摩托車數(shù)字化設計與開發(fā)技術

2013-05-20 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

對國內(nèi)外摩托車制造業(yè)數(shù)字化技術應用情況、最新發(fā)展應用的CAD/CAE/CAM/PDM技術、計算機輔助工業(yè)設計技術和逆向工程技術作了介紹,并以某款摩托車的外觀改形開發(fā)為例,介紹了基于逆向工程技術的摩托車快速數(shù)字化設計方法。
楊波來源:萬方數(shù)據(jù)
關鍵字:摩托車數(shù)字化逆向工程

1 國內(nèi)外摩托車制造業(yè)數(shù)字化技術應用現(xiàn)狀

制造業(yè)是一個國家的支柱產(chǎn)業(yè),制造業(yè)的發(fā)展水平直接反映出國家經(jīng)濟和科技的發(fā)展水平。以信息技術為主導的現(xiàn)代科學技術的迅速發(fā)展,推動了全球經(jīng)濟的高速增長,也推動了制造業(yè)和產(chǎn)品數(shù)字化設計技術的快速發(fā)展。傳統(tǒng)的制造業(yè)在面臨巨大挑戰(zhàn)的同時,也發(fā)生了極其深刻的重大轉(zhuǎn)變,出現(xiàn)了并行設計、協(xié)同設計、虛擬設計、敏捷設計、全生命周期設計、職能設計等多種設計方法,數(shù)字化、集成化、網(wǎng)絡化、智能化也成為了產(chǎn)品設計模式的必然發(fā)展方向。

改革開放刺激了我國摩托車工業(yè)的迅猛發(fā)展,目前,我國摩托車產(chǎn)量已超過1 200萬輛,成為世界上最大的摩托車生產(chǎn)國。伴隨人類對物質(zhì)文明和精神文明的不斷追求,摩托車工業(yè)設計向節(jié)能、環(huán)護和安全舒適的人性化方向發(fā)展,數(shù)字化設計技術將成為摩托車工業(yè)技術現(xiàn)代化的基礎性技術。利用計算機及網(wǎng)絡環(huán)境技術,以虛擬產(chǎn)品模型為核心,實現(xiàn)摩托車產(chǎn)品的數(shù)字化設計,是提高我國新產(chǎn)品自主開發(fā)和技術創(chuàng)新能力,縮短開發(fā)周期,加速產(chǎn)品更新?lián)Q代,加快從摩托車生產(chǎn)大國轉(zhuǎn)化為摩托車生產(chǎn)強國的重要手段。

摩托車數(shù)字化設計技術需集成現(xiàn)代設計制造過程中的多項先進技術,包括計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助分析(CAE)、計算機輔助制造(CAM)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)、計算機輔助工業(yè)設計(CAID)、虛擬樣機技術、逆向工程技術、知識工程技術(KBE)、快速原型制造(RPM)技術、標準化技術等,貫穿產(chǎn)品設計、分析、制造全過程,是一項多學科的綜合技術。

傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)是以實物樣車(機)為開發(fā)平臺,所有零件設計完成后,制造出手工樣件來進行試裝配,根據(jù)樣件試裝的結果判定設計缺陷,然后再回到設計環(huán)節(jié)進行修改,如此循環(huán)往復。該過程中各設計功能小組之間是相互獨立的,各自完成自己的工作,然后進行檢驗、修改,因此工作的反復性很大,設計周期較長,人力、物力、財力浪費嚴重。

目前,國內(nèi)大部分以出口為主的摩托車生產(chǎn)企業(yè)仍然采用仿制實物樣車(機)的模式進行產(chǎn)品開發(fā),即主要依靠在原型樣件的基礎上,對樣件的標志性特征進行增加或刪減,同時轉(zhuǎn)化為二維圖樣作為進行技術交流的依據(jù),即使有的企業(yè)采用了計算機輔助二維繪圖,但它只是二維圖樣的計算機表達式,還不能完全起到指導生產(chǎn)的作用。雖然計算機輔助繪圖大大節(jié)省了圖樣修改的時間,但仍然要依靠實物樣車(機)進行產(chǎn)品開發(fā)。有的企業(yè)已經(jīng)采用三維建模技術對一些復雜產(chǎn)品建立數(shù)字化模型,以便于進行CAE分析和CAM加工,但CAE分析手段單一,臨界條件設置經(jīng)驗非常匱乏。

