毕业设计（论文）-机用虎钳逆向设计及运动仿真.pdf

毕业设计毕业设计 机用虎钳逆向设计及运动仿真 学生姓名学生姓名： 学号学号： 系系 部：部： 专专 业：业： 指导教师：指导教师： 二一四年六月 张晋红 102011409 机械工程系 机械设计制造及其自动化 张爱荣 诚信声明诚信声明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。 在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文 献中列出。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本人签名： 年 月 日 机用虎钳逆向设计及运动仿真 摘要：逆向工程作为近年来迅速发展的快速设计制造技术的重要分支，可大大缩短产 品制造周期，因而在制造领域得到了广泛的应用。本文通过研究机用虎钳的逆向设计 过程，来了解逆向工程的概念、方法以及逆向设计的整个工作流程。具体过程是通过 采用三坐标测量机对机用虎钳进行测量扫描，建立机用虎钳的三维模型；然后根据机 用虎钳的原始模型来进行改良，对产生问题的模型进行直接的修改和分析；然后再根 据修正后的模型通过 PRO/E 软件绘制出最终的三维模型，并采用 PRO/E 对模型进行 运动仿真，最后绘制机用虎钳的装配图和零件图，此方法有效地解决了机用虎钳难以 精确测量的问题。与传统的正向设计方法相比,该方法提高了工作效率,缩短了新产品 的开发周期。 关键词：逆向工程，PROE，建模，运动仿真 Reverse design and movement simulation of machine vice Abstract：As an important branch of rapid design in recent years the rapid development of manufacturing technology of reverse engineering, which can greatly shorten the product manufacturing cycle, so it is applied widely in the manufacturing field.This paper machine with reverse design process of vice, to understand the concept, the method of reverse engineering and reverse design of the entirework process. Specific process is through the use of three coordinate measuring instrument of machine vice were measured by scanning, establish the three-dimensional model of the machine vice. Then according to the original model toimprove the machine vice, through modification, testing and analysis of the modeldirectly. The machine working principle of vice, characteristics of the main parameters of the machine vises, design of machine parts, the structure size of vice calculate correctly, get relatively ideal result, then according to the modified model by PRO/E software to draw the three-dimensional model of the final, and uses PRO/E simulation exercise the model, finally drawing machine assembly viceand parts diagram, this method effectively solves the machine vice difficult to measure accurately the problem. Compared with the traditional top-down design method, this method improves the work efficiency, shorten the development cycle of new products. Keywords: Reverse engineering,PROE, Modeling, Motion simulation 目 录 1 前言 . 