华中科技大学
硕士学位论文
江铃全顺商务车车身自主开发和技术应用的研究
姓名：周亚倬
申请学位级别：硕士
专业：机械工程
指导教师：师汉民
20040429
华中科技大学硕士学位论文
摘要
车身协调是新车型车身开发中的一项关键技术，作者以美国福特汽车公司（以下简称：福特）的Ｔｒａｎｓｉｔ车型为基础，结合江铃汽车股份有限公司（以下简称：江铃）的技术特长，实现了江铃全顺车身的自主开发和技术应用。
针对车身开发中的关键技术——车身协调，本文首先介绍了课题的来源、背景和意义，该项目的实施对江铃公司的重要性以及对未来发展的长远影响；车身协调技术的发展以及国内外汽车发展的概况进行了综述；深入研究了全顺车身及零件数学模型的建立及协调，在全顺车身开发过程中运用成熟的ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ软件，采用矢量化、反求技术、混合法三种方法，建立全顺车身的数学模型。采用ＵＧ软件，对全顺车身进行虚拟装配检查，并对照全顺车身的主模型进行装配干涉检查。江铃全顺车身协调技术。其后介绍了几种考核全顺车身协调最终的检验手段，指出可以通过这些有效的技术质量统计工具来指导生产，并运用Ｍｉｎｉｔａｂ软件，Ｍｉｎｉｔａｂ是国际上流行的一个统计软件包，它应用各种数理统计和概率论的数据处理原理和方法，该软件具备了实验设计和质量控制等多个功能模块，从而可以方便的利用各种复杂的检测数据，制作和计算出各种控制图和生产过程参数，从中我们可以找出样本中存在的变异或其它信息，以便可以预估在今后的生产中可能存在的问题，从而可以提前采取措施，以避免问题的发生。同时也可以用于质量改进，去解决那些已经发生的质量问题。论文中还举例说明如何解决一些在实际中遇到的问题。最后对本课题的研究进行总结与展望，进一步指出车身协调技术是汽车制造工程的关键技术，基于ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ技术的车身协调方法，以及车身开发过程实施并行工程的工作模式是现代车身协调工作的最佳、有效的工作方法。
关键词：车身协调车身数模质量控制ＣＡＤ／ＣＡＭ
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Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｂｏｄｙｗｏｒｋｈａｒｍｏｎｙｉｓａｃｒｕｃｉａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｎｅｗｂｏｄｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｂａｓｅｄｏｎ
ＴｒａｎｓｉｔｏｆＦｏｒｄＭｏｔｏｒＣｏｍｐａｎｙ（ＦＭｃ），ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＪｉａｎｇＬｉｎｇ
ＭｏｔｏｒＣｏｍｐａｎｙ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅｓｅｌｆ－－ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｂｏｄｙｏｆＴｒａｎｓｉｔｏｆＪＭＣ．
Ｉｎａｌｌｕｓｉｏｎｔｏｔｈｅｃｒｕｃｉａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｂｏｄｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｂｏｄｙｈａｒｍｏｎｙ，ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｔｈｅｒｅｓｏｕｒｃｅ，ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄａｎｄｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｎｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｃｅａｎｄｌｏｎｇｒｕｎｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｐｒｏｊｅｃｌｏｎＪＭＣ．Ｔｈｅｓｕｍｍａｒｉｚｉｎｇｏｆｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｂｏｄｙａｎｄａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｏｆｌｏｃａｌａｎｄａｂｒｏａｄ．ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｓｔｕｄｉｅｄｈａｒｍｏｎｙｏｆｔｈｅＴｒａｎｓｉｔｂｏｄｙａｎｄｐａｒｔｓｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅ。ａｐｐｌｉｅｄｍａｔｕｒｅｓｏｆｔｗａｒｅｏｆＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｖｅｃｔｏｒ，ｒｅｖｅｒｓｅａｎｄｍｉｘｉｎｇ，ｃｒｅａｔｅｄｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｏｆＴｒａｎｓｉｔｂｏｄｙ．ＡｓｓｅｍｂｌｅＴｒａｎｓｉｔｂｏｄｙｉｎｄｕｍｍｙⅣｉｔｈＵＧ．ａｎｄｃｈｅｃｋＴｒａｎｓｉｔｂｏｄｙｃｏｎｔｒａｓｔｗｉｔｈｂｏｄｙｍｏｄｅｌ．ＨａｒｍｏｎｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＴｒａｎｓｉｔｂｏｄｙｏｆＪＭＣ．Ａｎｄｔｈｅｎ，ｔｈｅａｒｔｉｃｌｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｅｖｅｒａｌｃｈｅｃｋｍｅｔｈｏｄｓ，ｗｈｉｃｈ