2 CAD/CAM/CAE/PDM技術

CAD/CAM/CAE技術是數(shù)字化設計與制造技術的核心,是實現(xiàn)計算機輔助產(chǎn)品開發(fā)的主要工具。產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)技術集成并管理與產(chǎn)品有關的信息、過程,及人與組織,實現(xiàn)分布環(huán)境中的數(shù)據(jù)共享,為異構計算機提供了集成應用的平臺,從而支持CAD/CAE/CAM系統(tǒng)過程的實現(xiàn)。PDM是實現(xiàn)并行過程協(xié)同工作的重要基礎。國外一些先進的機械制造企業(yè),在日益激烈的全球化市場競爭中,紛紛采用了先進的產(chǎn)品數(shù)字化設計與管理技術。例如,美國福特汽車公司在1995年就提出了“福特2000計劃”,投資上億美元,旨在采用先進的CAD/CAE/CAM/PDM(C3P)技術,并于1998年推出了第1輛全部采用C3P技術開發(fā)的轎車“FOCUS”,開發(fā)周期從原來的34個月縮短到24個月。該車型在歐洲和北美市場上的銷售量也超過了其他同類車型,為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的利潤。摩托車結構件的傳統(tǒng)設計是采用統(tǒng)計、類比和經(jīng)驗相結合的仿制方法。該方法對摩托車結構件缺乏準確分析判定能力已經(jīng)成為摩托車最高端產(chǎn)品設計的瓶頸。以三維CAD/CAE/CAM為核心的計算機輔助設計、工程分析、輔助制造技術,已成為新產(chǎn)品開發(fā)不可缺少的現(xiàn)代技術手段。摩托車制造業(yè)在新產(chǎn)品開發(fā)過程中廣泛的采用三維實體、曲面、實體與曲面混合建模的技術,建立零部件的三維數(shù)字化模型,并逐步向全數(shù)字樣機DMU方向發(fā)展。

CAE技術的應用也從關鍵零部件(如,車架、覆蓋件、燈具等)的強度、剛度、模態(tài)分析,向整機的工作原理仿真和性能評估分析發(fā)展;在CAE分析方法中,結合許多領域的專業(yè)知識,形成了專業(yè)化的CAE分析評估系統(tǒng),如汽車、摩托車產(chǎn)品開發(fā)中的發(fā)動機燃燒分析,NVH分析,懸架剛度、強度及振動分析,整車的動力響應分析,零部件的優(yōu)化設計、冷卻系統(tǒng)的流場、溫度場、應力場的多場耦合分析等。

CAM技術的應用已從簡單的零件、工裝模具的輔助制造,向復雜曲面零件,大型復雜模具三維型面的NC加工、加工過程仿真發(fā)展,現(xiàn)代CAM技術成為新產(chǎn)品的試制、工藝工裝制造提供了先進的數(shù)字化加工手段。

PDM技術是一門管理所有與產(chǎn)品相關的信息和所有與產(chǎn)品相關的過程的技術,核心是對產(chǎn)品全生命周期進行管理,取得綜合效益。該技術有更快的反應速度,更好的質(zhì)量保證,更優(yōu)質(zhì)的服務,更低的成本,更有效的產(chǎn)品型譜建設,能更合理地把握更新?lián)Q代的切入點。PDM技術可以使企業(yè)內(nèi)各種人員迅速了解企業(yè)業(yè)務流程,知曉自己在企業(yè)的地位,逐漸養(yǎng)成從全局出發(fā)考慮其從事的工作的習慣,減少不必要的過程,以實現(xiàn)企業(yè)降低成本的目的。

3 計算機輔助工業(yè)設計

與其他機械產(chǎn)品相比,摩托車工業(yè)的外觀設計是摩托車知識產(chǎn)權的重要內(nèi)容。摩托車百年來的發(fā)展已形成公認的幾大類型,不同廠家的各種類型的摩托車的外觀越來越接近。因此,在設計具有自主知識產(chǎn)權的摩托車時,重點是摩托車的外觀形態(tài)特征部位,主要指覆蓋件、燈具、車座、油箱等用來與其他同類摩托車外觀相區(qū)分的外飾部位。

