（机械电子工程专业论文）盘形凸轮廓线的检测装置研究与开发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 凸轮机构由于具有结构紧凑、性能稳定、控制有效准确和适应能力强等特点， 在各种机械中，尤其是在自动控制和自动机械装置中得到了广泛的应用。长期以 来人们主要采用正向设计来解决凸轮问题，由于生产中的各个环节都会带来误差， 实际的凸轮廓线与理论廓线间存在差距，而检测凸轮廓线误差也一直是凸轮在精 密传动中的主要难点之一。此外作为进口的自动化设备，其轮廓曲线特征( 即从 动件运动规律) 一般是不知道的，要想国产化或对其再设计制造是非常困难的。 本论文旨在为解决盘形凸轮廓线检测问题，利用比较成熟的机械检测技术和 逆向工程技术，在探索凸轮廓线运动规律反求方面进行了有益的尝试。以长安面 包车的4 6 2 发动机凸轮轴作为检测对象，利用机电一体化技术设计制作了凸轮轴 检测实验装置，该实验装置以机械本体支撑凸轮轴进行转动，以光栅传感器检测 凸轮轴的转角和升程位移，利用数据采集卡作为接口并编写了相应的数据采集软 件，将凸轮廓线数据进行采集。对采集的数据建立了数据误差处理、分段、拟合 等数学模型，并编写了数据处理软件。 在课题的研究过程中，进行了测试系统的硬件构建和软件构建以及系统的调 试。以升程数据已知的美国n d 5 机车7 f d l 1 6 型柴油机供油凸轮为例进行分析， 并将结果同最初数据进行比较。实践证明，本软件的拟合结果较理想，能够拟合 出符合实际情况的凸轮廓线运动规律。最后针对4 6 2 发动机凸轮轴进行了多组数 据的测试和处理，获得的数据结果能够反映凸轮轴廓线的真实情况。最后对整套 系统产生的误差原因进行了分析和总结，为进一步提高凸轮试验装置的测试精度 和数据还原精度打下了良好的基础。 关键词：盘形凸轮廓线；反求工程；凸轮试验装置；光栅传感器；数据采集 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t c a mm e c h a n i s mi s w i d e l yu s e di n a l lk i n d s o f m e c h a n i s m s ，e s p e c i a l l yi n a u t o - c o n t r o la n da u t o m a c h i n e ，b e c a u s eo fi t s c o m p a c ts t r u c t u r e ，s t e a d yc a p a b i l i t y , e f f e c t i v ec o n t r o la n de x c e l l e n ta d a p t a b i l i t y f o rq u i t eal o n gt i m e ，f o r w a r dd e s i g ni s u s e dt os o l v et h ec a mp r o b l e m h o w e v e r , b e c a u s ee v e r yp r o c e d u r ei np r o d u c t i o nm a y b r i n ge r r o r s ，t h ea c t u a lc a mc o n t o u ra l w a y sd o e s n ta c c o r dw i t ht h et h e o r e t i c a lc a m c o n t o u r , a n dt e s t i n gt h ec a mc o n t o u re r r o ri sa l s oak e yp r o b l e mi nc a mp r e c i s i o n t r a n s m i s s i o n b e s i d e s ，t h ec o n t o u rc h a r a c t e ro ft h ei m p o r ta u t o m a t i ce q u i p m e n ti s a l w a y su n k n o w n ，s oi tw i l lb ev e r yd i f f i c u l tt ol o c a l i z ei t t h i st h e s i sa i m sa ts o l v i n gt h ep r o b l e mo ft e s t i n gt h ep l a t e c a mc o n t o u r i td o e s s o m ee f f e c t i v ea t t e m p t si ni n v e r s e d e s i g n i n go fc a mc o n t o u rm o t i o nr o l ew i t hs o m e m a t u r em e c h a n i s mt e s t i n gt e c h n i q u ea n dr e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n i q u e t h i st h e s i s t a k e sat y p e - 4 6 2e n g i n ec a m s h a f to fc h a n g a nm i c r o