（机械电子工程专业论文）alliance车钩钩锁铁与牵引杆的几何反求研究.pdf

摘要 摘要 随着铁路客运的高速重载，迫使车辆牵引连接技术不断提高。本课题通过实物反求 来消化、吸收、引进钩锁铁和牵引杆技术的先进设计思想，从而为更加科学、全面、准 确地掌握国外先进技术，满足我国国民经济发展对铁路重载货车牵引连接技术提升之迫 切需要，缩小我国货车车辆连接技术与国外先进技术的差距奠定良好的技术基础。 在零件数据获取和数据预处理技术方面，通过分析各个零件的结构特征提出了针对 牵引杆和钩锁铁的定位方式、采用r o m e r 2 0 2 0 型6 轴坐标测量机轮廓扫描法和点位测量 法相结合的数据采集规划方案；数据处理是反求工程中的关键环节，主要工作包括运用 直观检查法且巧妙运用i m a g e w a r e 软件功能去除噪声点，运用基于三个基准点对齐方法 完成了牵引杆多视数据对齐，采用弦偏差法对点云数据进行精简、按最近点排序方法生 成截面线点云之间的拓扑关系，最后应用二维事后半径补偿法和曲面整体偏距法实现精 确半径补偿。 在模型重建技术中，重点研究了基于特征与约束的p r o e 模型重建方法，提出了在 拟合草图轮廓时考虑以产品实现的功能为中心，以数据点云为依据，结合正向设计进行 逆向推理的方法还原特征和约束；运用曲率法提取零件轮廓上的分界点，进行数据点分 段并基于约束同步拟合，根据同步拟合结果重建的分段曲线经延长、求交和裁剪等操作 后即可生成无二义性的、满足设计需要的草图轮廓；通过特征的实体模型重建方法，利 用布尔运算实现模型重建。 为了能对所建立的模型进行精度评价，指出反求误差主要由原形误差、测量误差、 补偿误差、数据处理误差及造型误差组成，研究了各种误差产生的原因及对反求模型的 影响；提出了评价反求模型精度的指标和基于曲率的曲面品质分析方法，通过这些方法 完成了牵引杆曲线和钩锁铁曲面的品质分析，通过有效的误差控制使重建模型精度达到 合同要求。 关键词：牵引杆；钩锁铁；数据处理；模型重建；反求工程 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n g 讲ml l i g hs p e e da n dh e a v yl o a do fr a i l r o a dt r a n s p o r t a t i o n ，i tf o r c e st oi m p r o v e v e h i c l et r a c t i o nc o n n e c t i o nt e c h n o l o g yc e a s e l e s s l y t h i sp a p e rc o n c e n t r a t e so nr e s e a r c h i n g r e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n i q u e st od i g e s ta n da b s o r ba d v a n c e dd e s i g ni d e a so fd r a w b a ra n d l o c kt e c h n o l o g y t h e r e b y ，w ec a na c q u i r eaf a v o r a b l et e c h n o l o g i c a lf o u n d a t i o nf o rm a s t e r i n g t h ea b r o a da d v a n c e dt e c h n o l o g ys c i e n t i f i c a l l y ，t h o r o u g h l ya n da c c u r a t e l y ，a sw e l la s s a t i s f y i n gt h eu r g e n td e m a n df o rh e a v yf r e i g h tc a r st r a c t i o nt e c h n o l o g yb yt h ed e v e l o p m e n to f t h en a t i o n a le c o n o m ya n d n a r r o w i n gd i s p a r i t i e sa m o n go u rc o u n t r yf r e i g h tv e h i c l ec o n n e c t i o n t e c h n o l o g ya n dt h eo v e r s e a sa d v a n c e dt e c h n o l o g y i nd a t ac o l l e c t i o na n dd a t ap r e p r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ，t h i sp a p e rp r o p o s i n gt h ed r a w b a r a n dl o c ko r i e n t a t i o nm o d et h r o u g ha n a l y z et h es t r u