1 2 逆向工程和三坐标测量机 . 2 2.1 概述 2 2.2 逆向工程 2 2.2.1 逆向工程的定义 2 2.2.2 逆向工程的应用领域 4 2.2.3 逆向工程在国内外研究状况 6 2.3 三坐标测量机 6 2.3.1 三坐标测量机的原理 7 2.3.2 三坐标测量机的组成 7 2.3.3 三坐标测量机的发展趋势 10 3 机用虎钳 . 14 3.1 机用虎钳的工作原理 14 3.2 机用虎钳的工作特点 15 3.3 数据测量方法 15 3.4 机用虎钳的测量 16 3.5 数据处理及所存在的问题 19 3.6 机用虎钳的改进 20 4 PRO/E 实体建模与运动仿真 . 22 4.1 PRO/E 概述 22 4.1.1 PRO/E 的产生和发展 22 4.1.2 PRO/E 的主要特性 23 4.2 机用虎钳各零件的建模 24 4.3 机用虎钳的装配体图 27 4.4 机用虎钳的运动仿真 27 结论 . 29 参考文献 . 30 致谢 . 31 太原工业学院毕业设计 1 1 前言前言 逆向工程是和将实物转变为 CAD 模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和 产品制造技术的总称。三坐标测量机是 20 世纪 60 年代发展起来的一种高效率的新型 精密测量仪器。它广泛应用于制造、电子、汽车和航空航天等工业中。Pro/Engineer 操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一体化的三维软件。 Pro/Engineer 软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软 件领域中占有着重要地位。本文通过研究机用虎钳的逆向设计过程，来了解逆向工程 的概念、方法以及逆向设计的整个工作流程。具体过程是通过采用三坐标测量机对机 用虎钳进行测量扫描，建立机用虎钳的三维模型；然后根据机用虎钳的原始模型来进 行改良，对产生问题的模型进行直接的修改和分析；然后再根据修正后的模型通过 PRO/E 软件绘制出最终的三维模型，并采用 PRO/E 对模型进行运动仿真，最后绘制 机用虎钳的装配图和零件图。 太原工业学院毕业设计 2 2 逆向工程和三坐标测量机逆向工程和三坐标测量机 2.1 概述概述 作为产品设计制造的一种手段，在 20 世纪 90 年代初，逆向工程技术开始引起各 国工业界和学术界的高度重视，从此以后，有关逆向工程技术的研究与应用就一直受 到政府、企业和个人的关注，特别是随着现代计算机技术及测试技术的发展，利用 CAD/CAM 技术、先进制造技术来实现产品实物的逆向工程，已成为 CAD/CAM 领域 的一个研究热点，并成为逆向工程技术应用的主要内容。 零件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐 标数据，在这基础上进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。因而，高效、高精度 地实现样件表面的数据采集，是逆向工程实现的基础和关键技术之一。根据测量探头 是否和零件表面接触，零件表面数据采集方法可分为接触式数据采集和非接触式数据 采集两大类。 接触式包括基于力-变形原理的触发式和连续扫描式数据采集； 而非接触 式主要有激光三角测量法、激光测距法、光干涉法、结构光学法、图像分析法等。另 外，随着工业 CT 技术的发展，断层扫描技术也在逆向工程中取得了应用。在接触非 接触测量中，三坐标测量机（CMM）是广泛采用的一种测量设备。 2.2 逆向工程逆向工程 2.2.1 逆向工程的定义逆向工程的定义 逆向工程（Reverse Engineering,RE） ，也称反求工程、反向工程等。