空间凸轮精密测量及数字化逆向工程关键技术的研究Word文件下载.docx

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基于上述空间凸轮精密测量方法、运动规律反求方法及轮廓面误差检测

方法的研究结论，分别进行了实验验证及分析。

实验结果表明，上述方法正

确可行。

证明了本文所提出的理论及方法的正确性，具有重要的理论意义和

实际应用价值。

关键词：

空间凸轮，精密测量，运动仿真，运动规律，反求设计，误差检测RESEARCHoNTHEKEYTECHNIQUESFoR

EXACTMEASUREMENTANDDIGITALREVERS

ENGINEERINGoFSPATIALCAMS

ABSTRACT

Focusingonthespatialcams，thedissertation，startingwiththepractica

processing，analyzesandexperimentsresearchtheprecisionmeasuremenfor

spatialcams，thereversedesignoffollowermotionspecificationsandcontou

errorinspectionofspatialcamsdeeplybycoordinatemeasuremachineand

emulation．

Thespatialcammechanismsandtheirmotionspeciationareanalyzedand

studiedintensively．Thecommonlyusedspatialearnmechanisms，thedesignof

spatialcamcontours，thesimplifiedalgorithmofpressureangleandcommon

usedmotionspeciationarepresented．Thegroundworkisestablishedforthe

studyoftheprecisionmeasurementforspatialcams，thereversedesignof

followermotionspecificationsandtheerrorinspectionofspatialcams．

Theexactmeasurementmethodforspatialcamsisstudiedintensivel

kindofexactmeasurementmethodforspatialcamsandprobe-rad

compensationmethodarepresentedinthiSdissertation，andtheprincipleof

thismeasurementmethodisdiscussedindetail．Aspecifiedmeasureprogra

thatcanrealizereal--timeprobe·

-radiuscompensationisalsoprogrammevia

WinMeil．Thegroundworkisestablishedforthereversedesignoffollowe

motionspecificationforspatialcammechanismsandtheerrorinspectionof

spatialcams，andthemeasurepuzzleforspatialcamsisalsosolved．

Thereversedesignoffollowermotionspecificationforspatialcam

mechanismsisstudiedindetail．Anewkindofreversedesignmethodforspatial

cainfollowermotionspecificationviamotionsimulationisprovided．

theoreticalfoundationisdiscussedindetail，andtheexpressionofthefollowe

motionspecificationiscalculated．Thehighefficiencyandexactofemulati

technologyensuresthatthismethodCanrealizereversedesignofspatialcamfollowermotionspecificationsrapidly

