空間凸輪精密測量及數(shù)字化逆向工程關鍵技術的研究

1、空間凸輪精密測量及數(shù)字化逆向工程關鍵技術的研究摘要本文以空間凸輪為研究對象，從工程實際出發(fā)，以三坐標測量機和計算機運動仿真真技術為為工具，對對空間凸凸輪的精精密測量量方法、從從動件的的運動規(guī)規(guī)律反求方法及廓廓面誤差差檢測方方法進行行了較深深入的理理論分析析和實驗驗研究。對空間凸輪輪機構及及其運動動規(guī)律進進行了分分析和研研究。介介紹了空空間凸輪輪機構的常用類型型、空間間凸輪輪輪廓設計計、壓力力角簡化化算法及及常用運運動規(guī)律律。為空空間凸輪的精密密測量、從從動件運運動規(guī)律律反求及及誤差檢檢測研究究奠定了了基礎。重點研究了了空間凸凸輪的精精密測量量問題。提提出了一一種空間間凸輪快快速、精精密測量方法

2、及及測球半半徑補償償方法，系系統(tǒng)地論論述了該該測量方方法的原原理，給給出了測測球半徑補償償?shù)臄?shù)學學表達式式，并基基于WiinMeeil平平臺編制制了可實實現(xiàn)實時時測球半半補償?shù)目臻g間凸輪專專用測量量程序。解解決了空空間凸輪輪快速、精精密測量量的難題題，為空間凸輪機機構從動動件運動動規(guī)律的的反求及及輪廓誤誤差檢測測奠定了了基礎。詳細探討了了空間凸凸輪機構構從動件件運動規(guī)規(guī)律反求求問題。提提出了一一種基于于計算機運動仿仿真的運運動規(guī)律律反求方方法，并并詳細探探討了該該方法的的理論基基礎，推推導出了從動件件運動規(guī)規(guī)律的數(shù)數(shù)學表達達式。計計算機仿仿真技術術的高效效性與精精確性保保證了本方法能能夠實現(xiàn)現(xiàn)

3、空間凸凸輪機構構從動件件運動規(guī)規(guī)律的快快速、準準確反求求。該方方法的提出為空空間凸輪輪機構從從動件運運動規(guī)律律的反求求設計提提供了新新思路，同同時也為為其它機構的的正向與與逆向設設計指明明了新方方向與新新方法。系統(tǒng)分析了了空間凸凸輪輪廓廓誤差檢檢測問題題。以空空間凸輪輪的精密密測量為為基礎，提出了了一種簡簡單實用用的空問問凸輪輪輪廓誤差差檢測方方法，并并討論了了數(shù)據(jù)匹匹配問題。最后后，以此此作為理理論基礎礎，采用用Vissuall c+60作為為開發(fā)工工具，編編制_空間凸凸輪輪廓廓面加工工誤差檢檢測軟件件?；谏鲜隹湛臻g凸輪輪精密測測量方法法、運動動規(guī)律反反求方法法及輪廓廓面誤差差檢測方法的研

4、究究結論，分分別進行行了實驗驗驗證及及分析。實實驗結果果表明，上上述方法法正確可行。證證明了本本文所提提出的理理論及方方法的正正確性，具具有重要要的理論論意義和和實際應用價價值。關鍵詞：空空間凸輪輪，精密密測量，運運動仿真真，運動動規(guī)律，反反求設計計，誤差差檢測RRESEEARCCH ooN TTHE KEYY TEECHNNIQUUES FoRREXACTT MEEASUUREMMENTT ANND DDIGIITALL REEVERRSENGINNEERRINGG oFF SPPATIIAL CAMMSABSTRRACTTFocussingg onn thhe sspattiall caa

5、ms，tthe dissserrtattionn，sttarttingg wiith thee prractticaaproceessiing，aanallyzees aand expperiimennts ressearrch thee prreciisioon mmeassureemenn foorspatiial camms，tthe revversse ddesiign of folllowwer mottionn sppeciificcatiionss annd cconttouerrorr innspeectiion of spaatiaal ccamss deeeplly bby

6、 ccoorrdinnatee meeasuure macchinne aandemulaatioonThe sspattiall caam mmechhaniismss annd ttheiir mmotiion speeciaatioon aare anaalyzzed anddstudiied inttenssiveelyThee coommoonlyy ussed spaatiaal eearnn meechaanissms，tthe dessignn offspatiial camm coontoourss，thhe ssimppliffiedd allgorrithhm oof p

7、presssurre aanglle aand commmonnused mottionn sppeciiatiion aree prreseenteedTThe groounddworrk iisesstabblisshedd foor tthestudyy off thhe ppreccisiion meaasurremeent forr sppatiial camms，tthe revversse ddesiign offolloowerr mootioon sspeccifiicattionns aand thee errrorr innspeectiion of spaatiaal

8、ccamssThe eexacct mmeassureemennt mmethhod forr sppatiial camms iissttudiied inttenssiveelkind ofeexacct mmeassureemennt mmethhod forr sppatiial camms aand proobe-raddcompeensaatioon mmethhod aree prreseenteed iin tthiSS diisseertaatioon，aand thee prrincciplle oofthis meaasurremeent metthodd issdiss

9、cusssedd inn deetaiilAA sppeciifieed mmeassuree prrogrrathat cann reealiize reaal-timme pprobbe-raadiuus ccomppenssatiion isaalsoo prrogrrammme vviaWinMeeilThee grrounndwoork iseestaabliisheed ffor thee reeverrse dessignn off foolloowemotioon sspeccifiicattionn foor sspattiall caam mmechhaniismss an

10、nd tthe errror insspecctioon oofspatiial camms，aand thee meeasuure puzzzlee foor sspattiall caams is alsso ssolvvedThe rreveersee deesiggn ooffoolloowerr mootioon sspeccifiicattionn foor sspattiall caammechaanissms is stuudieed iin ddetaailA nnew kinnd oof rreveersee deesiggn mmethhod forr sppatiial

