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油箱三維CAD建模技術
發布時間:2016/3/28
       摘要:隨著摩托車產品數字化設計的進程,建立摩托車產品的CAD模型成為摩托車新產品設計的基礎。其中,復雜曲面的CAD建模是摩托車建模的重點和難點。 隨著摩托車產品數字化設計的進程,建立摩托車產品的CAD模型成為摩托車新產品設計的基礎。其中,復雜曲面的CAD建模是摩托車建模的重點和難點。本文以一款全新設計的摩托車油箱為例,探求摩托車曲面建模的規律。 一、 騎式摩托車油箱結構 騎式摩托車油箱在滿足儲存燃油功能的同時,一直是整車造型設計的重要內容,對其表面質量、外觀形狀有著很高的要求。油箱的主要結構由油箱體、油箱蓋、油位傳感器、燃油開關組成。其中,油箱體的結構如圖1所示,油箱上體、油箱下體的3D建模是油箱建模的主要內容。 二、油箱上體3D建模 油箱上體的數據來源于油泥模型。利用Atos測量油箱得到大量的點云數據,數據量大,數據點的排列不隱含任何的數據組織形式,并且還有許多背景雜點,需要利用Surfacer軟件進行數據預處理,主要包括數據稀疏、分層放置、截面處理、去除噪聲點等過程。圖2所示為經過Surfacer處理后,導入UG軟件的摩托車油箱的點云數據。 由于UG軟件基于NURBS技術進行曲面造型,因此,對于油箱的復雜曲面需要采用分塊重建,構造滿足G1連續的過渡曲面的方法。如何對復雜曲面合理的分塊,判斷曲面的連續邊界是造型的關鍵,經常需要多次的嘗試、調整才能完成。 1.曲面分塊 在摩托車油箱造型過程中,經常要先設計主要型面,型面之間的交線構成造型特征線,它是外觀設計重點處理的部位。然后對交線進行倒角處理,形成光滑的曲面。因此,對復雜表面分塊,規劃曲面重建過程,就是對油泥模型造型過程的一個追溯。對復雜表面進行面片的劃分時,關鍵是抓住特征,同時要均衡考慮兩個因素:一方面,單個曲面盡量簡單,以利于模型的構建;同時,總的曲面數量在能夠反映特征的前提下要盡量少,以避免所構建的模型表面過于瑣碎。 在圖3所示油箱曲面主型面和特征線中,曲面A~L是主型面,除特征線L1~L5外,其余特征線均可直接進行倒角連接。L1~L5所表達的正是摩托車在造型過程中用的越來越多的曲面倒角逐漸消失的手法,使得曲面A、B、C、D之間沒有明顯的過渡曲面,是整個曲面重建的難點。 大部分主型面可以采用單個基本曲面描述。但對于曲面A~D和I,需要進一步分為基本曲面和連接曲面,虛線所示為分塊邊界。分塊確定后,就可以進行基本曲面和連接曲面的建模工作。 2.基本曲面模型的建立 基本曲面模型是指不需要通過邊界約束建立的曲面,一般盡量采用簡單曲面描述,例如:直紋面、拉伸面、旋轉面、掃描面等。對于這款摩托車油箱來說,大部分為復雜自由曲面,需要采用網格曲線構造曲面,根據曲面的特征方向確定曲面的U、V方向,構造四邊形曲面。 首先進行曲面模型粗建,直接采用已分塊的點云數據,通過控制曲面U、V階數,以及與測量數據的偏差來生成曲面。初級曲面一般只是大體反映了模型表面的特征和走勢,從精度、光順性以及面片的尺寸都需要做進一步的調整和完善。初級曲面可以通過直接調節構成曲面控制頂點,并做進一步調整,在一定程度上提高曲面質量。在這一過程中,還經常需要完成曲面的擴展工作。對于需要擴展的曲面,應該按照曲面的曲率變化規律進行擴展,雖然延伸部分的曲面沒有可以對照的數據點,但也必須慎重處理,因為它決定著曲面間交線的變化規律。 然后進行曲面模型修改。對曲面模型進行修改是曲面重建中最重要的過程。建立曲面的曲線、曲面模型,通過對控制曲線的調整來控制曲面質量,是對曲面進行精細調整有效而準確的方法。曲線可以通過在粗建曲面上提取、投影獲得,然后對曲線進行位置調整、長度調整和光順處理。