生產成本降低。通過數字化技術，可以使汽車的質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：機械設計與自動化，汽車設計與制造

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

【作者簡介】