11、cain folllowwer mottionn sppeciificcatiion viaa mootioon ssimuulattionn iss prroviideddtheorretiicall foounddatiion isddisccusssed in dettaill，annd tthe exppresssioon oof tthe folllowwemotioon sspeccifiicattionn isscallcullateedTThe higgh eeffiicieencyy annd eexacct oof eemullatiitechnnoloogy enssur

12、ees tthatt thhis metthodd Caan rreallizee reeverrse dessignn off sppatiial cammfolllowwer mottionn sppeciificcatiionss raapiddlynew ttraiin oof tthouughtt foor tthe revversseand aaccuurattelyyThhis metthodd prroviidess adesiggn oof sspattiall caam ffollloweer mmotiiospeciificcatiionss，annd ppoinnts

13、outt neew ddireectiionss annd mmethhodss off deesiggn aand revverssdesiggn ffor othher mecchannismms iin tthe samme ttimeeThe cconttourr errrorr innspeectiion of spaatiaal ccamss issstuudieed ssysttemaaticcasimplle aand appplieed eerroor iinsppecttionn meethood ffor spaatiaal ccamss iss prroviidedd

14、baasedd onnthe eexacct mmeassureemennt oof sspattiall caams，aand thee daata mattingg issalsso sstuddiedd1ast，oon tthe basse oof tthiss，ann errrorr innspeectiion proograam ffor spaatiaal ccamss issprogrrammmed usiing Vissuall C+60Basedd onn thhe aachiieveemennt oof tthe exaact meaasurremeent of spaat

15、iaal ccamss，thhreverrse metthodd off mootioon sspeccifiicattionns aand thee coontoour errror insspecctioo offspatiial camms，eeachh exxperrimeent andd annalyysiss arre ddoneenlle rresuultss shhow thaat tthisstechnnoloogy is corrrecct aand feaasibbleTheerebby,tthe theeoryy annd mmethhodss prropoosedd

16、innthis dissserrtattionn arre ccorrrectt annd hhavee immporrtannt ttheooretticaal aand acttuall vaalueeKEY WWORDDS：SSpattiall caams，EExacct mmeassureemennt，MMotiion emuulattionn，Mspeciificcatiion，RReveersee deesiggn，EErroor iinsppecttionnIII空間間凸輪精精密測量量及數(shù)字字化逆向向_T程程關鍵技技術的研研究原創(chuàng)性聲明明及關于于學位論論文使用用授權的的聲明原創(chuàng)性

17、聲明明本人鄭重聲聲明：所所呈交的的學位論論文，是是本人在在導師的的指導下下，獨立立進行研究所取得得的成果果。除文文中已經(jīng)經(jīng)注明引引用的內內容外，本本論文不不包含任任何其他他個人或集體體已經(jīng)發(fā)發(fā)表或撰撰寫過的的科研成成果。對對本文的的研究做做出重要要貢獻的的個人和集體，均均已在文文中以明明確方式式標明。本本人完全全意識到到本聲明明的法律律責任由本人承擔擔。論文作者簽簽名： 雄醯 日 期期： 22QQ22生左旦旦關于學位論論文使用用授權的的聲明本人完全了了解陜西西科技大大學有關關保留、使使用學位位論文的的規(guī)定，同同意學校保留或或向國家家有關部部門或機機構送交交論文的的復印件件和電子子版，允允許論文

18、被查閱和和借閱；本人授授權陜西西科技大大學可以以將本學學位論文文的全部部或部分內容編入入有關數(shù)數(shù)據(jù)庫進進行檢索索，可以以采用影影印、縮縮印或其其他復制制手段保存論文和和匯編本本學位論論文。(保密論文文在解密密后應遵遵守此規(guī)規(guī)定)論文儲執(zhí)雄雄鼻導師師虢壟墮墮日期咽咽掌生幽幽空間凸凸輪精密密測量及及數(shù)字化化逆向TT程關鍵鍵技術的的研究1緒論11選題題背景及及意義隨著科學技技術的高高度發(fā)展展，科技技成果的的應用已已成為推推動生產(chǎn)產(chǎn)力發(fā)展展和社會會進步的的重要手段，各各國都在在吸收別別國的科科技成就就并加以以消化與與創(chuàng)新，發(fā)發(fā)展自己己的新技技術。其其中，技術引進是是吸收國國外先進進技術、促促進民族族經(jīng)

19、濟高高速增長長的重要要戰(zhàn)略措措施。但但要取得得最佳技術成果和和經(jīng)濟效效益，不不僅要積積極從國國外引進進先進的的技術和和裝備，而而且還要要善于對對引進的技術進行行深入地地研究、消消化和創(chuàng)創(chuàng)新，在在此基礎礎上開發(fā)發(fā)出合乎乎我國國國情的先先進產(chǎn)品品，形成自己的技技術體系系，這樣樣才能進進一步促促進國民民經(jīng)濟的的迅速發(fā)發(fā)展。吸收消化先先進技術術的一系系列方法法和應用用技術的的組合被被稱為逆逆向工程程。逆向向工程(Reveersee Ennginneerringg，REE)，也也稱反求求工程，它它是以實實物(產(chǎn)產(chǎn)品)、軟軟件、圖圖紙、程程技術文件、影影像(圖圖片、照照片)作作為研究究對象，應應用現(xiàn)代代設

20、計理理論方法法、生產(chǎn)產(chǎn)工程學學、材料學和有有關專業(yè)業(yè)知識(測量學學、信號號自動處處理)進進行系統(tǒng)統(tǒng)深入地地分析、研研究、探探索并掌握其關鍵鍵技術，進進而快捷捷地開發(fā)發(fā)出同類類更為先先進產(chǎn)品品的技術術Il趴。在應用逆向向工程技技術上，日日本很具具有典型型性p】。119500年日本本國民生生產(chǎn)總值值為英國國的129、法法國的11388，經(jīng)濟濟上落后后于歐美美先進國國家二三三十年，但但在后來來的300余年中中卻以驚驚人的速度一一躍成為為僅次于于美國的的世界第第二經(jīng)濟濟強國。其其經(jīng)濟的的高速發(fā)發(fā)展是與與善于引引進先進技術和進進行逆向向工程研研究分不不開的。11945519970年年，引進進國外先先進技

