（机械制造及其自动化专业论文）五轴机械式冲压件光学检测仪结构特性研究.pdf

摘要 摘要 五轴机械式冲压件光学检测仪( 简称f m s o m i ) 是一套实现在线检测冲压 件质量的精密检测设备。本文采用数字化设计手段对f m s o m i 进行研究设计， 利用虚拟样机技术对f m s o m i 及其关键部件进行运动学仿真，通过研究其结构 特性对检测仪设计进行快速测试、评估与改进。在物理样机制造之前，便可以 按照各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而优化产品设计、提高 产品性能。本文的研究主要以下几个方面： 首先对f m s o m i 的整体结构进行详细设计。通过分析了冲压件质量检测设 备的检测原理，和检测设备的工作环境等要求，选择合理的三轴正交运动和两 轴旋转的结构，并且对关键的部件进行选择和计算，提出整体的结构方案。 其次在u g 和a d a m s 的数字化设计平台上，应用虚拟样机技术对 f m s o m i 以及其关键部件进行结构特性分析，并优化和改进f m s o m i 的结构 设计。在u g 平台上对f m s o m i 的零部件进行三维建模，并完成虚拟装配和静 态干涉检查；将在u g 中建立好的三维模裂导入a d a m s 中，根据功能需求对 它添加约束、材料属性、运动副等，并进行运动学仿真和动态干涉检查：根据 分析的结构特性来优化和改进f m s o m i 的结构设计。 最后对f m s o m i 进行误差分析并对其关键的结构进行精度设计。首先分析 f m s o m i 的误差来源，对检测设备的关键部件三轴正交结构和两轴旋转工作台 进行精度设计，来保证f m s o m i 的检测精度。 本论文基于u g 和a d a m s 数字化设计平台完成了f m s o m i 的结构特性研 究，并优化和改进结构设计。验证了采用虚拟样机技术对f m s o m i 进行仿真设 计，可以减少物理样机实验，提高产品设计效率。 关键字：结构特性；光学检测仪；五轴；虚拟样机；冲压件；运动仿真 i a b s t r a c t a b s t r a c t f i v e - a x i sm e c h a n i c a ls t a m p i n go p t i c a lm e a s u r i n gi n s t r u m e n t ( f m s o m i ) i sa p r e c i s i o ni n s t r u m e n tt h a ta c h i e v et oo n l i n es t a m p i n gq u a l i t yt e s t i n g w et a k ed i g i t a l d e s i g nm e a n ss t u d yd e s i g no ff m s o m i ，m a k ek i n e m a t i c ss i m u l a t i o nf o rf m s o m i b a s e do nv i r t u a lp r o t o t y p i n g , s t u d y i n gt h e i rs t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sd e s i g n e df o r t e s t i n g ，e v a l u a t i o na n di m p r o v e m e n t b e f o r ep h y s i c a lp r o t o t y p i n g , w ec a l ls i m u l a t e a n a l y s i sa c c o r d i n gt ow o r k i n gc o n d i t i o n s ，f o r e c a s to v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h e p r o d u c t ，p r o d u c to p t i m i z ep e r f o r m a n c e t h i sp a p e rm a i nc o n t e n t s a sf o l l o w ： f i r s t l y , d e s i g no v e r a l ls t r u c t u r eo ff m s o m i a n a l y z et e s tp r i n c i p l eo ft h e s t a m p i n gq u a l i t y , a n dd e t e c t i o nw o r k i n ge n v i r o n m e n te t e c h o o s eo fs u i t a b l e s t n a c t u t eo ft h r e e - a x i so r t h o g o n a lm o v e m e n ta n d t w oa x i sr o t a t i o n d e s i g nk e yp a r t s a n