基于逆向工程技術圓柱凸輪機構的CAD_CAM

1、第28卷第5期2011年5月機械設計JOURNALOFMACHINEDESIGNVol28No5May2011基于逆向工程技術圓柱凸輪機構的CAD/CAM蔣萌，葛正浩，屈毅，李艷妮（陜西科技大學機電工程學院，陜西西安710021）*摘要：介紹了圓柱凸輪機構逆向設計與制造的流程和方法。利用三坐標測量機和Pro/E軟件為平臺實現(xiàn)輔助設計，以MicrosoftVisualC+60為開發(fā)工具，基于Windows平臺編制了圓柱凸輪機構設計與制造軟件，實現(xiàn)了圓柱凸輪機并可進行壓力角及曲率半徑的快速校核和凸輪的運動仿真，生成了直接用于數(shù)控機床的刀具構的循環(huán)圖和輪廓設計，NC加工代碼，實現(xiàn)了圓柱凸輪機構設計制

2、造一體化。此CAD/CAM系統(tǒng)不僅可用于圓柱凸輪機構的反求設計，亦可簡單快捷地實現(xiàn)圓柱凸輪機構的正向設計。文中以圓柱分度凸輪的反求與制造為例詳細說明了基于逆向工程技術圓柱凸輪機構的設計與制造方法和流程。關鍵詞：圓柱凸輪機構；CAD/CAM；逆向工程；正向設計；Pro/E中圖分類號：TH339文獻標識碼：A文章編號：10012354（2011）05001804逆向工程作為一種產品創(chuàng)新設計的重要手段，在產品創(chuàng)新設計中起到日益重要的作用，是推進先進制造業(yè)發(fā)展的利器。逆向工程技術與以往開發(fā)產品時從實物到圖紙的順序不同，為產品的快速開發(fā)與原型化提供了一種途徑。在凸輪的設計與制造領域逆向工程的應用也頗為廣

3、泛，但是，由目前國內外關于反求凸輪機構及其運動規(guī)律的研究工作可以發(fā)現(xiàn)，對反求空間凸輪機構的研究卻很少。上海交通大學的郭為忠3動規(guī)律）到凸輪機構的正向設計與制造的整個流程做了細致的研究，給出了集成化更強的，能夠快速、準確地實現(xiàn)空間凸輪設計與制造方法。解決了空間圓柱凸輪較平面凸輪復雜，不易實現(xiàn)精密測量，更不易建立運動規(guī)律反求數(shù)學模型，以及如何實現(xiàn)通用、快速、準確、實用的圓柱凸輪機構設計與制造這一難題。曾1逆向工程狹義的逆向工程（ReverseEngineering）是指以實提出了利用測繪數(shù)據，根據共軛曲面原理反求從動件運動規(guī)律的方法，并可有效地用于空間凸輪機構CAD，2，4針對空間凸具有一定的參考

4、價值。文獻輪機構運動規(guī)律不易反求的問題，提供了一套基于三坐標測量機（CMM）的空間凸輪機構運動規(guī)律快速反求的方法，并編制了可實現(xiàn)實時測球半徑補償?shù)目臻g凸輪專用測量程序，快速、準確地實現(xiàn)空間凸輪的精密測量及從動件運動規(guī)律的反求。文中就圓柱凸輪從數(shù)據采集、提取凸輪機構的技術核心（即凸輪機構的運WANGJi-rui（CollegeofAutomotiveEngineering，TongjiUniversity，Shanghai201804，China）Abstract：Asthespringstiffnessandcontrollabilityoftheve-hiclesuspensionhascl

5、oserelationwiththecontrollabilityoftheve-hicle，thispapertakesthebarrel-shapedhelicalspringontherearsuspensionofPASSATB5asastudyobject，anddiscussesthein-物原型為設計制造出發(fā)點，根據所測的數(shù)據構造CAD模型，繼而進行分析制造。廣義的逆向工程不僅包括實物逆向，還包括影像逆向、軟件逆向、工藝逆向等。逆向工程是產品引進消化、縮短開發(fā)周期的關鍵技術。逆向工程CAD除了應包含正向設計（ForwardEn-gineering）CAD中的幾何設計、工程分析、動

6、態(tài)仿真、自動繪圖模塊之外，還應包括數(shù)據獲取、數(shù)據處理、曲面fluenceofcoilclosingonstiffnessnonlinearintheformulaofthebarrel-shapedhelicalspringOnthisbasis，thetestsonstiffnessofthebarrel-shapedhelicalspringarecarriedout，andthereliabilityoritsstiffnessformulawasfurtherverifiedKeywords：barrel-shapedhelicalspring；stiffness；nonlin-ear