21、術術(800為專專利、圖紙)投資資60億億美元(自行研研制則需美元元)，然然后投資資1500億美元元行吸收、消消化、改改造和國國產(chǎn)化，取取得約2260000項技技術成果果。成功功的技術術引進使使日本節(jié)節(jié)省了約233的研究究時間和和9110的研研究經(jīng)費費。由于當前世世界各工工業(yè)發(fā)達達國家的的經(jīng)濟狀狀況不景景氣，而而中國地地大物博博、人口口眾多，具具有豐富的人人力資源源和自然然資源，因因此世界界制造中中心將可可能由日日本轉移移到中國國【“。這勢勢必要求我國在在當前和和未來的的相當一一段時側側內繼續(xù)續(xù)擴大對對國際先先進技術術的引進進。自力力更生是是基本國策，引引進應該該是通

22、過過消化、吸吸收，能能達到跟跟蹤、創(chuàng)創(chuàng)新、自自行生產(chǎn)產(chǎn)的目的的。目前前，國內許多企企業(yè)引進進的國外外先進技技術中，自自動機械械占有很很大的比比重。由由于空間間凸輪機機構兼有傳動、導導向及控控制機構構的各種種功能，當當作為傳傳動機構構時，它它可以產(chǎn)產(chǎn)生復雜雜的運動動規(guī)律，以滿足各種種機械對對運動規(guī)規(guī)律的要要求：當當作為導導向機構構時，它它能產(chǎn)生生復雜的的運動軌軌跡；當當作為控制機機構時，它它可以控控制執(zhí)行行機構的的自動工工作循環(huán)環(huán)，因而而被廣泛泛地應用用于各種種自動和半自動機機械【55一，而而且是其其中的一一項關鍵鍵技術。因因此，在在引進國國際先進進設備中中，空間間凸輪機構作為為各種自自動和半半

23、自動機機械的關關鍵技術術之一，有有必要從從機理上上吸收、消消化和掌掌握其先進設計計方法和和理念，達達到改進進和創(chuàng)新新設計的的目的?？杖認凸凸輪機構構的優(yōu)良良特性在在世界各各國受到到了越來來越多的的重視和和應用。然然而，我我國空陜陜兩科技技大學碩碩十學位位論文問凸輪機構構的設計計和制造造水平與與美國、日日本、德德國和臺臺灣等國國家和地地區(qū)相比比還有一一定差距，尤其在在制造方方面，國國外也只只是集中中在少數(shù)數(shù)的幾家家公司和和科研機機構中，而而且由于于技術保密等因素素，具有有一定參參考價值值的相關關資料很很少公開開發(fā)表，這這樣就無無形中制制約著我我國凸輪機構設計計和制造造水平的的提高，造造成高速速、

24、高精精度凸輪輪機構必必須依賴賴進口的的被動局局面【”。在現(xiàn)有的技技術條件件下，若若要提高高國內空空間凸輪輪機構的的加工制制造精度度，擺脫脫高速、高高精度凸輪機構受受制于國國外的被被動狀況況，那么么，對空空間凸輪輪進行在在線或離離線檢測測是不可可或缺的的一項重要工工作。尤其是現(xiàn)階階段，各各行各業(yè)業(yè)為適應應提高勞勞動生產(chǎn)產(chǎn)率的要要求，高高速自動動機械的的發(fā)展成成為一種主流，如如包裝機機械、印印刷機械械和沖壓壓機械等等，凸輪輪機構的的工作頻頻率可達達20000rppm，在這樣的高高速下進進行動停停轉換，如如果凸輪輪加工精精度不夠夠高，將將會給整整個機構構的運動動性能和動力性能能帶來嚴嚴重后果果。實驗

25、驗研究結結論表明明【8】：凸輪廓廓面在OO5mmm范圍圍內有OO011mm的徑向加工工誤差，就就將造成成明顯的的加速度度變化；如有OO055mm的的誤差，則則有明顯顯的沖擊擊現(xiàn)象，完全全破壞了了原來的的無沖擊擊運動規(guī)規(guī)律。由由于空間間凸輪的的廓面不不可展開開，這給給檢測帶帶來了困難，無無法采用用常規(guī)儀儀器進行行廓面檢檢測。因因此，對對其還缺缺少有效效的檢測測方法和和誤差計算方法，使使得廓面面質量得得不到有有效控制制，廓面面的加工工精度也也難以保保障，限限制了其其在高速、高精度度情況下下的應用用。因此此，應尋尋求一種種高精度度、高效效的檢測測方法和和誤差計計算方法法，解決空間凸凸輪廓面面檢測與與

26、誤差計計算的難難題。12國內內外相關關研究現(xiàn)現(xiàn)狀1211三坐標標測量機機應用的的研究在逆向工程程技術中中，選用用適當?shù)牡臏y量方方法來獲獲取樣件件表面離離散點的的幾何坐坐標數(shù)據(jù)據(jù)是非常關鍵的的一步。只只有獲取取準確的的測量數(shù)數(shù)據(jù)，才才能更好好地進行行誤差分分析和復復雜曲面面的比較，進一步步CADD建模和和曲面重重構等。因因而，如如何高效效、高精精度的進進行樣件件表面數(shù)數(shù)據(jù)的測量，一直直是逆向向工程及及誤差檢檢測領域域的主要要研究內內容之一一【9。三坐標測量量機(CCoorrdinnatee Meeasuure Macchinne，CCMM)因具有有較高的的測量精精(o559m)、操作作簡單、可可

27、預先規(guī)規(guī)劃測量量路徑、數(shù)數(shù)據(jù)處理理方便及及可編程程性強等等優(yōu)點，而而被廣泛應用于于復雜曲曲面的測測量及檢檢測中【lll，國國內學者者也對其其應用展展開了大大量的研研究。文文獻10112】對對采用三三坐標測測量機進進行復雜雜曲面的的測量規(guī)規(guī)劃進行行了系統(tǒng)統(tǒng)全面的的論述，并并對提高高檢測規(guī)劃的的可靠性性和效率率提出了了幾點建建議。文文獻【113】基基于貝塞塞爾方法法提出了了針對自自由曲面的自適應應測量算算法，并并在對自自適應量量數(shù)據(jù)的的處理中中，提出出了一種種新的基基于離散散點三角角剖分的測球球半徑三三維補償償算法，具具有一定定的參考考和應用用價值。文文獻【114】提提出了一一種實時時在線灰色預預