dc a l c u l a t ei t sl i f e a tl a s t ，t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ep r o g r a mp r o p o s e d s e c o n d l y , b a s e do nu ga n da d a m sd e s i g np l a t f o r m , w ea p p l yv i r t u a l p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yt of m s o m ia n di t sk e yc o m p o n e n t so ft h es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s ，o p t i m i z ea n di m p r o v es t r u c t u r a ld e s i g no ff m s o m i i nt h eu g p l a t f o r mm o d e lp a r t so ff m s o m i ，c o m p l e t ev i r t u a la s s e m b l ya n ds t a t i ci n t e r f e r e n c e c h e c k ；w ew i l lt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e li m p o r ti n t oa d a m s a c c o r d i n gt ot h e f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa d dc o n s t r a i n t st oi t , m a t e r i a lp r o p e r t i e s ，j o i n t se t c a n d m a k ek i n e m a t i c ss i m u l a t i o na n dd y n a m i ci n t e r f e r e n c ed e t e c t i o n ；a n a l y z es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c st oo p t i m i z ea n di m p r o v es t r u c t u r a ld e s i g no ff m s o m i f i n a l l y , f m s o m id o 鹪e r r o ra n a l y s i sa n da c c u r a c yd e s i g n f i r s tt h i n ko u te r r o r s o u r c eo ff m s o m i ，i td e s i g np r e c i s i o no fk e yp a r t sw h i c ht h et r i a x i a lo r t h o g o n a l s t r u c t u r ea n dt w o - a x i sr o t a r yt a b l e t h i se n s u r e sa c c u r a c yo ff m s o m i t h ep a p e rc o m p l e t e ds t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c ss t u d yb a s e do nu ga n da d a m s w ev 嘶母d e s i g nf m s o m im e t h o dw h i c hu s eo fv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ， r e d u c et h ep h y s i c a lp r o t o t y p ee x p e r i m e n t sa n di m p r o v ee f f i c i e n c yo fd e s i g np r o d u c t k e y w o r d s ：s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s ；0 p t i c a lm e a s u r i n gi n s t r u m e n t ；f i v e a x i s ； v i r t u a lp r o t o t y p i n g ；s t a m p i n g ；k i n e m a t i c ss i m u l a t i o n i i 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 课题背景 第1 章绪论 如何将复杂形状的冲压件的三维信息快速，准确地获取，一直是逆向工程 领域的研究的热点和难点。