newtrainofthoughtforthereverse

andaccurately．Thismethodprovidesa

designofspatialcamfollowermotio

specifications，andpointsoutnewdirectionsandmethodsofdesignandrevers

designforothermechanismsinthesametime．

Thecontourerrorinspectionofspatialcamsisstudiedsystematica

simpleandappliederrorinspectionmethodforspatialcamsisprovidedbasedon

theexactmeasurementofspatialcams，andthedatamatingisalsostudied．

1ast，onthebaseofthis，anerrorinspectionprogramforspatialcamsis

programmedusingVisualC++6．0．

Basedontheachievementoftheexactmeasurementofspatialcams，th

reversemethodofmotionspecificationsandthecontourerrorinspectioof

spatialcams，eachexperimentandanalysisaredone．nleresultsshowthatthis

technologyiscorrectandfeasible．Thereby,thetheoryandmethodsproposedin

thisdissertationarecorrectandhaveimportanttheoreticalandactualvalue．

KEYWORDS：

Spatialcams，Exactmeasurement，Motionemulation，M

specification，Reversedesign，Errorinspection

III空间凸轮精密测量及数字化逆向_T程关键技术的研究

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行

研究所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他

个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。

对本文的研究做出重要贡献的个

人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律责任

由本人承担。

论文作者签名：

雄醯日期：

2QQ2生左旦

关于学位论文使用授权的声明

本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意

学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论

文被查阅和借阅；

本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部

分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段

保存论文和汇编本学位论文。

（保密论文在解密后应遵守此规定）

论文储执雄鼻导师虢垄堕日期咽掌生幽空间凸轮精密测量及数字化逆向T程关键技术的研究

1绪论

1．1选题背景及意义

随着科学技术的高度发展，科技成果的应用已成为推动生产力发展和社会进步的重

要手段，各国都在吸收别国的科技成就并加以消化与创新，发展自己的新技术。

其中，

技术引进是吸收国外先进技术、促进民族经济高速增长的重要战略措施。

但要取得最佳

技术成果和经济效益，不仅要积极从国外引进先进的技术和装备，而且还要善于对引进

的技术进行深入地研究、消化和创新，在此基础上开发出合乎我国国情的先进产品，形

成自己的技术体系，这样才能进一步促进国民经济的迅速发展。

吸收消化先进技术的一系列方法和应用技术的组合被称为逆向工程。

逆向工程

（ReverseEngineering，RE），也称反求工程，它是以实物（产品）、软件、图纸、程

技术文件、影像（图片、照片）作为研究对象，应用现代设计理论方法、生产工程学、

材料学和有关专业知识（测量学、信号自动处理）进行系统深入地分析、研究、探索并

掌握其关键技术，进而快捷地开发出同类更为先进产品的技术Il’趴。

在应用逆向工程技术上，日本很具有典型性p】。

1950年日本国民生产总值为英国的

1／29、法国的1／38，经济上落后于欧美先进国家二三十年，但在后来的30余年中却以惊

人的速度一跃成为仅次于美国的世界第二经济强国。

其经济的高速发展是与善于引进先

进技术和进行逆向工程研究分不开的。

1945～1970年，引进国外先进技术（80％为专利、

图纸）投资60亿美元（自行研制则需1800～2000亿美元），然后投资150亿美元

行吸收、消化、改造和国产化，取得约26000项技术成果。

成功的技术引进使日本节省

了约2／3的研究时间和9／10的研究经费。

由于当前世界各工业发达国家的经济状况不景气，而中国地大物博、人口众多，具

有丰富的人力资源和自然资源，因此世界制造中心将可能由日本转移到中国【“。

这势必

要求我国在当前和未来的相当一段时侧内继续扩大对国际先进技术的引进。

自力更生是