28、測模型型用于控控制三坐坐標測量量機的測測量，該該方法免免去了對對整個曲曲面進行行測量路路徑規(guī)劃，可可快速準準確地測測量自由由曲面上上的數(shù)據(jù)據(jù)而且明明顯減少少測量時時間。文文獻【115】對對三坐標測量機的的可探測測范圍進進行了系系統(tǒng)的研研究。文文獻116乖乖fJ用用三坐標標測量機機對弧面面凸輪進進行空間間凸輪精精密測量量及數(shù)字字化逆向向1i程程芙鍵技技術的研研究了測量，建建立了檢檢測弧面面凸輪的的測頭姿姿態(tài)方程程，完成成了對弧弧面凸輪輪的檢測測，具有有較強的的參考價值。文文獻1171研研究了基基于CAAD模型型進行自自由曲面面的cMMM測量量方法，即即先利用用B樣條擬合出自自由曲面面，然后后通過

29、計計算出曲曲面各點點曲率，以以各點曲曲率作為為計算測測頭位置置姿態(tài)的依據(jù)，實實現(xiàn)曲面面的自適適應測量量。文獻獻【188研究究了利用用三坐標標測量機機對零件件進行有有效檢測的方法。文文獻1191根根據(jù)隱含含多項式式方程提提出了一一種新的的自由曲曲線曲面面測量方方法。文文獻202221對對使用三三坐標測測量進行行自由曲曲面測量量時的半半徑補償償進行了了研究，提提出了測測球半徑徑補償方法，并并給出了了數(shù)學表表達式。綜上所述，國國內外在在使用三三坐標測測量機進進行復雜雜曲面的的測量、檢檢測等方方面已取取得了較大的研究究進展，并并在測量量路徑規(guī)規(guī)劃、測測球半徑徑補償?shù)鹊确矫孢M進行了大大量研究究。然而而在

30、利用三坐標測測量機實實現(xiàn)空間間凸輪快快速、精精密測量量方面仍仍然有待待進一步步研究。目目前，雖雖然可以用三坐標標測量機機實現(xiàn)空空間凸輪輪的測量量，但其其方法要要么較煩煩瑣，但但精度高高；要么么較簡單單，但精度低，且且效率低低下。因因此，尋尋求一種種簡單、高高效、精精密的空空間凸輪輪測量方方法是個個重要的研究課課題。1222凸輪機機構反求求設計的的研究對先進的機機械設備備中關鍵鍵技術進進行剖析析和吸收收，是加加速我國國技術進進步的有有效措施施，因此，凸輪輪機構及及其運動動規(guī)律的的反求是是有關設設備剖析析的工作作任務之之一。目前，凸輪輪機構從從動件運運動規(guī)律律的反求求方法主主要有兩兩種【22列：一

31、一種是將將測量裝裝置構造造成與凸輪機機構相同同的結構構形式，直直接測出出從動件件運動規(guī)規(guī)律參數(shù)數(shù)；另一一種是利利用三坐坐標測量機測量凸凸輪廓面面坐標數(shù)數(shù)據(jù)，建建立運動動規(guī)律反反求數(shù)學學模型，從從而獲得得凸輪機機構的運運動規(guī)律。對于凸凸輪機構構，尤其其是擺動動從動件件空間凸凸輪機構構，理想想的反求求方法應應該是第第一種，但由于從動動件運動動規(guī)律的的測繪存存在困難難(要對對凸輪一一從動件件系統(tǒng)進進行測繪繪)，成成本很高高，故一般采用第第二種反反求方法法對凸輪輪機構運運動規(guī)律律進行反反求設計計，并在在此基礎礎上進行行凸輪廓廓面的反求。應用第二種種反求方方法對凸凸輪機構構從動件件運動規(guī)規(guī)律進行行反求研

32、研究，一一些學者者已取得得一定研究成果果。文獻獻【244利用用檢測球球頭中心心點軌跡跡坐標和和機構基基本尺寸寸推導出出了從動動件的運動規(guī)律表表達式。TTsayy及其合合作者隨隨26】利利用三坐坐標測量量機(CCMM)測的凸凸輪廓面面坐標數(shù)數(shù)據(jù)，并根據(jù)據(jù)凸輪與與滾子之之問的共共軛嚙合合關系，建建立了運運動規(guī)律律反求方方程，完完成了平平面凸輪機構廓面面及其運運動規(guī)律律的反求求。董正正平和傅傅燕明112 77J利用用數(shù)值微微分的方方法，根根據(jù)印刷刷機上印刷部分分凸輪的的實測直直角坐標標，對印印刷機的的圓遞紙紙機構進進行了反反求。王王儀明與與趙吉斌斌【z叫借助助三次樣樣條函數(shù)數(shù)得到了了實測凸凸輪廓線線

33、的插值值函數(shù)，導導出了凸凸輪的理理論廓線線方程，并并反求了從動動件及執(zhí)執(zhí)行構件件分紙吸吸嘴的運運動規(guī)律律。文獻獻2991在分分析美國國REEECEll041000頭鎖眼機系系統(tǒng)的基基礎上，采采用間接接測量方方法，通通過測量量凸輪機機構輸出出點的坐坐標值，計計算出凸輪軌跡跡曲線，為為圓頭鎖鎖眼機的的凸輪設設計及國國產(chǎn)化提提供了一一套簡易易有效的的方法。上上海陜兩兩科技大大學碩十十學位論論文大學的奚永永迪和傅傅燕鳴【330】基基于機構構運動學學分析，提提出了離離合壓凸凸輪機構構的一種種反求設設計方法，并編編制了相相應的計計算機輔輔助設計計軟件，實實現(xiàn)了離離合壓凸凸輪機構構的運動動規(guī)律反反求設計。齊