ｉｎｄｉｃａｔｅｓｗｅｃａｎＵＳｅｔｈｅｓｅｔｏｄｉｒｅｃｔｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．ＡｎｄｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｏｆＭｉｎｉｔａｂｈａｓｂｅｅｎｍｏｔｉｏｎｅｄ．Ｍｉｎｉｔａｂｉｓａｐｏｐｕｌａｒｓｔａｔｉｓｔｉｃｓｏｆｔｗａｒｅｉｎｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｗｈｉｃｈｍａｎｙｋｉｎｄｓｏｆ
ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｎｄｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｍｅｔｈｏｄａｒｅｕｓｅｄｉｎｉｔ，ａｎｄｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄｑｕａｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｍｏｄｕｌｅ，ｗｈｉｃｈｍａｋｅｉｔｐｏｓｓｉｂｌｅｔｏｔａｋｅａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｖａｒｙｉｎｇｃｏｍｐｌｅｘｄａｔｕｍｔｅｓｔｅｄ，ｔｈｅｎｐｒｏｄｕｃｅａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｍａｐａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒ，ａｎｄｗｅｃａｎｆｉｎｄｏｕｔｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎａｎｄｏｔｈｅｒｊｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｆｌｓａｍｐｌｅｓ．ａｎｄｅｓｔｉｍａｔｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ，ｇｉｖｅｏｕｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｎａｄｖａｎｃｅｔｏａｖｏｉｄｆａｉｌｕｒｅ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｉｔｃａｎｂｅｕｓｅｄｉｎｑｕａｌｉｔｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ，ａｎｄｓｏｌｖｅｔｈｏｓｅｏｌｄｑｕａｌｉｔｙｐｒｏｂｌｅｍ．Ｉｎｔｈｅｔｈｅｓｉｓ，ｔｈｅｒｅｉｓｅｘａｍｐｌｅｏｎｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｉｎｒｅａｌｉｔｙ．Ａｔｔｈｅｅｎｄ，ｉｔｇｉｖｅｏｕｔａｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎａｎｄｆｏｒｅｓｅｅ０１１ｔｈｅｃｒｕｃｉａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｂｏｄｙｈａｒｍｏｎｙ，ｂａｓｅｄｏｎＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ，ａｎｄｔｈｅｐａｒａｌｌｅｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｔｈｅｂｅｓｔａｎｄｍｏｓｔｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｂｏｄｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＢｏｄｙｈａｒｍｏｎｙＢｏｄｙｍａｔｈｓｍｏｄｅｌＱｕａｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌＣＡＤ／ＣＡＭ
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独创性声明
本人声明所皇交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文ｒｔｓ以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果Ｌｌ：ｌ术人承牡！。
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日期：Ｄ２一争年４月三Ｚ臼
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１绪论
１．１课题的来源
课题来源于江铃‘。全顺系列车身冲压件国产化顶目”（项目代号：０Ｓ１８００），子课题的名称为：“全顺系列车身协调研究”。