b u sa st h e t e s t e do n e c t ，a n d d e s i g n sac a m s h a f tt e s t i n gb o a r dw i t hm e c h a t r o n i c s t h i st e s t i n gb o a r dr u n sb yt h e m e c h a n i c a lb a s es u p p o r t i n gc a m s h a f t ，t e s t st h ec o r n e ra n dc a ml i f t sh i f to ft h ec a m s h a f t b yg r a t i n gs e n s o r , a n dc o l l e c t st h ec a mc o n t o u rd a t aw i t had a t ac o l l e c t i n gs o f t w a r e t h i st h e s i sa l s oe s t a b l i s h e ss o m em a t h e m a t i c a lm o d e l s ，s u c ha sd a t ae r r o rp r o c e s s i n g ， s u b s e c t i o n ，f i t t i n g ；a n dc o m p i l e ss o m ed a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r e t h i st h e s i se s t a b l i s h e sb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h et e s ts y s t e ma n dd e b u g s t h es y s t e m i ta n a l y z e st h et y p e7 f d l 一16d i e s e le n g i n ec a mo f a m e r i c a nt y p en d 5 ， w h o s ec a ml i f td a t ai sk n o w n ；a n dc o m p a r e st h er e s u l tw i t ht h ei n i t i a ld a t a i tp r o v e s t h a t ，t h i ss o f t w a r ei se f f e c t i v ef o rf i t t i n g ，i tc a nf i tt h er e l a t i v e l ya c t u a lc o n t o u rm o t i o n r u l e t h i st h e s i sa l s op r a c t i c e si t e r a t i v ed a t at e s ta n dp r o c e s s i n go nt y p e - 4 6 2e n g i n e c a m s h a f t ，a n dg e t st h em o s te x a c td a t a ，w h i c ha c c o r d sw i t ht h ea c t u a lc a m s h a f tc o n t o u r m o t i o n i nt h ee n d ，t h i st h e s i sa n a l y s e st h ef a c t o r sw h i c hm a yc a u s et h es y s t e me r r o r , 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a n dm a k e sag o o db e g i n n i n gf o rf u r t h e ri m p r o v e m e n ti nt e s t i n gp r e c i s i o na n dd a t a r e v e r t i n gp r e c i s i o no ft h ec a m s h a f tt e s t i n gb o a r d k e yw o r d s ：p l a t e c a mc o n t o u r i n v e r s ee n g i n e e r i n gc a mt e s t i n gb o a r ds e n s o r d a t ac o l l e c t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并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。本人授权西南交通大学可以将 本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名这妻 隅醣6 胁五 指导老师签 日期：以i z 纱 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除本文已经注明引用内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中做出 了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、凸轮检测装置的开发采用了计算机测试及控制技术，能自动完成检测对 象廓线数据的测量和记录，并进行测量数据的分析和拟合计算。 