34、齊哈哈爾大學學的林景景凡及其其合作者者pI】通通過將解解析法同同數(shù)值法法及三次次插值樣樣條函數(shù)數(shù)相結合，提出出了求盤盤形凸輪輪機構速速度及加加速度的的半解析析法。另另外，文文獻332334也也分別對對平面凸輪機構構的反求求設計進進行了比比較詳細細的研究究。由目前國內內外關于于凸輪機機構及其其運動規(guī)規(guī)律反求求的研究究工作可可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，基本本上所有有的研究都是針針對平面面凸輪機機構的，然然而對空空間凸輪輪機構從從動件運運動規(guī)律律的反求求研究卻卻很少。上海交通大大學的郭郭為忠1123JJ曾提出出了利用用測繪數(shù)數(shù)據(jù)，根根據(jù)共軛軛曲面原原理反求求從動件件運動規(guī)規(guī)律的方法，并并可有效效地用于于空間凸凸輪機

35、構構CADD，具有有定的的參考價價值。值值得一提提的是，文獻【355】針對對空間凸凸輪機構構運動規(guī)規(guī)律不易易反求的的問題，提提供了一一套基于于三坐標標測量機機(cMM)的空問問凸輪機機構運動動規(guī)律快快速反求求設計方方法，并并編制了了可實現(xiàn)現(xiàn)實時測測球半徑徑補償?shù)目臻g凸凸輪專用用測量程程序，快快速、準準確地實實現(xiàn)空間間凸輪的的精密測測量及從從動件運運動規(guī)律律的反求。從上面的分分析可以以看出，目目前平面面凸輪機機構及其其運動規(guī)規(guī)律的反反求研究究已取得得了較多多的研究成果果，相比比之下，空空間凸輪輪機構及及其運動動規(guī)律的的反求研研究卻很很少報道道。這很很大程度上是由于于空間凸凸輪較平平面凸輪輪復雜，

36、不不易實現(xiàn)現(xiàn)精密測測量，更更不易建建立運動動規(guī)律反反求數(shù)學模型造成成的。因因此，如如何研究究出通用用、快速速、準確確、實用用的空間間凸輪機機構運動動規(guī)律反反求方法，是是目前亟亟需解決決的一個個課題。1233空間凸凸輪誤差差檢測的的研究凸輪機構的的檢測仍仍然是一一個比較較薄弱的的環(huán)節(jié)，特特別是弧弧面凸輪輪，一般般生產(chǎn)廠廠家由于于凸輪輪廓幾幾何形狀狀誤差檢檢測困難難而都不不予檢測測，這就就影響了了凸輪分分度機構構的精度度p“。因此，研究空空間凸輪輪制造誤誤差或加加工精度度的影響響因素，探探索有效效的測量量手段，是是保證空空間凸輪機構的的質量的的關鍵。凸凸輪廓線線檢測一一般有兩兩種形式式，一種種是檢

37、測測從動件件位移，也也就是說用測出出的從動動件位移移誤差來來反映凸凸輪廓線線的制造造誤差；另一種種方式是是逐點檢檢測凸輪輪廓線的極坐坐標，用用廓線極極坐標誤誤差來反反映凸輪輪廓線的的制造誤誤差。吉吉林工業(yè)業(yè)大學的的胡秉辰辰等【3739ll提出弧弧面分度度凸輪廓廓面計算算機輔助助側接測測量方法法和廓面面誤差評評定方法法，建立立了間接測量凸輪輪廓面的的數(shù)學模模型。其其測量方方法的基基本思想想是讓凸凸輪轉動動，推動動尖頂擺擺動測量量桿擺動，測測量出擺擺動測量量桿的角角位，再再將測得得的數(shù)據(jù)據(jù)通過計計算機處處理，對對該廓面面進行評評定。天津大大學【440J應應用微機機系統(tǒng)結結合光電電轉換技技術，采采用

38、圓光光柵作為為傳感器器，首先先測出輸輸出軸的角位位移，然然后經(jīng)過過一階數(shù)數(shù)值差商商得到輸輸出軸的的角速度度，經(jīng)二二階數(shù)值值差商可可得輸出出軸的角加速速度。119944年由吉吉林工業(yè)業(yè)大學牽牽頭，參參照圓柱柱蝸桿傳傳動和環(huán)環(huán)面蝸桿桿傳動的的精度標準，提出出了弧面面分度凸凸輪機構構的精度度指標體體系，規(guī)規(guī)定了弧弧面凸輪輪復雜曲曲面的檢檢驗項目目【3引一4空間凸輪輪精密測測革及數(shù)數(shù)字化逆逆向T程程關鍵技技術的研研究近幾年，由由于三坐坐標測量量機的推推廣與應應用，空空間凸輪輪的檢測測研究也也活躍起起來，并并取得一些有價價值的研研究成果果。西安安交通大大學【44H3】對對利用三三坐標測測量機實實現(xiàn)弧面面

39、凸輪的的精確測量進行了了探索，討討論了弧弧面凸輪輪的檢測測方案，并并利用EEB樣條條建立了了弧面凸凸輪廓面面的誤差評定理論論。西安安理工大大學【77，444，4551提出出一種適適合任何何空間凸凸輪廓面面檢測的的接觸點點回歸法法，將測量點坐坐標轉化化為實際際加工時時的接觸觸點數(shù)據(jù)據(jù)，實現(xiàn)現(xiàn)了對空空間凸輪輪實際加加工廓面面的數(shù)據(jù)據(jù)采集，并建建立了數(shù)數(shù)據(jù)處理理的數(shù)學學模型和和誤差計計算方法法，為空空間凸輪輪廓面檢檢測與誤誤差計算算提供了新方方法。遼遼寧工學學院的尚尚銳等【448】采采用三坐坐標機測測量了圓圓柱分度度凸輪廓廓面的齒齒形誤差和螺旋旋線誤差差。其基基本思想想是，建建立的測測量坐標標系與計

