自動檢測技術(shù)及應(yīng)用：第十一章 工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)例

1、第十一章 工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)例鞋楦機(jī)的數(shù)字化逆向制造 （參考福州大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院資料）逆向制造或逆向工程 (Reverse engineering,RE),是對產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的一種描述。正向工程就是先設(shè)計(jì)圖樣，然后按圖樣加工出產(chǎn)品實(shí)物，而逆向工程是按照現(xiàn)有實(shí)物模型，通過三維掃描等方法，進(jìn)行逆向軟件處理和CAD重新建模的過程。一、項(xiàng)目綜述近十年來，中國制鞋業(yè)在全球制鞋業(yè)中一躍升為全球最大的鞋類生產(chǎn)國和出口國，這就對制作鞋子的模型鞋楦的制造提出了更高的要求。傳統(tǒng)鞋楦機(jī)加工多采用機(jī)械靠模仿形加工的原理方法，效率較低，而且較難建立有關(guān)鞋楦形狀和尺寸等方面的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，母楦實(shí)物的存放還要占用大量空間。

2、目前已研制出各種數(shù)控鞋楦機(jī)，它首先采用數(shù)字化逆向制造技術(shù)，對母楦模型進(jìn)行三維掃描后，形成母楦數(shù)據(jù)文件，然后再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理軟件，對母楦數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放、樣條插值和表面光順等數(shù)學(xué)處理，就可以形成各種尺碼的鞋楦加工數(shù)據(jù)文件，送到數(shù)控刻楦機(jī)中加工。三維數(shù)據(jù)測量方法分類.項(xiàng)目主要技術(shù)指標(biāo)系統(tǒng)響應(yīng)速度：X軸仿形輪不丟點(diǎn) 最高掃描速度45r/minX軸分辨力：0.005mm，換算為 角編碼器的分辨力：0.03C軸角分辨力：優(yōu)于0.036鞋楦截面數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù):10002000點(diǎn)/圈每雙鞋楦數(shù)據(jù)量：4MB (當(dāng)鞋楦長270mm,加工螺距1.6mm時(shí)) 測量加工極限：最大旋轉(zhuǎn)直徑 220mm，最大測量長度450mm

3、鞋楦簡介鞋楦是各種鞋設(shè)計(jì)和制造的依托，是鞋的母體，是制鞋過程中不可缺少的重要模具。鞋楦不僅決定鞋造型和式樣，更決定著鞋是否合腳，能否起到保護(hù)腳的作用。由于鞋和服裝一樣是一種時(shí)尚 產(chǎn)品，更新快，花樣變化大，產(chǎn)量大，導(dǎo)致鞋楦市場需求量也很大。鞋楦的特點(diǎn) 鞋楦的表面是由復(fù)雜的自由曲線曲面組成的形體，其外形輪廓不能由初等解析曲面表達(dá)，也不能用一般的三視圖有效地加以描述。 鞋楦長度方向斷面圖鞋楦的兩個橫向截面圖鞋楦的手工測繪二、逆向設(shè)計(jì)步驟1.確定數(shù)控鞋楦機(jī)的數(shù)字逆向制造流程圖Z軸為鞋楦的長度直線位移軸；X軸為鞋楦的高度直線位移軸；C軸為鞋楦的橫截面角坐標(biāo)軸。總體設(shè)計(jì)方案用鞋楦頂叉頂住鞋楦,在C軸伺服電

4、動機(jī)帶動下,以恒定的轉(zhuǎn)速繞Z軸（鞋楦的長度方向）旋轉(zhuǎn),可以由C軸角編碼器測得旋轉(zhuǎn)的角度。仿形輪依靠外界彈簧壓力,緊靠在鞋楦表面,鞋楦的高度變化引起仿形輪中心和鞋楦旋轉(zhuǎn)中心之間的相對位移（X軸位移）,仿形輪和測臂帶動光電編碼器來回振動,從而測得測臂的角位移,然后再經(jīng)數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換獲得X軸位移。鞋楦每轉(zhuǎn)過一圈,與C軸聯(lián)動的絲桿-螺母傳動系統(tǒng)就驅(qū)動溜板沿Z方向移動一個“行距”，行距的大小可通過人機(jī)界面由操作人員設(shè)定。這樣就得到一個由X、C、Z組成的螺旋柱面極坐標(biāo)系鞋楦三維立體數(shù)據(jù),為CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）提供了加工數(shù)據(jù).鞋楦數(shù)控成套設(shè)備由：鞋楦數(shù)字化掃描測量機(jī)、CAD/CAM軟件、和數(shù)字化加工機(jī)三大部分

