YS_200数控鞋楦扫描机关键部件的结构设计.pdf

鞋 楦是制鞋的基础和重要模具 。在整个制鞋设计与生产中，鞋楦的造型决定了鞋的式样和型号，鞋新品种开发也是基于鞋楦来设计的1。鞋楦的制造过程大多属于逆向工程的范畴，母楦实物一般由设计师制作完成，通过测量机对母楦进行检测采样，再经过一系列数据处理，最终完成鞋楦模型重构2；接下来再利用数控加工设备根据模型数据加工出若干新的鞋楦，以满足制鞋企业多人同时制作同一款鞋子的要求 。鞋楦样品如图 1 所示 。YS- 200 数控鞋楦扫描机正是用于测量母楦，采集鞋楦原始数据 、并将其处理成为三维图形的数控反求设备 。1 数控鞋楦扫描机的工作原理根据鞋楦的形状以及数控鞋楦扫描机的工作内容，初步确定了设备的工作原理与动作形式，如图 2 所示 。数控鞋楦扫描机基于反求工程技术，并采用接触式测量方式实现鞋楦外表面数据模型的重构 。在采样过程中，鞋楦前后端由顶尖固定，在顶尖的带动下绕着 Z 轴旋转 。而在鞋楦的旋转过程中，扫描轮始终与鞋楦保持接触，并根据鞋楦的旋转角度测出鞋楦相应的瞬时旋转半径，为此，扫描轮将随鞋楦的角度变化在平行于 X 轴的方向上作直线运动；与此同时，扫描轮还将在 Z 轴传动机构的带动下作平行于 Z 轴的单向匀速运动 。在此过程中，扫描机的检测装置将测绘出鞋楦外表面上每个接触点的一个旋转运动的角位移量以及两个直线运动的直线位移量，最终由以上的三个位移量共同构成了鞋楦外表面的螺旋线数据，并经过数控系统处理后形成鞋楦的外表面模型 。综合普通鞋子的不同形状与尺寸大小，确定了该设备的主要技术参数，如表 1 所示 。在设计 YS- 200 数控鞋楦扫描机的过程中，机床数控系统将通过选购配置，除此之外，设备设计的关键在于如何保证鞋楦扫描机的定位 、旋转 、扫描等整个过程动作的可靠性 。2 数控鞋楦扫描机的关键结构设计2.1 鞋楦定位与旋转机构的设计首先，由于鞋楦形状不规则，采用接触式的扫描方式将使鞋楦受到一定的径向力与周向力的作用，因此，为了固定并带动鞋楦旋转，在该机构中设计一个叉刀形的零件，以插紧并固定鞋楦后跟；而在另一侧则设计一个托架形的零件，以固定鞋楦的前端 。其次，由于该设备的扫描长度是 50400mm，因此设备的定位机构的位置必须可调，以满足长短不一鞋楦的要求 。再次，由于该设备的最大扫描半径达 130mm，因此，定位与旋转机构的旋转中心离工作台面必须有足够的高度，以满足扫描较高鞋楦的工作要求 。综合考虑了以上的设计要点，并根据鞋楦的形状 、设备的工作原理与技术参数要求，初步设计了如图 3所示的定位与旋转机构 。YS- 200数控鞋楦扫描机关键部件的结构设计丁立刚1， 2魏 昕1李国校3（ 1.广东工业大学，广州 510006； 2.中山火炬职业技术学院，中山 528436； 3.南海盈胜数控机械厂，佛山 528244)摘 要：通过对鞋楦与数控鞋楦扫描机工作原理的介绍，分析了该类设备的设计要点 。在设计过程中，对扫描机的定位与旋转机构 、接触式扫描机构 、Z 轴传动机构等关键部件进行重点分析，并设计出 YS- 200 数控鞋楦扫描机 。经生产验证，该设备结构合理 、动作可靠，工作性能稳定 。关键词：鞋楦 数控鞋楦扫描机 定位与旋转机构 接触式扫描机构 传动机构图 1 鞋楦图 2 鞋楦扫描机的工作原理图YZZXX表 1 主要技术参数技术数据表 规格每分钟转速 (r/min) 545效率（ min/ 楦头） 620Z 轴分辨率： 0.001mmC（ ）轴分辨率： 0.0005扫描半径（ mm） - 30130扫描长度（ mm） 50400设 计 与 研 究152009 第 5 期 总第 192 期现 代 制 造 技 术 与 装 备在该机构中，左转轴座 2 直接固定在机床工作台 1 上，而叉刀 8 用于固定鞋楦后跟，该零件与左转轴 7 利用螺纹联接，一起安装在角接触轴承 4 上；同时左转轴 7 左端通过联轴器 6 与伺服电机 5 联结 。