2 、检测装置采用步进电机驱动，并对步距角进行细分，能有效消除步进电 机的低频振荡并提高测量精度j 检测速度根据测试要求进行调整。避免了采用交 流调速、直流调速投资高、系统复杂等问题。 3 、分析讨论了对检测数据的判别及处理、数据分割、吩段、曲线拟合等过 程的计算处理方法。通过对4 6 2 型发动机凸轮轴的测试应用，结果表明论文中采 用微分、最小二乘法等数学手段建立的盘形凸轮廓线数据处理模型是可行的。 踢哆 1 一) 砂q 藩矿， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题的选题意义 第一章绪论 在科学技术高速发展的今天，科技成果的应用己成为推动生产力发展和社会 进步的重要手段。各国都在充分利用别国的科技成果，并加以消化吸收与创新发 展自己的新技术。事实证明，技术引进是吸收国外先进技术，促进民族经济和武 器装备快速发展的有力战略措施。到目前为止，我国己引进了不少国外先进技术 和设备，但是要取得最佳技术成果和经济效益，还要善于对引进的技术、设备进 行深入的研究、消化、吸收和创新，并在此基础上开发出具有自主知识产权的先 进产品，逐渐形成自主技术体系，这对于迅速缩小我国和发达国家的技术差距、 快速形成自主知识产权的创新产品具有十分重要的意义n 2 1 。 但是由于技术保密，除非购买转让，否则要获得产品的图样、技术文档、工 艺等技术资料几乎是不可能实现的，而产品实物作为商品和最终的消费品，是最 容易获得的一类“研究对象。在只有产品原型或实物模型条件下，可以基于产 品实物反求对产品零件进行生产制造，除实现对原型的仿制外，通过重构产品零 件的c a d 模型。在探询和了解原设计技术的基础上，实现对原型的修改和再设计， 以达到设计创新、产品更新之目的。对于其他具有复杂曲面外形的零部件，反求 工程更成为其主要的设计方式，如汽车、摩托车的外形覆盖件，通常由艺术家制 作1 ：1 的木制模型或陶土模型，然后测量表面数据输入计算机，进行造型、修改、 完善，最后经c a m 完成模具口1 】。 此外随着机械如发动机等运转速度的不断提高，机构中某些零件的磨损加剧， 使零件的更换频率不断提高，从而使配件的需求量日益增大。如凸轮类零配件， 磨损快，更换频率高，需求量大。如何实现己有产品的无图纸加工( 使用反求工 程的思想，通过对加工产品进行检测和逆向分析，以帮助用户掌握原凸轮的廓线 特征函数，理解原凸轮设计的思想和经验，加快对国内外凸轮先进设计技术的消 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 化和吸收，为后续的再设计和制造提供依据) ，从而创造并开发出自己的新产品， 具有非常重要的实际意义。产品的反求工程如图1 - 1 所示。 图1 - 1 产品的反求工程示意图 1 2 课题的国内外研究现状 1 2 1 反求技术研究情况 为适应现代先进制造技术的发展，需要将实物样件或手工模型转化为c a d 数 据，以便利用快速成型系统( r a p i dp r o t o t y i n g ，r p ) 、计算机辅助制造( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r e ，c a m ) 系统、产品数据管理( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，p d m ) 等 先进技术对其进行处理和管理，并进行进一步修改和再设计优化。此时，就需要 一个一体化的解决方案：样品一数据产品。逆向工程就专门为制造业提供了一个全 新、高效的重构手段，实现从实际物体到几何模型的直接转换。作为产品设计制 造的一个手段，在2 0 世纪9 0 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和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以及测量技术的发展，利用 c a d c a m 技术、先进制造技术来实现产品实物的逆向工程，已经成为c a d c a m 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 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。 反求工程己经渐渐成为现今产品开发的主流工具，基于以下因素，反求工程 将会成为以后新产品设计开发必备的一项工具，从目前看反求技术主要应用在以 下几个方面： ( 1 ) 产品外型的美学有特殊要求的领域 目前消费者对产品的需求，不单单只考虑功能性，产品的外观造型也成为消 费者考虑的重要因素。但由于设计师所创造出来的外观造型若利用传统的产品开 发方式可能无法完全的将设计师的理念完整表达出来，因此需要运用逆向工程的 工具来达到设计师的要求。 ( 2 ) 正向设计资料取之不易 基于商业秘密，原厂一般不会将原始c a d 资料提供给下游厂商，只会提供样 品给厂商，如此就需要由逆向工程的工具将原始的c a d 资料还原出来，因此企业 运用逆向工程进行创新的能力也是获得定单的一项有利的因素。 ( 3 ) 设计需要通过实验测试才能定型 比如航天航空，汽车等领域，为了满足产品对空气动力学等的要求，首先要 求在实体模型，缩小模型的基础上经过各种性能测试( 如风洞实验等) 建立符合要求 的产品模型。此类产品通常是由复杂的自由曲面拼接而成的，最终确认的实验模 型必须借助逆向工程，转换为产品的三维c a d 模型及其模具。 ( 4 ) 模具行业 常需要通过反复修改原始设计的模具型面，以获得符合要求的模具。然而这 些几何外形的改变，却往往未曾反映在原始的c a d 模型上。借助逆向工程的功能 和在设计、制造间所扮演的角色，设计者现在可以建立或修改在制造过程中变更 过的设计模型。 一 一 ( 5 ) 检验正向设计结果 逆向工程的另一项重要的功能即是对成品的检测，我们称之为计算机辅助检 测( c o m p u t e ra i d e di n s p e c t i o n ) 。一般品质检测只能就成品的局部做检测，透过逆 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 向工程的工具可对成品做一全面性的品质检测，大大提升了品质的稳定性。 关于反求工程的研究，目前相当活跃，并己取得了一定成果，市场上流行的 商用c a d c a m 系统正在推出或已推出了各自的反求工程模块，如s t r i m 、m a t l a b 、 u n i g r a p h i c s 、p r o e n g i n e e r i n g 、c i m a t r o n 等，一些测量设备生产企业为配合其设备 的竟争，也在推出各自的反求工程软件，如r e n i s h a w 公司、d e a 公司等。各类 软件已相继推向应用实践，主要用于实物复杂曲面的反求，如飞机、摩托车外壳 复杂外形曲面的反求设计。反求工程有三个主要研究内容：一是样件表面数据获 取技术即数字化技术。二是曲面重构技术，它包括拓扑结构及数据分割和曲面重 建两个步骤前者是对测量的大量数据进行组织，后者是对曲面进行拟合、光顺、 拼接。三是进行实体建模，产生c a d 模型。 国内研究状况与国外相比，国内研究起步晚、经费投入少，限制了高水平研 究的开展，创新性的研究不多，在世界学术领域，还没有形成较大的影响力。己 知的较早从事反求工程研究的单位多为高等院校，较有代表性的有西安交通大学 c i m s 中心的面向c m m 的反求工程测量方法和基于线结构光视觉传感器的光学 坐标测量机的研究、上海交通大学国家工程模具中心的集成系统和自动建模技术、 浙江大学生产工程研究所的三角面片建模、南京航空航天大学c a d c a m 工程研 究中心的基于海量散乱点三角网格面重建和自动建模方法、华中科技大学的曲面 测量与重建和西北工业大学的数据点处理、建模等，为数不多的论文散见于计算 机应用、机械工程等类学位论文、会议及杂志上。在应用研究上，除一些实验室 的小型软件外，自主开发的商用逆向软件仅有浙江大学生产工程研究所的反求工 程c a d 软件r e s o f t 和西北工业大学的实物测量造型系统n p u s r m s ，由于缺 乏自主的c a d c a m 软件的支撑，以及逆向工程的上游测试设备和下游应用 ( c a d c a e c a m ) 基本为国外产品，使得国产软件产品在设备接口、数据转换和应 用上一直滞后于相关产品，开发的软件显得势单力薄，与国外软件相比处于竞争 的劣势 3 7 - 3 9 】。 1 2 2 凸轮机构相关技术的研究情况 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 凸轮机构应用的广泛性推动了对它的研究和发展。最初，人们只研究凸轮的 简单几何形状和运动，以满足对从动件运动的简单位置要求。随着对各种机械在 速度、效率、寿命、噪声和可靠性等方面的要求日益提高，对凸轮机构的研究也 逐步扩展与深化，从简单地考虑几何尺寸、运动分析和静力分析，发展到考虑动 力学、润滑、误差影响、弹性变形等，特别是自5 0 年代以来，由于计算机技术和 各种数值方法的发展，使得很多方面的研究得以深入。 对凸轮机构的研究主要有以下几个特点： ( 1 ) 从动件运动规律的研究 除继续寻找更好的规律外，要研究有效的方法，当对从动件的轨迹有要求时， 能用这些方法组成或创建出满足要求且性能良好的运动规律。 有关从动件运动规律早期的文献只是介绍一些适合低速机构的基本运动规 律，如一次项、二次项运动规律，简谐运动规律等。6 0 年代以后，各种适合于中 速与高速凸轮机构的优良运动规律相继提出，包括修正正弦、修正梯形、修正等 速等简谐梯形组合运动规律，这组运动规律得到了广泛的采用。但这种运动规律 的跃度曲线在端点处常常不连续，因而不适用于高速机构。高速凸轮机构大多采 用多项式运动规律，这种运动规律的通用性最强，只要幂次数取得足够高，对应 的高阶导数总是光滑的和端点连续的。近期些学者又提出了一些用样条函数设 计出的凸轮运动规律，这些运动规律具有较好的适应性，可以方便地控制运动特 性，特别适合于进行动力学综合【4 1 4 4 1 。 ( 2 ) 凸轮机构构型研究 从凸轮廓线出发，提出一些适合在高速条件下采用的推杆运动规律，而且还 结合现代加工技术，创造出一些新型凸轮机构，以满足高速工况及确保加工精度。 ( 3 ) 以弹性理论为基础，建立高速凸轮机构的动力学模型及其运动微分方程 通过分析高速凸轮机构动力学模型的运动方程式，并通过正弦加速度运动规 律得到了凸轮机构输出端的动态响应，找到确定凸轮机构输出端运动规律。或是 在建立一个能较为准确的描述凸轮动力特性的多参数数学模型的基础上，通过仿 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 真分析，去得到高速凸轮机构在不同的轮廓及结构参数下的动力学特性曲线。 ( 4 ) 动力学研究成果的进一步实用化。 仅靠提高零件的加工精度并不能保证整个传动系统有良好的动态特性，特别 是对于高速、高精度凸轮机构，动力学研究己经成为重要的研究课题。国内外不 少学者对凸轮机构动力学进行过一些研究，特别是国内一些重点大学对动力学有 较深入的研究。譬如在弧面分度凸轮研究方面提出按动力学要求设计体积最小的 凸轮；考虑到电动机特性、传动副间隙、阻尼、油膜挤压、构件弹性和负载特性 的整个传动系统进行了非线性动力学研究p 引。 ( 5 ) 发展通用而有效的凸轮c a d c a m 系统。 凸轮机构运动学的理论研究己经达到了较高的水平，为凸轮机构设计莫定了 坚实的理论基础。当今，凸轮机构设计已广泛采用解析法并借助于计算机来完成， 数控机床用于凸轮加工也有很长的历史。我国进行的凸轮c a d c a m 多为平板凸 轮机构或空间分度凸轮机构的c a d c a m 系统，只能设计几种平面或空间凸轮机 构，所能处理的从动件系统也只有简单的几种。另外，凸轮机构制造的关键是加 工，现在已经开始采用五坐标联动加工中心进行加工凸轮，这就为形成通用而有 效的凸轮c a d c a m 系统奠定了条件【3 引。 ( 6 ) 7 f 入专家系统或人工智能的c a d 系统。 凸轮机构c a d c a m 近期及以后的发展方向是开发通用有效的系统并引入专 家系统或人工智能型c a d c a m 系统。应用人工智能原理和专家系统知识，利用 专家推荐及人机交互的方式引导用户完成盘形凸轮机构的设计是进一步提高凸轮 机构设计水平及普及应用的良好途径f 删。 ( 7 ) 制定、修改和完善凸轮机构的精度指标体系，研究切实可行的检测原理和检测 方法及检测仪器。 由于凸轮零件属于异型零件，国家现有的技术测量和公差标准均无法直接应 用于凸轮，需要有专门的精度指标体系和技术测量方法。一般是行业或企业根据 长期使用积累的经验检验几个指标来确定凸轮零件的合格程度。因此凸轮机构的 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 检测仍然是一个比较薄弱的环节，特别是一些凸轮，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。目前在 测量方法上已经提出了几种可行的方法如：凸轮轮廓曲面的计算机辅助间接测量 法、在三坐标测量机上检测弧面分度凸轮轮廓误差的方法、在机构的整机检测方 面，采用加速度传感器直接测得角加速度值、采用加速度传感器利用动态信号分 析仪确定分度凸轮机构的运动规律和动态特性等方法测量凸轮相关参数。但目前 除广州威而信精密仪器有限公司靠引进英国技术生产的l 系列凸轮轴测量仪，但 进入实际应用的产品还比较少【3 4 1 。 1 2 3 凸轮廓形检测的相关技术 1 、检测方法 目前许多学者对平而凸轮机构进行了大量反求研究。文献h 4 3 利用检测球头中 心点轨迹坐标及机构基本尺寸推导出了从动件的运动规律表达式，文献h 刚利用三 坐标测量机c m m 测得凸轮廓面坐标数据，并根据凸轮与滚子之间的共轭啮合关系， 建立了运动规律反求方程。清华大学采用激光三角反射位移传感器和光栅尺实现 高精度检测，采用伺服控制实现工作台随动跟踪检测功能实现凸轮廓线的检测， 解决了效率与精度的问题晗1 j 。为减少装夹误差利用磨床工作台和一个直线光栅和 一个园光栅结合，进行在线测量，具有方便快捷、操作简单、有效解决凸轮离线 检测带来的检测误差问题。总体情况而言目前对平面凸轮的检测主要有两种方法， 接触式和非接触式。接触式中又分两种：专用凸轮廓线测量机和采用通用三座标 测量机( c 删) ，非接触测量有激光三角法、电涡流法、超声测量法、机器视觉测 量获取信号m 1 。 目前从所获得的文献看，采用接触式进行测量占相当大比例，其主要好处是 数据离散性小，边界容易辨别，数学模型容易建立，误差补偿容易实现，不足之 处是效率不高，高精度设备不容易实现或者价格高昂。非接触式速度快，数据量 大，然而测量所得的数据点云存在明显缺陷无法直接应用于三维模型重建，需要 非常复杂的数学模型来解决精度问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 、测试系统 凸轮轮廓检测应根据凸轮类型、精度高低等具体情况，选用合适的检测方案 和检测设备。检测设备是由转角驱动及读数装置、位移计数装置组成。转角计数 装置可采用机械式分度头、光学分度头( 转角读数分辨率为1 角分) 、光学圆转台( 转 角分辨率可达o 5 角秒) 等。位移测量读数装置可采用高度游标尺、百分表、千分 表、光学测量仪或光栅位移测量仪等。位移测量装置的探头与凸轮轮廓的接触方 式可以是刀口式、球头式、滚子式或平底式，其中平底式探头只适用于无内凹曲 线的平面外凸轮。近年来，国内外已有多种类型的凸轮轮廓检测仪问世，为凸轮 机构的检测和分析研究提供了良好的设备条件。对平面外凸轮轮廓的检测，既可 应用分度头( 机械式或光学式) 和百分表进行卧式检测；也可应用光学转台和千分表 进行立式检测1 。 