劉晶 彭丹 楊平
【摘 要】文章研究了汽車(chē)玻璃前后、門(mén)單曲率玻璃設(shè)計(jì)工程需求,分析了玻璃擬合幾何體的特性,并提出了相鄰玻璃雙柱面耦合和調(diào)整的方法,并給出了擬合優(yōu)劣度量標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)具體車(chē)型測(cè)試證明,該耦合方法操作簡(jiǎn)捷有效,可以滿足流程化設(shè)計(jì)的要求和提高設(shè)計(jì)效率,具有較高的工程實(shí)際價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】汽車(chē);玻璃面;單曲率;耦合;UG NX
【中圖分類號(hào)】U463.8 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688(2016)02-0053-04
0 引言
在設(shè)計(jì)汽車(chē)的過(guò)程中,車(chē)門(mén)玻璃型面不但要滿足升降的運(yùn)動(dòng)要求,避免運(yùn)動(dòng)誤差導(dǎo)致升降困難,還要滿足車(chē)身外造型的美觀要求,與外形及水切線等協(xié)調(diào)?,F(xiàn)有技術(shù)中一般將側(cè)窗玻璃面擬合為單曲率(柱面)形狀或者雙曲率(環(huán)面/鼓形面)形狀。
圓柱面幾何特性相對(duì)簡(jiǎn)單,可以和螺旋線實(shí)現(xiàn)零誤差匹配,有利于汽車(chē)布置,能夠滿足運(yùn)動(dòng)誤差的要求,工程實(shí)際中應(yīng)用頗為廣泛。由于造型限制及美觀要求的原因,前、后門(mén)玻璃往往不能擬合到同一張柱面上,即需要各自擬合為一個(gè)圓柱面。這時(shí)2個(gè)擬合面要求的外水切和玻璃面形成的凹形膠條干涉量不一致,形成斷差,影響美觀,甚至出現(xiàn)膠條都搭不上玻璃的情況,不符合工程需求。除了要對(duì)A面造型人員提出要求(前、后分塊的邊界要做成X面在同一投影線,保證B柱前、后玻璃與外表面間距相等、外觀漂亮)之外,還需要工程設(shè)計(jì)人員對(duì)擬合的2個(gè)圓柱面進(jìn)行耦合,確保擬合的圓柱面交線位于B柱區(qū)域。
本文通過(guò)分析圓柱體幾何特性和單曲率玻璃的擬合方法,在已有單曲率玻璃面擬合方法的基礎(chǔ)上提出二次擬合法。新的方法實(shí)現(xiàn)了圓柱交線的控制(即耦合斷差的控制),有利于規(guī)范設(shè)計(jì)流程,提高效率和設(shè)計(jì)美觀度,形成一套柱面耦合到誤差分析的標(biāo)準(zhǔn)化流程。
1 工程背景
1.1 幾何原理
玻璃面在圓柱面上取一定區(qū)域的曲面,曲面沿螺旋線運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)可以分解為繞軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿軸向的平移。采用這種方法,片體始終在圓柱面上,而圓柱面存在曲率一致性,運(yùn)動(dòng)過(guò)程面偏差為零,邊偏差為零。這也是在車(chē)輛設(shè)計(jì)中最常用的一種基本方式。由于螺旋線當(dāng)螺距為零時(shí),退化為圓弧,因此不單獨(dú)考慮玻璃前、后邊界是平行圓弧的情況,全部按螺旋線進(jìn)行分析。單曲率玻璃擬合原理示意圖如圖1所示。
1.2 工程需求
車(chē)門(mén)玻璃水切沿玻璃走向,在B柱處(如圖2豎線)會(huì)由于玻璃面分成2塊擬合而形成高度差。高度差要求控制在1 mm以內(nèi),以免影響美觀。
1.3 要解決的問(wèn)題
B柱處水切高度誤差主要源于2個(gè)圓柱面的軸線相對(duì)位置及角度偏差。如圖3所示,2個(gè)圓柱面由于軸向角度不同,因此在B柱中點(diǎn)處形成高度差。
只要分開(kāi)擬合圓柱面,這2個(gè)圓柱面的軸線就不可能完全一致,因此這個(gè)高度差無(wú)法避免。我們只能想辦法調(diào)整其影響因素,將高度差控制在可接受的范圍內(nèi)。工程師要求:控制交線盡量在B柱區(qū)域,且高度差小于1 mm。