c t u r ea n df e a t u r eo fe a c hc o m p o n e n t s ， u s i n gr o m e r 2 0 2 0 ，6a x e sc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e 晰t 1 1s c a n n i n gm e t h o da n dp o i n tt o p o i n tm e t h o di nd a t ac o l l e c t i o nl a y o u ts c h e m e d a t ap r e p r o c e s s i n gi st h ek e yt a c h ei nr e v e r s e e n g i n e e r i n g ，t h em a i n w o r ka l s oi n c l u d ei n g e n i o u s l yr e m o v et h en o i s ep o i n tb yd i r e c t - v i e w i n g i n s p e c t i o nm e t h o di ni m a g e w a r es o t h a r e ，a l i g nd r a w b a rm u l t i - v i e w s b a s e do nt h r e e r e f e r e n c ep o i n t sm e t h o d ，s i m p l i f yp o i n t sc l o u dd a t ab yc h o r d a ld e v i a t i o nm e t h o d ，t h e t o p o l o g yr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h es e c t i o nc l o u d si sg e n e r a t e db ys o r t i n gt h en e a r e s tp o i n ta n d r a d i u sc o m p e n s a t i o n sa r ei m p l e m e n t e db ye x - - p o s tc a l c u l a t i o nm e t h o di nt w o - - d i m e n s i o no r o f f s e t t i n gt h ef i r e ds u r f a c ee n t i r e l y 。 i nt h em o d e lr e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e ，t h ep a p e rs t u d y i n g 诵le m p h a s i sm o d e l r e c o n s t r u c t i o nm e t h o db a s eo nt h ef e a t u r ea n dt h er e s t r a i n ti np r o e ，p r o p o s i n gr e v e r s e c o n s e q u e n c e 、析md e s i g nm e t h o dt or e s t o r ef e a t u r ea n dt h er e s t r a i n tt a k i n gp r o d u c tf u n c t i o na s t h ec e n t e r ，t a k i n gp o i n t sc l o u dd a t aa st h eb a s i si nf i t t i n gs c h e m a t i cd i a g r a mo u t l i n e ；i t d i s t i l l i n gd i v i s i o np o i n tt h r o u g hc u r v a t u r em e t h o di na c c e s s o r yo u t l i n e ，f i r i n gc u r v e b a s e do n t h er e s t r a i n ta f t e r p o i n t s d a t as u b s e c t i o ns y n c h r o n o u s l y ，t h es y n c h r o n i z e df i t t i n g r e c o n s t r u c t i o ns u b s e c t i o nc u r v ep r o l o n g ，i n t e r s e c ta n dc u t o u tt ot h en o n - a m b i g u o u s s c h e m a t i cd i a g r a mo u t l i n ew h i c hs a t i s f i e st h ed e s i g nn e e d s ；u s i n gt h eb o o l e a nc