目前用计算机或单片机作为控制核心，采用直线光栅和圆光栅作为信号源， 以步进电机或伺服电机作为运动控制器件是制作凸轮检测专用平台的主要技术， 也是提高检测精度主要途径，也方便后期的数据分析和处理。 3 、数据处理 数据处理目的是获得完整、准确的测量数据以方便以后的数学模型构造。其主 要的处理工作包括数据平滑及过滤、数据分割、多次测量数据及对称零件的对称 基准重建等。 数据平滑的目的是消除测量数据的噪声，以得到精确的数据和好的特征提取 效果。目前通常是采用标准高斯、平均或中值滤波算法。数据分割是指按照原实 物所具有的特征，将原始数据点集合理分割成不同的区域，各个区域分别拟合出 不同的曲线，然后应用曲线求交或曲线间过渡的方法将不同的曲线连接起来构成 一个整体，数据分割主要要有基于边和基于面两种方法口 。 对于高速凸轮和低速重载凸轮廓线通过数据平滑及过滤、数据分割后要求数 据二阶导数应连续，三阶导数有限，即能保证机构无刚性和柔性冲击。在某些情 况下还要求曲线具有三阶以上的连续导数。因此，在对凸轮实测数据进行光顺和 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 拟合时，一般采取多项式或者三次b 样条函数可以实现凸轮廓线的反求乜引。 1 3 对盘形凸轮廓形进行反求的可行性分析 盘形凸轮的廓形决定了从动件的运动规律，凸轮廓形的加工精度则直接影响 从动件的运动精度。盘形凸轮廓线属于二维曲线，通过测量系统获取转角与升程 间的函数关系数据，并对测试数据进行数字积分或微分，确定曲线的组合及分段 情况，通过建立统一的多项式数学模型，获取必要的系数，就可以还原盘形凸轮 廓形的运动规律。目前测量方法和测量元器件质量标准均有了很大提高，具备了 高精度测量数据的条件，曲线拟合的数学处理方法也相对比较成熟。只是在精度 重构及还原方面由于影响因素较多，技术尚不是非常成熟外，对盘形凸轮廓形的 反求是可以实现的。 本论文中以长安面包车4 6 2 发动机凸轮轴的凸轮廓线为测试对象，设计和制 作了专门的数据测试系统，获取凸轮轮廓曲线上的离散数据点，然后对离散点进 行相应的数学处理及曲线拟合，得到该凸轮的轮廓曲线方程以及运动规律，从而 达到逆向反求的目的。 1 4 本论文的主要任务 课题源于西南交通大学峨眉校区的基金项目，核心是开发一套具有一定研究 性质的凸轮廓线检测教学实验台，为以后的机械原理教学增加凸轮部分实验内容。 因此，本课题研制的凸轮试验台一方面可以作为凸轮廓线运动规律的研究平台， 同时作为学校用于机械原理课程的实验教学仪器。机械原理实验课虽然经过国内 各兄弟院校的共同努力，新增了一些试验台，相较以前已经有了很大的提高。但 目前仍缺少高性能带研究性质的试验台，尤其关于机构动态性能测试方面的试验 台更加缺乏，本试验台正是为了达到以上目的而进行开发。 本课题所做的主要工作包括： l 、对系统的功能需求和工作过程进行分析和研究，规划测试系统各模块的组 建方案和功能实现途径，并完成凸轮反求测试系统的各机械零部件的设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 及实物样机制作。 2 、针对本测试系统的测控特点和要求进行分析研究，完成系统的测量与控制 电路设计与计算，在此基础上对各个测量光栅、数据采集卡和步进电机等 元器件进行分析和选型。 3 、分析和研究常用凸轮廓线的特性，结合所测量数据的特点，确定凸轮测试 数据的反求分析算法，并进行系统的测控及分析软件的设计及开发。 4 、在系统设计完成后，试制一台样机，选用具有代表性的凸轮产品，对其廓 线参数进行实际测试和数据分析处理，检验该系统的效果。 5 、在对该系统实际应用的基础上，分析系统在测量和计算过程中存在的问 题，研究测量误差产生的影响因素，有针对性地进行改进，完善其功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第二章凸轮廓线测试装置设计 2 1 凸轮廓线测试方法概述 盘形凸轮是一种具有变化径线的圆盘，其从动杆在垂直于凸轮回转轴的平面 内运动，属于平面凸轮机构。其优点是只需选择适当的凸轮轮廓即可使从动杆得 到任意预定的运动规律，并且比较简单、紧凑和易于综合，因此它被广泛应用于 各种自动机械中，例如纺织机、汽车发动机等。对盘形凸轮实际轮廓线的精确测 量是保证机构精度的一个重要保证，也是检验凸轮质量的重要手段。目前常用的 凸轮廓线的检验方法有以下几种： 2 1 1 手工测量 图2 1 凸轮廓线的手工测量 手工测量最常见的是利用卡尺、万能工具显微镜以及光学分度头等长度测量 仪器，采用极坐标测量法来测量凸轮轴的升程误差，如图2 1 所示。通常凸轮轮 廓曲线的测绘方法有分度法或拓印法，分度法采用铣床分度头或光学分度头配合 千分尺进行，所测绘的凸轮轮廓相对比较准确；拓印法是一种将纸片压在凸轮上， 然后用铅笔拓下其轮廓纹路然后进行测绘的方法，由于受到测量者的经验和测量 数据数量的局限，精度非常低，在有精度要求的情况基本不用。对凸轮加工精度 进行检测的传统方法是选用与凸轮从定轮相同形状和尺寸的测头进行测量；采用 敏感点法、转折点法、平均点法等评价凸轮的升程误差陌3 。 手工测量的好处是不需要专门的仪器设备，采用通用量具就可以进行，在一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 般小型企业和修配凸轮时使用较多。