逆向工程起 源于精密测量和质量检验，它是设计下游向设计上游反馈信息的回路，它是一种产品 设计技术再现过程，即对一项目标产品进行逆向分析及研究，从而演绎并得出该产品 的处理流程、组织结构、功能特性及技术规格等设计要素，以制作出功能相近，但又 不完全一样的产品。其主要目的是在不能轻易获得必要的生产信息的情况下，直接从 成品分析，推导出产品的设计原理。 传统的产品实现通常是从概念设计到图样，再制造出产品，我们称之为正向工程 （或顺向工程） ，而产品的逆向工程是根据零件（或原型）生成图样，再制造产品。 它是一种以先进产品设备的实物、样件、软件（包括图样、程序、技术文件等）或影 太原工业学院毕业设计 3 像（图像、照片等）作为研究对象，应用现代设计方法学、生产工程学、材料学和有 关专业知识进行系统系统分析和研究、探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为 先进的产品的技术，是针对消化吸收先进技术采取的一系列分析方法和应用技术的结 合。广义的逆向工程包括形状（几何）逆向、工艺逆向和材料逆向等诸多方面，是一 个复杂的系统工程。如图 2.1 所示1： 图 2.1 顺向工程和逆向工程 与传统意义上的正向设计相比较，逆向设计拥有以下几个方面的优点： （1） 有助于从概念到产品的快速制造，缩短了新产品的开发周期。 （2） 加速产品的开发，降低了产品的研发成本。 （3） 逆向设计是对已有设计的再设计，可以从更高的起点设计出更好的产品。 （4） 正确合理应用逆向设计技术， 可以在企业中建立快速的市场响应技术平台， 在竞争中立于不败之地2。 逆向工程被广泛地应用到新产品开发和产品改型设计、产品仿制、质量分析检测 等领域,它的特点是: （1）缩短产品的设计、开发周期,加快产品的更新换代速度； （2）降低企业开发新产品的成本与风险； （3）加快产品的造型和系列化的设计； （4）适合单件、小批量的零件制造,特别是模具的制造,可分为直接制模与间接制 模法。 直接制模法:基于 RP 技术的快速直接制模法是将模具 CAD 的结果由 RP 系统直 接制造成型。 该法既不需用 RP 系统制作样件,也不依赖传统的模具制造工艺,对金属模 具制造而言尤为快捷,是一种极具开发前景的制模方法;间接制模法:间接制模法是利用 RP 技术制造产品零件原型,以原型作为母模、模芯或制模工具(研磨模),再与传统的制 模工艺相结合,制造出所需模具3。 逆向工程系统主要由三部分组成： 产品实物几何外形的数字化、 CAD 模型重建、 产品或模具制造。组成系统的设备软件主要包括： 太原工业学院毕业设计 4 （1）测量机与测量探头 测量机+测量探头是进行实物数字化的关键设备。测量机有三坐标测量机、多轴 专用机、多轴关节式机械臂等；测量探头分接触式（触发探头、扫描探头）和非接触 式（激光位移探头、激光干涉探头、线结构光及 CCD 扫描探头、面结构光及 CCD 扫 描探头）两种。 （2）数据处理 量机得到的外形点数据在进行 CAD 模型重建以前必须进行格式转换、 噪声滤除、 平滑、对齐、归并、侧头半径补偿和插值补点等数据处理。 （3）模型重建软件（CAD/CAM） 模型重建软件包括三类，一是用于正向设计的 CAD/CAE/CAM 软件，如 Solidworks、I-deas、GRADE 等，但数据处理和逆向造型功能有限；二是集成有逆向 功能模块的正向 CAD/CAE/CAM 软件，如集成有 SCANTOOLS 模块的 Pro/Engineer、 集成有点云处理和曲线、曲面拟合、快速造型功能的 UGII 和 STRIM100 等；三是专 用的逆向工程软件，如 Imageware、Paraform、Geomagic 等。除此之外，有较高要求 的还包括产品数据管理 （PDM） 等软件。 支撑软件的硬件平台有个人计算机和工作站。 （4）CAE 软件 助工程分析，包括机构运动分析、结构仿真、流场及温度场分析等。目前较流行 的分析软件有 Ansys、Nastran、I-deas、Moldfolw、ADMAS 等。 （5）CNC 加工设备 各种 CNC 加工设备进行原型和模具制作。 （6）快速成型机 产生模型样件，按制造工艺原理分有印刷成型、层合实体制造、选域激光烧结、 熔融沉积造型、三维喷绘粘结、焊接成型和数码累积造型等方法。 （7）产品制造设备 各种注塑成型机、扎出机、钣金成型机等1。 2.2.2 逆向工程的应用领域逆向工程的应用领域 逆向工程的关键技术有： （1）数据采集:数据采集就是运用一定的测量设备和测量方法对实物样件进行测 太原工业学院毕业设计 5 量,获取样件表面信息,得到三维坐标。