建立曲線模型時應遵守以下原則: (1)曲線滿足精度要求; (2)曲線按照曲面的特征方向構造,盡量達到使用最少的曲線且曲線的曲率變化最為平緩的目的。同一方向的曲線要有相似的曲率變化趨勢; (3)曲線在曲面上分布的密度在允許偏差范圍內應盡量降低,增加曲面的可調整性。曲面曲率變化大處,布置較密的曲線,曲面曲率變化平緩處,布置較少的曲線; (4)曲線主要是通過樣條線描述,在保證精度的前提下,盡量降低樣條線的段數和階數,同一方向的曲線應具有相同的段數和階數,一般建議生成3階或4階曲線; (5)曲線的光順性調節是非常重要的,利用軟件的相關功能模塊進行調節。曲線經過光順處理后,在數學上保證C2連續,沒有多余拐點,曲率變化均勻; (6)曲線曲率要大于過渡曲面曲率值。 UG軟件提供了大量的曲線分析和調整工具,熟練掌握和使用這些工具是快速重構曲面的基本保障。UG軟件曲線調整最常用的是“Edit Spline/Edit pole”選項。打開“曲率梳”可以實時檢查曲線的曲率變化。圖4所示為圖3中面片C、F、I、G的曲線和曲面模型。 對于油箱中的對稱曲面如A、B,先依據一側測量數據,構造一半的曲面。在曲面調整到一定精度時,將構造曲面的網格線以對稱平面鏡像處理,將與對稱面垂直方向上的曲線重新連接,進行光順處理,生成一個對稱的網格,而后構造一個完整的曲面。 3.連接曲面模型的建立 在摩托車造型中一般C1連續就可以滿足造型的需要。連接曲面的產生通用的有兩種方法: (1) 倒角法:以需要進行連接的兩曲面的交線作為導引線,進行等半徑倒角或變半徑倒角。不需要預先確定相切邊,通過調整倒角半徑值來調整曲面形狀變化,逼近測量數據。通過控制相交線的光順性和趨勢可以有效地控制倒角曲面的生成質量。這是一種比較容易實現的方法; (2) 直接建模法:建立具有邊界約束的連接曲面。在曲面片之間實現光滑連接時,首先要保證各連接面片間具有公共邊,更重要的一點是要保證各曲面片的控制線連接要光順,這是保證面片連接光順的必要條件。此時,可通過修改控制線的起點、終點約束條件,使其曲率或切矢在接點保證一致。這種方法需要對連續邊界和控制線進行反復的調整,不容易實現。 在建模過程中,經常同時使用到這兩種方法。圖5所示為曲面模型的線框顯示。從中可以很容易地看出曲面的生成順序及連接曲面的生成方式,除曲面C1~C6是直接生成具有邊界約束的連續曲面外,其余連接面是通過倒角直接生成的。 摩托車油箱表面對曲面質量要求很高,因此在曲面建模過程中,一直貫穿著曲面質量的檢查。曲面光順性常用高斯曲率法和反射條紋法來檢查,圖6所示為油箱上體曲面模型光順性檢查。為了正確反映曲面的造型特征,曲面與數據的偏差一般控制在±1mm左右。 油箱上體曲面完成后,利用UG功能將其增厚,轉換為實體模型,然后與油箱蓋配合設計注油口結構。由于油箱蓋頂面與油箱上體平齊,因此特別設計出水管,以便使油箱蓋內的存水排出。圖7所示為油箱上體三維模型。 三、油箱下體3D建模 油箱下體的曲面建模相對比較容易,參考同類車型的結構,滿足油箱在車架上安裝及油位傳感器、油箱前卡耳和出油口在油箱上安裝的需要,按照出模方向設計曲面。一般通過對拉伸曲面進行倒角連接,就能完成造型。油箱上體與油箱下體的焊接滾邊需要配合設計。圖8所示為油箱下體三維模型。 在油箱所有零部件三維模型完成后,進行虛擬裝配檢查,如圖9所示。審定后的模型,可以直接傳給模具廠,進行模具加工。 四、結論 現階段,對于基于點云數據的復雜曲面三維建模,通用CAD/CAM軟件和逆向設計軟件相結合是行之有效的方法。其中,對復雜曲面的合理分塊,判斷曲面的連續邊界是造型的關鍵。曲面的質量取決于曲線的質量,對曲線進行調整是曲面建模的主要工作。
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