但由于凸轮机构的类型较多，其升程、回程 曲线规律较复杂，其结构特点又各不相同，无法用一种较普遍的方法适用于所有 凸轮，测试效果往往取决于测试者的工作经验。由于是人工进行，就存在测量精 度低，测量点数少，检测效率低、出错率高等缺点，数据处理离散性大等缺点， 也就无法适应现代生产的需求。 2 1 2 三坐标机测量 随着计算机辅助测试技术( c o m p u t e ra i d e dt e s t ，c a t ) 的发展，计算机技术和 传统测试技术相互渗透、融合，开创了测试学的新领域，使之有了更广阔的发展 空间。在精密测试领域计算机辅助测试技术使得复杂工件的测量简单化，不仅能 完成尺寸、曲线、曲面的精密测量，还能进行形位误差的精确评定。c a t 最典型 的代表是三坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e s ，c m m ) ，它的出现成为 计量仪器从传统手动测量向现代化自动测试技术过渡的一个里程碑。由于c m m 通 用性强、测量范围大、性能好、效率高、测量精度高，符合机械制造业中柔性化、 自动化发展的需要，目前己发展成为与加工中心对应的测量中心。 用三坐标测量机进行点位测量时，将待测量的盘形凸轮置于测量机工作台上， 调整水平。通过检测头与凸轮表面轮廓线的接触测量，所显示的数据是红宝石测 球中心点的坐标，如把红宝石测球看作滚子从动件，则红宝石测球中心点的轨迹 相当于盘形凸轮的理论廓线。应尽可能选用小的测球，并使测量轴线与被测表面 垂直，使测头沿着被测表而的法线方向移动，以减小测量误差。在用三坐标测量 机进行盘形凸轮廓线测量时，可利用上述原理，根据所得到的测球中心点的轨迹， 在每一点的位置，沿法线方向偏置测球半径r ，即可得到盘形凸轮的实际廓线。 利用软件建立测头中心轨迹拟合、测头半径补偿和凸轮升程曲线转换、升程误差 最小条件法评价以及凸轮机构的速度、加速度误差评价等一套数学模型和方法， 最终在计算机平面上显示测量得到的凸轮轮廓线上的各采样点，并生成凸轮轮廓 的拟合曲线n 舢。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 高精度的三坐标测量机作为通用计量检测设备，能够代替其他类型的专用检 测设备执行复杂几何形状的检测，同时系统误差来源单一，测量结果具有更高的 置信度水平，但采用三坐标测量进行盘形凸轮廓线测试面临投资大( 低精度2 0 3 0 万，高精度7 0 8 0 万) 、费用高、智能化程度低等缺点。 2 1 3 凸轮检测仪测量 随着我国汽车、摩托车工业、航空航天事业的飞速发展，传统的光学机械量 仪检测以及采用人工数据处理的方法，己不能适应高精度、高效率检测凸轮轴的 需要。为了适应快速地反馈凸轮轴的质量信息，我国一些精密仪器厂己研制出了 基于计算机控制的凸轮轴自动测量仪，实现对凸轮轴的加工进行实时监控，以保 证凸轮轴的产品质量和提高生产效率n 别。目前国内专门进行凸轮轴或盘形凸轮检 测的仪器主要有北京中科恒业中自技术有限公司生产的t l 系列全自动凸轮轴形 面误差综合测量仪，中外合资广州威而信精密仪器有限公司生产的l 系列的凸轮 轴检测仪。各个高校及企业为降低成本，制作适合本企业使用的专用凸轮检测仪 如武汉理工大学与湖北罗田内燃机试验设备厂联合研制的t c - n 凸轮检测仪n ，其 精度不低于国外先进水平，而且功能强，成本低。南通工学院设计制作了c o t 一1 型凸轮廓线测试台n 剐，较好地解决了传统凸轮廓线测试方法存在的问题，测得的 数据精度高，可直接运用计算机分析处理。此外还有很多大学在研究凸轮机构的 相关规律时也制作了专门的测试实验台。 2 2 凸轮廓线测试实验台的方案设计 2 2 1 测试实验台的原理设计 凸轮轴自动测量装置主要由机械系统和计算机测量系统组成，其组成原理如 图2 2 所示。由计算机发出控制信号驱动电机旋转，由传动机构带动被测凸轮轴 转动。圆光栅编码器、直线位移光栅分别将凸轮轴的角度、径向位移信号转换成 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 角度脉冲和径向位移脉冲，经接口电路送入计算机，经计算机运算处理后获得每 个凸轮轮廓的实际升程，进而分析计算被测凸轮轴的各项参数。 凸轮轮廓曲线检测工作台 ： i 一一i i 。l 卜。一 线世侈1 了 器丽 i7 i姒硒腿l 西攸i - 4 _ 卜一 t 计 凸轮轴i il 驱动电机 算 1 l 机 6 ，4 _ e _ ，n a i in c ，i n g 3 mr 1 【1 角位杉传感器i1 驱动电召l 驰功躏【 r r 图2 2 凸轮检测工作台原理图 其中检测工作台的机械部分由底座、支撑机构、装夹机构和传动装置等构成， 是保证测量平稳性和测量精度的关键。光栅尺、旋转编码器均具有较高的测量精 度，只要型号和参数选择合理，其所引起的误差是可以忽略的。因此整个测试台 的机械本体的精度就决定了整个测量仪能够达到的精度。计算机监控系统包括数 据的采集、处理、查询程序以及现场器件的控制程序。 2 2 2凸轮轴安装方式选择 设计制作的凸轮廓线检测试验台一方面是为探索凸轮廓线规律反求方法，同 时也可以作为机械原理课程凸轮部分内容的教学实验台。因此，在设计制作 实验台时，不仅要考虑本次论文数据测试的需要，也要考虑测试对象的广泛性和 包容性。