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49. 空间凸轮轮廓的测量程序设计及应用空间凸轮轮廓的测量程序设计及应用 李存华，薛卫 (云南玉溪红塔烟草集团有限责任公司 653100) 摘要 摘要： 本文介绍用坐标测量机基于等分度测量法通过编程实现空间圆柱凸轮轮廓的自动测量， 完成其测量在 CAD/CAM 中的 逆向工程，简述其制造和质量控制方法。 关键词：关键词：等分度测量法，等距曲线，实际轮廓，TUTOR，DEAPPL，测量矢量，CAD/CAM，逆向工程 Application and Designing of the Programming for Spatial Cam Profile Li Cunhua，Xue Wei Hongta Tobacco(Group)Co.,Ltd,Yuxi,Yunnan Province Abstract: In the article, it is introduced that the designed program based on the equivalent graduate measurement in CMM shall be used in the automatic measuring of the spatial cylindrical cam profile, The cam profile creased in CAD/CAM shall be discussed, The measuring reserving engineering will be complicated, and then, to analyze the principle of manufacture and inspection. Key Words: Equivalent Graduate Measurement， Equidistant Curve，Cam Profile，TUTOR FOR WINDOWS，DEAPPL， CAD/CAM ，Measuring Vector，Reverse Engineering . 、 引言 设计出凸轮的轮廓曲线,就可以得到各种预期的运动规律,且结构紧凑,正是凸轮机构这一优点,在各 种自动化机械、仪器仪表及自动控制装置中得到广泛应用。拥有大量高度自动化设备的红塔集团，如在 高速包装机和卷烟机上，都可以看到各种不同类型的凸轮机构，其中最难测绘和制造的应算空间圆柱凸 轮，如 GDX1 包装机上的凸轮零件 0X9674、0X9196、0X7400、0X7531 及 2XKDA4（GD 公司件号）等，都是 卷包机上的核心零件，每个进口价值数以万元计，每个的测绘和制造工艺不尽相同。 卷烟的高速包装功能主要通过空间圆柱凸轮分度机构在高速运动中实现，因此，高速卷烟包装技术 的发展与凸轮设计水平和加工技术密切联系，空间圆柱凸轮作为关键零件在高速卷烟包装机分度机构中 所起的重要作用，用其它机械机构难于完成。由于凸轮的轮廓与推杆（滚子）之间为点接触或线接触， 故易于磨损和报废，对制造该类零件，提出的技术要求也多，如测绘精度、检验分析、材料性能、加工 精度等。所以，作为高副机构零件的空间圆柱凸轮，其复杂的曲线面测绘和制造成了技术难点，本文以 空间圆柱凸轮 2XKDA4 为例，重点介绍其凸轮轮廓轨迹面的三坐标测量法。 、 空间圆柱凸轮的实际轮廓面 如图述，空间圆柱凸轮 2XKDA4 以角速度转动，两个滚子在 A、B 曲面上带动推杆在 V 方向上作 往复的推程运动，其中，两个滚子间的中心距和运动方向固定，推杆的运动规律和曲线面的属性密切联 系，它们之间存在的规律在设计中已经确定。 在机械原理中，称滚子中心的运动曲线轨迹为理论轮廓线，与滚子直接接触的凸轮廓线为实际轮廓 线，在机械设计和技术要求中，最关注的是理论轮廓线，在机械制造和计量检验中，最直接涉及的是实 际轮廓面。