以往的設(shè)計(jì)方法中,主要依賴工程師的經(jīng)驗(yàn)采用試錯(cuò)法調(diào)整2個(gè)圓柱面使它們的交線符合工程要求。該方式缺乏幾何理論支撐,難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化操作流程。為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化操作和模塊化、快速設(shè)計(jì),要求整理出具備幾何理論支撐的耦合方法。
2 柱面耦合的設(shè)計(jì)思想
圓柱面的參數(shù)主要包括半徑、軸線方向、起始/結(jié)束點(diǎn)。2個(gè)圓柱面的相交形式有斜交、垂直正交、垂直偏交等幾種(如圖4所示)。
在工程中,擬合的玻璃面往往體現(xiàn)為斜交、偏交的形式(如圖5所示)。斜交形式的2個(gè)圓柱面的交線方程如下:
x=Rcosu
y=Rsinu
z=(rcosv-Rcosucosψ)/sinψ
Rsinu=rsinv+e
-arcsin((r-e)/R)其中u、v為相關(guān)的自變量(未進(jìn)一步簡(jiǎn)化自變量參數(shù))。
參數(shù)含義詳細(xì)說(shuō)明及方程推導(dǎo)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[8]。
由上述結(jié)論可知,相交線位置及形狀的影響因子為大小弧半徑、偏心距離e及相貫角度ψ。
從斷差來(lái)源分析,2個(gè)圓柱面在交線位置誤差為零。即交線位于B柱中心時(shí),誤差可以控制到最小。此時(shí)2個(gè)圓柱軸線相交,且交點(diǎn)在B柱輪廓xz平面的投影區(qū)間內(nèi)。
工程師需要在確保面擬合誤差的情況下,對(duì)2個(gè)圓柱面的交線進(jìn)行控制。在實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn):為確保玻璃面擬合誤差,工程師強(qiáng)調(diào)前、后玻璃面擬合半徑分別由各自的玻璃面確定,但是具體擬合方法卻各有千秋,不同方法對(duì)錯(cuò)誤的容忍度也各有不同。即前、后玻璃面半徑存在一定調(diào)整和控制的自由度。一旦半徑確定,由于需要擬合柱面到原始玻璃面,前、后柱面的軸向也就基本確定。除去以上因素,剩余的關(guān)鍵因子就是控制偏心距e。
工程擬合要求從B柱中間進(jìn)行擬合??刂魄?、后圓柱面的交線一定在中心,要求偏心距必須小于B柱的寬度,并且2個(gè)軸線最近點(diǎn)落在B柱區(qū)域內(nèi)。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試和驗(yàn)證,本文采用控制軸線的起止位置點(diǎn)的方式來(lái)控制偏心距。如圖6所示,直線為初次擬合圓弧的中心點(diǎn)連線。該直線可以作為后續(xù)擬合圓柱面的依據(jù)。即控制后續(xù)擬合的圓柱面起點(diǎn)始終位于該直線的2個(gè)端點(diǎn)上,通過(guò)擬合方法調(diào)整圓柱面半徑和軸向以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在必要的情況下,可以通過(guò)改變擬合圓弧的位置和方式來(lái)改變?cè)摶鶞?zhǔn)直線長(zhǎng)度和方向,從而獲取更高的斷差精度。
在極限情況下,前、后擬合圓弧相交時(shí),在交點(diǎn)處的斷差為零,從而獲得最佳美觀度的玻璃擬合結(jié)果。
3 耦合方法
實(shí)現(xiàn)耦合和測(cè)量的操作方式,以NX軟件為基礎(chǔ)進(jìn)行操作和說(shuō)明。
3.1 一次擬合
一次擬合的目的是獲取控制線段??刂凭€段可以用于在后續(xù)柱面擬合過(guò)程中控制2個(gè)圓柱面交線位置及形狀。