40、計算坐標標系相一一致，然然后將計計算得到的凸凸輪廓面面坐標值值及單位位法向坐坐標值輸輸入三坐坐標測量量機，測測頭在坐坐標位置置沿法向向方向可測得得各點的的法向誤誤差及螺螺旋線誤誤差。文文獻4491對對凸輪測測量中的的測頭切切換問題題進行了論述，并并指出在在凸輪測測量中隨隨意切換換測頭的的現(xiàn)象不不容忽視視，在一一般場合合，應嚴嚴格按設設計要求選擇擇測頭，對對空間凸凸輪的ccMM測測量與檢檢測有一一定的指指導作用用。綜上所述，空空間凸輪輪誤差檢檢測的研研究已經(jīng)經(jīng)取得了了初步成成果【33655們，但但并未應應用到實實際工作中去，而而且理論論也不夠夠完善。空空間凸輪輪，特別別是弧面面凸輪仍仍然沒有有完

41、善的的精度評評價指標體系，也也沒有專專門的檢檢測工具具。因此此，對空空間凸輪輪精度評評價體系系完善以以及檢測測方法與手段的研研究也是是一個重重要的研研究課題題。13課題題的主要要研究內內容基于以上對對三坐標標測量機機應用、空空間凸輪輪機構運運動規(guī)律律反求及及空間凸凸輪檢測測國內外外研究現(xiàn)狀的的回顧與與分析，本本文以三三坐標測測量機作作為空間間凸輪測測量工具具，首先先探討了了空間凸輪精密測測量方法法及測球球半徑補補償方法法；在此此基礎上上，進一一步討論論了空間間凸輪機機構運動動規(guī)律反求新新方法及及空白白J凸輪輪檢測新新方法。本本文主要要進行了了以下幾幾方面的的工作：a空間凸輪輪機構及及其運動動規(guī)

42、律作為整篇論論文的基基礎，介介紹了空空間凸輪輪機構的的類型、輪輪廓設計計方法、空空問凸輪輪壓力角的簡化計計算方法法以及凸凸輪機構構的常用用運動規(guī)規(guī)律等。b空間凸輪輪精密測測量方法法的研究究通過對空問問凸輪廓廓面結構構特點的的研究，提提出了在在極坐標標系下，采采用將空空間凸輪輪廓線展開為二維維曲線的的測量方方法。并并針對空空間凸輪輪的測量量方法，提提出了一一種可以以滿足空空間凸輪機構運動動規(guī)律反反求設計計與空間間凸輪檢檢測要求求的測球球半徑補補償方法法。為進進一步減減小測量量誤差，又提提出了“二次測測球半徑徑補償”的概念念。并以以此作為為理論基基礎，基基于WiinMeeil平平臺編制了可可實現(xiàn)實

43、實時半徑徑補償?shù)牡目臻g凸凸輪專用用測量程程序，實實現(xiàn)了對對空間凸凸輪的快快速、精精密測量。c空間凸輪輪機構運運動規(guī)律律反求方方法的研研究根據(jù)獲得的的空日J凸凸輪輪廓廓數(shù)據(jù)，根根據(jù)滾子子與凸輪輪廓面之之間的嚙嚙合運動動關系，推推出了陜陜兩科技技人學碩碩士學位位論文從動件的運運動規(guī)律律表達式式，以此此作為空空間凸輪輪機構運運動規(guī)律律反求的的理論基基礎。利利用NURBSS曲線實實現(xiàn)了凸凸輪廓線線的重構構，建立立了凸輪輪機構的的運動模模型，并并基于計計算機運運動仿真技術，實實現(xiàn)了空空間凸輪輪機構運運動規(guī)律律的反求求。最后后，以此此反求方方法作為為基礎，分分別進行了基于凸凸輪實體體及凸輪輪圖紙的的空間凸

44、凸輪機構構運動規(guī)規(guī)律的反反求實驗驗。d空間凸輪輪誤差檢檢測方法法的研究究采用基于空空間凸輪輪廓面測測量的誤誤差分析析方法，對對空間凸凸輪的檢檢測問題題進行了了探討，提出了一種種簡便、實實用的空空間凸輪輪檢測方方法。分分析了空空間凸輪輪廓面數(shù)數(shù)據(jù)的匹匹配問題題，并根據(jù)測量數(shù)數(shù)據(jù)及理理論數(shù)據(jù)據(jù)特點，給給出了一一種數(shù)據(jù)據(jù)匹配方方法。最最后，以以此作為為理論基基礎，采用Vissuallc+6OO作為開開發(fā)工具具，編制制了空間間凸輪輪輪廓面加加工誤差差檢測軟軟件，并并進行了實例驗證證。14小結結本章對論文文的背景景及研究究意義進進行了詳詳細的闡闡述。對對三坐標標測量機機的應用用、空問問凸輪機構運動動規(guī)律

45、的的反求及及空間凸凸輪的檢檢測等研研究概況況進行了了全面的的分析。介介紹了空空間凸輪機構運動動規(guī)律的的反求及及空間凸凸輪檢測測等方面面存在的的問題。在在此基礎礎上，給給出了本本論文的主要研究究內容。6空間凸輪輪精密測測昔及數(shù)數(shù)字化逆逆向一ff：樣犬犬鍵技術術的研究究2空間凸輪輪機構及及其運動動規(guī)律21引言言空間凸輪機機構有著著優(yōu)良的的運動與與動力性性能，被被廣泛地地應用于于自動和和半自動動機械中中，如自動成型型機、內內燃機、自自動包裝裝機、自自動成型型機、自自動裝配配機、紡紡織機、印印刷機械械、食品機械、物物流機械械、電子子機械以以及農(nóng)業(yè)業(yè)機械等等【5，55?！?。因因此，國國內外學學者在從從動

46、件的的運動規(guī)律曲線線盼5661、空空間凸輪輪的CAADCCAM57,58】、空空間凸輪輪機構的的應用59,60】等等方面大量的工作作，并取取得了豐豐碩的成成果。凸輪機構從從動件的的運動就就是凸輪輪機構的的輸出運運動，其其規(guī)律與與特性直直接影響響凸輪機機構的運動與動動力性能能。幾乎乎所有關關于凸輪輪機構的的專著，都都對運動動規(guī)律進進行了系系統(tǒng)的介介綁5，224”61卅卅】。文文獻5551給給出了多多項式運運動規(guī)律律在各種種情況下下的通用用方程式式及邊界界條件，并并開發(fā)了適用于各各種情況況的可以以任意增增加局部部控制條條件的通通用設計計軟件，使使多項式式運動規(guī)規(guī)律真正實現(xiàn)了通通用化。文文獻【553