１．２课题的背景与意义
江西汽车股份有限公司与美国福特汽车公司通过技术合作，于１９９７年底推出了Ｔｒａｎｓｉｔ全顺商务车。全顺车以其独特的欧洲风格造型，外观现代典雅，车内舒适、宽敞，使全顺车投放国内市场即受到了来自各方的青睐。但由于该车全部采用进口福特冲压件组装，成本高，使车价格居高不下，严重影ｑ≈了全顺车快速推向市场，更重要的原因是２０００年后，欧洲Ｔｒａｎｓｉｔ车由ＶＥ８３换型到ｖ１８４艏，福特及其主要供应商将停止ＶＥ８３的生产，将无法保证向江铃提供冲压件，即使能提供，其价格也将上涨２倍以上。在如此遣切的局面下，经过周密仔细的可行性分析，江铃决定启动全顺系列车身冲压件国产化项目，预计在三年内完成该项目所有工作。该项目完成了全顺系列车身冲压件开发原始数据的统一，建立了车身零件数学模型及短轴距１２座、长轴距１５座以及１７座加长车三种基本车型车身数学模型；完成了三种基本车型车身全部外覆盖件及部份内覆盖件主模型的设计与制造；完成冲压件模具开发约１２７０套，检验样架３００多套；完成了各车型车身冲压件在江铃组焊夹具上的装配协调。
通过近三年的时间，实现了全顺系列车身冲压件国产化的目标，并达到了全顺系列车身高品质的要求。全顺系列车身制造及协调工作的完成，为江铃在车身协调的技术引进和自主丌发中积累了丰富的经验。
随着中国加入ＷＴＯ，国内的汽车业面临更激烈的竞争，车型不断的更新换代，车身设计新颖及新车型的快速推出，将成为企业抢占市场的关键，一部好的汽车，特别是高档次的车，给人们的第一印象即是它的外表——汽车车身，这种美感不仅溶入于车身设计中，在其背后，体现这非凡立体画的却是汽车制造工程技术，而车身协调又是这一工程技术的关键。先迸的车身协调技术还是汽车制造高效率、高品质的保证。
通过对江铃全顺系列车身自主开发，积累了全顺系列车身协调的工作经验，掌握了车身丌发中的关键技术，探索出一条科学的适应现代车身开发技术又符合江铃实际
状况的技术路线，为江铃自主丌发新车型奠定了技术基础。
１．３国内外概况
车身是汽车的重要组成部份，是整个汽车零部件的载体，其重量和制造成本约占整车的４０％－６０％。车身又是一个非常复杂的结构体，它通常是由几百个具有复杂空间曲面的薄板冲压件经过多道焊装工艺制造而成的，中间环节众多，各种装配偏差源难以避免。汽车车身的制造尺寸偏差将直接影响到最终汽车产品的质量，如密封、噪声、漏雨、门窗及玻璃关闭困难、汽车寿命、动力性和外观等。掘１９９７年Ｊ．Ｄ．Ｐｏｗｅｒ全世界汽车产品质量关键问题调查评估（ＩｎｉｔｉａｌＱｕａ］ｉｔｙＳｕｒｖｅｙ）的报告显示：车身质量问题中，４１％是由车身制造尺寸偏差所造成的。
８０年代末和９０年代初期，美国汽车制造质量在整体上落后于日本与欧洲。以车身关键测量点的６０值为指标，当时欧洲车身制造综合偏差控制较好的德国奔驰汽车为±ｌ。２５ｍｍ，而日本丰田汽车可达±１．ＯＯｍｍ，美国汽车的车身制造综合偏差一般却要超过±２ｍｍ。因此，美国汽车丢掉了近３０％的国内轿车市场。９０年代初期，美国Ｍｉｃｈｉｇａｎ大学吴贤铬教授提出了“２ｍｍ工程”，“２ｍｍ”是一个描述自车身尺寸偏差的参数，“２ｍｍ”工程的实质就是６０＜２ｍｍ，即将白车身尺寸偏差的上下界限（１１—３ｏ）与（１１＋３ｏ）限定为±１，使白车身的制造误差控制在２ｍｍ以内．进而提高车身装配协调性和车身精度。当生产过程处于稳定状态时，实现６ａ质量控制，车身协调的合格率为９９．７３％。“２ｍｍ”工程在车身协调中具有重大的意义，其意义如下：
（１）可以减少从发现车身缺陷到查明其原因的时间，缩短车身协调周期，降低车身的开发费用。
（２）可以有效地解决由于各部件误差导致的白车身装配过程中的装配困难，或无法装配等故障而生产效率较低等问题。
（３）有效地防止车身局部渗水，提高车身性能及使用寿命，合理的车门间隙可降低噪声，提高乘客舒适性。
到１９９６年美国车身制造质量赶上了世界先进水平，车身制造的综合偏差从１９９３年的＿＋２ｍｍ减少到±１．ＯＯｍｍ，并逐步夺回了原失去的市场分额。据全国汽车车身制造技术研讨会报道（１９９９年１２月，上海），我国主要品牌轿车的车身制造偏差多在±２．５ｍｍ一±４．ＯＯｍｍ甚至更大，远远落后于世界先进水平。汽车车身制造质量直接关系至４整车性能和质量，同时也直接影响到企业的生产成本，而汽车车身协调的综合偏差是反映汽车车身制造质量的极为重要的一个指标。车身协调综合偏差是衡量汽车制造业技术水平高低的一项重要指标。
２
近年来，随着中国加入ＷＴＯ，国内轿车市场正逐步走向全球化，国际汽车集团也明显地加大了对中国汽车市场的关注，加大了对中国汽车制造工业的投资，随着中国加入ＷＴＯ后对国内汽车制造业为期六年的保护期的结束，中国汽车制造业将同国际先进同行站在同一起跑线上。为了迎接ＷＴＯ带来的巨大挑战，国内各大汽车企业显著地加大了在车身制造技术及质量控制方面的投入，按照引进吸收和自主开发相接合的原则相继开展了一些各具特色的车身制造及质量控制技术项目，而车身制造的关键技术之一是车身协调。
１．３．１车身协调
车身是由几百个零、组、部件按照车身形状尺寸要求装配而成。相互装配的两个零件在车身上指定位置（配合面）的形状尺寸保持一致，称这种一致性为扔调。车身协调工作就是在一定的精度范围内，控制其一致性，满足车身设计尺寸偏差需要。