基本国策，引进应该是通过消化、吸收，能达到跟踪、创新、自行生产的目的。

目前，

国内许多企业引进的国外先进技术中，自动机械占有很大的比重。

由于空间凸轮机构兼

有传动、导向及控制机构的各种功能，当作为传动机构时，它可以产生复杂的运动规律，

以满足各种机械对运动规律的要求：

当作为导向机构时，它能产生复杂的运动轨迹；

当

作为控制机构时，它可以控制执行机构的自动工作循环，因而被广泛地应用于各种自动

和半自动机械【5一，而且是其中的一项关键技术。

因此，在引进国际先进设备中，空间凸

轮机构作为各种自动和半自动机械的关键技术之一，有必要从机理上吸收、消化和掌握

其先进设计方法和理念，达到改进和创新设计的目的。

空『日J凸轮机构的优良特性在世界各国受到了越来越多的重视和应用。

然而，我国空陕两科技大学硕十学位论文

问凸轮机构的设计和制造水平与美国、日本、德国和台湾等国家和地区相比还有一定差

距，尤其在制造方面，国外也只是集中在少数的几家公司和科研机构中，而且由于技术

保密等因素，具有一定参考价值的相关资料很少公开发表，这样就无形中制约着我国凸

轮机构设计和制造水平的提高，造成高速、高精度凸轮机构必须依赖进口的被动局面【”。

在现有的技术条件下，若要提高国内空间凸轮机构的加工制造精度，摆脱高速、高精度

凸轮机构受制于国外的被动状况，那么，对空间凸轮进行在线或离线检测是不可或缺的

一项重要工作。

尤其是现阶段，各行各业为适应提高劳动生产率的要求，高速自动机械的发展成为

一种主流，如包装机械、印刷机械和冲压机械等，凸轮机构的工作频率可达2000rpm，

在这样的高速下进行动停转换，如果凸轮加工精度不够高，将会给整个机构的运动性能

和动力性能带来严重后果。

实验研究结论表明【8】：

凸轮廓面在O．5mm范围内有O．01mm

的径向加工误差，就将造成明显的加速度变化；

如有O．05mm的误差，则有明显的冲击

现象，完全破坏了原来的无冲击运动规律。

由于空间凸轮的廓面不可展开，这给检测带

来了困难，无法采用常规仪器进行廓面检测。

因此，对其还缺少有效的检测方法和误差

计算方法，使得廓面质量得不到有效控制，廓面的加工精度也难以保障，限制了其在高

速、高精度情况下的应用。

因此，应寻求一种高精度、高效的检测方法和误差计算方法，

解决空间凸轮廓面检测与误差计算的难题。

1．2国内外相关研究现状

1．2．1三坐标测量机应用的研究

在逆向工程技术中，选用适当的测量方法来获取样件表面离散点的几何坐标数据是

非常关键的一步。

只有获取准确的测量数据，才能更好地进行误差分析和复杂曲面的比

较，进一步CAD建模和曲面重构等。

因而，如何高效、高精度的进行样件表面数据的

测量，一直是逆向工程及误差检测领域的主要研究内容之一【9』。

三坐标测量机（CoordinateMeasureMachine，CMM）因具有较高的测量精

（±

o．59m）、操作简单、可预先规划测量路径、数据处理方便及可编程性强等优点，而被

广泛应用于复杂曲面的测量及检测中【ll，国内学者也对其应用展开了大量的研究。

文献

[10．12】对采用三坐标测量机进行复杂曲面的测量规划进行了系统全面的论述，并对提高

检测规划的可靠性和效率提出了几点建议。

文献【13】基于贝塞尔方法提出了针对自由曲

面的自适应测量算法，并在对自适应量数据的处理中，提出了一种新的基于离散点三角

剖分的测球半径三维补偿算法，具有一定的参考和应用价值。

文献【14】提出了一种实时

在线灰色预测模型用于控制三坐标测量机的测量，该方法免去了对整个曲面进行测量路

径规划，可快速准确地测量自由曲面上的数据而且明显减少测量时间。

文献【15】对三坐

标测量机的可探测范围进行了系统的研究。

文献[16]乖fJ用三坐标测量机对弧面凸轮进行空间凸轮精密测量及数字化逆向1i程芙键技术的研究

了测量，建立了检测弧面凸轮的测头姿态方程，完成了对弧面凸轮的检测，具有较强的

参考价值。

文献[171研究了基于CAD模型进行自由曲面的cMM测量方法，即先利用B样

条拟合出自由曲面，然后通过计算出曲面各点曲率，以各点曲率作为计算测头位置姿态

的依据，实现曲面的自适应测量。

文献【18]研究了利用三坐标测量机对零件进行有效检

测的方法。

文献[191根据隐含多项式方程提出了一种新的自由曲线曲面测量方法。

『20．221对使用三坐标测量进行自由曲面测量时的半径补偿进行了研究，提出了测球半径

补偿方法，并给出了数学表达式。

综上所述，国内外在使用三坐标测量机进行复杂曲面的测量、检测等方面已取得了

较大的研究进展，并在测量路径规划、测球半径补偿等方面进行了大量研究。

然而在利

用三坐标测量机实现空间凸轮快速、精密测量方面仍然有待进一步研究。

目前，虽然可

以用三坐标测量机实现空间凸轮的测量，但其方法要么较烦琐，但精度高；

要么较简单，

但精度低，且效率低下。

因此，寻求一种简单、高效、精密的空间凸轮测量方法是个重

要的研究课题。

1．2．2凸轮机构反求设计的研究

对先进的机械设备中关键技术进行剖析和吸收，是加速我国技术进步的有效措施，

因此，凸轮机构及其运动规律的反求是有关设备剖析的工作任务之一。

目前，凸轮机构从动件运动规律的反求方法主要有两种【2列：

一种是将测量装置构造

成与凸轮机构相同的结构形式，直接测出从动件运动规律参数；

另一种是利用三坐标测

量机测量凸轮廓面坐标数据，建立运动规律反求数学模型，从而获得凸轮机构的运动规

律。

对于凸轮机构，尤其是摆动从动件空间凸轮机构，理想的反求方法应该是第一种，

但由于从动件运动规律的测绘存在困难（要对凸轮一从动件系统进行测绘），成本很高，故