7、；testFig4Tab3Ref4“JixieSheji”0056欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍*收稿日期：20100309；修訂日期：20101120作者簡介：蔣萌（1984），女，陜西三原人，在讀研究生，研究方向：機構設計與運動仿真、凸輪CAD/CAM/CAE。2011年5月蔣萌，等：基于逆向工程技術圓柱凸輪機構的CAD/CAM19重構、可視化分析等模塊。均化數(shù)據點等。22凸輪機構運動規(guī)律的反求對于圓柱凸輪技術的探求即凸輪機構運動規(guī)律的研究，從測量的數(shù)據中提取零件原型的幾何特征，利用Pro/E為平臺建立數(shù)字模型，應用運動仿真

8、技術獲得凸輪機構的運動規(guī)律。凸輪實際的運動規(guī)律并不能反映設計者的思想，即圓柱凸輪原型所具有的設計與加工特征，必須結合運動規(guī)律反求的數(shù)學模型得到圓柱凸輪機構的真實運動規(guī)律，才能掌握其關鍵技術。即將實際運動規(guī)律曲線轉化為無量綱運動規(guī)律曲線，從而判斷出運動規(guī)律類型。23圓柱凸輪機構的CAD/CAM基于以上逆向技術的應用結果，以圓柱凸輪機構用文中開發(fā)的圓柱反求出的運動規(guī)律及參數(shù)為基礎，凸輪機構CAD/CAM系統(tǒng)對圓柱凸輪機構進行計算機輔助設計，并且在建立的數(shù)字化模型的基礎上生成NC程序，實現(xiàn)數(shù)控加工。圓柱凸輪CAD/CAM系統(tǒng)應用VisualC+60編制實現(xiàn)模塊化設計，包括循環(huán)圖設計模塊，通過42種常

9、用運動規(guī)律及4種自行控制運動參數(shù)的通用運動規(guī)律來設計凸輪的運動規(guī)律，生成數(shù)據文件，該數(shù)據文而且還可以用于平面件不僅可以用于圓柱凸輪設計，凸輪和其他空間凸輪。該系統(tǒng)包括“一般圓柱凸輪機“圓柱分度凸輪機構設計模塊”和兩種不構設計模塊”同的設計模塊，分別針對不同的凸輪類型，它們屬于平行模塊，可以通過輸出圓柱凸輪展開輪廓坐標和輸出查看凸輪壓圓柱凸輪加工坐標來檢驗設計的正確性，力角和曲率半徑，若不滿足要求，可返回設計界面重新設計參數(shù)。最后完成各數(shù)據的輸出、圖形輸出、運動仿真和NC數(shù)控代碼的輸出。通過計算機與數(shù)控機床的將NC代碼傳輸?shù)綌?shù)控機床，完成凸輪的制通信接口，造，其系統(tǒng)結構如圖2所示。圓柱凸輪機構的

10、逆向設計與制造流程圓柱凸輪機構逆向工程的方法有兩種：（1）凸輪曲面的復制（即仿形），這種反求方法比但凸輪本身的表面缺陷和測量點的誤差都會較簡單，完全復制到新的產品上，這種反求思想不適宜用于空間凸輪的逆向工程上。（2）通過測量數(shù)據反求凸輪機構的運動規(guī)律，重新計算凸輪輪廓面坐標。這種是技術含量比較高的CAD反求方法。關鍵技術是將測量數(shù)據轉換為數(shù)模。文中基于逆向工程技術針對圓柱凸輪機構進行了第2種反求設計研究。根據已有圓柱凸輪機構實物模型測得數(shù)據，應用專業(yè)知識和現(xiàn)代計算機技術進行系探索其關鍵技術，為開發(fā)出同類統(tǒng)深入的分析與研究，的更為先進的產品奠定了基礎。文中通過凸輪實物模型產生其數(shù)字化模型，探求凸

11、輪機構運動規(guī)律，進而進行CAD模型的重構到產品的制造，充分利用數(shù)字化優(yōu)勢，提高了設計、制造、分析的質量和效率。形成了基于逆向工程和CAD/CAM（計算機輔助設計與制造）的方法與流程，如圖1所示。圖1基于逆向工程技術圓柱凸輪機構CAD/CAM21凸輪型面數(shù)據采集及處理逆向工程數(shù)據采集的方法主要有兩種：接觸式測量和非接觸式測量。文中利用三坐標測量機測量凸輪廓面坐標數(shù)據，這種接觸式測量方法需要進行測頭半徑補償，在實驗中利用上面提到的WinMeil編程語言編制實現(xiàn)實時半徑補償，這里稱為二次補償。研究發(fā)現(xiàn)根據測量數(shù)據進行二次補償獲得的凸輪廓線能較準確地反映出凸輪原始輪廓線的變化，更利于準確反求出凸輪機構