现在最常用的方法就是将冲压件进行来回的手动翻 转来变换角度完成光学扫描，这样就可以得到不同坐标系的点云数据，最后在 逆向工程软件中进行点云拼接得到完整的点云模型，但是这种传统的扫描方式 效率低，精度也不高，拼接工作复杂。针对这种情况，我们提出了三轴正交结 构搭载光学测头和两轴回转结构的冲压件检测平台结合的血轴式机械结构，这 样就可以实现冲压件的各个方向的面被光学扫描测头测量到。该套设备有效的 扩大的光学扫描测头的测量范围，获取点云到点云的拼接的效率也大大的提高。 本课题也得到江西省研究生创新基金的资助。 1 1 2 课题意义 本课题研究的是五轴机械式冲压件光学检测仪，该研究注重冲压件的在线 检测结构的设计以及该检测仪的运动特性的研究，所以本课题研究的意义表现 在以下几个方面： ( 1 ) 理论意义 在本课题研究设计中，我们在三维c a d 软件环境中为检测设备关键零部件 建立基本几何模型，并在虚拟环境中对零部件的结构进行仿真，在虚拟环境中 发现问题，再转回三维c a d 环境中作相应的修改，以至达到最优的设计效果。 这种以3 d 虚拟设计平台和c a d 设计软件结合的方法，为我们在机电产品及设 备开发的概念设计方面提供了新的思路、新的方法，并且对机电产品及设备的 优化设计也意义深远。 ( 2 ) 工程意义 第1 章绪论 虚拟样机技术支撑下的冲压件检测设备结构仿真研究，它的可视化、可交 互性，为真实的检测设备结构的优化设计、发挥人的主动性提供更为直观的途 径。使设计人员与多维的信息环境进行交互，可大大地减少实物模型和样件的 制造，并且对缩短产品开发周期，降低新产品开发风险，提高企业市场竞争力 也有着重要的意义 1 3 】。 ( 3 ) 实际应用意义 本检测仪采用当前三维测量中最好的方法之一结构光法，并且运用了五轴 机械式的结构，方便光学扫描测头多角度获取点云数据，实现一次装夹，多角 度拍摄，这样大大提高了检测效率。本检测仪和三维逆向软件集成在一起，可 以自动完成点云数据的拼合，然后调用样件的c a d 模型，进行3 d 对齐比较m 】， 最后得出彩色误差图直观形象的地给出实际加工的冲压件与样件的差异，如图 1 1 所示。 图1 13 d 对齐后比较结果的彩色误差图 第1 章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 冲压件质量检测现状 冲压件的质量检测通常包括了表面质量和尺寸精度，对于表面质量的检测 一般都是通过目测的方法，有时也采用手触摸的方式来检验，而对于尺寸精度 的检测一般是有专用的检具，以样件为模板对比检验冲压件的差异1 7 。这样的传 统检测有着弊端：检测结果不可靠，检测效率低下， 没有质量跟踪。此 外利用专用的检测夹具无法提供精确定量的偏差数据，对后继的分析，改进都 是不利。当然，现今许多汽车制造厂已经开始使用三坐标测量机来监控冲压件 的尺寸精度了。但三坐标测量机对环境要求很高，需要配备专用测量室。美国、 德国、日本等汽车工业高度自动化的国家均已开始采用在线检测设备，高效快 速地反应产品质量问题。我国上海大众汽车制造有限公司于2 0 0 1 年引进了两套 在线检测的设备，但由于技术和管理原因一直未能有效的使用【s j 。 由此，为提高冲压件检测效率和精度，保证冲压件的质量，需要研发一套 快速，高效的检测设备。本课题研究的五轴机械式冲压件在线光学检测仪 ( f i v e a x i sm e c h a n i c a ls t a m p i n go p t i c a lm e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，筒称f m s o m i ) 。 该设备利用光学测量的快速性，以及数控机床上五轴工作方式对冲压件快速地， 多角度地，准确地获取点云数据，通过专用软件实现点云数据处理和拼合，然 后与c a d 数字样件进行3 d 对齐达到检测的效果【9 】。该设备对冲压件生产的在 线检测以及全数字化具有重要的现实意义 1 0 - 1 1 l 。 1 2 2 光学检测研究现状 当前对三维实体表面的测鼍，根据测头是否接触到被测物体，可以把测量 方式分为接触式和非接触式。我们这里说的光学检测属于非接触测量的范畴， 光学检测差要可分以下几种方式： ( 1 ) 结构光法 结构光【1 2 1 3 】方法是主动式光学测量方法，这种方法通过结构光的投射器将 可控制的光点、光线或者光面投射到被检测的零件表面，然后用光学传感器如 摄像机等设备获取图像，最后依据三角原理和系统的几何关系计算出零件的三 第1 章绪论 维坐标。在实际三维轮廓测量中结构光测量方法被广泛被应用，因为这种测量 方法计算简单、测量范围大、空间位置小、便于安装和维护。不足之处就是测 量精度受到物理光学的约柬，测量的精度和速度成反比。 结构光方法按照投射光的形式可分为三类：点结构光法、线结构光法、面 结构光法。点结构光测量方法就是将光点逐一投射到零件的表面，然后在获取 图像，这样随着被测零件的增大，图像获取和图像处理时间就大大的增加，这 很难进行实时测量【“j 5 】；线结构光测量方法。采用光条投射到被测的零件，这 样就只需要一维扫描便获取零件的图形，这样就大大的节约图像获取和处理的 时间。