柱塞泵的逆向设计及运动仿真

任务书设计题目：柱塞泵逆向设计及运动仿真1设计的主要任务及目标根据柱塞泵的原始模型来进行改良，通过对产生问题的模型进行直接的修改、试验和分析。通过对柱塞泵的工作原理，调压原理，特点进行正确分析，柱塞泵主要参数进行设计，对柱塞泵的零部件结构尺寸正确计算，得到相对理想的结果，然后再根据修正后的模型通过扫描和造型等一系列方法得到最终的三维模型。2设计的基本要求和内容分析课题要求，查阅相关知识方面的论文，拟定开题报告；查找设计题目相关的资料；对设计中的主要参数进行计算；审核分析计算结果；对修正后的模型进行扫描分析；对柱塞泵进行三维建模及运动仿真并绘制柱塞泵装配图一张A2幅面，绘制组成各部件的零件图A3幅面和A4幅面，编写设计说明书一份（约40页18000字左右）3主要参考文献液压传动与气压传动、机械制造基础、优化设计、逆向工程、机械设计手册、互换性与技术测量、液压系统设计简明手册4进度安排毕业设计各阶段名称起止日期1分析题目，确定设计思路，进行开题检查2013.122014.3.142查阅资料，分析模具，进行推出机构设计2014.3.152014.4.243进行中期检查2014.4.244整理图纸，写出毕业论文2014.4.252014.5.255进行设计说明书及图纸整理，准备答辩2014.5.262014.6.10柱塞泵的逆向设计及运动仿真摘要：柱塞泵是液压系统的一个重要装置。它依靠柱塞在缸体中进行往复运动，使密封工作容腔的容积发生变化从而实现压油和吸油。但是在实际的应用当中，柱塞泵这类机械容易出现很多种复杂的问题，以其特有的形态经行着振动，可能会阻碍产品的正常运行并且伴随着震动而产生的声音污染也会损害操作者的身心健康。同时,随着科学技术的不断发展,使得产品结构越加复杂,对柱塞泵的工作性能的要求标准也越来越高,为使产品能够安全可靠地工作,就一定要保证结构系统具有良好的动态特性。于是根据原有的柱塞泵样品进行逆向设计，在逆向设计过程中对原有柱塞泵经行改良，优化结构、提升性能。关键词：柱塞泵，逆向设计，运动仿真Abstract：Pistonisanimportantmeansofhydraulicsystems.Itreliesontheplungerisreciprocatedinthecylinder,thesealingoftheworkingvolumeofthecavityischangedinordertoachieveoilpressureandoil.However,inactualimplementation,thepistonispronetosuchawidevarietyofcomplexmechanicalproblems,itsuniqueshapebythelineofvibration,mayimpedethenormaloperationoftheproductandisaccompaniedbyavibrationgeneratednoisepollutionwilldamageoperatorshealth.Meanwhile,withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,makingtheproductmixincreasinglycomplexanddemandingperformancestandardsforpistonpumpareincreasinglyhigh,sothatproductscanworksafelyandreliably,wemustensurethatthestructureofthesystemhasagooddynamiccharacteristics.Thenreversepistonpumpdesignedaccordingtotheoriginalsample,Intheprocessofreversedesignoftheoriginalpistonpumplineimprovement,optimizingstructure,improvingperformance.Keywords:pistonpump,reverseengineering,motionsimulation目录1绪论-11.1概述-11.1.1柱塞泵的概述-11.1.2逆向设计的概述-21.1.3运动仿真技术概述-51.2逆向工程研究状况-71.2.1逆向工程的由来-71.2.2逆向工程技术存在的问题-81.2.3逆向工程的发展-91.2.4逆向工程的应用-101.3课题的研究内容及研究意义-111.3.1课题的研究内容-