骑式摩托车油箱三维CAD建模技术

郭杰军

宗申·比亚乔佛山摩托车企业有限公司  广东佛山  528000

摘要：摩托车油箱的制造与板料的冲压成形有很大关系，作为一项技术制造过程，其在摩托车行业中有着举足轻重的作用。例如车身、油箱等拉伸零件，其表面质量要求高（光滑、美观、坚硬）、外形大、形状复杂。在常规的板料成形过程中，图纸的设计和制造完成后，需要对图纸进行调整和修改，以获得理想的成品。在摩托车产品的数字化设计中，建立 CAD模型是摩托车产品设计的重要依据。在摩托车造型中，复杂的表面 CAD模型是研究的热点和难点。通过一个新设计的摩托车油箱，研究了其曲面建模的规律。

关键词：骑式摩托车；油箱；三维CAD建模

引言

当前，由于市场的激烈，板料成形工艺从概念设计到产品的生产周期都在不断地缩短。因此，如何有效地减少零件的设计费用、缩短研发时间、改善零件的品质，以及如何解决冲压加工过程中出现的各种问题，是刻不容缓的。传统的试锉方法已不能满足现代工业的要求，为 CAD技术的迅速发展提供了有力的支持。

一、骑式摩托车油箱实体造型

（一）三维测量

设定工件坐标系统：若要建立实体零件的坐标系统，就必须先设定零件的座标系，这样才能把测量资料直接转化成零件的座标系。根据设计需要，对工件的坐标系统进行了建模：一根轴线是固定板顶面，另一根轴线是把左右两个固定孔连接起来的直线；

断面尺寸：在 yz平面上，从边沿起，每隔一段x轴，测量断面。各点间的间距取决于工件的曲率。表面粗糙的部分密度大，在平整时会变薄。

（二）数据处理及CAD造型

首先，通过一点来构造轮廓线。将各剖面上的点按照一定的次序排列（3 d折线），运行3 dpoly指令，并利用“断点”函数。为了使生成的表面光滑，必须确保它的边界是连续光滑的。当进油口表面出现破损时，应将断面线延伸到孔洞的另一端，并将进油口封闭。所以，在进行测量时，要特别注意把取样点延伸到孔洞的另一面，或者在洞口后面增加一个测点。从原点至进油孔中心（X轴），用这条线把各剖面的上端切断。在此基础上，将多条断面线的下端点进行拼接，以得到一条光滑的边界线，再将其它的断面线进行扩展、裁剪。认真地检查各断面的走向和连续性，以保证表面质量符合要求[1]。

其次，从曲线中生成一个表面。要从一套轮廓线中创建一个表面，可以在“Surface\CreateSurface”菜单中选择“LoftU”。先将多个断面线分别转化成样条，这是建立光滑表面的有效方法。这可以通过 Surface\Edit WireFrame菜单中的 Spline Fit命令来完成。若出现局部截面断裂或弯曲所致，则需着重于断面线的变形；在发生中断时，可以通过“Connect”命令来直接连接“Surface\ Edit Wireframe”菜单；如果有打折的问题，必须首先把样条线改成多段，再用 PreEdit命令把它剪掉，再把它还原成样条线。若产生的曲面被自动分成两个部分，则可能是因为某些断面的分割或部分的不连续性和光滑。在每一次表面平滑的情况下，可以通过“Join”指令来直接合成次曲面。。

其三，曲面修剪。首先在原点上画一条垂直的线，并用“Surface\Edit Surface \Lengthen”在垂直方向上拖动所有的曲面块。伸长率不可过高，否则会使面块发生变形。使用“Surface\Edit Surface\ Project Trim”命令，将每个曲面块的中心线投影并裁减，从而得到一个整洁的边界。为了克服探针半径对测量结果的影响，应特别重视使用以上方法进行摩托车油箱的反向设计。推荐使用锐利的探测器，否则所有的表面都会发生位移（表面\产生的表面\位移）来补偿探测器R值。

二、油箱上体3D建模

从油泥模型中提取油箱上体的资料，利用 Atos测量了油罐，获得了大量点云数据。数据点的定位与数据的组织无关，而且存在大量的背景噪声。数据处理的流程主要有稀疏数据处理，分层布局，分区处理，去噪。图1所示为经过Surfacer处理后，导入UG软件的摩托车油箱的点云数据。

图1 油箱点云数据

UG软件在 NIRRS技术的基础上建立了一个曲面模型，为了构建具有G1连续性的过渡曲面，需要对其进行逐个模块的重建。如何对复杂曲面进行智能划分，并对其进行边缘评价，是建模过程中的一个重要环节，常常要经过反复的试验和调试。