12、從動件運動規(guī)律。能夠正確測量造型的首要基礎就是數(shù)據的預處理，由于測量設備的缺陷、測量方法和零件質量的影響，通過測量所獲得的數(shù)據不可避免地引入了誤差，尤其是尖銳邊和邊界等，預處理主要包括：消除噪聲點，對數(shù)據進行插補，去除冗余數(shù)據，進行優(yōu)化，光順數(shù)據點。如和圖2CAD/CAM系統(tǒng)結構圖20機械設計第28卷第5期31應用實例圓柱分度凸輪機構的數(shù)據采集及預處理以一個圓柱分度凸輪為例進行實際測量實驗，如動程圖3所示。該圓柱分度凸輪機構的分度數(shù)為12、角為290°、從動盤節(jié)圓半徑為75mm、中心距為7244mm、滾子直徑為25mm、凸輪旋向為左旋。（b）無量綱速度曲線（c）無量綱加速度曲線圖3利

13、用CMM測量圓柱分度凸輪圖6無量綱運動規(guī)律曲線測量程序采用意大利COORD3公司的WinMeil編程語言編制的半徑補償?shù)膱A柱凸輪的專用測量程序，得出的測量數(shù)據是經過三坐標測量機對凸輪測量的一文中利用WinMeil編程語言編制實現(xiàn)實次半徑補償，時半徑補償，經過研究發(fā)現(xiàn)進行二次補償測量數(shù)據獲得的凸輪廓線能更準確地反映出凸輪原始輪廓線的變化。32圓柱分度凸輪機構的運動規(guī)律反求利用Pro/E軟件將CMM測量所得的展開的凸輪獲得如圖4所示的凸輪廓線離散數(shù)據進行曲線重構，展開廓線。由無量綱運動規(guī)律曲線，可以判斷該圓柱分度凸輪機構的運動規(guī)律為修正正弦運動規(guī)律。33圓柱分度凸輪的CAD/CAM在運動循環(huán)圖設計

14、模塊中，輸入總體參數(shù)，例如（循環(huán)圖總段數(shù)為2，圓柱分度凸輪的分度數(shù)為12，動程角為290°）。根據上面反求的運動規(guī)律，選擇“修正運動規(guī)律，可以通過“圖形顯示”命令查看修正正弦”正弦曲線的特征值，如圖7所示，顯示選擇的運動規(guī)設計的循環(huán)圖如圖8所示。律。設置完畢，圖4重構的凸輪輪廓曲線根據重構的凸輪廓線，建立圓柱分度凸輪展開的3D模型，建立凸輪機構的運動模型，如圖5所示。圖7圖5圓柱分度凸輪機構的平面運動模型選擇反求出的運動規(guī)律在Pro/E中的Mechanism模塊中進行運動仿真分析，將獲得的實際運動規(guī)律進行無量綱化處理后，得到如圖6所示的無量綱運動規(guī)律曲線。（a）無量綱位移曲線2011

15、年5月蔣萌，等：基于逆向工程技術圓柱凸輪機構的CAD/CAM1992機械工業(yè)出版社，2321啟動圓柱分度凸輪設計模塊，選擇凸輪機構的傳“凸脊式”，動類型并且輸入圓柱分度凸輪參數(shù)，如圖9所示。參數(shù)設置完成后就可查看輪廓展開坐標、壓力角和曲率半徑，并可進行運動仿真。在程序文件夾中自動生成NC數(shù)控加工代碼，如圖10所示（為顯示加中間省略一些坐標）。工代碼，456J中國金濤，陳建良，童水光逆向工程技術研究進展2002，13（16）：14301436機械工程，郭為忠，王石剛，鄒慧君，等基于反求技術的擺動從動計算機輔助設計與圖形學學報，件空間凸輪CADJ1999，11（2）：159162葛正浩，徐峰，陳石

16、峰，等空間凸輪精密測量及運動規(guī)J機械設計與研究，2007，23（2）：2629律反求研究吳鐵軍圓柱凸輪CAD/CAM系統(tǒng)的研究與開發(fā)D2005湖南：中南林學院，葛正浩，楊芙蓮Pro/EWildfire30機構運動仿真實例M北京：化學工業(yè)出版社，2007精解CAD/CAMofcylindricalcammechanismbasedonre-verseengineeringtechnology圖9圓柱凸輪相關參數(shù)hao，QUYi，LIYan-niJIANGMeng，GEZheng-（CollegeofMechanicalElectricalEngineering，ShaanxiU-niversit

17、yofScienceTechnology，Xi'an710021，China）Abstract：Thepaperpresentsanewprocessandmethodofre-versedesignandmanufacturingofthecylindricalcammechanismByapplyingtheCoordinateMeasuringMachine（CMM）andthebytakingPRO/Esoftwareastheplatformtocarryoutaideddesign，MicrosoftVisualC+60asthedevelopmenttool，andbas

18、edonWindowsplatform，thecylindricalcammechanismdesignandman-ufacturingsoftwareisgenerated，allowingthedesignofcyclemapandcamprofile，checkingthepressureangleandcurvatureradiusrapidly，simulatingthemotionofcamAndtheNCmachining圖10數(shù)控加工代碼codeswhichcanbedirectlyusedfornumericalcontrolmachineweregenerated，achievingtheintegrationofdesignandmanufactureofcylindricalcammechanismThisCAD/CAMsystemcannotonlybeappliedinther