而在右侧，托板 11 用于固定鞋楦的前端底部，该零件通过联结轴 12 与右转轴 13 固定，一起安装在角接触轴承 15 上；另外，右转轴座 14 固定在小拖板 16 上，而小拖板 16 安装于固定在工作台 1 的线性导轨上，并利用丝杆 9 作为驱动装置调节其位置 。安装固定母楦时，先将母楦的后跟插紧在叉刀 8 上，然后通过旋转手轮 19 带动丝杆 9 调整小拖板到合适的位置，并固定好母楦的前端底部 。另外还可以通过摆动托板11 的角度，以安装不同形状的母楦，从而使该机构能够固定长短不一 、形状各异的母楦 。2.2 鞋楦接触式扫描机构的设计鞋楦在绕 Z 轴旋转的过程中，扫描机构上的扫描轮必须始终与鞋楦接触，确保扫描得到的数据模型与母楦形状的一致性，这是设计接触式扫描机构的关键所在 。由于鞋楦的外形并非回转体，因此鞋楦面上不同点的旋转半径都不一样 。为了使扫描机构上的扫描轮能始终与鞋楦接触，扫描机构的驱动装置必须具备快速的反应特性，以适应鞋楦旋转半径的瞬时变化 。为此，在该机构选用了单作用气缸作为推力装置，使扫描机构始终处于靠近鞋楦的运动趋势，确保扫描论与鞋楦保持接触 。另外，在综合考虑鞋楦的形状 、设备的工作原理与技术参数要求的情况下，设计了如图 4 所示的接触式扫描机构 。在该机构中，扫描轮 11 通过轮架 10 固定在滑块 9上，同时，为了确保滑块 9 能平稳运行，将滑块 9 安装在固定于大拖板 4 的线性导轨 3 上，以减小滑块 9 运行的摩擦力，提高机构运行的反应特性 。而作为推力装置的气缸 8 则固定在气缸支架 5 上，并使气缸 8 的活塞杆与滑块 9 后侧联接；另外还将拉伸弹簧 14 通过弹簧支架 13、15 分别固定于滑块 9 与气缸支架 5 上 。与此同时，为了减小扫描轮与鞋楦接触时的摩擦力，将扫描轮 11 设计成能够绕其自身轴线自由转动的结构形式 。而作为读数装置的光栅尺，则将其中的光栅尺体 1 固定在箱体 7 上，而光栅尺读数头 2 则固定在滑块 9 上 。工作时，单作用气缸 8 进气，活塞杆克服拉伸弹簧 14的拉力推动滑块 9 向右边移动，直到扫描轮 11 接触到鞋楦为止 。在扫描过程中，如果鞋楦与扫描轮 11 接触点处的旋转半径变小，则气缸 8 活塞杆在气压作用下推动扫描轮 11 往右边移动；如果鞋楦与扫描轮 11 接触点处的旋转半径变大，则鞋楦对扫描轮 11 产生挤压力的作用，该力将克服气缸 8 的推力作用推动扫描轮 11 往左边移动 。在扫描轮 11 移动的过程中，固定在滑块 9 上的光栅尺读数头 2 记录下了扫描轮 11 的位移，而鞋楦旋转运动的角位移则由旋转轴的编码器记录下来，由此共同构成了鞋楦在一转范围内的截面模型数据 。扫描完毕时，气缸 8 停止进气，滑块 9 在拉伸弹簧 14 的作用下往左边移动，并推动气缸 8 的活塞杆复位，当滑块 9 接触到限位柱 6 时，滑块 9 停止移动，复位完毕 。2.3 扫描机 Z 轴传动机构的设计鞋楦在旋转过程中，传动机构必须能保证扫描机构在平行于鞋楦 Z 轴方向上的运动是单向匀速运动，确保扫描螺旋线的均匀，这是设计 Z 轴传动机构的关键所在 。为了测绘出整个鞋楦的外表面数据模型，扫描轮在平行于 X 轴的方向上作直线扫描运动的同时