（一）曲面分块

在摩托车油箱的造型中，首先要进行主轮廓的设计，各轮廓的轮廓线组成了特征造型线，这是摩托车油箱设计的核心。交叉线再被斜切，以得到平滑的表面。因此，将复杂的曲面分为块体和曲面重构，是研究油泥模型的建模过程。在对复杂曲面进行分割的过程中，首先要抓住特征，其次要兼顾两个方面：一是要尽量简化各个曲面，使其易于建模；同时，总的表面要体现出其特点。尽可能减少使用这些方法来避免建立过于琐碎的模型表面[2]。

图2 油箱曲面主型面和特征线

在图2所示的油箱主型面和特征线中，曲面A-L为主型面，除特征线L1-L5以外，其它特征线都可以用倒角法进行连接。L1-L5代表了模型中曲面的倒角现象，使得曲面 A、 B、 C、 D之间没有明显的过渡面，从而得到了完整曲面的重构。

大部分的底面都可以用单一的底面来表示。而在A-D和 I面上，则需将其划分为基础面与连结面，而虚线则是块体的边界。在定义了一个区块之后，就可以开始建立一个基本的表面和一个连接的表面。

（二）基本曲面模型的建立

采用直接分离的点云数据，对表面的 U、 V顺序和与观测值的误差进行控制，从而生成曲面。主表面只能近似于模型表面的特性和发展趋势，需要在精度、平滑度、平面尺寸等方面作进一步的调整和改善。通过对主面的直接修改，得到了曲面的控制顶点，并对其进行了进一步的调整，从而达到了较好的效果。在此过程中，经常要对表面进行延伸。要展开的表面，必须按照曲率法则来展开。尽管没有可以对比的数据点，但是由于其确定了界面相交规则的改变，所以在加工时要谨慎。然后改变表面的形状。曲面建模是曲面重构中最为关键的一步。该技术是一种高效、精确的方法，可以通过建立曲线、曲面模型，对表面进行微调，并对基准曲线进行调节，从而达到控制表面质量的目的。该方法可以将曲线提取出来，并将其投射到粗糙曲面上，再对曲线位置、长度和平滑度进行调节，从而得到曲线。在油箱中，如 A、 B这样的对称面，应按一方的尺寸来设计一半的平面。在调整到一定的精度后，把构成面的网格线映射到对称面上，再把垂直于对称面的曲线再连接起来，再经过光滑处理，形成对称的网格线，最后形成一个完全的平面[3]。

（三）连接曲面模型的建立

在摩托车油箱的造型中，C1能很好地满足模拟的要求。有两个主要的方式来创建连接表面。第一，倒角法。将两个被连接的表面的交点用作指导，以相同或不同的半径进行倒角。不需要事先确定切线，只需调节倒角半径，即可调节表面形状，使其与实测数据相近。通过对相交曲线的光顺和方向进行控制，可以有效地控制斜坡产生的品质。第二，直接建模法。为了达到光滑的表面覆盖，必须保证所有的连接都有一个相同的表面，而且必须保证各个表面所覆盖的控制线路的光滑，这就要求保证光滑的接合状态。由于摩托车油箱的表面质量有较高的要求，因此，在进行表面模型时，必须对其进行表面质量检验。常用的测量方法是利用高斯曲率法和反射条法。表面和数据之间的误差一般不超过1mm，以更好地体现曲面仿真的特征。

三、油箱下体3D建模

在油箱的下体，曲面建模的形状更简洁。参考同类产品的构造，为满足油箱安装、油位传感器、油箱前夹、油箱上油嘴的安装要求，采用了按卸载方向设计的压机。一般情况下，成形可以通过对挤出的表面进行倒角而实现。燃料箱上下两部分的焊管必须是一体的。在建立了所有的油箱零件的三维模型之后，就可以进行组装的虚拟确认。经核准的型号可以直接转至模具工厂进行模具制造。

结语

目前，利用点云数据进行复杂曲面的三维造型，可以采用一般 CAD/CAM软件与反向设计软件相结合。在这些问题中，如何正确地分割出复杂的曲面，以及确定它们的连续边界，是建模过程中的一个重要问题。因此，对其进行调整是其重要的工作。

参考文献：

[1]夏莉. 骑式摩托车油箱三维CAD建模技术[J]. 卷宗,2014(11):278-278.

[2]史春涛,夏淑敏,孙立星. 骑式摩托车油箱三维CAD建模技术[J]. CAD/CAM与制造业信息化,2005(2):68-70.

[3]徐震. 谈骑式90化油器本体压铸模CAD设计[J]. 摩托车化油器,1997(5):3-5.