a l c u l a t i o n c o m p l e t em o d e lr e c o n s t r u c t i o nt h r o u g hf e a t u r em o d e lr e c o n s t r u c t i o nm e t h o d i no r d e rt oa p p r a i s et h ep r e c i s i o no fr e c o n s t r u c t i o nm o d e l ，t h ep a p e rp r o p o s i n gt h e r e v e r s i o ne r r o rm a i n l yi n c l u d et h ep r i m a r yf o r me r r o r , t h em e a s u r i n ge r r o r , t h ec o m p e n s a t i n g e r r o r ，t h ed a t ap r o c e s s i n ge r r o ra n dt h em o d e l i n gr e c o n s t r u c t i o ne r r o r ，a sw e l la sa n a l y z i n gt h e e r r o rr e a s o na n dt h er e v e r s i o nm o d e li n f l u e n c ew h i c he a c hk i n do fe r r o rp r o d u c e d ；i t p r o p o s i n gt h ea p p r a i s a lt a r g e to fr e v e r s i o nm o d e lp r e c i s i o n ，a p p r a i s a lm e t h o db a s e do nt h e c u r v a t u r ea n dc u r v e ds u r f a c eq u a l i t ya n a l y s i sm e t h o da n dc o m p l e t i n gq u a l i t ya n a l y s i so f l l 大连交通大学工学硕士学位论文 d r a w b a rc u r v ea n dl o c kc u r v e ds u r f a c et h r o u g ht h e s em e t h o d s ，a n dt h e nr e c o n s t r u c t i o nm o d e l p r e c i s i o ni ss a t i f f yt h ec o n t r a c tr e q u e s tb ye f f e c t i v ee r r o rc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：d r a w b a r ：l o c k ；d a t ap r o c e s s i n g ；m o d e lc o n s t r u c t i o mr e v e r s ee n g i n e e r i n g i i i 大连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太蓬塞通态堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太蓬褒通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蓬交通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：囊甲和刁 日期：坨降善月3 - 基 导师张步移乏 基期：辟易月3 - 譬 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司电话：1 3 5 9 1 7 4 9 5 1 9 通讯地址：齐齐哈尔市铁锋区厂前一路3 6 号邮编：1 6 1 0 0 2 电子信箱：z h p 蜘v z 1 6 3 c o l a 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：岳f 和彳 日期： 拼多月j - 日 第一章绪论 第一章绪论 车辆牵引连接技术及产品是铁路运输装备重要组成部分，机车车辆牵引连接技术主 要分为三大类：车钩、牵引杆和关节联接器牵引连接技术。随着铁路的高速重载，作为 传递列车纵向牵引力、压缩力与缓和列车纵向冲动的车辆连接装置沿接合面的磨损将导 致相邻车辆连接处间隙的明显增大，从而在列车起动、制动和制动器缓解时以及列车通 过弯道时在两车厢之间会引起很大的相互动力作用，有时这种动力作用可导致其明显损 伤，甚至在列车运行中产生断裂。因此及时解决车辆牵引装置的问题，改善其性能和结 构是非常必要的。 1 1 国内外车钩及牵引杆技术研究和发展现状 车钩是用来实现机车和车辆或车辆和车辆之间的连挂，传递牵引力及冲击力，并使 车辆之间保持一定距离的车辆部件。