5、組成。 鞋楦數(shù)字化成套設(shè)備框圖由逆時(shí)針彈簧使測量測輪壓住鞋楦。光電編碼掃描機(jī)的結(jié)構(gòu)1Z向絲杠 2傳動螺母 3溜板 4鞋楦 5仿形輪 6絲桿軸承支撐 7鞋楦頂叉（由C軸伺服電動機(jī)驅(qū)動） 8測臂 9X軸角編碼器2. 位移傳感器的選型 X軸和Z軸位移傳感器可以采用數(shù)字式傳感器。由于C軸角位移和Z軸直線位移的關(guān)系是由伺服電動機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，由計(jì)算機(jī)主動給出步進(jìn)脈沖，也可以不設(shè)置測量C軸的角位移傳感器。只測量Z軸的位移量。光柵讀數(shù)頭和磁柵磁頭的密封圈摩擦阻力均較大，所以只能適應(yīng)較慢的掃描速度。光電角編碼器軸承的摩擦力較小，所以適合較高的測量速度，但角位移轉(zhuǎn)換成直線位移時(shí)存在一定誤差，等效后的直線分辨率不高

6、。此外還可使用摩擦力小的反射式鋼帶光柵，能兼顧速度與準(zhǔn)確度的要求?？梢允褂脙蓚€光電角編碼器，分別測量Z軸和X軸的位移。X軸角編碼器的殼體與溜板支架固定在一起，仿形輪的角位移通過測臂帶動角編碼器的轉(zhuǎn)軸.角編碼器的選取角編碼器有絕對式和增量式之分。當(dāng)鞋楦的高度突變時(shí)，增量式角編碼器易產(chǎn)生“失碼”現(xiàn)象，而且較難避免產(chǎn)生累計(jì)誤差。本項(xiàng)目選用絕對式角編碼器，它的碼道數(shù)必須大于或等于14位，才能達(dá)到0.03的分辨力（360/212）的項(xiàng)目指標(biāo)。選用的角編碼器的特性參數(shù)型號E1050-14位數(shù)14分辨力80最大誤差100外尺寸/mm5040輸出軸尺寸/mm612重量/g250允許轉(zhuǎn)速/rmin_1200電源

7、電壓/VDC12(5%)，5(5%)光源紅外LED輸出信號格雷碼，TTL電平使用溫度40+55工作環(huán)境相對濕度/（%）相對濕度95（35時(shí)）振動/g6沖擊/g50 如果系統(tǒng)的測量速度較慢，X軸的位移也可以用直線磁柵傳感器來測量，可避免運(yùn)算誤差。直線磁柵傳感器安裝在仿形輪支架的側(cè)面。1鞋楦 2鞋楦頂叉 3靠輪 4-仿形輪支架導(dǎo)軌 5仿形輪支架 6磁柵傳感器讀數(shù)頭 7磁柵尺 8鞋楦頂尖角編碼器、直線磁柵傳感器及變送器的外形a）角編碼器及變送器的外形 b）直線磁柵傳感器及變送器的外形用直線光柵作傳感器，分辨力10m測量導(dǎo)軌氣缸頂住測量輪選用磁柵傳感器的特性參數(shù)型號XCCB刻線數(shù)/線mm_120分辨力

8、/m0.5最大誤差/m(5+5L/1000)全長/mmL+143有效長度L/mm100900最大行程/mmL+22mm最大響應(yīng)速度/mmin_160激勵源10kHz脈沖/mm20（TTL電平）移動壽命/km9000電纜最大長度/m30數(shù)控鞋楦機(jī)的系統(tǒng)框圖1Z軸平移工作臺 2滾珠螺母 3滾珠絲杠采取臥式和輕量化結(jié)構(gòu)高速鞋楦掃描機(jī)結(jié)構(gòu)鞋楦高速掃描機(jī)對數(shù)控系統(tǒng)的要求不丟點(diǎn)掃描速度須達(dá)：35 45 r/min以30r/min速度掃描一雙100mm高筒鞋楦為例，仿形輪的周邊瞬時(shí)速度須達(dá)到70 m/min，采樣周期為0.2ms，X軸傳感器分辨力為5m時(shí)，信號脈沖頻率達(dá)到2MHz。如采用WINDOWS NT