47、】對對樣條函函數(shù)在凸凸輪機構構運動規(guī)規(guī)律方面面的應用用作了深深入的研研究，給出了樣條條函數(shù)運運動規(guī)律律的通用用表達式式、實現(xiàn)現(xiàn)方法及及各種情情況下的的邊界條條件，開開發(fā)了適適用于各種情情況的通通用樣條條函數(shù)運運動規(guī)律律設計軟軟件。本章將主要要介紹空空間凸輪輪機構的的基本理理論以及及從動件件的常用用運動規(guī)規(guī)律。本本章內容容是空間凸輪精精密測量量、空間間凸輪機機構從動動件運動動規(guī)律反反求、空空間凸輪輪檢測及及誤差評評定的基基礎。22空間間凸輪機機構的類類型空間凸輪機機構的分分類方法法較多，可可以按從從動件端端部的形形狀分類類，按從從動件的的運動方方式分類，按按從動件件的約束束形態(tài)分分類，也也可以按

48、按空間凸凸輪的形形狀分類類等?？臻g凸輪按按凸輪形形狀不同同可以分分為圓柱柱凸輪(圖21)、圓圓錐凸輪輪(圖222)、端面面凸輪(圖2-3)、鼓鼓形凸輪輪(圖22-4)等：從從動件的的運動形形式有直直動和擺擺動；從從動件的的結構形式有圓柱柱形、圓圓錐形和和鼓形等等，其中中圓柱凸凸輪居多多。幽一一幽二弋、岬 、22| I IIo口叨、 蟄蟄上l聊聊 ，圖2-I圓圓柱凸輪輪機構Fi92-1 CCyliindrricaal ccam mecchannismm7陜兩科技技大學碩碩十學位位論文圖2-2直直動從動動件圓錐錐凸輪機機構Fi92-2 CConiicall caaIn mecchannismm w

49、iith traansllatiing folllowwer圖2-3端端面凸輪輪機構Fi92-3 HHeadd faacedd caam mmechhaniism圖24鼓鼓形凸輪輪機構Fi92-4 DDrumm caam mmechhaniismss wiith osccilllatiing folllowwerss8空間凸輪輪精密測測量及數(shù)數(shù)字化逆逆向_II程關鍵鍵技術的的研究23空間間凸輪輪輪廓的設設計0224J2311直動滾滾子從動動件圓柱柱凸輪輪輪廓設計計圖25所所示的直直動滾子子從動件件圓柱凸凸輪機構構中，從從動件運運動方向向與凸輪輪回轉軸軸線平行。設從動動件上的的滾子與與凸輪的的輪

50、廓工工作面的的接觸寬寬度為bb，在bb2處處所對應應的凸輪輪圓柱面半徑為凸凸輪的平平均圓柱柱半徑，稱稱為基圓圓柱半徑徑，用民民表示。圖2-5直直動從動動件圓柱柱凸輪展展開輪廓廓曲線設設計Fi925 UUnfooldeed cconttourr cuurvee deesiggn oofcyylinndriicall caam wwithh trransslattingg foolloowerr圓柱凸輪的的基圓柱柱展丌后后，得到到展丌的的平面移移動凸輪輪輪廓。圖圖255中，滾滾子中心心的相對運動軌軌跡為理理論輪廓廓曲線，五五和文為為凸輪工工作面的的兩條展展丌輪廓廓曲線，即即實際輪輪廓曲線。展開開的

51、理論論輪廓坐坐標以直直角坐標標方式表表示時為為J壯凡妒(2- 【Y=5設滾子的半半徑為RR，滾滾子與實實際輪廓廓曲線的的擬合點點為K點點，口為為髟點凸凸輪壓力力角，則展開后的的實際輪輪廓坐標標計算公公式為卜釘+肌，88i眥(2- lyKK 2yy一2RR，COOS6tt9陜兩科技技大學碩碩十學位位論文式中，對實實際輪廓廓4，取取五=ll，求得得K點點坐標；對實際際輪廓最最，取22=一ll，求得得K：點點坐標。2322擺動滾滾子從動動件圓柱柱凸輪輪輪廓設計計圖2-6所所示的擺擺動滾子子從動件件圓柱凸凸輪機構構中，擺擺桿的運運動平面面與凸輪輪的運動動平面互相垂直，滾滾子中心心點的軌軌跡上只只有兩個

52、個點位于于凸輪的的基圓柱柱面上。因因此，按按基圓柱柱面展開后設計計凸輪輪輪廓曲線線必將產(chǎn)產(chǎn)生一定定量的理理論設計計誤差。為為了減小小此類設設計誤差差，從動件的擺角角沖程。不宜宜太大。給給定從動動件運動動規(guī)律方方程為妒妒=(妒)。圖2-6擺擺動從動動件圓柱柱凸輪展展開輪廓廓曲線設設計F啦-6 Unffoldded conntouur cculve dessignn offcyllinddriccal camm wiith osccilllatiing folllowwer圓柱凸輪的的基圓柱柱展開后后，得展展開的平平面移動動凸輪輪輪廓。圖圖2-66中，滾滾子中心心的相對運動軌跡跡為理論論輪廓曲曲線

53、，44和以為為凸輪工工作面的的兩條展展開輪廓廓曲線，即即實際輪輪廓曲線。展開的理論論輪廓坐坐標以直直角坐標標方式表表示時為為O” 沼 11=_JJ申 墮：叫 一一：一：|寶累+一鐘崢 LL叩心L扣戶空問凸輪輪精密測測餐及數(shù)數(shù)字化逆逆向T稃稃關鍵技技術的研研究設滾子的半半徑為RR，滾滾子與實實際輪廓廓曲線的的擬合點點為K點點，t22為KK點凸輪輪壓力角角則展開后的的實際輪輪廓坐標標計算公公式為鏟x+ARRs ssi咄+警訓 (2-4)J，r=yy一碼cc。s(口+警警一y)式中，對實實際輪廓廓點，取取2=11，求得得K點點坐標；對實際際輪廓如如，取AA=-11，求得得K：點點坐標。2333直動滾