车钩由钩头、钩身、钩尾三个部分组成，车钩前端 粗大的部分称为钩头，在钩头内装有钩锁铁、钩舌、钩舌推铁、下锁销和下锁销杆。车 钩后部称为钩尾，在钩尾上开有垂直扁锁孔，以便与钩尾框联结。为了实现挂钩或摘钩， 使车辆连接或分离，车钩具有以下三种位置，也就是车钩三态：闭锁位置车钩的钩 舌被钩锁铁挡住不能向外转开的位置。两个车辆连挂在一起时车钩就处在这种位置。开 锁位置即钩锁铁被提起，钩舌只要受到拉力就可以向外转开的位置。摘钩时，只要 其中一个车钩处在开锁位置，就可以把两辆连挂在一起的车分开。全开位置即钩舌 已经完全向外转开的位置。当两车需要连挂时，只要其中一个车钩处在全开位置，与另 一辆车钩碰撞后就可连挂。车钩按其结构类型分为螺旋车钩、密接式自动车钩、自动车 钩及旋转车钩等。所谓自动车钩，就是先将一个车钩的提杆提起后，再用机车拉开车辆 或与另一车辆车钩碰撞时，能自动完成摘钩或挂钩动作的车钩。旋转车钩的构造与普通 车钩不同，钩尾开有锁孔，钩尾销与钩尾框的转动套连接。钩尾端面为一球面，顶紧在 带有凹球面的前从板上。当钩头受到扭转力矩作用时，钩身连同尾销以及转动套一起转 动。旋转车钩现在只安装在专为大秦铁路运煤单元组合列车设计的车辆上。这种车辆的 一端装设旋转车钩，另一端装设固定车钩，整列车上每组连接的两个车钩，两两相互搭 配。当满载煤炭的车辆进入卸煤区的翻车机位时，翻车机带动车辆翻转1 8 0 度，将煤炭 倾倒出来，旋转车钩可以使车辆翻转卸货时不摘钩连续作业，缩短了卸货作业时间。 1 1 1 国内车钩及牵引杆研究和发展现状 根据国家中长期铁路网发展规划，未来1 5 年将是我国铁路高速化发展的一个 重要时期。目前正在引进国外技术先进、成熟的2 0 0 k m h 动车组、3 0 0 k m h 高速客车及 大连交通大学1 = 学硕士学位论文 其制造技术，到2 0 1 0 年，我国2 0 0 k m h 速度级的客运动车组要达到1 0 6 0 列。在整个过 程中，采用引进与消化吸收相结合的原则，从而最终实现从零部件到整车的国产化。因 此，对于了解国内外机车车辆车钩、牵引杆的发展水平与动态是十分必要的。我国生产 货车车钩的单位主要有：齐齐哈尔车辆有限责任公司( 齐车) 、内蒙一机厂、戚墅堰机车 车辆厂、重庆铸钢厂等1 0 余家企业，生产客车普通车钩的单位主要有：四方车辆厂、 长春客车厂等【l j 。 我国铁路货车牵引连接技术及相关产品比较少，主要是以采用自动车钩连接技术为 主，部分重载货车采用了牵引杆连接技术。我国货车车钩从2 0 世纪5 0 年代开始至今， 先后开发了2 号、1 3 号、1 6 号、1 7 号、1 3 a 等型号的车钩，车钩材料也由z g 2 3 0 4 5 0 提升为c 级钢、e 级钢，约有9 5 以上货车使用的是1 3 号、1 3 a 型车钩及钩尾框，1 6 、 17 型连锁车钩及钩尾框主要在大秦线等重载单元运煤专用敞车上和载重7 0 吨级的各型 通用货车上得到推广应用。 1 3 号车钩是我国在二十世纪6 0 年代后期至7 0 年代初期，连接轮廓是在贯彻g b 7 7 0 9 制造图所规定的g b 4 9 5 2 机车车辆自动车钩连接轮廓的a a r l 0 a 号轮廓，参照美国 e 型车钩及俄罗斯c a 3 型车钩、采用z g 2 3 0 4 5 0 普通碳素铸钢研制的，7 0 年代中后期 开始在我国铁路货车上推广使用。2 0 0 2 年开始推广使用小连挂间隙的1 3 a 型车钩及结 构强度高和疲劳寿命长的1 3 a 型钩尾框，降低列车的纵向冲动，改善列车车辆的纵向动 力学性能。 1 6 、1 7 型车钩及钩尾框是为我国铁路开行万吨重载单元列车而研发的配套产品。 1 9 8 8 年铁道部决定由齐车公司主持、相关单位协作，开始了1 6 型、1 7 型车钩及其相关 零部件的开发设计和研制工作，1 9 9 0 年实现了小批量生产，1 9 9 7 年通过了铁道部组织 的科技成果鉴定。目前，我国大秦铁路运煤专用运输线上的c 6 3 、c 6 3 a 、c 7 6 b 、c 7 6 c 及c 7 0 、c 8 0 型各型运煤专用敞车均装用的是1 6 型连锁式旋转车钩和1 7 型连锁式固定 车钩，它具有连挂间隙小( 9 5 r a m ) 、连锁防脱及防跳性能可靠、曲线通过性好、结构强 度高的特点。 钩锁铁是车钩中承受牵引力的重要部件，必须具备足够的强度与韧性，表面应具有 一定的硬度。采用不同材料及处理方法，以达到各自相应的技术指标，其目的是钩腔内 诸多配件的使用寿命均得到提高。目前各车辆厂新造车钩中，钩锁铁已采用e 级钢制造， 其余配件采用b 级钢材料，今后在检修时也应逐步采用相应的新材料【2 】。 国内于2 0 世纪9 0 年代中后期在开发牵引杆连接技术方面进行了一些研究和应用开 发工作。如齐车公司根据自己的研究，向澳大利亚用户推荐了带有缓冲器的普通牵引杆 2 第一章绪论 装置。2 0 0 5 年开始在重载列车及货车上采用牵引杆连接技术，目前大秦线所有c 8 0 型 系列敞车及部分c 7 0 型敝车采用齐车公司自行设计开发的r f c 型旋转牵引杆装置。 牵引杆较之车钩在技术经济性方面具有的优势主要体现在以下几个方面【3 】： ( 1 ) 重量轻1 个牵引杆仅重约为2 0 7 k g ，1 套1 6 1 7 号车钩则重达4 9 8k g 。