理论上，实际轮廓面上的任何一点至理论轮廓面的法线距离均等于该滚子的半径，因此，空 间圆柱凸轮的理论轮廓和实际轮廓互为等距曲线面。 由于 A、B 曲线面是工作面，C、D 曲线面为非工作面，完成了 A、B 曲线面的测试和建模设计后，C、 D 曲线面可以在 CAD/CAM 中按求等距曲线面或通过类似的测试方法完成。 v w C A B D 图 1 、 用等分度测量法测量实际轮廓曲线面 红塔集团使用测量机为:型号 SCIROCCO RECORD 140907,精度为:1.9+3L/1000m,测量系统软件为： （） 、TUTOR FOR WINDOWS Vers3.3.3，它来自意大利， （） 、PC-DMIS CAD 3.7 Maintenance Release 2，它来自美国，至今为最高版本，两套测量软件均在 WINDOWS XP 系统下运行，相关配置的 CAD/CAM 处 理软件还有，I-DEAS7.0、CAMAND Rev14.0 、Surface 10.0 及 AutoCAD 2004 等等。只要能够设计测量 程序，两种测量系统都可以完成同一工作，本文讨论 TUTOR FOR WINDOWS 环境下使用 DEAPPL 语言编程来 实现测量自动化并实现数据文件的生成和传输，如下述。 A B M1 A1 M1 B1 P1 P1 Y z o R1 R2 R3 PjMj Aj Bj PjMj 图 2 首先，测量坐标系建立在测量零件面内，原点建立在凸轮轴的中心，坐标轴线的建立由定位孔确定， 等分度测量实际轮廓线曲线面， 等分度的角度变化量可以为 1或 0.5， 测量范围由曲线面范围确定， 如一个圆周 360，必要时，也可以大于一个圆周，例如，空间螺旋凸轮。 如图 2 述，它是测量该空间圆柱凸轮的示意图，测量 A 曲线面时，确定扫描轨迹在 XOY 平面上的投 影极半径 R1 值，使每个测点的该极半径值都恒定为 R1 值，在程序中设定测量趋近距离 d，未设定时一 般为 6 毫米（不同的测量系统可能不同） ，d 值的确定要根据滚子直径D 的大小和曲线的属性，它取值 的不合理易导致测量的碰针而中断程序运行。首先，确定测量定位点 P1 坐标位置：P1M1 的距离要确保 整个测量过程不碰针，例如取 20 或 30mm，起测点 M1 在实际测量点 A1 的上方，M1A1 的取值距离要确保 测针不碰针，可取 4-6mm，其次，测量程序命令测尖到达 P1 位置，再移动到 M1 点，M1 点在 XOY 平面上 的投影极半径为 R1 值，投影点为 A1，在 Z 坐标轴方向上测针自 M1 点趋近测量 A1 点，采集 A1 点的实际 坐标值后，测尖退至 M1 点，再回 P1 位，此时，程序预报出下一个测尖的测量定位始点 P2 和 M2 的坐标 位置， 其 x、 y 坐标值的用三角函数计算， 即 x=R1COS(),y=R1SIN()， 表示目标测量点的极角， 它等于第一测量点的极角与等分的角度之和，例如，在图 3 中，为初测第一点极角，通常可以取， 则第 2 点极角，第 3 点极角2，等等，因此，该测量点在 XOY 平面上的投影极半 径仍为 R1 值，但 A2 点的 Z 坐标值预报为 A1 点的实测 Z 坐标值，同样，P2 点 Z 坐标值为 A1 点的实测 Z 坐标值加 M1A1 的距离，其中，A1 点和 A2 点投影在 XOY 坐标系中的极角差值为 。 其次，如图 3 为投影 XOY 坐标系，按测量 A1 点的方法实测 A2，A3 和 A4 点等，依此类推，使 A1、 A2、 A3 和 A4 各测点即第 j1、 j+2、 j+3 和 j+4 各点在 XOY 坐标系中投影的相邻极角变化量均为等值 ， 并且，在以 R1 为半径的投影圆周上。整条曲线测量完毕，做测量数据处理，之后，在 A 曲线面上，再以 R2、R3 等为半径，按同样的方法测量整个轮廓面，A 曲线面测量完毕后，改变测量的趋近矢量或方向， 选择合适的测针位置，设定 P1 坐标位置，再测量 B 曲线面。 