在尽可能保证测试精度的条件下，要求测试系统的制作成本较低，且使 用方便快捷。为达到此目的，测试系统设计采用4 6 2 汽油发动机凸轮轴作为测试 对象，其安装方式有两种形式供选择，一种是水平布置，一种是垂直布置，两种 方案各有特长。下面就两种方案的情况作一简述。 ( 1 ) 垂直布置方案 凸轮轴测试工作台的垂直布置方案如图2 - 3 所示，以广州威而信公司生产的 l 系列凸轮轴测量仪为例，机械运动部件和凸轮轴的定位采用超精密气浮主轴与 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 气浮顶尖、双气浮直线运动导轨立柱等气浮结构，主轴精度0 0 8 u m 。这样布置能 有效避免重力因素影响对测量造成的误差。带来的问题是成本明显提高，制作及 安装要求也较高，同时对机械传动的布置带来了一定的问题。由于本课题经费有 限，无法满足该种方式的制造、安装要求，在本论文中没有采用这种方案。 图2 - 3 凸轮轴垂直布置方案 ( 2 ) 水平布置方案 测试工作台的水平布置时，两端固定，其结构相当于简支梁，其受力情况如 图2 4 所示。考虑到目前普通发动机使用的凸轮轴长度l 在1 0 0 0 m m 以下，其小 径d 约为3 0 m m ，密度约为7 9 9 c m 3 ，可以对凸轮轴受自身重力影响产生的弯曲变 形作如下计算。 a 图2 4 凸轮轴水平布置及受力简图 图中：凸轮轴上的均匀载荷： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 g = 等* p * g = 5 4 7 9 x 1 0 - 3 n 凸轮轴的惯性矩： ，：笙：3 9 8 l o 。珑聊4 6 4 并查表得：刚度e = 2 0 6g p a 则，该简支梁的最大挠度： 厂：皇生：0 0 9 m ，z 。 3 8 4 e i 简支梁两端截面的转角： 乡：生o 0 2 。 2 4 点y 在水平布置方案中，凸轮轴受重力影响产生的挠度误差属于固定误差，可以 通过精度检测预先获得的，并通过测试软件进行修正。由于垂直布置由于制造和 安装调试以及采用的高精度保证措施使成本大幅度提升。考虑该实验台使用频率 不高，转速较慢等因素，在本次设计中采取水平布置方式。测试过程证明，水平 布置对数据的影响有限，不影响测试工作台的正常使用。 2 3 凸轮测试实验台的结构设计 2 3 1 实验台设计的基本要求 为使整个凸轮廓线测试系统能够达到较高的测试精度，除了测试系统及数据 处理模型要达到所要求的水平外，实验台本体的设计也是非常关键。作为测试系 统的基础平台，实验台的机构设计需要满足以下功能的要求： ( 1 ) 在实验台上能完成凸轮轴的装夹，且使凸轮轴线与底座保持水平。 ( 2 ) 位移传感器测头必须与凸轮的轴线垂直，且探头测试点与中心线在同一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 平面内。 ( 3 ) 位移传感器的测头与凸轮轮廓面必须保证紧密接触。 ( 4 ) 位移传感器的可以沿凸轮轴线移动，便于对凸轮轴上各个凸轮进行测量。 ( 5 ) 凸轮轴的安装与拆卸应尽可能简便。 2 3 2 测试实验台的结构设计 测试实验台的机械结构由待测凸轮轴、底座、卡盘、尾架、丝杆和导向杆等 组成，如图25 所示。与常用数控机床结构相似，凸轮轴安装在卡盘与尾架之间， 由步进电机通过卡盘带动凸轮轴作回转运动，光栅探针与凸轮轮廓紧密接触，对 凸轮廓线径向参数进行测量。通过手柄旋转丝杆，可调整光栅的水平位置实现 对凸轮轴上各个进、排气凸轮的廓线参数测量。 尾架凸轮轴卡盘步进电机编码器 光栅丝杆导向杆底座 图2 - 5 凸轮测试实验台的结构 ( 1 ) 底座的设计 在设计中，充分考虑测试系统的要求，需要机械结构满足相应的平行度、垂 直度以及同轴度。所以需要设计一个用于周定的底座，其上需要通过加工出几条 凹槽以及螺纹孔，通过这些定好位置的螺纹孔和凹槽来对各个硬件进行定位。在 本系统的设计中，在底座上设计加工两条平行的t 形槽，用以确定凸轮轴的与传 感器固定支座的定位。为保证凸轮轴轴线和测量光栅移动丝杆间的平行度，加工 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 时要求一次安装夹紧，两次进刀完成t 槽的加工。 ( 2 ) 凸轮轴及步进电机的固定装置设计 在本系统中，要求凸轮轴在步进电机的带动下绕回转中心进行旋转，并保证 回转中心线在很小的限度内不会发生变化。从实际出发，借鉴卧式车床的夹具以 及车床回转机构的原理。一端使用三角爪盘固定，另一端为活项尖可以在导轨上 进行移动，以适应不同长度凸轮轴的检测。使用套筒和联轴器来连接凸轮轴与步 进电机轴，以达到使凸轮轴与电机轴同步运行的目的。 由于步进电机的转速是由输入的脉冲频率所决定的，因此在机械系统设计中， 只需考虑步进电机的扭矩满足驱动需要，不需考虑采用减速装置，这样能简化实 验台的结构，同时有效减小传动误差。 ( 3 ) 光栅的定位机构设计 光栅相当于是一个凸轮机构的从动件，当凸轮轴绕回转轴做回转运动的时候， 光栅的探头在弹簧力的作用下与凸轮的轮廓表面紧密接触。而探头来回移动量就 会从光栅信号输出端输出，从而得到测试凸轮相对于基圆的增量。光栅定位装置 设计的功能要求是：保证推杆与盘形凸轮的对心；能够调整推杆的偏心距，以测 定不同类型的盘形凸轮；能够提供必要的压紧力，保证推杆与盘形凸轮的紧