1 列2 0 0 0 万埏列车，当采用三联车组时，其载重可比全装用1 6 1 7 号车钩的列车增加3 8 4 0 0k g 。 ( 2 ) 制造得到简化，成本低牵引杆不仅原材料的消耗只为牵引车钩的一半，同时 由于结构简单，没有车钩那么多的小件，避免了多件生产带来的能源消耗大、组织困难 及工艺复杂等问题，且装配量小。因此，与车钩相比，牵引杆制造简单、成本显著降低。 ( 3 ) 检修量少由于牵引杆没有三态、防跳等质量监控点，无需装配小件，无需在 车体加装钩提杆等配套零部件，需要的焊修也明显比车钩少得多，因此，牵引杆的检修 工作量大大减少。 综上所述，由于牵引杆摒弃了传统车钩的钩舌连挂而采用一体结构，从而消除了车 钩分离事故发生的可能性，在整列车中，降低了列车分离事故的概率，大大提高了运营 中的安全性。同时，由于牵引杆具有无间隙的特点，消除了车辆间的连接间隙，因而使 车辆纵向冲击较缓和，提高了车辆的动力学性能，并使车辆使用寿命得到提高。因此， 牵引杆在增加铁路运能、降低能源消耗和减少检修工作量等方面均有很大优势， 在固 定编组货运列车上推广使用牵引杆有着很大的社会经济效益。 1 1 2 国外车钩及牵引杆研究和发展现状 铁路车辆自动车钩于18 6 0 年末始于美国，目的是为了提高安全性和生产力。之后 l o 年间虽然又有若干新发明，但货车间可靠的连接系统仍未出现。直到1 8 7 0 年美国人 詹尼发明了钩舌式自动车钩以来，在世界各国铁路机车车辆上得到积极应用，其技术经 过不断地改进，发展也比较成熟、产品也更加可靠。其后许多类似的设计不断涌现，以 至到1 8 8 9 年时至少有3 0 种不能相互连接的车钩设计。1 9 1 1 年，美国车辆制造者协会， 邀请所有车钩制造商提交一个新标准的设计，协会收到了很多方案，并最终于1 9 1 6 年 采用d 钩作为新标准车钩，1 9 3 2 年，a a r 采纳了e 型车钩设计方案，1 9 4 8 年，f 型连 锁式车钩进行首次试验，并于1 9 5 4 年被a a r 确认为准标准。美国安捷达铁路集团设计 的联合型车钩系统广泛而成功的应用于诸多不同的甚至是苛刻的环境中，且可与其他车 钩系统兼容，于1 9 7 2 年在联合型车钩的基础上推出了联合超能型车钩。该车钩系统的 最大强度超过了4 5 4 0 0 0k g ，较a a r “f 钩提高了1 0 ，成为澳大利亚和巴西两国铁 路的标准车钩。联合超能型车钩的疲劳性能非常优秀，从而在澳大利亚完全取代了“f 钩而成为重载铁路的标准车钩。在世界各地已有超过一百万个联合超能型车钩在使用 大连交通大学工学硕士学位论文 中。自推出联合超能型车钩以来，已有超过2 万5 千个车钩在重载转动铁路上使用。联 合超能型车钩应用于当今世界最重载的单元列车上，其中有3 6 吨轴重2 3 0 节货车的列 车，以及4 0 吨轴重3 3 0 节货车的列车。只有具备最佳性能及可靠性的产品方能满足如 此极限的条件。这些列车的年运输里程在1 0 万英里以上。有些车钩的使用寿命超过了 2 0 年，在牵引2 万4 千吨的列车上使用2 0 年是非常了不起的成绩。 前苏联各国及欧洲多数国家铁路货车均采用作用原理与a a r 标准车钩作用原理不 同的c a 一3 型。c a 一3 型车钩是1 9 3 4 年俄罗斯人发明设计的，是目前俄罗斯及前苏联 铁路货车的主型车钩，其连接轮廓间的自由间隙为1 0 m m 。2 0 世纪8 0 年代初，前苏联 对c a 一3 型车钩进行了改进，即在车钩钩头的上、下分别增设了防脱装置，并在罐车 等运输危险货物及对列车运行安全性有特殊要求的货车上推广应用。德国s c h a k u 公司 开发了用于i c e 系高速列车的密接式车钩。瑞典d e l l n e r 公司开发了用于干线列车的钩 缓装置。 国外主要生产单位有：a s f k e y s t o n e 公司、m c c o n w a y & t o r l e y 铸钢公司、哥伦布 铸钢公司、德国的c h a k a 公司、s c h a r f f e n b e r g e r 公司、日本的柴田公司和瑞典d e l l n e r 公司等，这些公司主要生产密接式车钩、缓冲器及c a 3 型自动车钩、链子钩。 为了解决重载及长大编组货物列车因制动缓解不均匀性和列车间隙效应引起的列 车纵向冲动问题，早在2 0 世纪7 0 年代美国等国家就开始研究设计新的车辆连挂装置以 减少和消除列车的“间隙”作用，如a s f k e y s t o n e 、c a r d w e l lw a b t e c 、m c c o n w a y & t o r l e y 和a b c - n a c o 公司设计开发了不同类型的牵引杆装置来代替常规的车钩缓冲装置【4 】。 正是由于减小车辆间自由连接间隙，对改善和提高列车、特别是重载列车的纵向动力学 性能的作用显著，可明显提高列车运行的安全性，同时具有延长车辆使用寿命、减少车 辆及零件故障，降低车辆自重、提高载重等优点，美国于2 0 世纪8 0 年代后期在重载单 元列车上开始采用牵引杆技术。目前，美国、加拿大、澳大利亚等世界铁路重载运输比 较发达的国家均不同程度地开发采用牵引杆技术，为改善列车运行安全性、提高运输效 率及降低运营成本等发挥了重要作用。