数据采集是逆向工程的首要环节,主要有接触式 和非接触式两大类测量方法。 （2）数据处理:数据处理就是对釆集到的数据进行多视拼合、噪声去除、数据精 简、 数据修补等处理工作。数据处理是进行模型重构工作前的必要准备,在整个逆向工 程流程中也十分关键。 （3）模型重构:模型重构就是运用一定的逆向工程软件对点云数据进行处理,最终 生成实物样件的三维数字化模型。 模型重构是逆向工程中最为关键的环节,是逆向工程 技术在工程应用中的主要体现5。 在制造业领域内逆向工程有广泛的应用背景。在下列情形下，需要将实物模型转 换为 CAD 模型： （1）尽管计算机辅助设计技术（CAD）发展迅速，各种商业软件的功能日益强 大，但目前还无法满足一些复杂曲面零件的设计需要，还存在许多使用粘土或泡沫模 型代替 CAD 设计的情况，最终需要运用逆向工程将这些实物模型转换为 CAD 模型。 （2）外形设计师倾向使用产品的比例模型，以便于产品外形的美学评价，最终 可通过运用逆向工程技术将这些比例模型用数学模型表达，通过比例运算得到美观的 真实尺寸的 CAD 模型。 （3）由于各相关学科发展的水平限制，对零件的功能和性能分析，还不能完全 由 CAE 来完成，往往需要通过实验来最终确定零件的形状，如在模具制造中经常需 要通过反复试冲和修改模具型面方可得到最终符合要求的模具。若将最终符合要求的 模具测量并反求出其 CAD 模型，在再次制造改模具时就可运用这一模型生成加工程 序，就可大大减少修模型，提高模具生产效率，降低模具制造成本。 （4）目前在国内，由于 CAD/CAM 技术运用发展的不平衡，普遍存在这样的情 况：在模具制造中，制造者得到的原始资料为实物零件，这时为了能利用 CAD/CAM 技术来加工模具，必须首先将实物零件转换为 CAD 模型，继而在 CAD 模型基础上设 计模具。 （5）艺术品、考古文物的复制。 （6）人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造。 （7）特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，需首先 建立人体的几何模型。 （8）在 RPM 的应用中，逆向工程的最主要表现为：通过逆向工程，可以方便地 太原工业学院毕业设计 6 对快速原型制造的原型产品进行快速、准确的测量，找出产品设计的不足，进行重新 设计，经过反复多次迭代可使产品完善1。 2.2.3 逆向工程在国内外研究状况逆向工程在国内外研究状况 美国在其国内已经建立了集测量、设计、快速成型、数控加工于一体的逆向工程 中心，在英国、德国、法国、日本、韩国、台湾等许多国家和地区已有商品化的逆向 工程设备和系统软件相继投入使用，有效地提高了企业的竞争力，促进了生产力的发 展，反求工程在国外已取得了长足的进步。 中国是一个制造大国，制造业在世界上排第一，能够制造出很多高质量的机电产 品，但我们的制造水平还比较落后，大多数产品都还用外国提供的技术。随着我国工 业的不断进步中,吸收国外先进产品技术并进行改进是重要的产品设计手段。 逆向工程 技术为产品的改进设计提供了方便的工具，在已有产品基础上设计新产品，缩短开发 周期，可以使企业适应小批量的生产要求，从而使企业在激烈的市场竞争中处于有利 的地位。 在我国东西部的逆向工程的水平不一样，在东部沿海大多数设计开始使用逆向设 计而在西部基本还处于原始的正向设计阶段，因此中国的反求水平还是一个落后的阶 段， 逆向设计还有很大的发展空间。 通过对机用虎钳的反求， 认识反求的方法和过程， 了解逆向工程的用途1。 2.3 三坐标测量机三坐标测量机 三坐标测量机是20世纪60年代发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器。它广 泛应用于制造、电子、汽车和航空航天等工业中。起初是作为一种检测仪器，对零件 和部件的尺寸、形状和相互位置进行检测。此外，还可用于划线、定中心孔、光刻集 成线路等，由于三坐标测量机具有对连续曲面进行扫描来制备数控加工程序的功能， 因此一开始就被选为逆向工程的主要的数字化设备并一直使用至今。 三坐标测量机出现以前，测量空间三维尺寸已有一些原始的方法，如采用高尺度 和量规等通用量具在平板上测量，以及采用专用量具、心轴、验棒等量具测量孔的同 轴度及相互位置精度。