摩托車設計時,應根據(jù)其使用特點,使摩托車的形體構成符合美學法則,具有適宜的色彩配置、表面質(zhì)感和肌理,吸取自然美的精華,把握社會時代的審美潮流,創(chuàng)造出符合使用者審美觀的外觀造型。現(xiàn)在,摩托車外觀設計普遍采用的設計流程為:概念草圖→效果圖→基本車體制作→1∶1膠帶圖→油泥模型制作→覆膜→定型。由于油泥模型的制作存在制作周期長、成本高、不利于進行多方案比較等困難,加之對環(huán)境溫度和濕度要求也較高,因此容易產(chǎn)生裂紋或起皺,保存時間不能太長。另外,油泥模型制作與數(shù)字化體系割裂開來,需要通過逆向工程建立產(chǎn)品的CAD模型,加之效果設計、油泥制作、數(shù)字化設計往往是由不同的人員完成,這將延長設計周期,增加設計誤差。采用計算機工業(yè)設計技術(CAID)將使這一現(xiàn)狀得到改善。

目前,CAID對于早期的創(chuàng)意表達仍然比較棘手,對于概念設計中定性的、模糊的、非精確的信息難以非常準確地描述和處理,無法達到設計師追求的高度。目前使用的一些三維工業(yè)設計系統(tǒng)(如Alias/Wavefront Studio,UG/NX Shape Studio,proe CDRS CATIA等軟件)與傳統(tǒng)的CAD/CAM軟件相比,更注重自由化曲面的建立與操縱,有更高的藝術表面創(chuàng)建能力,能提供豐富的材質(zhì)、紋理、光源等表現(xiàn)工具,可以通過接口或直接將數(shù)字化模型傳給CAD/CAM系統(tǒng)。對于汽車、摩托車這類投資較大,外形要求很高的產(chǎn)品,直接建立三維模型,通過屏幕所顯示的影像同真實環(huán)境相比,還是有著相當?shù)牟罹嗟?缺乏對空間感、質(zhì)感的真實把握[5]。因此,一般在利用CAID做完三維造型設計后,還需要再加工實物模型進行驗證、修改。將CAID技術引入摩托車工業(yè)設計后,設計模式將改為:概念草圖→效果圖→美學面型→三維概念模型→數(shù)控加工模型→模型修改→噴漆→定型。與油泥模型制作不同的是在效果圖完成后直接建立三維概念模型,然后進行數(shù)控加工。

隨著CAD、人工智能、多媒體、虛擬現(xiàn)實等技術的進一步發(fā)展,計算機輔助工業(yè)設計技術與其他計算機輔助技術最終必將建立起統(tǒng)一的產(chǎn)品設計支撐體系。摩托車設計將最終取消實物模型驗證階段,實現(xiàn)與工程設計的數(shù)字化集成。

4 逆向工程

逆向工程(Reverse Engineering)又叫反求設計,是從實物原型樣機或樣件快速獲取三維數(shù)字信息和工程信息的一系列工作方法和技術的總和。自改革開發(fā)以來,我國在經(jīng)濟技術發(fā)展中非常重視應用逆向工程對國外先進技術進行引進和研究,并且取得了顯著的效果。據(jù)統(tǒng)計,世界各國70%以上的技術源于國外,逆向工程的使用可使產(chǎn)品研制周期縮短40%以上,極大地提高了生產(chǎn)率。以摩托車為例,摩托車起源于歐洲,二次世界大戰(zhàn)以前,世界摩托車的生產(chǎn)和技術中心在歐洲,20世紀50年代后,逐步向日本轉(zhuǎn)移。發(fā)展到今天,日本摩托車工業(yè)(以本田、鈴木、雅馬哈、川崎等四大家為代表)由仿制到創(chuàng)新,已成為當前世界摩托車高新技術的代表。

逆向工程的最大優(yōu)勢是可以“原汁原味”地保留工業(yè)造型師的設計精髓,隨著曲面造型理論的發(fā)展,專業(yè)逆向軟件處理功能越來越強大,使得逆向技術幾乎成為產(chǎn)品外觀開發(fā)的必備工具。由于摩托車外觀覆蓋件的逆向建模更看重曲面的視覺效果,同時由于反求的是整套覆蓋件,建模時不能孤立地只考慮單個零件的單純反求,要綜合地考慮它們之間的相互裝配關系、與車架的配合、整體外觀上的美感、后續(xù)模具設計及數(shù)控加工的工藝性等,因此,逆向工程技術在摩托車的新產(chǎn)品開發(fā)中得到了廣泛的應用。逆向工程的設計流程如圖1所示。