测量一般平面凸轮时，通常只使用一个测针位置，由于空间圆柱凸轮轮廓通常为空间的曲线面，常 伴随弧面，使用测针位置的数目也多，有时是多个空间测针位置，如测试该凸轮就用到 PITCH(A) =0， ROLL(B) =0；PITCH(A) =90，ROLL(B) =0、45、90、135、180、-45、-90、-135 等，并且要伴随测量范围的选择，其中，对使用 PH10MQ 测头，PITCH(A)表示测头与 Z 轴的夹角，测头与 Z 轴方向一致时，PITCH(A)0，最大值为 105；ROLL(B)表示测头绕 Z 轴上的转角，范围为180， 一般测头与 X 正轴方向一致时，ROLL(B)0，PITCH(A)和 ROLL(B)的最小取值步距为 7.5，因此，测 针位置的变换选择也是整个测量程序设计的难点。对 CAD/CAM 而言，测量的点数或测量曲线的条数要尽 可能多，由于测量曲面的点数或曲线的条数过少，也不能精确反映该轮廓的真实情况，但是，对本测量 机系统使用 TP200 高精度触发测头，一次采样只能获取一个点的三维坐标值，其采集测量点的效率相对 其它方法如使用非接触光学测头或使用其它高速扫描测头要低，尽管如此，测试每个轮廓面的曲线条数 至少要三条以上,如上面要测试的 R1、R2、R3 上的曲线等。 M4(A4) M3(A3) M2(A2) P4 P3 P2 M1(A1) P1 y x o 图 3 如图 4 中的图解法述，它是该空间圆柱凸轮某一 R 圆周上的截面展开示意图，横轴表示凸轮转动的 角度变化量，纵轴表示该曲线在长度方向上的变化量。A 和 B 表示该截面上的实际轮廓曲线，M1 和 M2 表示测针中心测定实际轮廓面的曲线轨迹，测针中心轨迹 M1 和 M2 所在的曲面，分别是 A 和 B 所在的轮 廓轨迹面的等距曲线面，它们之间相距一个测针半径值。 实际上，如果凸轮轮廓面没有螺旋或没有弧面，其测量或数据处理相对简单，在图 4 中，就有 M1 和 M2 曲线分别是 A 和 B 曲线的等距曲线， 因为其各点的测针补偿法线或等距曲线生成的法线在同一平面 或同一方向上，而不在三维空间。 图 4 设计该测量软件时，采用跟踪 Z 坐标实测量值的方法，第 j+2 测点的 Z 坐标值由实测的第 j+1 测点 的 Z 坐标值预报。在测量曲线面中，由于测量系统或软件等原因，通常采用取消测针半径补偿法，含有 测针半径补偿的测量方法研究有其他科技论文发表，对类似这样的等分度测量法，若伴随着测针半径补 偿做实际测量点的测量，理论上将产生误差，除非测尖半径小到可忽略的程度或采用其它方法如非接触 测量法等，如图 5 述，测针以 V 方向测量曲线 M 的目标点 A，按 V 方向做测针半径补偿，将产生补偿误 差 t，其中，t1 表示实际值，t2 表示做补偿的实测值，t3 表示未补偿值，O 表示原点【1】 。 t1 t3 t2 t M V OA 图 5 、 实际轮廓线曲线面的测量程序设计 (1)、测量程序设计 测量的逆向工程技术应用广泛在烟机配件的测绘中，下面是完成 A 曲线面的自动测量程序，对测量 曲线面 B 而言，要改变测量向量和趋近失量符号及做测量起点的坐标计算。 dist_approach 6. prob(1,1) /* 测针选择 refsys 1 /* 测量坐标系 dy (“水平测针-旋面(曲线)轴向变量测量:圆柱凸轮，趋进向下“) read (MANY) /*测量点数输入 read (DM1) /*测量起点的极半径 2 倍值输入 read (HIGHT) /*测量起点的 Z 坐标值输入 read (START) /*测量起点极角输入 read (END) /*测量终点极角输入 ZH=HIGHT /*赋值 loop /*测针移至安全位置 get_ition (C) if C|z gt 249 then exit end_if end_loop ncmove /*自动测量模式 mspeed 25 /*测量速度 25% move (X=0,Y=0,Z=250) /*测针移至坐标原点上方 move (X=DM1/2,Y=0,Z=250) */测针至测点上方 for J=0 to MANY by 1 /*做 MANY 个点数测量 if abs (END-START) gt 180 then /*逆时针方向计算极角值 G=(END+(360-START)/MANY else G=(END-START)/MANY end_if G=J*G+START /*计算测点极角值 T=info_func (2) /*自动获取测针号码 if (G le 40) then /*测量范围对应测针号码选择 if (T ne 10) then move (Z=200) /*测针移至安全位置 probe (10,1) /*选择测针号码并更换 . move (X=(DM1/2+30)*cos (G),Y=(DM1/2+30)*sin (G),Z=200) move (X=(DM1/2+30)*cos (G),Y=(DM1/2+30)*sin (G),Z=zh) end_if end_if tip_compens off /*取消测量半径补偿 msh (MEMORYJ+11,1,1) /*测点命令 move (X=(DM1/2+30)*cos (G),Y=(DM1/2+30)*sin (G),Z=zh) /*测针移至测量定位起点,30 为在测 针移动量 S CCIR=DM1/2*cos (G),DM1/2*sin (G),ZH /*测针始测点坐标位置 VCIR=0,0,0 /*测针趋近矢量 approach (0,0,-1) /*测量向量 movetf (CCIR,VCIR) /*测量运动命令 DDX=MEMORYJ+11 /*赋值 X1J+1=DDX|x /*赋值测点 x 坐标 Y1J+1=DDX|y /*赋值测点 y 坐标 Z1J+1=DDX|z /*赋值测点 z 坐标 PA1J+1=MEMORYJ+11|pa /*赋值测点极角值 PR1J+1=MEMORYJ+11|pr /*赋值测点极半径值 DM1=PR1J+1*2 /*赋值测点 2 倍极半径值 ZH=Z1J+1+4 /*赋值 end_for tip_compens on /*启动测针补偿 (2)、数据文件生成 数据和文件处理的功能设计要伴随测量同时进行，数据文件分别将各个轮廓面上测量曲线的点数据 分别按 ISO G 代码、SCN 和 MEA 型等数据文件按设定的文件名存储，存储的参数包括各测量点的 x、y 和 z 坐标值， 各测量点在 XOY 坐标系中的投影极半径值和极角值， 这些文件都将作为测量逆向工程、 CAD/CAM 建模、检验逆向产品和分析凸轮规律的原始文件。 数据文件的生成类型要符合 CAD/CAM 系统及专业软件系统如 PROF、CAM(凸轮)、BLADE(叶片)等能 读取所需的格式，一般来讲，ISO G 代码及 SCN 在 Surfacer、CAD/CAM，MasterCAM 等有曲线面处理能力 的专业化的软件中能顺利读取；SCN 及 MEA 型文件在 PROF、CAM、BLADE 等也能顺利读取，并可以在该软 件中作曲线处理如测针半径补偿、等距曲线生成等，其中 PROF 还能生成流行于当今任何 CAD 能读取的 DXF 文件。 MEA 型文件的排列规则为，每个测点坐标共 6 行表示，前 2 行为标识，中间 3 行为 x、y、z 坐标值， 最后行为空格；SCN 型为行排型，即 x、y、z 坐标值分别带 x、y、z 标识的行排，并有序号，单位为微 米，ISO G 代码的排列规则和 SCN 型类似。 ISO G 点云数据可以被 Surfacer 软件直接读取，它能读取的数据格式还有 AFM、ASC、BMW 及 LAY 等。 