早期出现的测长机可在一个坐标方向上进行工件长度的测量， 太原工业学院毕业设计 7 既是单坐标测量机，仅能进行一维测量，后来出现的万能工具显微镜具有X与Y两个 坐标风向移动的工作台可测量平面上各点的坐标位置，即二维测量，也称为二坐标测 量机。因此，如果具备X、Y、Z方向的运动导轨，就可测出空间范围内各测点的坐标 位置。 2.3.1 三坐标测量机的原理三坐标测量机的原理 坐标测量原理是：将被测物体置于三坐标机的测量空间，可获得被测物体上各测 点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算可求出被测的几何尺寸、形状和位 置。 在三坐标测量机上装置分度头、 回转台 （或数控转台） 后， 系统具备了极坐标 （柱 坐标）系测量功能，这种具有X、Y、Z、C四轴的坐标测量机成为四坐标测量机。按 照回转轴的数目，也可有五坐标或六坐标测量机。 2.3.2 三坐标测量机的组成三坐标测量机的组成 作为一种测量仪器，三坐标测量机主要是比较被测量与标准量，并将比较结果用 数值表示出来。三坐标测量机需要三个方向的标准器（标尺） ，利用导轨实现沿相应 方向的运动，还需要三维测头对被测量进行探测和瞄准。此外，测量机还具有数据自 动处理和自动检测等功能，需要由相应的电气控制系统与计算机软硬件实现。三坐标 测量机可分为主机、测头、电气系统三大部分，如图 2.2 所示： 图 2.2 三坐标测量机的组成 太原工业学院毕业设计 8 （1）主机 三坐标测量机的主机结构如图2.3所示。 图2.3 主机结构 框架结构：指测量机的主体机械结构架子。它是工作台、立柱、桥框、壳等 机械结构的集合体 标尺系统：重要组成部分，包括线纹尺、精密丝杠、感应同步器、光栅尺、磁 尺及光波波长及数显电气装置等。 导轨：实现三维运动，多采用滑动导轨、滚动轴承导轨和气浮导轨，以气浮导 轨为主要形式。气浮导轨由导轨体和气垫组成，包括气源、稳压器、过滤器、气管、 分流器等气动装置。 驱动装置：实现机动和程序控制伺服运动功能。由丝杠丝母、滚动轮、钢丝、 齿形条、齿轮齿条、光轴滚动轮、伺服马达等组成。 太原工业学院毕业设计 9 平衡部件：主要用于Z轴框架中，用于平衡Z轴的重量，使Z轴上下运动时无偏 重干扰，Z向测力稳定。 转台与附件： 使测量机增加一个转动运动的自由度， 包括分度台、 单轴回转台、 万能转台和数控转台等。 （2）三维测头 三维测头既是三维测量传感器，它可在三个方向上感受瞄准信号和微小位移，以 实现瞄准和测微两项功能。主要有硬测头、电气测头、光学测头等。测头有接触和非 接触式之分。按输出信号分，有用于发信号的触发式测头和用于扫描的瞄准式测头、 测微式测头等。 （3）电气系统 电气控制系统：是测量机的电气控制部分，具有单轴与多轴联动控制、外围设 备控制、通信控制和保护与逻辑控制等。 计算机硬件部分：包括各式PC机和工作站。 测量机软件：包括控制软件与数据处理软件。可进行坐标变换与测头校正，生 成探测模式与测量路径，还用于基本几何元素及其相互关系的测量、形状与位置误差 测量、齿轮、螺纹与凸轮的测量、曲线与曲面的测量等，具有统计分析、误差补偿和 网络通信等功能。 打印与绘图装置：根据测量要求打印输出数据、表格、绘制图形等1。 三坐标测量机的类型： （1）按自动化程度分 数字显示及打印型：主要用于几何尺寸测量，能以数字形式显示或记录测量结 果以及打印结果，一般用于手动测量。 带小型计算机的测量机：由计算机可进行诸如工件安装倾斜的自动校正计算、 坐标变换、孔心距计算、偏差值计算等，并可预先储备一定量的数据，通过计量软件 存储所需测量件的数学模型和对曲线表面轮廓进行扫描计算。 计算机数字控制（CNC）型：带小型计算机的测量件的测量过程仍然是手动或 机动的，计算机数字控制（CNC）型可按照编制好的程序自动进行测量。按功能可分 为： 1）编制好的程序对已加工好的零件进行自动检测，并可自动打印出实际值和理 太原工业学院毕业设计 10 论值之间的误差以及超差值。 2）可按实物测量结果编程。与数控加工中心配套使用，将测量结果经计算机后 置处理，生成针对各种机床的加工控制代码。 （2）按结构形式与运动关系分类 按结构形式分为移动桥式、龙门式、悬臂式、水平臂式、坐标镗床、卧镗式和仪 器台式等。 （3）按测量范围分类 小型坐标测量机：主要用于测量小型精密的模具、工具、刀具与集成线路 板等，测量精度高，测量范围，一般是X轴方向小于500mm。 中型坐标测量机：测量范围在X轴方向为5002000mm。精密等级为中等，也 有精密型的。 大型坐标测量机：测量范围在X轴方向大于2000mm。精密等级为中等或低 等。 （4）按精度分类 三坐标测量机按精度可分为低精度、中等精度和高精度的测量机，低、中、高精 度三坐标测量机大体上可这样划分；低精度测量机的单轴最大测量不确定度大体在 1 104L左右，而空间最大测量不确定度为（23） 104L，其中L为最大量程；中 等精度的其单轴与空间最大测量不确定度分别约为1 105L和（23） 105L；精密 度的则分别为小于1 106L和（23） 106L1。 2.3.3 三坐标测量机的发展趋势三坐标测量机的发展趋势 三坐标测量机自开发以来，至今已约有30年。在此期间，它与计算机技术的发展 相结合取得了惊人的进展，从而在精测仪器中占有相当大的比重。从目前国内外三坐 标测量机发展状况和科技、生产对三坐标测量机提出的要求看，在今后一段时间内， 它的主要发展趋势体现在以下几个方面。 （1）高精度化 三坐标测量机自开发以来，一直要求具有高精度，当前随着加工精度的哇显著提 高，这种要求更趋强烈。要提高精度有许多问题需要解决，其中最重要的是机械主体 的基本结构问题。当前三坐标测量机仍是由三相正交的三轴组成笛卡尔坐标系的模式。 太原工业学院毕业设计 11 与多轴自动化机床相似， 正确地选择测量机工体的形式 （立式或卧室） 是十分重要的。 一般来说，在测量小型工件时，使用高柔性卧室主轴最为有利。为实现更高精度的测 量精度，在中等规格尺寸测量机领域内，国外最新的三坐标测量机均采用了单一的桥 式构造。但桥式构造的竞争焦点在桥固定式和桥移动式之间。 （2）自动化（计算机数控化） 从最近国外推出的产品来看，测量机数控系统有明显的两级发展趋势：高档型和 廉价型。高档型是传统知名的测量机厂商的产品，以价格较高的机型供给大型企业， 这些企业具有较高的计算机应用水平，廉价型系统是日本和英国某些公司的产品，大 都采用DCC（Directly Computer Cintrol）技术，以求降低成本，同时满足使用要求。 另外，计算机数控化目的并不单纯只是为了利用外围设备和软件来节约人力，而且要 通过使用仿形测头的连续仿形测量，应用于评定曲面形状、排除人员误差的高精度测 量。 （3）非接触测量 探测技术在三坐标测量机中占有重要位置。从原理上说只要探头能探及，三坐标 测量机就能测量。三坐标测量机的测量效率也首先取决于探测速度。为了完善测量机 功能，还必须发展各种附件。 三坐标测量机除了机械本体外，测头是测量机达到高精度的关键，也是坐标测量 机的核心，与其他各项技术指标相比，提高测头的性能指标难度最大。如由 OPTON 和 LETTZ 公司开发的实用高精度探头三维电感测头取得专利已有近 20 年历史，但 至今改进不大。 由于非接触测头具有许多优点，探测技术发展的第一个重要趋势是，非接触测头 将得到广泛的应用。 十分重要的是，在微电子工业中有许多二维图案，如大规模集成电路掩模，它们 是用接触测头无法测量的。近年来国外光学三坐标测量机发展十分迅速，光学三坐标 测量机的核心就是非接触测量。 （4）采用新材料，运用新技术 近年来，铝合金、陶瓷材料以及各种合成材料在三坐标测量机中得到了越来越广 泛的应用。 铝合金特别适合于制作高速运行的三坐标测量机。它导热好，不易产生复杂热变 形。尽管它线膨胀系数较大，但简单热变形比较容易补偿。它耐磨性差，可在其表面 太原工业学院毕业设计 12 涂覆一层耐磨的陶瓷材料，为了克服陶瓷导热性能差、难以加工的缺点，正在开发各 种人工合成陶瓷。可以按需要做成各种所需形状。还可以通过适当的材料设计，使它 具有所需的性能。 （5）测量软件 测量机的功能主要由软件决定。三坐标测量机的操作、使用的方便性，也首先取 决于软件。 测量机软件所覆盖的范围越来越大。它不仅包括坐标系的转换、测端半径补偿、 控制软件、数据处理软件，还包括误差补偿软件、CAD、CAM软件与网络通信 软件等。从每一类软件的内容看，也越来越丰富。可以说测量机软件是三坐标测量机 中发展最为迅速的一项技术，软件的发展将使三坐标测量机向智能化的方向迈进。今 后的智能三坐标测量机至少应包含下述内容： 能进行自动编程。自动编程分两种情况：有图样与没有图样。对于前者，首先 需要读入图样，然后按照图样的要求，利用存储在计算机内的知识库与决策库确定测 量策略，自动选择配置，安排测量路径，编排测量程序。目前对有 CAD 图样的情况 相对来说有一些成功的经验。 对没有 CAD 图样的情况， 基本上还是空白。 对于后者， 就要利用若干个摄像头，大致地测出工件形状，然后在此基础上实现自动编程。确定 测量策略包括基面的选择、测量项目和采样点的安排等。