牵引杆连接技术与车钩连接技术及产品具有良好 的互换性，其结构得简单、易于制造，维护检修方便，可以消除两车钩的连挂间隙，且 能明显改善列车动力学性能，其技术成熟、可靠性高，因而得到了大范围的推广应用。 1 2 反求工程的研究背景 “引进、消化、吸收、创新”是被证明了的新产品快速开发的有效途径。产品设计 信息的数字化特别是几何模型的数字化是设计、制造过程中的基础环节，产品信息数字 化模型是基于产品或构件的功能和外形，由设计师在c a d 软件中构造的，这为正向工 4 第一章绪论 程。但在飞机、汽车、工艺美术品和模具等行业的设计和制造过程中，此类产品通常由 复杂的自由曲面拼接而成，在概念设计阶段很难用严密、统一的数学语言来描述，因此， 许多产品初始模型必须通过对事先制造出的木制或泥制模型进行数字化产生，这种以实 物模型为依据来生成几何模型的设计方法即为反求工程。 1 2 1 反求工程的含义 反求工程可以简单的定义为这样一个过程：在没有工程图纸的情况下，对实际的物 体模型进行测量，通过对测量信息的分析和处理来构造其c a d 模型的过程，由实际模 型反求出设计模型来。传统的正向设计与制造是从图纸到零件产品，而反求工程的设计 是从零件或原型n - 维图纸或三维模型，再经过制造过程到零件，两者之间的比较如图 1 1 所示，反求工程是相对传统的从设计图纸( 或模型) 加工出实际产品的正向过程而言 的。反求工程与传统的正向设计的根本区别在于：正向设计是由抽象的较高层次概念或 独立实现的设计过渡到设计的物理实现，从设计概念至i j c a d 模型有一个明确的过程。而 反求工程是基于一个可以获得的实物模型来构造出它的设计概念，并且可以通过对重构 模型特征参数的调整和修改来达到对实物模型的逼近或修改的目的，以满足生产要求。 a ) 正向工程流程 b ) 反求工程流程 图1 1 正向工程与反求工程 f i g1 1f o r w a r de n g i n e e r i n ga n d r e v e r s ee n g i n e e r i n g 随着计算机技术、数控技术和激光测量技术的飞速发展，反求工程不再是对已有产 品进行简单“复制 ，其内涵与外延都发生了深刻变化，而是在理解原有模型的设计思 想的基础上，以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专 业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有的产品进行解剖、深化和再改造，进 而快速开发制造出高附加值、高技术水平的新产品，是对已有设计的设计5 1 。 大连交通大学工学硕十学位论文 技术引进在促进世界各国的科技与社会进步，促进生产力与经济的高速发展方面起 了很大的作用。但仅引进还不行，还要对引进技术进行深入的研究、吸收、消化和创新， 并在此基础上开发出新的产品，形成技术体系。引进技术中包括产品的研究开发、生产 制造、管理和市场营销等方面的内容，这些内容组成了一个完整的系统，因此，反求工 程应对整个系统进行分析和研究。基于引进技术的反求工程一般要经历以下过程： 1 ) 应用过程 在生产实践中逐步熟悉产品或设备的操作、使用与维修，使其在生产中发挥作用。 然后，再结合其软件资料，进一步了解它的结构、技术性能、技术特点，尤其是要发现 产品、设备的不足之处。 2 ) 消化过程 对引进产品、设备的设计原理、结构、材料、制造工艺、生产管理方法等进行深入 研究，用现代的设计理论、设计方法及测试手段对其性能进行计算测定，了解其材料配 方、工艺流程、技术标准、质量控制、安全保护等技术条件，特别要找出它的关键技术 及不足之处产生的根源1 6 j 。 3 ) 创新设计过程 在消化过程的基础上，再进行原理方案设计、技术设计等，但关键是要结合本国国 情，博采众家之长，有所创新，开发设计出具有本国特色的新产品，并力争达到国际先 进水平，实现技术从输入到输出的转化。 1 2 2 反求工程的研究现状 反求工程是近年来发展起来的，它是消化，吸收和提高先进技术的关键途径，其主 要目的是为了改善技术水平，缩短产品生产周期，提高生产率，增强竞争力。加工质量 和生产周期对提高产品的性能和市场的响应速度起着关键作用。世界各国在经济技术发 展中，应用反求工程消化吸收先进技术经验，给人们有益的启示。据统计，各国百分之 七十以上的技术源于国外，反求工程作为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短 百分之四十以上，极大提高了生产率。 反求工程技术是2 0 世纪8 0 年代初由美国3 m 公司、日本名古屋工业研究所和美国 u v p 公司共同提出并研制开发的技术【7 1 。在国外的研究已形成一定规模，并也具有一定 的深度。一些重要的国际与国内的学术会议都将反求工程及相关技术讨论作为一个重要 的会议专题，如g e o m e t cm o d e l i n ga n dp r o c e s s i n gs e 砒e s 、i e e e t ra n s a c t i o n so ni m a g ea n a l y s i sa n dm o d e l i n g 、s i g g r a p h 和s p i e 等会 议，著名的c a d 杂志也在1 9 9 7 年编发了一个反向工程研究专集【8 】。