该测量数据的所有点云文件导入 Surfacer 软件生成曲线面并完成该曲线面的等距曲线面生成， 生成的曲 线面经处理后可以多种格式如 IGES 等存盘， 在 CAD/CAM 等中调入作实体建模， 在 CAM 中作该曲线面的模 拟加工，生成该实体的 NC 加工代码文件等，通过 ERP、局域网或因特网等计算机通信方式传入 NC 机床， 完成该凸轮加工，从而实现测量的逆向工程。 、 实际轮廓面的生成和制造 用三坐标测量机完成曲线面轮廓测量时，测尖半径的补偿是关键的技术，其补偿理论要求必须精确 给定所测点的法线矢量并在该矢量方向测量和补偿，该矢量计算不精确，测量的精度就不高，当然，有 不计测尖半径的测针，就不用考虑补偿问题。所以，用测量机完成曲线面轮廓测量、逆向设计、加工， 通常要配备其它软件，如 PROF、AutoCAD、Surfacer 及 CAD/CAM 系统等等。 等距曲线和等距曲面在CAD/CAM领域中有着重要的作用， 处理软件也多， 常见的有Surfacer、 CopyCAD 等等。类似圆柱凸轮 2XKDA4，使用 Surfacer 作为逆向处理软件，红塔集团拥有 CAD/CAE/CAM 系统和广 阔的 ERP 网络，比如在烟机配件制造中，用 I-DEAS7.0 和 CAMAND Rev14.0 或 MasterCAM 9.0 作为建模和 制造软件，能完成该空间圆柱凸轮的逆向设计和制造。 加工空间圆柱凸轮，通常要四轴以上控制的数控机床才能完成，若要求工作轮廓表面粗糙度高，则 要配备数控凸轮磨铣机，要完成闭环式的信息化制造，比如做数据文件或 CAD/CAM 文件的传输，要建立 相关网络，比如局域网或 ERP 网，因此，硬件设施的建设要求也高。 如果圆柱凸轮轮廓没有螺旋或弧面，其测量、逆向处理、CAD/CAM 建模和制造相对容易，对机床设 备的要求也不会很高，这类凸轮零件在烟机配件中也不少，如红塔集团使用数控机床 DV70V 等加工也能 达到使用要求，因为，单一的曲线在 Surfacer 或 PROF 中，其拟合精度可控制在要求内，理论轮廓线和 实际轮廓曲线，借助 PROF 等应用软件，或 AutoCAD、Surfacer 等 CAD/CAM 系统能容易实现。Blade、PROF 和 CAM(凸轮)软件都有 SCALE 和 COMPENS 功能，可对曲线做测针半径补偿、曲线检验等【3】 。 、 加工产品的质量控制及分析 用三坐标测量机完成检验逆向产品或 CAD/CAM 所设计制造的凸轮产品，一般不容易，通常的方法是 用测量逆向工程技术将该产品的数据特征在模型中比较，其准确度也高，如要求快速量化和分析，该方 法也相应复杂，也费时。 由于该等分度测量法具有极高的等分度准确度，其产生的等分度误差导致的测量点坐标误差值，通 常可以忽视不计 【2】 ， 所以， 原始件测试和其逆向产品检验在认为是在等精度测量条件下， 测绘件的 R1、 R2、R3 上所测曲线与检验件上所测出 R1、R2、R3 上的曲线符合程度如何，将反映该产品的加工质量， 按一个方向来评定时，将反映在对应曲线上对应点的 Z 坐标值的变化上，就是用两个文件中的对应 Z 坐 标数据通过设计程序快速计算和比较。 该方法能快捷完成该凸轮的数字式检验，特别应用在初加工和实验中。从上述分析知，在逆向工程 中，如果测绘原件的 R1、R2、R3 曲线和逆向产品的 R1、R2、R3 曲线高度吻合，则其数据文件中的对应 数据如 Z 坐标值也将高度一致，即逆向产品加工精度高，反之，如果不一致，它反映逆向产品加工中实 际存在的误差情况，但是，其误差大小值不一定等于该检验 Z 坐标值的变化量，因为，凸轮曲线面的加 工误差通常要在该曲线面的法线上评定，而该方法是在单方向上评定，所以，该方法必要时作为参考。 实际上，红塔集团通过多年的实践，该方法较快捷，它也能指导逆向设计和制造工艺，用它计算的误差 值比用 CAD/CAM 分析的误差值稍大，如要求检验准确度高，应该再次逆向到模型中完成。 若测量机仅行使计量检验职责，对设计和加工出来的空间凸轮而言，检验的技术难度将降低，即便 使用 TUTOR FOR WIN