基于特征的凸轮测量与几何模型重构.pdf

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基于特征的凸轮测量与几何模型重构0引言1特征分析凸轮测量标机进行测量，测鼍数据精度高，达到舯级，但测量当前，凸轮设计侧重于产生面向运动学分析的凸轮轮廓曲面，缺少对凸轮完整几何模型的构建。提出了一种由凸轮实物重构几何模型的设计方法，经特征分析、三坐标测量、数据处理、特征拟合和拼接等过程生成凸轮的CAD模型。该方法基于凸轮特征，重构的CAD模型既面向凸轮的设计，也面向凸轮的加工，应用广泛。以一盘形凸轮为例，阐述了该方法的实施过程。凸轮特征几何模型重构自动机械与设备中，如纺织机械、包装机械、食品加工机械、印刷机械、内燃机和机器人等。为实现预先设定传统的凸轮设计大多采用作图法，由设计人员手工绘制出凸轮轮廓。这种方法效率低、精度差，对于从动件运动规律复杂、精度要求高的凸轮，手工操作难以胜任。当前，凸轮机构的设计己广泛采用解析法并借助计算机来完成，国内相关研究活跃[1。3|。现有研究多面向设计、侧重于产生凸轮轮廓曲面方程或曲面模型，进而求解出凸轮机构的运动规律，缺少对凸轮完整实际生产中，对于轮廓复杂、加工精度要求较高的用自动编程即凸轮的计算机辅助制造CAM方法，实施CAM的前提是得到凸轮的CAD模型。又由于设计图纸缺失，或对引进的凸轮机构实施创新设计与再加工等需求，也需要得到凸轮的完整CAD模型。本文以盘形凸轮为研究对象，分析了凸轮的结构数据，构建出与凸轮实物特征一致的CAD模型，具体零件在结构上可看作是各种特征的组合，其中既包括基本特征，如平面、孔、槽、圆柱、圆锥等，也包括非特征为凸轮轮廓曲面，由于要实现复杂的运动规律，凸轮轮廓曲面往往是不规则的自由曲面。次要的几何结凸轮特征还可依据所实现的功能划分。凸轮机构运动规律的实现主要依靠凸轮轮廓曲面，因而凸轮轮括：凸轮厚度，即上下表面间距离，该厚度大小关系到小，直接影响到凸轮的运动规律；其余次要功能特征还接触式测量方法，数十秒钟内可采集到几十万到上百万个数据点，但精度不如三坐标测量方法。凸轮轮廓曲面形状复杂，拟合该特征需测量几十个到上百个数据点；上下表面、内孔、键槽和凸台等基本特征形状规则、简单，拟合此类特征只需测量几个到几十个数据点。为准确反映盘形凸轮实物的特征，保证后续设计与加工的质量，采用三坐标测量机对凸轮测量规划是对测量顺序和方法的预先定义，目标是生成一个优化的测头运动轨迹，使测头能以最短的路径遍历所有待测特征而不发生碰撞。三坐标测量机的测量时间、成本和误差大小与测量路径有很大关系，万军摘要关键词凸轮机构是一种常用典型机构，广泛应用于各类的特殊运动，凸轮轮廓的形状通常复杂、不规则，凸轮的设计和制造凶此变得困难。几何模型的构建。凸轮数控加工，手工编程的方式无法满足要求，只能采和功能特征，采用三坐标测量机测量凸轮并拟合测量过程阐述如下。基本特征，如高阶曲面、自由曲面等。盘形凸轮的主要构特征包括凸轮上下表面、内孔、键槽和凸台等。廓曲面是凸轮的主要功能特征。次要的功能特征包凸轮的承载能力以及凸轮机构的装配尺寸等；内孔孔径和孔心位置，关系到凸轮回转的轴线位置和基圆大包括键槽尺寸、凸台高度等。2．1测量方法凸轮测量的目的在于获取足够多的能表达凸轮特征的数据，用于拟合特征及重构凸轮的完整CAD模型。根据测量方式的不同可将测量方法分为接触式和非接触式两大类。接触式测量的典型代表是利用三坐速度较慢；利用激光或结构光的光学测量是典型的非实施测量。2．2测量规划为提高测量的效率与精度，测量规划必不可少。本文在分析凸轮结构特征的基础上，采用基于特征的测量规划方法[4I，分两步实现测量规划，先进行全局规划，而后进行局部规划。通过全局规划，确定各特征的测量顺序，对于盘形凸轮，依次测量凸轮的上表机械传动2009短2文章编号：1004—2539(2009)01—0050一03(上海工程技术大学高等职业技术学院，上海20043"7)50
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加∽：晕霉丛型啪，=侩黧鲫剑⋯P(“)=号}——一Ni,k(“)=考专肌加-(“)+I上等兰旦批“川(Ⅱ)3几何模型重构蚤善∞i，以，％(u)也，f(t，)部规划，确定测量各特征所需的测量点数、测点分布以率变化较大的部位，应增加测量点数；而在曲率变化不步。曲面拟合的任务是依据测量获取的数据点在计算助分析(CAE)或加工(CAM)。的数学表达式，采用合适的拟合算法，如最小二乘法的几何尺寸和拓扑关系，如拟合后内孔的深度、平面的面、凸台、内孔、键槽、凸轮轮廓曲面和下表面。通过局及测头的运动范围与路径。为保证测量精度，应尽量多取一些测量点，如测量上下表面，只需各测量4点即可，但精度得不到有效保证，实际测量时根据测量表面的精度和大小一般应取10～30个测量点。对基本特征，测点位置可采取等间距、均匀分布的方式，测量效率较高，精度也能得到有效保证。但对于凸轮轮廓曲面，其形状