9、等軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，配以光柵/編碼器采集卡，容易造成“丟點(diǎn)”。 鞋楦數(shù)控加工機(jī)對數(shù)控系統(tǒng)的要求（續(xù)）（1）高速大數(shù)據(jù)量處理和傳輸能力：傳統(tǒng)數(shù)控的插補(bǔ)周期均在10ms左右，每段輪廓由已知數(shù)學(xué)曲線表達(dá)，程序中含起點(diǎn)、終點(diǎn)、圓心坐標(biāo)等信息，由系統(tǒng)根據(jù)數(shù)學(xué)方程自動進(jìn)行數(shù)據(jù)“密化”，即插補(bǔ)。由于鞋楦是自由曲線曲面，無法用數(shù)學(xué)公式表達(dá)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量很大。以鞋楦截面一圈取1000點(diǎn)表達(dá)截面輪廓曲線為例，若轉(zhuǎn)速為60r/min，每點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)處理時(shí)間只有1ms。若為270mm的長鞋楦，加工螺距為1.6mm時(shí)，總數(shù)據(jù)量達(dá)到4MB。2）要求高速三坐標(biāo)聯(lián)動插補(bǔ)能力:在三軸聯(lián)動插補(bǔ)時(shí),合成進(jìn)給速度矢量達(dá)到40萬脈沖/秒以

10、上. 鞋楦數(shù)字化成套設(shè)備的開放式數(shù)控系統(tǒng)鞋楦測量原理和坐標(biāo)系的設(shè)定 在測量中，鞋楦繞著Z軸旋轉(zhuǎn)，仿形輪測量頭靠彈簧壓力緊靠在鞋楦表面，并沿著Z軸正方移動，移動的距離與鞋楦的轉(zhuǎn)數(shù)成嚴(yán)格的比例關(guān)系。鞋楦高速數(shù)據(jù)掃描示意圖 即：鞋楦每轉(zhuǎn)過一圈。測量頭沿Z向的移動一定的距離。這樣就形成了一個螺旋柱面極坐標(biāo)系，按數(shù)控系統(tǒng)確立坐標(biāo)系。 利用測控軟件，實(shí)時(shí)記錄下該螺旋柱面上鞋楦每轉(zhuǎn)過一個極角時(shí)對應(yīng)的極徑（以Z為中心,以+Z到測量輪中心的距離為極半徑坐標(biāo)值）,從而形成加工數(shù)據(jù)文件。1）實(shí)際測得的極徑并不是鞋楦表面的點(diǎn)至回轉(zhuǎn)軸中心的距離，而是測輪中心至鞋楦回轉(zhuǎn)軸中心的距離。 2）測量時(shí)的螺旋柱面極坐標(biāo)的螺距是可

11、以在操作界面上任意設(shè)定的。加工時(shí)刀輪運(yùn)動軌跡的螺距也是可以任意設(shè)定，以適應(yīng)粗、精加工的不同需要?？刂撇糠郑焊鶕?jù)面板設(shè)定螺距，控制C-X軸轉(zhuǎn)動，測量部分：測出C軸和X軸的位置脈沖,并傳送到PC機(jī)。測量控制系統(tǒng)硬件框圖3.數(shù)控鞋楦機(jī)的數(shù)據(jù)處理數(shù)控鞋楦機(jī)可采用PC作為上位機(jī)，完成數(shù)據(jù)分析、處理以及對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制等任務(wù)?？衫肰C+進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)、開發(fā)，通過運(yùn)動控制卡驅(qū)動系統(tǒng)，同時(shí)采集三軸數(shù)據(jù)，得到掃描數(shù)據(jù)文件，用于CAM加工（Computer aided manufacturing，計(jì)算機(jī)輔助制造)）。運(yùn)動控制卡作為控制核心，完成發(fā)送及接收脈沖，各步進(jìn)電動機(jī)接受伺服系統(tǒng)發(fā)送的脈沖，驅(qū)動對應(yīng)軸運(yùn)動。