面结构光测最方法就是在零件表面投射二维的结构光图形，直接可以通 过光学传感器获取零件的三维轮廓，这样测量的时问进一步的缩短，面结构光 通常采用投影光栅条纹到零件的表面【1 6 1 。 ( 2 ) 激光三角形法 激光三角形法【i 7 】就是在被测零件的表面投射有规则的几何图形的激光，再 通过图像传感器将漫反射的光线获取形成图像，最后按照三角形的原理，计算 出被测点的空间坐标。这种方法应用的很成熟，它的测量精度高、速度快，如 k r e o n 公司的激光测头的速度1 5 0 0 0 点s ，精度可达到1 0l am 。美国d i g i b o t 三维数字化仪，可实现全自动化操作。国内的哈尔滨工业大学也研制出采用激 光双三角原理的激光扫描仪，测量速度快，测量精度小于0 1m m 1 3 】。但激光三 角形法对北侧表面的质量及角度过于敏感，容易产生阴影，这样大大限制了测 头的应用范围。 ( 3 ) 激光测距法 激光测距式三维测量系统主要是无合作目标激光测距仪和一组可以引导激 光城以均匀角速度扫描的反射棱镜组成的自动化快速测量系统【1 9 御】。一般由激 光测距仪，角度传感器，伺服控制系统，微电脑和软件等组成。 激光测距在技术途径上主要分为两大类：微位移法，飞行时间法激光 测距；其中飞行时间法激光测距又可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光 测距。 ( 4 ) 图像分析法 图像分析法【2 m 2 1 是利用一点在多个图像中的相对位置，通过视差计算距离， 从而得到点的空间位置乍标。采用图像分析法来获取零件表面数据已成为逆向 工程的研究热点，但图像分析处理的复杂算法却足制约其发展的瓶颈。 4 第1 章绪论 光学检测技术近年得到迅速发展，并得到广泛的应用。有一些光学扫描测 量设备，具有使用方便，便于携带，快速测量的特点。如英国3 d s c a n n e r 公司的 激光扫描测量仪、美国“l a s e rd e s i g n s u r v e y o r l 2 0 0 立体激光扫描系统、德国 g o m 公司的a t o s 光栅照相式扫描系统。国内有北京博维恒信科技发展有限公 司生产的3 dc a m e g a 光学三维扫描系统，其采用先进的光学照相式快速获取点 云数据。本论文就是将博维恒信的光学扫描系统搭载到五轴式机械结构来完成 冲压件全方位、多角度的拍摄，生成完整的零件的点云图。 1 2 3 五轴结构的应用 近年来五轴的结构在机床上应用的很广泛，并且技术也是相对成熟。五轴 式的机床就是通过机床的三个移动的坐标，再加上两个旋转的坐标来控制刀具 或工件【2 3 - 2 4 】。这样基本可以完成一次装夹，加工出零件，所以说五轴式的机床 出现和发展，改变了许多复杂零件的加工工艺。随着五轴式的机床的发展，它 的结构也是干变万化，但是结构特点主要分为三大类【2 5 。2 6 】： 1 ，双摆头结构，此结构是将两个旋转坐标控制刀具，让刀具绕两个正交的 轴转动使刀具可以指向空间的任意方向。这类结构的主要特点是刀具双摆动结 构比较复杂，一般刚性比较差，其活动灵活。 2 ，双转台结构，此类结构将两个旋转来控制工作台，这样的结构还可以分 为两大类，一是回转台带着旋转工作台如图1 2 ，另一类是旋转台带着回转工作 台如图1 3 。这种结构旋转空间有足够的大，工艺性能好，刚性也好。 图1 2 第一类双转台图1 3 第二类双转台 3 ，摆头及转台结构，此类结构两个旋转结构分别控制刀具和工作台，这样 第l 章绪论 结构的两个旋转轴在空间都是固定的，此类结构的特点也介于上述两结构之间。 本论文通过采五轴式的机械结构搭载光学扫描系统，可以实现一次装夹， 对冲压件进行多角度的拍摄扫描。这样方便点云拼合，提高测量精度。 1 2 4 虚拟样机技术发展 虚拟样机是面向系统级设计的、应用予基于仿真设计过程的技术，按照前 m d i 公司总裁r o b e r tr r y a n 对虚拟样机技术的划分，它包括有数字化物理样机、 功能虚拟样机和虚拟工厂仿真三部分，虚拟样机技术的内容如图1 4 所示。 图1 4 虚拟样机技术的内容 数字化物理样机就是通过u g ，p r o e 等三维设计软件对产品的的零部件进行 三维实体建模，而且将零部件进行虚拟装配得到装配模型，通过强大的软件系 统实现三维立体浏览、装配以及干涉冲突检测冲突等功能，来帮助设计产品保 证零部件配合良好。 功能虚拟样机利用产品的三维实体模型以及有限元模型对其功能、性能进 行分析，应用a d a m s ，a n s y s 等相关的仿真软件对产品的运动特性、模态性 能、振动响应以及噪音等进行模拟仿真，在虚拟环境中预测出产品的各种性能。 6 第1 章绪论 虚拟工厂仿真是针对产品在制造过程中进行的仿真试验，可以模拟工厂的 布局，能够合理安排生产和装配过程工序【2 7 1 ，优秀的虚拟工厂仿真方面系统软 件主要有d e n e b q u e s t 、t e e n o m a t i x e m p o w e r 等。 虚拟样机就是在计算机中完成的产品样机，是在虚拟环境中实现了零件建 模以及虚拟装配，通过建立计算机模拟产品的综合性开发环境，使得设计者在 真正生产加工之前模拟的制造出产品，并针对该产品在投入使用后的各种工况 进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而优化产品设计、提高产品性能1 2 引。 