现代车身协调是基于ｃＡＤ／ｃＡＭ技术的应用，而ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的关键是车身零件三维数学模型，建立正确的车身零件数学模型和统一的数据源是保证ＣＡＤ／ＣＡＭ技术应用顺辛螗ｑ关键。车身数学模型应用于车身协调的整个过程，是车身制造及检测的唯一理论依据。因此，现代车身协调的概念已不仅仅指车身制造过程中的冲压零件装配协调，它还包括在车身产品的设计阶段的车身零件数学模型的装配协调。因此，现代车身协调是指通过对车身零件数学模型、冲压模具及装配焊接夹具的综合协调、调整、修正，最终达到整车车身装配协调。车身协调贯穿车身开发全过程。
车身协调又是一项系统工程。它贯穿于车身设计、制造及检测全过程，是保证车身生产稳定和车身装配精度的关键技术。科学的车身协调方法，不仅能提高车身协调质量，降低开发成本，还能大大缩短开发周期，使新车型被迅速推出，为新车型开拓市场、赢得消费者起到巨大的作用。
汽车工业的发展，经历了手工作坊式的制作到半机械化到现代完全依赖ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＲＥ及网络技术，随着计算机和网络技术的发展，特别是ＣＡＤ／ＣＡＭ技术被广泛应用于汽车设计及制造过程，车身制造及装配协调技术有了很大的提高，ＣＡＤ技术及网络化为车身设计提供了更方便、更精确、更科学的设计手段。汽车的车身设计方法在很大程度上决定了汽车车身协调技术…。
１，３．２传统的车身设计方法及车身协调法
车身结构的特点在于组成车身外形的各个零件多为尺寸大而形状复杂的空间曲而（所谓大型覆盖件），不能用一般的机械制图方法将它完整地表现出来，不得不需
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要立体模型作为依据，为了使这些图纸和模型能够确切地表示出车身形状和结构，需要经过一套复杂的设计和制作程序“３。传统车身设计过程如图卜１所示：完成全部的车身设计及生产准备的周期，在国外发达国家大约需要６个月的时间，国内则需要１－２年的时间。
补充修改外形轮廓
绘制１：５车身布置图ｈｌＩ绘制１：１线型图
警嚣缩小比例彩色效ＩＨ广丽画五＿赢
果圈ＩＩｌ”ｇ““”“Ⅸｏ
绘制车身主翻板
绘制车身内外覆盖
件图
雕塑１：５汕泥模型ｒＪｌ制作１：１内部模型卜ＪＩ制作车身主模型
图卜１传统车身设计过程
取模线、制作样板
车身铆造、车身协调
在车身的设计和制造中，主要依据是车身的样板，如以样板为依据制造模具、装
配夹具等，因而样板的精度直接影响车身协调质量。在实际生产中，使用样板的数量有限，非控制型面区域制造误差大，不能满足大配合面、复杂配合面的协调要求．制造误差受到基准转换误差和坐标系精度的影响而使车身制造、协调准确度低。此外，样板制造周期长、精度低，不易保存，因此这种以模板为主要依据的车身协调方法已不能适于现代汽车开发的要求。
１．３．３机算机辅助设计与制造及车身协调法
ＣＡＤ开发始于６０年代，８０年代末ＣＡＤ技术已广泛汽车制造业。随着Ｂｅｚｉｅｒ、Ｂ样条和ＮＵＲＢＳ（Ｎｏｎ—Ｕｎｉｆｏｒｍ—ＲａｔｉｏｎａｌＢ－Ｓｐｌｉｎｅ）等描述自由曲线曲面的数学方法的引入，ＣＡＤ的曲面造型功能ＣＡＳ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＳｔｙｌｉｎｇ）使复杂曲面的计算机数学模型的建立成为现实，实物模型转换为计算机数学模型。特别是三维ＣＡＤ系统的出现，结束了主要依靠手工测绘二维工程图纸的车身设计的状况，实现了计算机对车身及零部件的数学建模，同时也进一步促进了ＣＡＥ、ＣＡＭ技术的发展和应用。目前。常用的三维ＣＡＤ软件中，有美国ＥＤＳ公司的ｕＧＩＩ软件、美国ＳＤＲＣ公司的Ｉ—ＤＥＡＳ软件、
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法国Ｍａｔｒａ公司的Ｅｕｃｌｉｄ及Ｓｔｒｉｍ软件、法国Ｄａｓｓａｕｌｔ公司的ＣＡＴＩＡ软件等，这些三维工程软件已广泛运用于世界各大汽车公司，为各公司提高设计制造质量、缩短开发周期，增强产品市场竞争力发挥了重要的作用。
在国际汽车行业中，为了保持产品的竞争力、节约能源、符合越来越严格的污染控制标准及满足用户对汽车舒适性和外形多样化方面的更高要求，汽车制造厂商在产品与工装设计上竟相采用计算机辅助技术并逐步发展成为汽车设计和制造上的ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ一体化“’。基于ＣＡＤ／ＣＡＭ的车身开发步骤如图１－２所示：从概念设计到建立车身数据模型，进行车身结构设计及生产准备，各环节之间通过统一的车身设计数据库联系，确保数据的传递准确无误，而且车身的设计阶段，设计、制造、采购及检验等各部门共享同一数据库源，同时并行地开展工作”１’。ＣＡＤ／ＣＭ技术应用于汽车设计及制造过程，使车身制造及装配协调质量有了很大的提高，ＣＡＤ技术及网络化为车身制造质量控制提供了更快捷、高效率的数据检测手段，也为车身制造过程实现并行工程提供了可行性依据。
例如德国的大众汽车公司（ＶｏｌｋｓｗａｇｅｎＡＧ）与美国控制数据公司（ＣｏｎｔｒｏｌＤａｔａ）联合开发的车身造型软件ＩＣＥＭＶＷＳＵＲＦ在８０年代就应用于大众和奥迪轿车的车身设计及制造工程中，大约１５个工作日即可完成整部汽车车身的全部造型工作并获得车身及车身零部件的数学模型。
加工１：１车身模型
平面概念图
小比例车身油泥模型
构造车身三维数学模型
车身结构’搜计
车身零件ＣＡＤ数据
车身制造、车身拼调（ＣＡＤ／ＣＡＭ）
图卜２基于ＣＡＤ／ＣＡＭ的车身开发步骤
以零件数学模型为依据开发冲压模具、检具及装配焊接夹具，从而提高了冲压件
兰一