从重要文献和会议 6 第一章绪论 情况看，国内外己形成了一批长期从事反求工程研究的单位和个人。目前，反求工程己 发展为c a d c a m 一个相对独立的研究分支，其相关领域包括几何测量，图象处理，计 算机视觉，几何造型和数字化制造等。在国际市场上，不仅有许多反求测量设备，也出 现了多个与反求工程相关的软件系统，主要有美国i m a g e w a r e 公司产品i m a g e w a r e 软件， 英国d e l c a m 公司c o p y c a d ，m d t v 公司的s t r i ma n ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o n ，r e n i s h a w 公司的t r a c e ，一些流行的c a d c a m 集成系统中也附着类似模块，如p r o e n g i n e e r i n g 中的p r o s c a n 功能、u n i g r a h i c s 中的p o i n t c l o u d 功能、c i m a t r o n 9 9 0 中的r e v e r s e e n g i n e e r i n g 功能模块等，日本开发了m r i ( m a g n e t i c r e s o n a n c ei m a g i n i n g ) 、 c t ( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ) 重构三维实体的软件，英、法等国能将扫描数据在数控设 备上复制，美国开发了c t 可视化可转成i g e s 的软件。 在国内许多单位已做了许多研究工作，取得了许多成果。已知的较早从事反求工程 研究的单位多为高等院校。走在前列的有浙江大学、华中科技大学、天津大学、西安交 通大学、上海交通大学等，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f 9 j ；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【lo 】；浙江大学生产工程研究所的三角面片 建模【l l 】；华中科技大学开发了三维激光彩色扫描系统3 d l c s 9 5 ，1 9 9 5 年获得国家专利。 但由于总体上我国研究起步相对较晚，投入经费少，限制了高水平研究的进展，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。作为新产品开发的重要手段， 反求工程的研究正受到广泛的重视，我国己把反求工程作为国家8 6 3 高新技术项目在 c i m s 研究中的重要单元技术，进行了深入的研究。 在应用研究方面，除一些实验室的小型软件外，自主开发的商用反求软件仅有浙江 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 1 2 】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，以及反求工程的上游测 试设备和下游应用基本为国外产品，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。总 体上，反求工程的应用研究仍滞后于其理论研究，在许多方面仍有相当的不足与缺憾， 需要在此方向进行更多的研究与开发。 反求工程测量规划与重建的研究目前主要集中在两方面：一方面是实物样件表面的 数据采集技术，而另一方面是曲面造型技术。反求工程主要包括三个步骤：数据获取技 术、数据预处理、模型重建技术【1 3 1 。 7 大连交通大学工学硕士学位论文 1 2 3 反求工程的发展趋势 反求工程是一门开拓性、综合性和实用性很强的技术。面向自由曲面的反求工程虽 然在自由曲面测量规划、测点数据曲面重建、测量加工一体化技术等领域均取得较为明 显的进步，国内外己有成功的经验可以学习和借鉴。但与国外同行相比我国在机械设计 制造及其技术等各方面的差距均较大，特别是在航空、航天、汽车、家电以及电子医疗 工业等方面都存在新产品开发缓慢等问题，又由于缺乏先进的快速测量、快速成型及模 具制造技术的配合，造成开发周期长、产品质量低、市场竞争力弱等缺陷和不足。在实 际应用中，整个过程仍需大量的人工交互，操作者的经验和素质对产品的质量影响很大， 需要的投入大，因此反求工程技术依然是目前c a d c a m 领域一个十分活跃的研究方 向。正由于此，我们可以预见反求工程将在以下几个方面得到发展： 1 1 数据测量的智能化和自动化：发展面向自由曲面反求工程的专用测量系统，高 速、高精度地实现实物外形的数字化，并能根据几何外形和后续应用选择测量方式及路 径，能进行路径规划和自动测量【l4 。 2 ) 数据预处理的针对性研究：考虑到自由曲面反求工程所需测量的数据量大，对 不同的应用领域测量数据的分布差异较大，针对测量系统标定、去噪、多视拼合、缺损 修补、分块处理、实体拓扑结构识别，研究适应不同的测量方法和后续用途的离散采集 点数据预处理技术【1 5 l ；特别对于一些宽公差自由曲面零件的快速测量技术和数据处理技 术研究，以降低实现自由曲面反求的成本。 