在荧国，日本，欧洲等地区虚拟样机的技术在工业产品的研发设计上应用的相 对广泛，下面介绍国外虚拟样机技术的应用实例。 美国波音飞机公司的波音7 7 7 飞机是世界上第一架采用无图的方式研发及 制造的飞机，其设计、装配、运动性能评价及分析都是采用了虚拟样机技术， 这不但使研发周期从通常的8 年减少到5 年，设计、装机、测试均是在计算机 中模拟完成，初地做到无纸化设计，保证了一次试飞成功。 世界上最大的工程机械制造商卡特彼勒公司，在研发新产品时应用了虚拟 样机技术，对产品的的装配性，工作性能在虚拟环境中进行了模拟仿真，这样 就不需要制造物理样机就可以对产品性能验证，这样大大的降低了研发成本， 缩短了研发周期，同时也提高竞争能力。当产品出现异常，虚拟样机技术也帮 助查找原因从而解决问题，如j o h nd e e r e 生产的农业机械在高速行驶的中会有 蛇行现象以及在重载时有激烈震荡的情况，设计人员通过虚拟样机的技术模拟 实况，不仅找出了原因，而且重新优化机械结构，从而提高了产品的性能。 虚拟样机技术在工程上的应用就是通过界面友好，功能强大的虚拟样机软 件来实现的，在国外虚拟样机软件的商品化早已经完成了，最具有影响力的就 是美国机械动力公司的a d a m s 软件。 在国内的一些机床的设计都应用了虚拟样机技术，通过a d a m s 研究机床 运动学仿真也是很多的。山东理工大学的袁先壶以并联机床为研究对象，在u g 平台上建立起并联机床的数字模型，并利用a d a m s 软件对其建立了运动模型， 添加相关载荷和运动副，对并联机床进行运动学仿真分析【捌。华南理工大学的 李金恒以机械臂为研究对象，在a d a m s 中通过运动模拟仿真机械臂的虚拟样 机实际工作，并得出相关的运动学分析，从而对机械臂的理论运动方程的进行 验证【3 0 】。本文也是通过a d a m s 软件对f m s o m i 结构特性的研究分析。 7 第1 章绪论 1 3 主要研究内容 1 3 1f m s o m i 主机结构详细设计 基于实验室在测量仪方案设计、概念设计方面已经取得的成果，结合该检 测仪的功能、原理、工作环境条件等，进一步从结构、外观、功能、实用性等 方面完善该检测仪。借助三维辅助设计软件u g 对检测设备结构进行总体技术设 计，包括对设备的结构选型、结构的尺寸设计、运动学设计，最终得到设备的 三维数字模型。如图1 5 所示f m s o m i 结构示意图。 8 9 l o l l 1 2 i 3 1 4 1 5 图1 5f m s o m i 结构示意图 本冲压件在线质量检测仪主机结构主要由以下几部分构成：l 、减振台2 、 x 向驱动导轨3 、基础安装台4 、垂直放霞端齿分度盘5 、驱动立柱6 、y 向导 7 蓐 5 露 3 崎 l 第1 章绪论 轨7 、z 向导轨8 、横梁9 、从动立柱l o 、测头连接杆l l 、三维光学扫描测头 1 2 、冲压件装夹工作台1 3 、水平放置端齿分度盘1 4 、支承座1 5 、x 向从动导 轨。 1 3 2f m s o m i 虚拟装配千涉检查 虚拟装配技术【3 1 】近年来已经取得了长足的发展，并引起越来越广泛的重视。 而干涉检查是虚拟装配过程仿真的重要组成部分。零件装配好以后，就需要对 装配体的干涉检查，这样就可以找出装配体中零部件之间是否有干涉和冲突， 并找出发生干涉的位置，进一步修改零件消除冲突，往往对比较复杂的或者装 配精度高的装配体，应该每装配好一个零件就需要做一次干涉检查分析，以便 及时修改和调整。 干涉检查【3 2 】可以分为静态干涉检查和动态于涉检查，静态干涉检查问题， 是指物体有固定的位置和方向，判断它们是否干涉；动态干涉检查是指在装配 的过程中，零件按照设定装配路径，看是否产生干涉。 建立起f m s o m i 所有零部件的三维模型后，在u g 的装配模块中对整体检 测仪进行虚拟装配，并且在虚拟装配的过程中进行静态和动态干涉检查。完善 检测仪的整体结构。 1 3 3f m s o m i 整体结构运动仿真研究 在主机结构设计后，建立基于a d a m s 平台的该光学检测仪的数字化虚拟 样机。借助a d a m s 软件对检测仪结构进行构连接，运动轨迹模拟，完成虚拟 样机各部件的功能实现【3 3 捌】。对不合理的运动参数通过仿真研究进行排除。对 一些关键部件有多种方案进行选择的，还可通过仿真分析选择较优方案。光学 检测仪三维虚拟宅问中很好地显示出来，其功能、用途等能够一目了然。 在a d a m s 中以三维动态的形式来模拟f m s o m i 的实际运动的过程，来检 验f m s o m i 的设计合理性。通过对f m s o m i 进行运动仿真需要达到以下几点效 果，( 1 ) 模拟f m s o m i 检测的动作，并检验设计的正确性，( 2 ) 对运动机构如 导轨的运动进行动态干涉检查，( 3 ) 检查机构且j 的连接和碰撞，( 4 ) 直观显示 运动仿真结果。 9 第l 章绪论 1 3 4f m s o m i 误差分析和精度设计 f m s o m i 作为一台精密捡测设备，为了保证检测的精度，需要对f m s o m i 的误差进行分析以及对重要零部件进行精度设计。