12、高速鞋楦掃描機(jī)操作界面計(jì)算機(jī)逆向工程軟件由于鞋楦是自由曲面，每段輪廓可利用數(shù)學(xué)曲線表達(dá)，程序中含有起點(diǎn)、終點(diǎn)、圓心坐標(biāo)等信息。采樣點(diǎn)越密集，數(shù)據(jù)量就越大，加工出來的產(chǎn)品就越光滑。因此多由數(shù)字化逆向工程系統(tǒng)軟件根據(jù)數(shù)學(xué)方程自動進(jìn)行數(shù)據(jù)“密化”（插補(bǔ)）。目前已有專用的計(jì)算機(jī)輔助測量、處理軟件，常用的逆向工程軟件有：EDS公司的Imageware、Raindrop公司的Geomagic Studio、DELCAM公司的CopyCAD、INUS公司的RapidForm、上海的DELPHI等。如果要生成實(shí)體模型，可導(dǎo)入U(xiǎn)G、PRO/E等軟件進(jìn)行進(jìn)一步的處理。鞋楦三維造型圖鞋楦三維造型圖CNC數(shù)控鞋楦讀數(shù)

13、機(jī)性能參數(shù)(HD-CNC-DSJ)CNC數(shù)控鞋楦機(jī)外形WCLJ230性能參數(shù)項(xiàng) 目性 能 參 數(shù)最高掃描速度/r/min大于45 r/min仿形輪直徑/mm 84線性分辨率/mm0.010.001 角度分辨率/ 0.0360.001 整機(jī)尺寸/mm 12007001300整機(jī)重量/kg 200 整機(jī)功率/ kW1價(jià)格優(yōu)勢約為進(jìn)口的40鞋楦CAD/CAM軟件-數(shù)學(xué)建模、加工數(shù)據(jù)生成獲得極坐標(biāo)數(shù)據(jù)：極徑傳感器如果采用直線光柵，鞋楦旋轉(zhuǎn)軸（C軸）傳感器采用光電編碼器，如右圖，可以直接獲得極角和極徑增量數(shù)據(jù)，但光柵的阻力較大，影響掃描速度，所以可改用高分辨力的光電編碼器 。 可以看出，X軸光電編碼器獲

14、得的是轉(zhuǎn)角增量a ，而不是極徑增量r，此時(shí)C軸傳感器得到的也不是極角增量數(shù)據(jù) 左圖用藍(lán)線和紅線分別表示鞋楦轉(zhuǎn)過一個角度的前后不同位置。生成文件后的數(shù)控加工三、逆向設(shè)計(jì)的誤差分析1）按項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)，鞋楦旋轉(zhuǎn)一圈共采集10002000點(diǎn)數(shù)據(jù)，每點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)處理時(shí)間小于1ms。在進(jìn)行高速數(shù)據(jù)掃描時(shí)，在鞋楦截面半徑變化大的位置極易因“丟點(diǎn)”產(chǎn)生誤差。2）采用仿形輪所獲得的數(shù)據(jù)實(shí)際上是在螺旋極坐標(biāo)系中仿形輪中心點(diǎn)O的軌跡數(shù)據(jù)，其軌跡是一條空間螺旋極坐標(biāo)系下的復(fù)雜空間曲線，并非鞋楦實(shí)際表面點(diǎn)的數(shù)據(jù)。由于仿形輪與鞋楦的接觸點(diǎn)（即切點(diǎn)）也不總是落在仿形輪的最大圓截面上，所以必須經(jīng)過專門的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，由仿形輪中心點(diǎn)數(shù)據(jù)反求仿形輪與鞋楦自由曲面的切點(diǎn)，才能得到所需的鞋楦真實(shí)表面點(diǎn)極坐標(biāo)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)換誤差不可避免。目前各研究單位已提出多種仿形輪心軌跡點(diǎn)和鞋楦表面切點(diǎn)之間的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換方法。轉(zhuǎn)角與極徑rA、rB之間的關(guān)系3）如果測量鞋楦極徑的X軸傳感器采用直線光柵或磁柵，可直接得到仿形輪心的直線位移x的數(shù)據(jù)，xrA-r B。但如果采用光電角編碼器，測得的只是光電角編碼器測臂的轉(zhuǎn)角。rA、rB鞋楦極徑 鞋楦的C軸角位移 角編碼器測得的角度 x鞋楦表面A點(diǎn)到B的極徑差四、利用逆向