3 ) 三维曲面模型重构技术：拟合出的曲面应能控制曲面的光顺性和进行光滑拼接， 特别要考虑到物体的整体特征和几何约束，即着重研究基于整体特征及约束的复杂组合 曲面的几何重建方法【1 6 1 。 4 ) 集成化：发展基于集成化的反求工程技术，包括测量技术、基于特征和集成的 模型重建技术、基于网络的协同设计和数字化制造技术等。 1 3 课题的意义 随着我国铁路跨越式发展战略实施，铁路运输装备及技术水平将发生重大变化。为 进一步提高我国铁路综合运输能力，满足国民经济的发展需要，缩小我国货车车辆连 接技术与国外先进技术的差距，应研究开发适合中国铁路跨跃式发展需要的、具有“先 进、成熟、经济、适用、可靠”特点的车辆连接技术及产品，从而提升我国铁路货车装 备的系列化、专用化、标准化的设计技术水平及生产制造能力，达到或赶超国际先进水 平的目标。研究表明，向高速、重载和系列化、专用化、标准化方向发展已是国内外铁 路货车的发展趋势之一，而开展缩小和消除列车中自由连接间隙的新技术研究及研发相 8 第一章绪论 关产品，则是目前国际上铁路运输业提高机车车辆装备技术水平和竞争力所采取的主要 技术措施之一。因此，在继续做好车钩、牵引杆技术的完善和再创新方面研究开发工作 的同时，迫切需要借鉴美国、加拿大、澳大利亚等国家先进成熟的经验，加快车钩及牵 引杆连接技术研究及新产品的开发。 反求工程在与制造业密切相关的航空、航天、汽车、造船及模具等工业领域的研究 都取得了一定的进展，但在铁路车辆领域的研究很少，为此，某公司在2 0 0 6 年的科技 研究开发计划中委托大连交通大学进行“车钩及牵引杆的研制 ，本论文所研究的内容 正是该科研项目中关键研究技术“a l l i a n c e 车钩钩锁铁与牵引杆的几何反求研究”， a l l i a n c e 车钩属于美国专利、澳大利亚制造产品，在世界各地已有一百万个 a l l i a n c e 车钩在使用中，作为重载货车专用车钩，通过实物反求来消化、吸收、引进 a l l i a n c e 车钩，为出口货车降低了成本，从而为更加科学、全面、准确地掌握和分析 研究国外先进技术，加快车钩及牵引杆技术研究及产品开发，满足我国铁路货车技术发 展需要奠定良好的技术基础，也是本论文的研究意义。 本章小结 本章研究讨论了国内外铁路机车车辆牵引连接技术的发展及研究现状，重点研讨了 国内外高速重载列车所采用的车钩、牵引杆联接技术，分析对比了牵引杆连接技术较之 车钩连接技术在经济技术方面的优势；讨论了反求工程的含义，研究现状及发展趋势， 把反求工程技术引入到了钩锁铁及牵引杆国产化设计中，并针对国内外铁路运输及货车 技术的发展趋势，论述了开展牵引联接技术专题研究的重要性，提出了牵引杆及钩锁铁 国产化的重要意义。 9 人迕交通人学i 顿l 。位沦空 第二章零件数据获取技术研究 零件数掘获取，是指采用某种测量方法和设备测出实物吾表面的若t ：组点的j l 何坐 标，咀获得零件的儿何信息。耍实施反球工程，首先就要提取对蒙表面的二维信包，铁 耳】( 数据的质量好坏将苴接影u 目后续模型重建能否顺利进行，以及最终设计结粜的质量能 否满足技术要求。由此可见，数据秩取是反求工程的首要前提，是重构模型的重要保障。 21 样件分析 只有获得丫样件的表面维信息，卅能史眦复杂曲血的建模、评价、改进、制造， 数据获取的精度直接影响着模型巫建的精度。闻此，在样件数据采集之前有必要对零件 结构特征进彳_ i = 洋尽分析，然后根据零什的特血规划数据采集方法。 2 11 钩锁铁 钩锁铁零件的整体尺寸大概为9 7 m m 9 7 r a m 1 4 3 r a m ，零件结构小规则，局部特 征也非常多。小仅有配合面，还有空间装配位置关系，山平断和大量的曲面组成，面与 面之间互成一定的角度，这样便于钩锁铁在内腔中的安装和运动定位，因此对尺、j 、形 状及位置的测量精度均自较高要求。1 。钩打二态工作位置，钩锁铁与钩体内腔中各零什 的相对位置，保证了车钩连挂的安个性和可靠肚。所以钩锁铁在测量和建模时，要保证 形状发各个血之间相对位置精度，由于样件是浇铸咐成，局部表面的精度较低，局部光 洁度较差，这给测量干口建模带来了一定的难度。 一般选择1 件的端丽或覆盖而大的元素作为测量基准，以使被测件每个部位的测量 结果误差值受坐标系影响最小。若知道被测件的加工基准面则以其作为测量基准。根据 钩锁铁零件特征选择合适的平面作为定位平面似n 图21 所示) 。 图2 1 钩锁铁定忙图 f i g2 】o r i e n t a t i o no f l o c k 第璋零件数据获取技术研究 2 12 牵引杆 货车牵引杆可分为3 种结构形】= i = ，即端旋转端划定结构、两端固定结构及两端 旋转结构。同定端尾部采用球而结构，并存尾端侧面增加了具自自动对中功能的 _ j = 彤调 整凸肩，使牵引朴在改善车辆通过曲线能力外还且有使车钩自动复位的功能艘转端尾部 为全球面结构，可与套在其外部的旋转套一起在旋转尾框内做3 6 0 。灵活转动。根据牵 引荆的受力状况，中m 采用变截面箱形结构，这种结构刚度好，充分利用了截面面积， 使牵引牛t 的质