(1)從前、后窗框的前、后邊界到對(duì)應(yīng)玻璃面得到4條曲線,分別命名為A、B、C、D,作為后續(xù)設(shè)計(jì)的基準(zhǔn),如圖7所示。該處在必要情況下可以對(duì)玻璃面做擴(kuò)大。其中,靠近B柱的邊界線投影BC作為一次擬合的基準(zhǔn),同時(shí)作為螺旋導(dǎo)軌設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。
(2)采用三點(diǎn)擬合法,分別取B、C線的首尾點(diǎn)及中點(diǎn)各自擬合為圓弧。連接圓弧中心創(chuàng)建直線段E,如圖8所示。連接線兩端點(diǎn)將作為近似圓柱控制頂點(diǎn)。
(3)過(guò)B曲線的端點(diǎn)做垂直于直線E的平面PLN1,同樣過(guò)C曲線的端點(diǎn)做垂直于直線E的平面PLN2。
本例中取用B曲線的下端點(diǎn)和C曲線的上端點(diǎn)用于創(chuàng)建輔助平面。實(shí)際工程中,可以取2個(gè)曲線上任意一點(diǎn),只要確保輔助平面PLN1、PLN2和原始玻璃面相交曲線比較完整即可。如果需要進(jìn)一步控制擬合的精度,可以擴(kuò)大原始玻璃面,在擴(kuò)大面上取點(diǎn),使2個(gè)平面的距離更近。兩面距離越近,后續(xù)擬合柱面的斷差越小。輔助控制平面如圖9所示。
(4)分別做輔助面PLN1、PLN2和對(duì)應(yīng)玻璃面的交線,并采用三點(diǎn)法取首尾點(diǎn)和中點(diǎn)擬合為圓弧。此處應(yīng)測(cè)量圓弧直徑,避免圓弧直徑誤差過(guò)大。在必要的情況下,可以采用兩點(diǎn)-半徑法擬合PLN2平面交線的圓弧,使前后擬合柱面半徑相等。
(5)在前窗前邊界及后窗后邊界處也分別做垂直于直線E的輔助平面,并將擬合平面和玻璃面的交線以兩點(diǎn)-半徑法擬合為圓弧。半徑以步驟(4)擬合的圓弧為半徑。
3.2 二次擬合
二次擬合目的是根據(jù)一次擬合的限制條件獲取擬合的玻璃面。
(1)連接后門(mén)玻璃在一次擬合過(guò)程中獲得的2個(gè)圓弧中心,得到直線段F。過(guò)直線段F中點(diǎn)做垂面(如圖10所示)。
(2)垂面和后門(mén)原始玻璃面相交獲得曲線,并以三點(diǎn)法取首尾及中點(diǎn)擬合為圓弧。
(3)沿軸線方向拉伸圓弧,獲得后門(mén)玻璃圓柱面。
(4)對(duì)前門(mén)重復(fù)以上3個(gè)步驟的操作,獲取前門(mén)玻璃圓柱面。分別投影BC曲線到擬合面上,計(jì)算螺旋線。然后沿各自圓柱面平移螺旋線到前、后邊界對(duì)應(yīng)位置,進(jìn)行裁剪和門(mén)框邊界調(diào)整。二次擬合結(jié)果如圖11所示。
3.3 分析誤差
根據(jù)以上做法,前、后圓柱面半徑誤差很小,而且起始點(diǎn)被直線段E控制,使得交線位置始終位于B柱中間,同時(shí)誤差較小。
分別從曲線B、C的起始、中間、結(jié)尾點(diǎn),兩兩對(duì)應(yīng)取中點(diǎn),擬合為平面。求該平面和2個(gè)圓柱面的交線,并測(cè)量,可以度量斷差大小。
如果誤差不能夠滿足要求,可以通過(guò)調(diào)整PLN1、PLN2平面的取點(diǎn)位置,進(jìn)一步縮小斷差。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證,在多數(shù)情況下,該方法擬合出來(lái)的圓柱面可以直接滿足設(shè)計(jì)的要求。
4 結(jié)語(yǔ)
本文新提出的擬合方式獲得的2個(gè)圓柱面具備耦合關(guān)系,可以滿足工程的需求,即控制相交曲線到等效邊界中間,而且斷差在可控范圍內(nèi),并預(yù)留了調(diào)整的空間。經(jīng)過(guò)具體車(chē)型測(cè)試證明,該耦合方法操作簡(jiǎn)捷有效,可以滿足流程化設(shè)計(jì)的要求和提高設(shè)計(jì)效率,具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。
參 考 文 獻(xiàn)
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[責(zé)任編輯:鐘聲賢]