对于f m s o m i 而占，机构误 差主要是指直线运动部件误差和回转运动部件误差两部分，直线运动部件包括 定位误差、直线度运动误差、角运动误差、以及垂直度误差，回转运动部件的 误差指的是水平和竖直端齿盘的定位误差和角运动误差。 针对f m s o m i 两个重要部件三轴正交结构和两轴回转工作台，需要对他们 各个方向进行了精度设计，保证其精度达到要求。 l 。4 课题研究的技术路线 1 4 1f m s o m i 的结构设计技术路线 根据冲压件在线检测的要求，f m s o m i 需要较高的检测精度和检测速度， 并且该设备要适应工厂的环境要求如温度，湿度，振动等。根据这些要求我们 采用五轴结构和光学扫描检测原理相结合来完成f m s o m i 的结构设计。 f m s o m i 将实现冲压件一次装夹，快速检测。并进一步改善f m s o m i 的关键部 件如基座，导轨等。 1 4 2f m s o m i 建立数字模型研究技术路线 通过对检测仪的结构分析研究，确定检测仪的结构方案。以三维建模技术 为支撑，对检测设备执行机构和驱动机构等主要零部件进行三维实体建模。在 u g 平台将检测仪的组成部件分组建模，再对各组成部件组装，最终完成执行机 构等主要零部件的三维几何建模。主要进行建模的有：检测仪的桥框、导轨、x ， y ，z 轴的传动装置，双转台式结构检测平台等。 完成f m s o m i 零部件的三维建模产品，就对整机进行虚拟装配。将设计好 的零件，通过零件的局部坐标系与被装配零件所在坐标系进行转换及相应的移 动和旋转，使装配零件定位于理论装配位置，并且要对其进行相关的检查，具 体的过程可以参见流程图【3 5 】如图1 5 所示。 第l 章绪论 f m s o m i 完成了装配模型建立后，需要对它进行干涉检查。干涉检查就是 对所装配的零件进行布尔求交运算，若有交集存在，则说明装配零件之问存在 干涉，所设计零件不能可靠装配，必须根据干涉的部位和程度来优化原来的设 计。经过反反复复的的修改，初步的建立起f m s o m i 的数字模型。 、开始。，夕 审 一， r i 检测仪装配工艺：i 零部件三维建模_ _ j 族系卜j 蓑囊一 ， i 装配仿真： t f 斗泌暂 ， 堤否合理 _，- 亭、塑： ? y ， 装配结果输出、 圈1 5 检测仪虚拟装配及于涉检测流程图 1 4 3f m s o m i 运动仿真研究技术路线 将f m s o m i 模型导入a d a m s 环境中进行设备结构仿真，对设备执行机 构等关键零部件进运动学仿真，从仿真结果可以得到执行机构运动的过程、速 度、位移、轨迹，检验机构运动是否合理。 在f m s o m i 研究中，三轴正交结构和两轴转台工作平台是核心运动部件， 其机构复杂，空间受限制，则运动实现比较复杂，所以将三轴正交结构和两轴 转台工作平台进行运动仿真。运动仿真和虚拟装配一样，都是采用自下而上的 方法，首先就要对双转台进行运动仿真，检验该工作平台的合理性。最后对检 测仪的整机进行运动仿真，观察其协调性和合理性。 在a d a m s 中运动仿真的流程如图1 6 。 第1 章绪论 1 s 论文结构 - 用u g 建蕞三维模型 _ l 转换成a d a m s 机构模型 l - ；简化机构模型0 一一一1 t j 添加运动束及驱动t 一 i 进行运动学仿真5i t j 虬 y ( 结。束) 圈1 6 榆测仗运动仿直流稗 本文针对冲压件的在线检测，基于逆向工程3 d 点云对齐技术，利用虚拟 样机技术研发一套五轴机械式冲压件光学检测仪，通过u g 三维设计平台和 a d a m s 运动仿真平台研究分析了f m s o m i 的相关的结构特性。全文共分为六 章，其总体结构框架如图1 7 所示。 图1 7 论文结构框图 1 2 第1 章绪论 第一章，绪论。主要介绍本谋题研究的背景和意义，以及相关技术的国内 外发展现状，对课题的内容和研究技术路线进行概括性的描述。 第二章，f m s o m i 整体结构及其虚拟样机的建立。分析了f m s o m i 的组成 结构，并对重要部件导轨进行了寿命计算，最后提出利用虚拟样机技术对 f m s o m i 展开研究。 第三章，f m s o m i 零件三维实体建模及虚拟装配。在u g 平台上，建立 f m s o m i 的零部件的三维模型，并对其进行虚拟装配，在虚拟环境建立起 f m s o m i 的数字模型，初步检验设备结构的合理性，在u g 平台上对相关的结 构进行了静态干涉检查。 第四章，f m s o m i 三轴正交结构运动仿真。将在u g 平台建立好三轴正交 结构的数字模型导入a d a m s 中，根据功能需求建立约束和创建运动副，添加 材料属性得到三轴正交结构的虚拟样机。在a d a m s 中仿真出它的运动特性， 并进行动态干涉检查。 第五章，f m s o m i 的误差分析和精度设计。作为一个检测设备，我们要充 分了解设备将会产生的误差。我们对误差源进行分析，并且针对三轴正交结构 和两轴回转工作台进行了精度设计。 第六章，结论与展望。总结本课题所作的研究工作。并指出课题的不足， 展望课题研究工作进一步深入研究和意义。 