测量路径的选择包括纺织碰 撞的计算机仿真实验、测量路径优化等。这里还包括工件安装位置的自动识别，否则 就无法实现无碰撞的测量路径优化。 按测量任务队测量机进行优化。智能测量机能够按照测量任务，提示工件最佳 安装位置，并针对被测量参数进行优化。 在测量前对测量不确定度做出评定，并按此确定采样策略与测量速度。 故障自动诊断。自动化程度越高、运行速度越高的测量机，对可靠性的要求越 高， 对故障自动诊断的要求越高。 故障自动诊断不仅包括测量机无法正常工作的故障， 而且还包括出现其它一些不正常现象，例如室温偏高，测得数据明显不合理（如超差 太大）时发出提示。也可以在发现有超差（或临近公差带边缘）时，发出重测指令。 CAD文件特征识别。系统能根据CAD设计图形文件IGES提取测量信息、测量 机的特征以及各组成特征之间的位置关系， 然后将二维的CAD图样信息转化为三维的 带有公差信息的零件定义模型。零件位置自动识别系统是利用计算机视觉处理零件的 图样，完成零件在测量机中的位置测量，并在此基础上建立零件坐标系。 太原工业学院毕业设计 13 （6）使用现场化 迄今为止，三坐标测量机只是在某种特定的环境条件（温度、粉尘、振动等）下 使用，但是随着其有效性广泛被人们所认识，将会越来越要求在加工现场使用，或将 作为在线测量设备使用。这里还存在不少需待解决的问题，例如直接与精度有关的温 度和振动等问题，对粉尘或切削油的处置方法、自动生产线节拍的高速化等。目前各 生产厂家正在投入力量进行研制，已有带防尘结构的产品进入市场。 （7）成为制造系统的组成部分 从发展趋势来看，三坐标测量机正逐渐成为机械制造业的主导检测设备，将越来 越多地用于生产线，成为制造系统的一个组成部分。没有其他测量仪器，具有三坐标 测量机这样的柔性、万能性，能在计算机控制下完成各种复杂测量，能与加工机床交 换信息，完成保证质量、控制加工的任务；或根据测试结果，构成CAD、CAM软件， 实现逆行工程1。 太原工业学院毕业设计 14 3 机用虎钳机用虎钳 机用虎钳又叫机用平口钳，是配合机床加工时用于夹紧加工工件的一种机床附件。 机用平口钳夹具，是机械加工过程中不可缺少的附件之一，是一种应用范围广、定位 精度较高、成本低、操作简便的通用夹具。平口钳主要包括底座，底座上有能够相对 于底座转动的钳体，钳体上有与钳体相配合并能够左右移动的滑板，滑板的右端固连 有钳口，滑板内有与钳体固连的螺母，螺母内有与之相配合并能够驱动滑板往复移动 的丝杠，在与钳口相对应的位置上有与钳体活动连接不同形状的钳口台。可在铣床、 刨床、镗床、钻床、磨床等机床上直接装夹不同形状的工件6。如图 3.1 即为机用虎 钳的实体模型。我们的任务就是采用三坐标测量仪对机用虎钳进行反求，建立机用虎 钳的三维模型，并转化为二维生产图，以解决机用虎钳难以精确测量的问题，并在原 模型的基础上加以改进，并作出运动仿真。 图 3.1 机用虎钳的实体模型 3.1 机用虎钳的工作原理机用虎钳的工作原理 用扳手转动丝杠，通过丝杠螺母带动活动钳身移动，形成对工件的加紧与松开。 机用虎钳装配结构是将可拆卸的螺纹连接和销连接的铸铁合体；活动钳身的直线运动 太原工业学院毕业设计 15 是由螺旋运动转变的；工作表面是螺旋副、导轨副及间隙配合的轴和孔的摩擦面。 3.2 机用虎钳的工作特点机用虎钳的工作特点 设计结构简练紧凑，夹紧力度强，易于操作使用。内螺母一般采用较强的金属材 料材料，使夹持力保持更大，一般都会带有底盘，底盘带有180 刻度线可以360 平面 旋转。 机用虎钳作为一种机床夹具，它的主要功能如下： （1）保证加工质量 使用机床夹具的首要任务是保证加工精度，特别是保证被加工工件加工面与定位 面之间以及被加工表面相互之间的位置精度。使用机床夹具后，这种精度主要靠夹具 和机床来保证，不再依赖于工人的技术水平。 （2）提高生产效率，降低生产成本 使用夹具后可减少划线、找正等辅助时间，且易实现多件、多工位加工。在现代 机床夹具中，广泛采用气动、液动等机床夹紧装置，可使辅助时间进一步减少。 （3）扩大机床工艺范围 在机床上使用夹具可使加工变得方便，并可扩大机床的工艺范围。例如，在机床 或钻床上使用镗模，可以代替镗床镗孔。又如，使用靠模夹具，可在车床或铣床上进 行仿形加工。 （4）减轻工人劳动强度，保证安全生产8。 3.3 数据测量方法数据测量方法 数据测量工作是逆向工程工作流程中的第一阶段,后面的工作都要在此基础上来 完成。 