与装配焊接夹具间的协调性，同时ｃＡＤ／ｃＡＭ技术的应用，还提高了模具、检具及装配夹具的制造精度。因此，基于ＣＡＤ／ＣＡＭ的车身协调以统一的数学模型为依据，保证了数据传递的准确性和数据的统一，从而提高了车身协调精度，缩短了车身协调的周期。
１．４本文的主要工作和论文结构
本文首先介绍了现代汽车制造业的发展现状，车身协调的概念以及车身协调在车身开发过程中所起的关键作用。随着ｒｒ技术的发展，车身协调技术水平有了很大的提高，其发展主要分为两个阶段：
（ｉ）ＣＡＤ／ＣＡＭ技术出现以前，车身协调主要依赖模板，模板的数量及制作精度都影响着车身协调的效果，因此车身协调效率低，且车身制造质量与制造工程师的自身水平和经验有很大的关系。
（２）随着ｒｒ技术的发展，ＣＡＤ／ＣＡＭ技术在汽车制造业得到广泛应用，车身开发水平有了很大的提高，车身开发精度及速度都有很大的提高，基于ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的车身协调是现代车身开发中主要手段。
本文以全顺车身为对象，对全顺系列车身协调进行了深入的研究，详细地论述了车身协调的流程及关键技术，成功实现了基于ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的全顺系列车身协调自主开发和技术应用。本文的结构如一Ｆ：
第一章介绍了本课题的来源，课题产生的背景，课题研究的意义，车身协调技术的发展以及国内外汽车发展的概况，对本课题的主要研究内容做了初步的介绍，并对本文的组织结构作了简要描述。
第二章阐述了基于ＣＡＤ／ＣＡＭ的车身协调的关键是建立装配稳定、协调的车身及车身结构数学模型，以及基于装配建模的概念、方法及其在建立车身零件数学模型过程中的重要性。结合全顺车身的开发特点，综合运用矢量化、反求法、混合法，建立了全顺车身的数学模型。基于装配的建模和在车身统一基准坐标系下建立车身零件数学模型，是保证数学模型在虚拟装配检查过程中方便可行、检查结果可靠的基础。采用虚拟装配、主模型检、快速成型件装配法，检查车身数学模型的准确与装配协调性。
第三章在车身零部件的装配过程中，深入分析了影响车身装配综合偏差的主要因素，如：车身零件偏差、焊装夹具偏差以及焊接前零件与零件的匹配状态等。由于车身装配的典型特征之一是柔性薄板零件多工位焊装，因此，焊装夹具是保证车身零件有效装配的重要工具，正确的工装定位和夹紧是保证车身装配尺寸准确度及车身装配协调的重要手段。运用标准检验样架、功能主模型匹配和螺接车匹配法，来检验
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车身冲压零件在焊装夹具上装配的协调性，以保证车身协调的质量。
第四章介绍了凡种考核全顺车身协调最终的检验手段，同时我们也可以通过这些有效的技术质量统计工具来指导生产，并运用Ｍｉｎｉｔａｂ软件简单方便的处理各种复杂的数据，从中得到我们所想要的信息。文中还举例说明如何解决一些在实际中遇到的问题。
第五章对本课题的研究进行总结与展望，进一步指出车身协调技术是汽车制造工程的关键技术，基于ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ技术的车身协调方法，以及车身开发过程实施并行工程的工作模式是现代车身协调工作的最佳、有效的工作方法。
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２全顺车身及零件数学模型的建立
车身是指汽车上除底盘和电气系统之外相对独立的部分，全顺车身由４００多个冲压零件焊装而成，其重量和制造成本约占整车的４０％～６０％。基于ＣＡＤ／ＣＡＭ的车身协调的关键是建立装配稳定、协调的车身及车身结构数学模型，数学模型是车身制造及白车身质量检测的理论依据。冲压模具、标准检验样架，以及焊装定位夹具的制造都是以车身零部件数学模型（三维ＣＡＤ数据）为依据，应用ＣＡＭ技术数控加工而成；车身制造质量控制体系也是根据车身或车身零件数学模型及车身装配要求制定；白车身尺寸偏差检测过程中，其关键测点的选定和理论数据的确定也是来源于对车身数学模型的综合分析和数据提取。由此可见，以数据驱动的现代车身协调过程不能离开数据，而作为车身数据载体的数学模型也因此在车身制造、装配协调过程中显得非常重要，保证车身及零件数学模型的正确及装配协调是保证车身开发顺利进行的前提。
由于车身数学模型在车身开发过程中的重要作用，在车身设计阶段，就要建立全车身及车身结构零部件的数学模型。
２．１基于ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的车身设计
目前，国内汽车制造业在进行车身开发时有两种情况：
（１）基于ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的自主式车身开发，这是一种全新的车身开发方式，包括车身设计到车身制造整个过程。其车身丌发流程如图２－１所示。
（２）基于ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的引进式车身开发，则通过中外合资的形式，选中一种国际畅销且市场潜力大的车型，根据进口车身零件（ＫＤ件）、二维工程图纸或三维ＣＡＤ数掘进行车身开发，全顺车身开发就属于这一种。其车身开发流程如图２—２所示。
由于本论文主要研究对象为全顺车身协调，以下将以基于ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的引进式全顺车身开发过程中的数学模型的建立作详细的阐述。
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加工１：１