摩托車數(shù)字化設計與開發(fā)技術autocad培訓教程圖片1

4.1 逆向工程中的關鍵技術

目前,國內(nèi)外逆向工程研究的重心是在CAD三維模型的重構上,并以重構參數(shù)作為制造產(chǎn)品的原始參數(shù),這僅是一種“形狀制造”而非“精度制造”。而逆向工程的更高層則是通過消化和吸收原始模型,在知其然和知其所以然的基礎上,對原始產(chǎn)品進行再設計,開發(fā)出更先進的產(chǎn)品。因此,逆向工程應解決一些關鍵技術:①研究更方便實用的測量方法和設備,提高測量系統(tǒng)的制造精度和測量精度,降低測量誤差;②研究更科學的三維重構方法,開發(fā)更高級的CAD/CAE/CAM軟件,提高三維造型系統(tǒng)的處理功能,減小三維造型誤差;③將人工智能技術、精度設計、先進設計制造技術、計算機網(wǎng)絡技術綜合運用,形成一套相對獨立、完善的反求工程技術系統(tǒng),以便能夠快速、準確、經(jīng)濟地反求和開發(fā)出適銷對路且具競爭力的產(chǎn)品。

4.2 逆向工程的新產(chǎn)品開發(fā)實例

摩托車作為輕便、快捷、低能耗及外形美觀的交通工具,越來越受到人們的青睞。隨著市場競爭的日愈激烈,人們一直在尋求一種快速的摩托車新產(chǎn)品外觀改形開發(fā)方法,以達到快速響應顧客需求的目標?；谀嫦蚬こ碳夹g的新產(chǎn)品開發(fā)方法和技術,是當前摩托車新產(chǎn)品外觀改形開發(fā)的主要技術。以下以某款摩托車的外觀改形開發(fā)為例,介紹基于逆向工程技術的摩托車快速數(shù)字化設計方法,具體步驟如下:

1)市場預測與原型產(chǎn)品分析。通過對市場的調(diào)查和預測,找出原車型中需要改進的外觀造型部分,分析組成這些覆蓋件的結構特征和裝配關系,分析覆蓋件成型的工藝特點,結合造型設計的美學原則,理出新摩托車外觀改形開發(fā)的總體思路。

2)造型方案構思。設計人員根據(jù)市場需求,在原物理樣車外觀覆蓋件造型的基礎上,對需要改型的幾個主要覆蓋件進行構思,并提出多個相對比較優(yōu)化的設計方案及改型設計二維效果圖。

3)造型方案評價。將造型方案交給市場部或銷售公司客戶代表,及制造部門進行最終評價,以考察產(chǎn)品的可行性及可制造性。

4)實物樣機覆蓋件反求建模。由于只涉及摩托車的外觀覆蓋件,因此,首先是針對原型樣車的外覆蓋件進行反求,建立原型樣車外覆蓋件的數(shù)字化三維模型,在此基礎上按設計者最終的設計方案進行三維改型設計。

5)由物理樣車重構三維模型進行數(shù)字化預裝配。由于覆蓋件的反求建模是由多個設計人員共同參與完成的,并且是以單獨的數(shù)據(jù)文件存儲,將數(shù)字化重構后的覆蓋件在計算機上進行預裝配,可以檢驗其反求誤差和裝配精度是否達到要求,從而提高工作效率,節(jié)約開發(fā)成本。

6)覆蓋件改型開發(fā)部位的數(shù)字化設計。完成了覆蓋件二維效果圖,經(jīng)反求得到的三維模型后,將覆蓋件三維模型中需要改型設計的部位,按二維效果圖在反求后的覆蓋件三維模型上進行曲面的重新設計。要求參與三維模型修改的所有成員統(tǒng)一參考坐標系,以便對改型設計后的覆蓋件再進行數(shù)字化裝配時使用。

7)數(shù)字化再裝配、檢驗、修改完善。在原型樣車基礎上,采用逆向工程和正向設計相結合的方法,進行快速數(shù)字化改型設計后的整車覆蓋件數(shù)字化裝配。整個設計過程比傳統(tǒng)的人工設計方法周期縮短一半。

5 結束語

數(shù)字化設計與制造在現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)中的應用日趨廣泛。摩托車數(shù)字化設計技術需要集成現(xiàn)代設計制造過程中的多項先進技術,隨著先進技術的不斷發(fā)展,需要對其不斷跟蹤和應用實施。通過對其中最新發(fā)展應用關鍵技術的探討和綜述,有助于將先進技術切實地應用到摩托車產(chǎn)品開發(fā)中,加快摩托車實現(xiàn)數(shù)字化設計的速度。

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