如果数据获取时所得到的测量数据存在误差,那么在模型重构中所生成的模型就 不可能足够准确,并且最终导致生产出来的产品不能够如实的反映原来的实物模型。 数 据测量是整个逆向工程技术的基础。 常用的测量设备主要分为二维和三维两种,大多数 测量设备均属于三维测量设备,二维测量设备主要用于测量平面数据信息(如孔的直径 和中心的定位),测量较为精确。反求技术所采用的测量方法主要有两种:接触式测量法 和非接触式测量法5。 接触式测量方法通过传感测量头与样件的接触而记录样件表面的坐标位置，可以 太原工业学院毕业设计 16 细分为点触发式和连续式数据采集方法。对于航空航天、汽车等行业，大型样件的测 量一般可以选用接触式测量，以满足精度要求。因为，接触式测量中的点触发式测量 可以通过人为规划，使得在大曲率或曲率变化剧烈的区域获得较多的测量点，而在相 对平坦的区域则可以测量较少的点。结合造型方法，人工对被测物体进行区域规划， 测量对物体形状起关键作用的特征线和曲线网格，数据点可以根据需要组织成模型重 建软件所需要的形式，然后根据特征线及曲线网格重建物体的CAD模型，减少了数据 处理的难度和工作量。其唯一的缺点是测量效率较低。 非接触式测量方法主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理，将一定的 物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点。例如：声纳测量仪利用声音遇 到被测物体产生回声的时间计算点与声源间的距离；激光测距法是将激光束的飞行时 间转化为被测点与参考平面间的距离。非接触式测量使测量效率得到了极大提高，某 些光学测量机可以在数秒钟内得到几十万个数据点，因而在测量过程中可以大大减少 人工测量规划，在整个样件表面快速采集大量的密集点集。由于操作简便，以激光测 距法为代表的非接触式测量技术近两年来，发展迅速，应用普及面越来越广。不过， 非接触测量获得的海量数据的数据量非常庞大，常有几十万、上百万，甚至更多。必 须配合较强功能的逆向软件和高性能的计算机设备， 才能顺利使用。 不过， 将五年来， 按照摩尔定律，计算机硬件的性能迅速提高，软件技术也今非昔比，基于光学的非接 触式测量方法和三坐标测量设备在逆向工程中得到了更为广泛的应用。 3.4 机用虎钳的测量机用虎钳的测量 针对机用虎钳的外形观察， 我们知道机用虎钳主要由以下几部分组成： 固定钳身、 活动钳身、方块螺母、钳口板、螺杆、垫片、螺钉等。我们以固定钳身为测量对象来 说明测量的具体步骤。 机用虎钳测量的具体操作步骤： （1）用酒精擦拭设备工作台以及所需测量的工件表面 （2）连接设备并接通电源 将设备与电脑相应的接头相连，启动电脑。 太原工业学院毕业设计 17 （3）启动软件 双击桌面上的图标，打开软件，其见面如图 3.2 所示。 图 3.2 Rational DMIS 打开界面 （4）测量零件的距离，平面度 我们测量的零件为机用虎钳的固定钳身，所测的平面图如图 3.3 所示： 图 3.3 所测的固定钳身的平面图 太原工业学院毕业设计 18 其中固定钳身所对应的各个平面如图 3.4 所示： 图 3.4 固定钳身所对应平面图 测得的数据为：L0-1 max=30.834489mm, L0-1 min=30.292129mm L0-2max=13.377446mm， L0-2 min=12.856628mm， L0-2 平均=13.0582mm L3-4max=29.390999mm,L3-4 min=29.308454mm, L3-4 平均=29.3503mm L3-5max=31.046959mm,L3-5 min=30.909856mm, L3-5 平均=30.9766mm 1=15.7783mm， 2=11.9636mm 平面 1 的平面度为 0.0266mm。 5.导出数据 6.断开软件和设备之间的连接并关闭软件和设备 太原工业学院毕业设计 19 3.5 数据处理及所存在的问题数据处理及所存在的问题 对上述数据进行处理，有： L0-1 max-L0-1 min=0.542360mm，L0-2 max-L0-2 min =0.510818mm L3-4 max-L3-4 min=0.082545mm，L3-5 max-L3-5 min=0.137103mm 根据上面测得的数据，我们知道所测得的距离有最大值和最小值，即是两平面之 间距离的最大值和最小值， 例如平面0和平面1之间的最大值为L0-1 max=30.834489mm， 最小值为 L0-1 min=