本章小结 根据冲压件质量检测的现状，对课题的的背景，研究意义以及国内外相关 的的技术进行了阐述，并确定了课题的研究的主要内容和技术路线，最后对论 文结构进行说明。 1 3 第2 章f m s o m i 整体结构及虚拟样机建立 第2 章f m s o m i 整体结构及其虚拟样机建立 五轴机械式冲压件光学检测仪简称f m s o m i ，采用五轴机械结构对扫描测头 和被测冲压件的移动、旋转精确控制，实现对冲压件多角度的拍摄扫描，获取 工件的三维型面点云数据；该装置的五轴机械结构由测头三维空间直线运动机 构和检测工作台空间旋转机构组成。在五轴机械结构中可以分三轴正交结构和 两轴旋转结构，在这两结构的结合，巧妙实现对光学扫描测头和被测冲压件的 移动、旋转精确控制，完成对冲压件多角度的拍摄扫描，获取工件的三维型面 点云数据。下面分别介绍三轴正交结构，两轴旋转结构以及三维光学扫描测头。 z 1 三轴正交结构 2 1 1 三轴结构形式的选择 三轴正交结构按照三坐标测量机的分类有：移动桥框式，固定桥框式，龙 门式和悬臂式【3 6 ) 。 移动桥框式结构就是工作台不动，桥框可以沿着工作台进行移动，见图2 2 。 这样的的结构简单紧凑，刚性好，并具有开阔的工作空间。 图2 2 移动桥框式结构 固定式桥框式结构是桥框固定，工作台可以实现移动，见图2 3 。这样的结 构不便予放置大型工件，并且基座的占据窄问也大。 1 4 第2 章f m s o m i 整体结构及虚拟样机建立 一 一= 。一 图2 3 固定桥框式结构 龙门式结构的工作台也是固定，将立柱和横梁分离，横梁沿着立柱上的导 轨进行移动，见图2 4 。这样的结构经常用于大型的三坐标测量机，它的结构也 要比移动桥框式复杂。 图2 4 龙门式结构 悬臂式结构如同悬臂梁，只有一端有支撑，见图2 5 。这样的结构简单，测 量的空问也歼阔，由于悬臂上力随着位置的变化产生不同的变形，这种结构只 能使用去精度要求不高的小型测量机。 图2 5 悬臂式结构 根据上述的四种正交结构的优缺点的分析比较，并结合f m s o m i 的使用要 1 5 第2 章f m s o m i 整体结构及虚拟样机建立 求，选用移动桥框式三轴正交结构。原因是在工作台需要搭载两轴旋转机构， 这就需要工作台有较强的承载能力，而且移动式桥框的结构紧凑，刚度也好。 移动桥框式结构的最大特点就是操作空间开阔，便于安装冲压件进行检测。 2 1 2 导轨的选择以及寿命计算 在三轴正交结构最重要的是导轨，导轨的主要类型有滑动导轨、气动导轨、 滚动导轨。滑动导轨结构简单，接触刚度好，但它的摩擦阻力大，容易磨损， 在低速运行是容易产生爬行现象，这样难以实现高精度定位。气动导轨在三坐 标测量机中应用广泛，摩擦系数小，运动精度高，工作平稳，但它对工作环境 要求，无法满足在线测量的环境。滚动导轨目前多数采用直线滚动导轨的形式， 直线滚动导轨具有摩擦系数小，运动灵活，工作精度高，无爬行，热变形小等 诸多优点。目前海克斯康公司生产的车间型三坐标测量机【3 7 】就是采用直线滚动 的导轨，大幅度提高了机器的适用性和耐久性。 根据上面各种导轨的分析比较，三轴正交结构中的导轨选用直线滚动导轨 也称为l m 滚动导轨。l m 滚动导具有较高刚性和承载能力，在种载或变载的情 况下，弹性小且能获得平稳的直线运动，没有爬行。l m 滚动导轨主要分三部分： l m 滚动导轨部、滚珠丝杠部和支撑轴承部，如图2 6 。 图2 6 l m 滚动导轨的构造 i 、支撑座a2 、l m 导轨3 、螺母滑块4 、滚珠丝杠5 、支撑座b 在三轴正交结构中导轨在工作中受到各个方向的负荷，如图2 7 ，有径向负 1 6 第2 章f m s o m i 整体结构及虚拟样机建立 荷p r ，反径向负荷p l ，横向负荷p t 。同时导轨在各个方向的力矩，分别用 m a 、m b 、m c 表示，如图2 8 。 所 p ll p 冉 _ p 下 图2 7 导轨承载各个方向的负荷图2 8 导轨承载吾个方向的力矩 l m 滚动导轨部的额定寿命见公式2 1 l = ( 期3 5 0 ( 2 - 1 ) l ：额定寿命( h ) ；c ：基本额定动负荷( n ) ：p c ：实际负荷荷重( n ) f w ：负荷系数( 参见表2 1 ) ；f c ；接触系数( f c = o 8 1 ) 力矩产生的等效负荷见公式2 - 2 p m = k m ( 2 - 2 ) p m ；等效负荷( n ) ：k ：力矩等效系数：m ：作用力矩( n - m m ) l m 滚动导轨部寿命时间见公式2 。3 l h = 上型三一 ( 2 3 ) l = 2 # s n x 6 0 ( z 。3 ) l h ：寿命时间( h ) ；蟊：行程长度( 1 1 1 1 n ) ；n ：每分钟往复次数( m i n - ) 表2 1 负荷系数( f w ) 振动、冲击速度( v ) f w 微微速时v 0 2 5m sl l | 2 小低速时0 2 5 v 1m s 1 2 一1 5 中中速时l 2m s2 3 5 滚珠丝杠部的额定寿命见公式2 4 l = 氓) 3 z ( 2 - 4 ) l ：额定寿命( 1 c n l ) ；c a ：基本额定动负荷( n ) ；f a ：轴向负荷( n ) ? ：滚珠丝杠导程；f w ：负荷系数( 参见表1 1 ) 1 7 第2 章f m s o m i 整体结构及虚拟样机建立 支撑轴承部的额定寿命见公式2 5 ， 一 、3 l = ( 剖1 0 6 ( 2 - 5 ) l ；额定寿命( 转) ；c a ：基本额定动负荷( n ) ；f a ：轴向负荷( n ) f w ：负荷系数( 参见表1 1 ) 滚珠丝杠部、支撑轴承部的寿命时间见公式2 - 6 l h = 蒜 ( 2 6 ) l h ：寿命时间( h ) ；f 。