一般采用第二种反求方法对凸轮机构运动规律进行反求设计，并在此基础上进行凸轮廓

面的反求。

应用第二种反求方法对凸轮机构从动件运动规律进行反求研究，一些学者已取得一

定研究成果。

文献【24]利用检测球头中心点轨迹坐标和机构基本尺寸推导出了从动件的

运动规律表达式。

Tsay及其合作者随26】利用三坐标测量机（CMM）测的凸轮廓面坐标数

据，并根据凸轮与滚子之问的共轭啮合关系，建立了运动规律反求方程，完成了平面凸

轮机构廓面及其运动规律的反求。

董正平和傅燕明127J利用数值微分的方法，根据印刷机

上印刷部分凸轮的实测直角坐标，对印刷机的圆递纸机构进行了反求。

王仪明与赵吉斌

【z叫借助三次样条函数得到了实测凸轮廓线的插值函数，导出了凸轮的理论廓线方程，并

反求了从动件及执行构件分纸吸嘴的运动规律。

文献[291在分析美国REECEl04．100

头锁眼机系统的基础上，采用间接测量方法，通过测量凸轮机构输出点的坐标值，计算

出凸轮轨迹曲线，为圆头锁眼机的凸轮设计及国产化提供了一套简易有效的方法。

上海陕两科技大学硕十学位论文

大学的奚永迪和傅燕鸣【30】基于机构运动学分析，提出了离合压凸轮机构的一种反求设计

方法，并编制了相应的计算机辅助设计软件，实现了离合压凸轮机构的运动规律反求设

计。

齐齐哈尔大学的林景凡及其合作者pI】通过将解析法同数值法及三次插值样条函数相

结合，提出了求盘形凸轮机构速度及加速度的半解析法。

另外，文献[32．34]也分别对平

面凸轮机构的反求设计进行了比较详细的研究。

由目前国内外关于凸轮机构及其运动规律反求的研究工作可以发现，基本上所有的

研究都是针对平面凸轮机构的，然而对空间凸轮机构从动件运动规律的反求研究却很少。

上海交通大学的郭为忠123J曾提出了利用测绘数据，根据共轭曲面原理反求从动件运动规

律的方法，并可有效地用于空间凸轮机构CAD，具有～定的参考价值。

值得一提的是，

文献【35】针对空间凸轮机构运动规律不易反求的问题，提供了一套基于三坐标测量机

（cMM）的空问凸轮机构运动规律快速反求设计方法，并编制了可实现实时测球半径补

偿的空间凸轮专用测量程序，快速、准确地实现空间凸轮的精密测量及从动件运动规律

的反求。

从上面的分析可以看出，目前平面凸轮机构及其运动规律的反求研究已取得了较多

的研究成果，相比之下，空间凸轮机构及其运动规律的反求研究却很少报道。

这很大程

度上是由于空间凸轮较平面凸轮复杂，不易实现精密测量，更不易建立运动规律反求数

学模型造成的。

因此，如何研究出通用、快速、准确、实用的空间凸轮机构运动规律反

求方法，是目前亟需解决的一个课题。

1．2．3空间凸轮误差检测的研究

凸轮机构的检测仍然是一个比较薄弱的环节，特别是弧面凸轮，一般生产厂家由于

凸轮轮廓几何形状误差检测困难而都不予检测，这就影响了凸轮分度机构的精度p“。

因

此，研究空间凸轮制造误差或加工精度的影响因素，探索有效的测量手段，是保证空间

凸轮机构的质量的关键。

凸轮廓线检测一般有两种形式，一种是检测从动件位移，也就

是说用测出的从动件位移误差来反映凸轮廓线的制造误差；

另一种方式是逐点检测凸轮

廓线的极坐标，用廓线极坐标误差来反映凸轮廓线的制造误差。

吉林工业大学的胡秉辰

等【37．39l提出弧面分度凸轮廓面计算机辅助侧接测量方法和廓面误差评定方法，建立了间

接测量凸轮廓面的数学模型。

其测量方法的基本思想是让凸轮转动，推动尖顶摆动测量

杆摆动，测量出摆动测量杆的角位，再将测得的数据通过计算机处理，对该廓面进行评

定。

天津大学【40J应用微机系统结合光电转换技术，采用圆光栅作为传感器，首先测出输

出轴的角位移，然后经过一阶数值差商得到输出轴的角速度，经二阶数值差商可得输出

轴的角加速度。

1994年由吉林工业大学牵头，参照圆柱蜗杆传动和环面蜗杆传动的精度

标准，提出了弧面分度凸轮机构的精度指标体系，规定了弧面凸轮复杂曲面的检验项目

【3引一

4空间凸轮精密测革及数字化逆向T程关键技术的研究

近几年，由于三坐标测量机的推广与应用，空间凸轮的检测研究也活跃起来，并取

得一些有价值的研究成果。

西安交通大学【4H3】对利用三坐标测量机实现弧面凸轮的精确

测量进行了探索，讨论了弧面凸轮的检测方案，并利用EB样条建立了弧面凸轮廓面的误

差评定理论。

西安理工大学【7，44，451提出一种适合任何空间凸轮廓面检测的接触点回归法，

将测量点坐标转化为实际加工时的接触点数据，实现了对空间凸轮实际加工廓面的数据

采集，并建立了数据处理的数学模型和误差计算方法，为空间凸轮廓面检测与误差计算

提供了新方法。

辽宁工学院的尚锐等【4¨

8】采用三坐标机测量了圆柱分度凸轮廓面的齿形

误差和螺旋线误差。

其基本思想是，建立的测量坐标系与计算坐标系相一致，然后将计

算得到的凸轮廓面坐标值及单位法向坐标值输入三坐标测量机，测头在坐标位置沿法向

方向可测得各点的法向误差及螺旋线误差。

文献[491对凸轮测量中的测头切换问题进行

了论述，并指出在凸轮测量中随意切换测头的现象不容忽视，在一般场合，应严格按设

计要求选择测头，对空间凸轮的cMM测量与检测有一定的指导作用。

综上所述，空间凸轮误差检测的研究已经取得了初步成果【36'

5们，但并未应用到实际

工作中去，而且理论也不够完善。

空间凸轮，特别是弧面凸轮仍然没有完善的精度评价

指标体系，也没有专门的检测工具。

因此，对空间凸轮精度评价体系完善以及检测方法

与手段的研究也是一个重要的研究课题。

1．3课题的主要研究内容

基于以上对三坐标测量机应用、空间凸轮机构运动规律反求及空间凸轮检测国