车身模型
平面概念圈
ｄ，ｔＥ倒车身油泥摸型
构造车身三维数学模型
车身结构设计
车身零件ＣＡＤ数据
车身艄造，车身挑调（ＣＡＤ／ＣＡＭ）
图２－Ｉ基于ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的自主式车身开发流程
图２－２基于ＣＡＤ／Ｃ＃ｄＶｌ技术的引进式车身开发流程
２．２基于ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的全顺车身开发
长期以来，国内的汽车制造技术一直落后于国外先进的汽车制造企业，大部分国内汽车制造企业都是通过与国外先进的汽车企业合资或技术合作的方式引进车型，先
进行进口原装零件的组装，再根据进口原装零件，或外方提供的车身零件二维工程图
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萎１磊
竺蕊
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纸、三维ＣＡｄ）数据进行车身冲压零件开发及车身装配协调。引进式车身开发虽然少了车身设计这一重要步骤，但对于国内汽车制造业在发展初期，仍不失为一种提高国内车身制造水平的快捷方法。江铃的发展同八十年代末与曰本五十铃公司合资并引进开发江铃系列轻卡是密切相关，九十年代末，江铃与美国福特汽车公司合资，进行全顺车身开发是基于ＣＡＤ／ＣＭＶｌ技术的引进式车身开发过程。
２．２．１装配建模
建立车身及车身零件数学模型是车身开发的第一步。在建立车身零件数学模型之前，应先规划好所有车身零件的装配、协调关系，这一点非常重要，因为它关系到如何有效地建立车身零件数学模型，以及建立后的车身零件数学模型虚拟装配的可靠性。
车身是一个结构复杂、由多达４００多个车身冲压零件组成，各零件间按一定的匹配关系及装配顺序结合在一起，车身装配一般经过：若干零件一若干组件一若干车身分总成一车身总成。车身分总成有：车身本体骨架分总成、左右侧围分总成、车厢地板分总成、顶盏分总成、前侧围分总成、后侧围分总成及风窗框分总成七大部份。车身零件的建模设计也应围绕车身结构的七大部份进行展开、设计。根据车身实际装配过程进行车身零部件的建模设计称为装配建模。
图２—３自底向上的建模方法图２－４自顶向下的建模方法
常用的装配建模的方法中，可以概括为两种类型：自底向上的建模方法（ＴＯＰ—ＤＯＷＮ）、自项向下的建模方法（ＢＯＴＴＯＭ—ＵＰ），分别如图２—３、图２－４所示：自底向上的建模方法是从车身零件设计入手，根据车身装配的概念，则是从车身装配的最底层的零件设计开始．按照车身装配的顺序进行车身零件、组件、分总成及整车车身装配的设计；自顶向下的建模方法，其车身设计顺序正好与之相反。
经过以上分析可知，自底向上的建模方法适用于对已有实际产品的计算机建模。全顺车身开发正是根据福特原装冲压零件实物、工程图纸及部份车身零件数学模型，
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进行全顺车身开发，因此，全顺车身数学模型的建立是自底向上的建模方法的应用。２．２．２涉及车身建模的几个重要概念
（１）车身统一基准点系统（ＲＰＳｌ
车身统一基准点系统（ＲｅｆｅｒｅｎｃｅＰｏｉｎｔＳｙｓｔｅｍ，ＲＰＳ）是汽车设计制造过程中始终贯穿前后的统一基准点系统“”。是目前正在汽车制造业中逐步得到应用的新的定位体系。它对保证汽车零部件尺寸稳定性和零部件功能，保证整体质量稳定性方面所起到的作用越来越被人们所重视。这个体系实际就是指在产品开始设计时，到制造过程中的各个环节，都能找到并使用一个统一的空间固定部件的定位点，也就是讲，在产品设计、制造和质量保证过程中，能够考虑引入一个基准点系统，使其成为产品设计、制造和车身检测共同使用的定位体系。这里强调的是在车身设计～开始，就把这个基准点系统确定不来，这个系统就称之为ＲＰＳ系统。
在车身设计时，把这个基准点定为车身的绝对坐标零点。
（２）车身坐标系
车身坐标系在车身制造过程中非常重要，车身零件设计采用统一的车身坐标系有利于实现零件数学模型的虚拟装配，对车身模具的设计、焊装夹具设计、车身零部件标准样架设计、ＣＭＭ测量等具有重要的意义。现代车身设计几乎所有的车身零件图、装配图、标准样架图、焊装夹具安装定位图都是在车身坐标系下标注的。
车身坐标系的原点一般选取在车身前桥的中点，沿车身的纵向为ｘ轴，称为Ｆ／Ｒ方向．沿车身横向为Ｙ轴，称为Ｉ／Ｏ方向，沿车身的垂直方向为ｚ轴，称为阴方向，分别由前至后、由左至右、由下至上的方向为正。如图２．５所示。
图２－５车身坐标系示意图
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２．３建立全顺车身零件数学模型
建立全顺车身零件数学模型的依据是：福特原装整套Ｔｒａｎｓｉｔ车身冲压件样件，
二维工程图纸、部份零件数学模型，由于存在车身实际零件已作修改而零件图纸或数学模型可能未及时更改的情况，因此在建立全顺车身零件数学模型时，应综合考虑样件、图纸或数学模型（假如有的话），假如图纸与样件不符，应以样件为准。根据以上分析，建立全顺车身零件数学模型有以下三种方法：矢量化建模、反求法建模、混合法建模。
２。３．１矢量化建模
矢量化建模是根据二维工程图来建立车身零件数学模型，由于所有车身零件图纸的都是在车身坐标系下标注的，因此根据零件图纸尺寸标注建立数学模型就是在车身坐标系下建模，建模的顺序是：根据图纸上所标注的特征点信息，构造零件的三维线框图，再通过ＣＡＤ的曲面造型功能ＣＡＳ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＳｔｙｌｉｎｇ）建立零件的三维数学模型。