：行程长度( 瑚m ) ：n ：每分钟往复次数( r a i n - 1 ) ? ：滚珠丝杆的导程( m m ) 查导轨的产品手册可以知道导轨部、丝杠部、轴承部的额定动静负荷。 l m 导轨部( c = 5 0 9 0 0 n ，c o = 8 0 9 0 0 n ) 滚珠丝杠部( c a = 5 6 8 0 n ，c o a = 1 4 5 0 0 n ) 支撑轴承部( c a = 1 3 7 0 0 n ，c o a = 5 8 3 0 n ) 导轨所承受的质量：m = 5 0 0 k g 速度：v = 2 0 0 m m s 加速度：a = 2 m s 2行程：蟊= 1 0 0 0 r a m 导轨受力的的力臂图参见下图2 9 。 量 姗l r ”。p - i ， ，l 。 l 磊 图2 9 导轨受力的力臂圈 ( 1 ) 计算导轨部的寿命计算 m a ，m b ，m c 力矩通过乘以等价系数k c ；2 1 4 1 0 - 2 来换算为负荷。 匀速时受到的负荷：p c = m g + k c m g 3 0 0 = 3 6 3 5 8 n ： 根据公式2 1 计算导轨部的额定寿命： l = ( f c - c ，i i j 5 0 = 2 4 7 k m ( 2 ) 计算鳇杠部的寿命计算 匀速时受到的负倚：f a m = 1 1 m g = 2 4 5 n p ：摩擦系数o 0 5 第2 章f m s o m i 整体结构及虚拟样机建立 根据公式2 _ 4 得出丝杠部的额定寿命： l = ( 矗) 3 善= 2 s 1 。6 ：滚珠丝杠导程( 2 0 r a m ) ( 3 ) 计算支承部的寿命计算 匀速时受到的负荷：f 啪= i t m g = 2 4 5 n u ：摩擦系数0 0 5 根据公式2 5 得出支承部的额定寿命： l = ( 矗) 3 l 。6 = 1 z s 舢1 0 转 将该额定寿命换算成滚珠丝杠的行走寿命。 i s = l 善1 0 6 = 2 5 t 0 6 k m 通过对l m 滚动导轨的导轨部、丝杠部和支承部的寿命进行计算，导轨部 的寿命最短为2 4 7 k m ，这也决定了导轨的运行寿命。 2 2 两轴回转工作台 f m s o m i 的睡轴旋转工作台采用的是第一类回转工作台。两轴回转结构采 用竖直放置的端齿盘和水平放赞的端齿盘组合而成，如图2 1 0 。 2 l 图2 1 0 两轴回转r 作台 l 、基础安装台2 、竖直放置端齿盘3 、水平放置端齿盘4 、支承座 1 9 第2 章f m s o m i 整体结构及虚拟样机建立 水平放置端齿分度盘的两端通过支承座连接三轴正交结构的基础安装台， 水平放置端齿分度盘的一侧壁通过支承座连接垂直放置端齿分度盘，水平放置 端齿分度盘的上表面连有冲压件装夹工作台。 在两轴安装工作台上最重要的部件就是端齿盘，端齿盘种类很多。我们需 要选择能够水平和竖直放置的端齿盘，工作台面不需抬起的，能够较好的适应 工厂的环境。所以，我们选取工作台不呢个抬起的端齿分度盘，最小分度达到 1 5 。，并采用手动控制的方式。工作台不需抬起的端齿盘课分为双齿圈和导柱 式，它们都具有高的定位精度，工作台的回转精度高，传动灵活，零件也调整 安装方便，刚性好，能够承载较大的负荷【3 8 】。根据这些特点我们就选用工作面 不抬式的端齿盘。见图2 1 1 为工作台不抬式端齿盘的结构图。 两轴回转工作台的性能指标也主要通过端齿盘来展现。两轴回转工作台的 性能指标如下： 。 ( 1 ) 承载质量：1 0 0 k g ( 2 ) 被测冲压件最大尺寸：6 0 0 m m x 6 0 0 m m x 3 0 0 r a m ( 3 ) 水平工作台回转角度范围：6 0 。6 0 。 ( 4 ) 端齿盘最小分度：1 5 4 ( 5 ) 工作方式：手动控制 重 2345 6 7 翻2 1 1f 作台不抬式分度端齿盘结构圈 l 、工作台2 、分度上齿盘3 、轴4 、分度下齿盘5 、刻度支圈6 、底座7 、手柄 2 。3 三维光学扫描测头 在f m s o m i 中搭载的三维光学扫描系统是博维恒信公司的3 dc a m e g a - - - 维 2 0 第2 章f m s o m i 整体结构及虚拟样机建立 光学扫描系统，该套光学扫描系统采用快速照相的方式来获取点云数据。我们 将3 dc a m e g a 搭载在五轴机械结构上，可以对冲压件进行多方位、多角度的拍 摄获取点云数据，并且有多种格式数据输出可输出a s c ，o b j ，w r l ，s t l ， t x t ，i g s 等多种格式，可以和u g ，p r o e ，c a t i a ，g e o m a g i e ，i m a g e w a r e ， m a y a 等软件接口，它的测量精度可达到0 0 1 - 4 ) 0 2 r a m ，一次检测可