54、滾子從動動件圓錐錐凸輪輪輪廓設計計圖27所所示的直直動滾子子從動件件圓錐凸凸輪機構構中，從從動件運運動方向向與凸輪輪軸線相相交，夾角為口。今今將滾子子與凸輪輪輪廓工工作側面面的接觸觸寬度的的中點視視為滾子子與凸輪輪輪廓的的作用位置。圖2-7直直動從動動件圓錐錐凸輪展展開輪廓廓曲線設設計Fi927 UUnfooldeed cconttourr CHHIVee deesiggn oofcooniccal camm wiith traansllatiing folllowwer當機構運轉轉時，滾滾子在凸凸輪輪廓廓溝槽中中作相對對運動，作作用位置置截面上上的滾子子中心與與圓錐凸輪的的相對運運動軌跡跡位

55、于圓圓錐角為為的圓錐錐面上，稱稱該圓錐錐面為基基圓錐面面，當從從動件位于推程程起始位位置時，滾滾子中心心位于基基圓錐面面的小直直徑部分分，該點點至凸輪輪軸線的的距離稱為基圓半半徑R。將圓錐凸輪輪的輪廓廓按基圓圓錐面展展開后，便便得到如如圖27所示示的扇形形平面凸凸輪輪廓廓曲線，扇形平平面的中中心是基基圓錐的的頂點。從從動件作作直線往往復運動動時，滾滾子中心心的軌跡跡線通陜陜西科技技人學項項十學位位論文過錐頂，因因此展開開平面上上的凸輪輪輪廓設設計問題題是相當當于一組組滾子對對心直動動從動件件平面凸凸輪的輪廓設設計。通通常，圓圓錐凸輪輪機構的的工作循循環(huán)周期期運動角角也是22石，則則展開平平面上

56、的的扇形凸輪機構構的周期期運動角角為277rsiin盧。凸凸輪實際際轉角變變量為妒妒時，在在展開面面上所對對應的轉轉角變量為妒妒sinnp。設設從動件件的位移移量為JJ，展開開面上基基圓半徑徑為R。，則則月。=；LL (22-5) “sln圓錐凸輪展展開理論論輪廓曲曲線極坐坐標的計計算公式式為口=伊ssin (226)I戶=Rkk+s 。式中，妒【0，22丌】。展開面上的的實際輪輪廓曲線線極坐標標計算公公式為：三一i咿咿n 00-2RR，ssin(pcoos(99 2RRcoss曰(OO翟囂叫叫02嬲訕訕用 協(xié)協(xié)， Ip。= 一以以)一， 一口一一吼) 、式中，口為為壓力角角。對大大端方向向的

57、側面面輪廓(相當于于展開面面上的內內凸輪輪輪廓)，五五=一ll：對小端方向向的側面面輪廓，五五=1。2344擺動滾滾子從動動件圓錐錐凸輪輪輪廓設計計圓錐凸輪的的輪廓曲曲線按基基圓錐面面展丌后后，與從從動件構構成一組組擺動滾滾子從動動件平面面凸輪機構，如如圖28所示示。圖2-8擺擺動從動動件圓錐錐凸輪展展開輪廓廓曲線設設計Fi92-8 UUnfooldeed cconttourr cuurvee deesiggn oofcooniccal camm wiith osccilllatiing folllowwer設凸輪的基基圓錐角角為，凸輪輪輪廓的的最小工工作半徑徑為基圓圓半徑RR，從動動件的擺擺

58、角沖程為，從從動件運運動規(guī)律律方程為為=妒(妒)，擺擺桿長度度為。，滾滾子半徑徑為R，。根根據(jù)擺空空間凸輪輪精密測測苣及數(shù)數(shù)字化逆逆向?！境坛剃P鍵技技術的研研究桿和凸輪的的相對位位置要求求，展開開面上的的機構中中心距可可按下式式近似確確定LoAz=R 2 22 2(28)l護：州轡轡生壟壟堅型塑塑盟蘭趔趔坐墊生生咝趔； jj 。【zcos(casinfl一堿)一LAB cos(asinfl一，7(玩+刪J (29)【Op：厶00,。22：7rrsinnflcoss(oosinn一艱玩玩一0)一L。ccos一一q，ssin一刁(尻+。+妒妒 pp=Lz ppqpbb一、一一 ；BB一礙LL；Bh

59、h+噦bb+l；， 式中：尻一coss(鍇)尻【0，巾巾 l；c，。：眥c。(蘭繭掣)?！?，萬萬】； r=1，當當擺桿軸軸心A位位于凸輪輪左側時時(凸輪輪回轉方方向不變變)，rrl=一一1。展開面匕的的宴際輪輪廓曲線線極舉標標計笪公公式為竺笨掣掣 口【0，227rssinffl】pr=pcc。s(口一以以)+22R，cc。s妒siin盧一一口一叩叩(三鼠鼠+一)(2100)式中，口為為壓力角角。符號號系數(shù)旯旯的確定定原則與與前面相相同，當當求內凸凸輪型式式的實際際輪廓坐坐標時(由圓圓錐凸輪輪大端方方向上的的實際輪輪廓展開開所得)，丑=一l；求外凸凸輪型式式的實際際輪廓坐標時(由由圓錐凸凸輪小

60、端端方向上上的實際際輪廓展展開所得得)，AA=l。24空間間凸輪機機構壓力力角的簡簡化算法法1511l本節(jié)之所以以要引入入空間凸凸輪壓力力角的簡簡化算法法，其目目的是為為后續(xù)空空間凸輪輪的精密密測量與檢測作作準備。2411直動從從動件圓圓柱凸輪輪機構的的壓力角角求解一般來說，直直動從動動件圓柱柱凸輪機機構，如如圖2-9所示示，其從從動件滾滾子中心心線與凸凸輪中心線垂直直相交。這這樣，便便可用平平面凸輪輪解法來來近似求求解這種種空間凸凸輪的壓壓力角。陜陜兩科技技大學碩碩十學位位論文圈2 C=今圖圖2-9直直動從動動件圓柱柱凸輪機機構Fi929 CCyliindrricaal ccam mecch