根据零件图来建立零件的数学模型时。图纸上已注明各自由曲面的边界线以及某些曲面的特征点或线，由于这些边界线及特征线大多为自由曲线，因此应先在图纸上量取其特征点的车身坐标。特征点主要包括端点、曲率变化处的点以及拐点等决定曲线走势的点，由点生成线，然后再由这些点和线生成空间曲面。应用ＥＤＳ公司的ＵＧ软件，建立车身零部件数学模型的步骤大致如下：
第一步：点击ＩＮＳＥＲＴ－＇＊－ＣＵＲＶＥ—ＰＯＩＮＴ，输入特征点得到车身坐标点：
第二步：点击ＩＮｓＥＲＴ—ＣＵＲＶＥ—ＳＰＬＩＮＥ，选择ＴＨＲＯＵＧＨＰＯＩＮＴＳ选项，根据特征点生成自由曲线。对于直线，点击ＩＮｓＥＲＴ—ｃｕＲ、，Ｅ—ＢＡｓＩｃＣＵＲＶＥ，利用其ＬＩＮＥ选项，直接输入端点坐标得到。
第三步：点击ＩＮＳＥＲＴＦＲＥＥＦＯＲＭＦＥＡＴＵＲＥ，利用ＴＨＲＯＵＧＨＭＥＳＨ、ＴＨＲＯＵＧＨＣＵＲＶＥ、ＳＷＥＰＴ、ＲＵＬＥＤ、ＢＯＵＮＤＡＲＩＥＳ等功能，根据第二步生成的特征线生成基本曲面，到此已形成零件的基本形状。
建模过程中还有一些值得注意的问题，由于曲面是在曲线的基础上生成的，因此曲线的质量和数量对曲面的光顺及形状有很大的影响。对于生成的自由曲线，可利用ＡＮＬＹＳｌｓ—ＣｕＲｖＥ—ＣＯＭＢＳＯＰＴＩＯＮＳ观察曲率变化。若有不应有的曲率突变，可用ＥＤＩＴ—ＴＲＡＮｓＦＯＲＭ—ＴＲＡＮｓ“玎Ｅ调整其特征点（即控制点）的位置，消除曲率突变；也可直接应用ＥＤＩＴ—ｃｕＲｖＥ—ＰＡＲＡＭＥｌ限Ｒｓ对曲线进行调整。这样可保
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证在此基础上生成的曲面较为光顺。对于没有曲率突变的自由曲线，也可利用ＥＤＩＴ—ＣＲｕＶＥ—ＰＡＲＡＭＥ，１１讯Ｓ中的ＳＭＯＯＴＨ选项，使其曲率变化光滑，使由此生成的曲面更为光顺。通过ＴＨＲＯＵＧＨＭＥＳＨ功能建造自由曲面时，适当的ＣＵＲＶＥ数量和布霹，使通过这些ＣＵＲＶＥ得到的曲面效果更好。
对于生成的曲面，利用ＡＮＡＬＹＳＩＳ－－＊ＦＡＣＥＳ－－ＲＥＦＬＥＣＴＩＯＮ中的各种选项可观察到曲面的梯度变化、法向变化及反光效果等，从而可知所生成的曲面是否符合要求。
２．３．２反求技术建模
反求技术建模是根据实物原形反求其数学模型的过程，属逆向工程中反求过程的范畴。
逆向工程（ＲｅｖｅｒｓｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＲＥ）．又称逆向工程或反向设计。它是根据已有的实物样件或物理原型，通过一整套软件解决方案，将实物模型数据转换成数字化的设计数据，反求出初始的设计意图，以保证最终生产出的零件与物理原型一致。所谓“逆向”是相对于通常的先有设计，再根据设计要求加工成实物模型的设计制造流程而言。目前有关逆向工程的研究和应用大多数针对实物模型几何形状的反求，在这个意义下，逆向工程是根据实物模型的坐标测量数据（或扫描数据），重新构建实物的数学模型，然后进行分析、加工等处理。
逆向工程的基本处理过程：测量一数学模型一数据传输一制造，如图２－６所示。
这里只讨论逆向工程中的反求过程。
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反求过程
图２—６逆向工程流程
（１）坐标数据的采集（测量）
坐标数据的采集是逆向工程中的第一个环节，是数据处理、模型重建的基础，数模是否准确首先取决于测量是否准确。
由于测量的重要性，因此对测量有如下几点要求：
１）测量基准选择合理：
合理、正确地选择测量基准是保证几何测量精度的首要条件之一…１。实际测量时，
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测量基准不合理或错误，将产生错误的测量结果。车身零部件的设计基准一般和装配作用关系相一致，是根据零件的装配要求而定的。有时零件在冲压过程，受到冲压工艺的制约，工艺基准和设计基准不完全一致。工艺基准是依据零件的设计基准、冲压工艺及装配定位的可靠性综合考虑而制定的。有时必须借助于一些辅助工艺面、工艺孔来完成零件的冲压及装配定位，这些工艺面、工艺孔只是在冲压及焊装过程中使用，与该零件在车身上的使用性能无关。另外由于车身零件的柔性特点，表面变形会使某些设计基准发生变化，选取这样的基准作为测量基准会使测量结果产生波动。
由于存在：①设计基准不明确；②设计基准和工艺基准不一致；③零件变形。因此在测量车身零件时，应从零件的设计、加工、装配等方面综合考虑。测量基准的选择应符合以下三条原则：
ａ、测量主基准应选在装配中的重要定位位置，如主定位销孔；
ｂ、当零部件在产品设计时增设了非装配用的辅助工艺面、工艺孔作为一些位置尺寸的设计基准（一般属第二、第三基准）时，冲压也选用此基准为工艺基
准，测量时也应选用此基准为测量基准，即设计基准、工艺基准、测量基准
一致。
Ｃ、在有多个基准可选择的情况下，测量基准应尽量选在零部件表面上不易变形的区域。
２）选用合适的测量方法。
逆向工程中，对实物形面进行坐标测量的方法可分为两大类：接触式测量和非接触式测量。接触式测量方法是通过传感测量探头与样件的接触而记录样件表面的坐标位嚣，如对样件特征（线、面、圆、凸台等）和边界线的测量一般都采用接触式测量。接触式测量的精度一般较高（测量精度
可达到ｉｌｍ量级），但测量效率低，目
前应用最广泛的是三坐标测量机
（ＣｏｏｒｄｉｎａｔｅＭｅａｓｕｒｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ，
ＣＭＭ）。非接触式测量方法主要是基于光
学、声学、磁学等领域中的基本原理，
将一定的物理模拟量通过适当的算法
转化为样件表面的坐标点。激光三角法
利用光源与影像感应装置（如摄像机）
问的位置与角度来推算点的空间坐标，
图２．７线结构光扫描测量原理示意图并捕获光被曲面反射后的图像，通过对
图像的分析获得三维点坐标。非接触光扫描测量法目前在逆向工程中对自由曲面的测
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量方面应用最为广泛，其中线结构光扫描测量法以其测量效率高、适用范围广等特点在三维自由曲面测量中日益受到重视，其测量精度也在不断提高，已达到１０—３０ｌＩｍ。
线结构激光扫描测量原理如图２．７所示。测量头由激光器和摄像头组成，二者的相对位簧是固定不变的。当测量头停在某－Ｎ量位置时，激光器发射线扫描光（又称“光刀”）切割被测量表面，由于激光的反射强度远远大于背景光强度。摄像头接收到反射光后，系统很容易将“光刀”切割处的被测物体轮廓提取出来。数据经计算机处理后，根据三角测量法原理即可计算出“光刀”上各点的坐标值。“光刀”内数据是按ｚ方向顺序排列的。随着测量头沿Ｙ方向的运动，“光刀”逐一切过被测物体的表面，得到一组“光刀”数据，这些数据的集合，反映了被测物体的表面形状。
线结构激光扫描测量数据有以下特点：
ａ、数据以“光刀”为单元排列，“光刀”之间是有序的。
ｂ、“光刀”内的数据点是有序的。而且位于同一平面内。
Ｃ、光刀”间隔是均匀的，间隔值可在测量前人为设定，“光刀”内测量数据点间隔则随被测物体的大小和表面起伏形状呈现不均匀分布。
根据线结构激光扫描测量数据的特点，在进行扫描操作时应注意：
ａ、由于“光刀”间隔是均匀的且可以人为设置，在测量时应尽量使被测物体表面曲率变化较小的方向与“光刀”运动方向一致，这样就可根据测量精度需要，设置合适的“光刀”间隔。（如图２．７所示）
ｂ、若被测物体在所有方向上都有比较大的曲率变化分布，则可采取分段扫描的方法进行测量，对比较平坦的区域采用较大的“光刀”间隔，对曲率变化较大的区域则采用较小的“光刀”间隔，这样既保证了测量精度，又不会使测量数据量太大。
（２）重建零件数学模型
由测量数据重建物体数学模型，是逆向工程中最关键的部分。这一过程主要在ｕＧ系统中通过ＦｒｅｅＦｏｒｍＦｅａｔｕｒｅ模块完成。
逆向工程中的曲面数学模型重建基本过程是：点处理一线处理一面处理。
１）点的处理
通过测量所得到的数据点，这些数据点包括海量的将用于直接生成曲面的点云，和反应曲面特征轮廓或边界的点阵。对反映曲面特征轮廓或边界的点阵，可经主观判断去除明显的错误点亦称噪声点。
对点云而言，通常是先运用软件所拥有的刨建点云面的功能，生成初步的曲亟，这些曲面是对点云的直接插值，一般都不光顺，不能直接用于对自由曲面的构造。然后根据需要设定一系列的等距离平面与所生成的初步曲面进行截交，获得一系列有规
律的等距离的截面线，再将截面线输入到ｕＧ系统中处理。通过对截面线上有效控制点的提取，生成Ｃｕｒｖｅ、Ｓｐｌｉｎｅ或Ｂ一样条等曲线，对这些曲线进行光顺调整后，可作为随后生成最终光滑曲面的参考线。目前的用于点云处理软件有很多：如ＲａｉｎｄｒｏｐＧｅｏｍａｇｉｃ、ＩｍａｇｅｗａｒｅＳｕｒｆａｃｅｒ、ＤｅｌｃａｍＣｏｐｙＣＡＤ等，它们都具有对点云进行快速处理、产生三维截面曲线的功能。激光扫描测量系统一般都配备一套点云处理软件，因此，零件实物经激光扫描系统测量及数据处理后，直接输出该零件的三维截面曲线数据，因而提高了建模的效率。
２）曲线的创建
通过激光扫描系统对测量点云处理后输出的三维截面曲线，一般是不能直接用于曲面的造型，而是根据需要提取截面曲线上若干控制点重新构建一根与截面线形状、走势一样，但更光滑、易调整的Ｓｐｌｉｎｅ或Ｂ一样条曲线，通过对新建立曲线上的控制点数量及位置进行调整，或应用曲线编辑功能中的Ｓｍｏｏｔｈ选项对曲线进行光顺调整，只有经过以上调整后的曲线，才能用于曲面的构造。
对于构成曲面特征轮廓、边界的点阵，应根据零件实际形状，将相关的点连成曲线，再对该曲线进行光顺调整，以符合零件实际形状和尺寸要求。
３）曲面的创建
由曲线生成面，曲线的质量和数量对曲面的形状、精度以及光顺程度有很大的影响。在ＵＧ软件中，由曲线生成面的详细步骤已在２．３．１矢量化建模一节中作了详细叙述。曲面创建完毕，还要对所创建的曲面进行光顺分析，利用ＡＮＡｌＹＳＩｓ—ＦＡＣＥＡＮＡＬＹＳＩＳ中的各种选项来观察曲面的梯度变化、法向变化及反光效果等，从而可知所生成的面是否符合要求，不符合要求的曲面要进行调整，曲面的调整不仅涉及到相关曲线的调整，还涉及到曲面造型方法的改变。
２．３．３混合法建模
混合法建模是综合矢量化和反求法建模，建模的依据是零件图纸和零件实物。混合建模法一般用于以下三种情况：
（１）零件自由曲面大，型面复杂，二维图纸表达不清。
在全顺的车身零件中，有一些零件如车身覆盖件——车身侧围，它是由较大的自出曲面和一些凸台、凹槽、翻边等特征组成，由于二维图纸都是采用三视图法表示，自由曲面在图纸上的表示为在各投影面上的样条线，因此其坐标数据量是非常大的，而且由于零件曲面大、形状复杂，图纸不可能完全表达其型面的变化。为了提高建模效率和建模精度，对此类覆盖件建立数学模型时，可采用激光扫描仪与图纸信息相结
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