111.3.2课题的研究意义-122逆向工程测量技术及柱塞泵测量-132.1逆向工程测量技术概述-132.2三坐标测量机概述-132.2.1三坐标测量机的原理-142.2三坐标测量机的组成-152.2.3三坐标测量机的类型-172.2.4三坐标测量机的发展趋势-172.3柱塞泵的测量-203柱塞泵的改良及运动仿真-233.1柱塞泵的工作原理-233.2柱塞泵模型的工作原理及其缺陷-233.3柱塞泵的改良-243.3.1柱塞泵进出口压力系数的计算-263.3.2柱塞泵进出口压力的计算-283.3.3柱塞泵柱塞压应力校核-283.4柱塞泵的运动仿真-29结论-32参考文献-33致谢-3401绪论1.1概述1.1.1柱塞泵的概述液压传动作为一种现代化的传动方式,由于具备功率密度高,配置灵活,结构小巧，组装方便,可靠耐用等一系列特点,已成功地运用于一切需要中等以上功率输出,且需求对运动过程进行灵活调节和控制的地方,是现代化传动与控制的关键技术之一1。液压泵是液压传动系统的动力元件,按照结构形式可以分为叶片泵、齿轮泵和柱塞泵等系列。近年来,由于容积式液压传动的高压化趋势,使柱塞泵尤其是对于轴向柱塞泵的采用日益广泛。轴向柱塞泵主要有结构紧凑,单位功率体积小,压力高，重量轻,变量机构布置方便,寿命长等优点,但是不足之处也很明显：对油液污染敏感,滤油精度的要求高,成本高等2。柱塞泵柱塞往复运动的总行程L是不变的，由凸轮的升程决定。柱塞每循环的供油量的大小决定于供油行程,供油行程不受到凸轮轴的控制所以是可变的。供油最初时是不会随着供油行程的变化而变化。转动柱塞可改变供油终了时刻，从而改变了供油量。柱塞泵工作时，在喷油泵凸轮轴上的凸轮与柱塞弹簧共同的作用下，迫使柱塞作上、下往复运动，从而完成泵油任务。如下图1.1为本设计中的原始柱塞泵模型图：图1.1柱塞泵11.1.2逆向设计的概述逆向工程也称反求工程或反向工程，是根据已存在的产品或零件原型构造产品或零件的工程设计模型，并在此基础上对已有的产品进行剖析、理解和改进，是对已有设计的再设计。在国内很多领悟都涉及到了逆向设计，并且被很多人所钟爱着，被认为是历史上的一次重大的概念发展。从广义讲，逆向工程可分以下三类3：（1）实物逆向：它是在已有产品实物的条件下，通过测绘和分折，从而再创造；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质等多方面的逆向。实物逆向的对象可以是整机、零部件和组件。（2）软件逆向：产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件逆向有三类：既有实物，又有全套技术软件；只有实物而无技术软件；没有实物，仅有全套或部分技术软件。（3）影像逆向：设计者既无产品实物，也无技术软件，仅有产品的图片、广告介绍或参观后的印象等，设计者要通过这些影像资料去构思、设计产品，该种逆向称为影像逆向。在本设计中，由于有实物模型柱塞泵存在，所以用的是实物逆向，当然，目前国内主要的研究方向也是侧重于实物逆向。而逆向工程与顺向工程如下图1.2所示：图1.2逆向工程与顺向工程图逆向工程也可以定义为将实物工件转化为图形CAD模型，从而根据CAD模型制造出同种类新产品的相关数字化技术和几何模型重建技术的总称，逆向工程的系统结构图如下图1.3所示：2图1.3逆向工程系统图逆向工程过程中有三个技术难关，即下面三个：（1）逆向工程数据测量技术数据测量是通过特定的测量设备和测量方法获取产品表面离散点的几何坐标数据，将产品的几何形状数字化。其测量原理是：将被测产品放置于三坐标测量的测量空间内，可以获得被测产品上各个测量点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其它几何量数据。高效、高精度地获取产品的数字化信息是实现逆向工程的基础和关键。（2）逆向工程数据处理技术数据处理是逆向工程的一项重要的技术环节，它决定了后续CAD模型重建过程能否方便、准确地进行。根据测量点的数量，测量数据可以分为一般数据点和海量数据点；根据测量数据的规整性，测量数据又可以分为散乱数据点和规矩数据点；不同的测量系统所得到的测量数据的格式是不一致的，且几乎所有的测量方式和测量系统都不可避免地存在误差。因此，在利用测量数据进行CAD重建前必须对测量数据进行处理。数据处理工作主要包括：数据格式的转化、多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云分块等。每个CAD/CAM系统都有自己的数据格式，目前流行的CAD/CAM软件的产品数据结构和格式各不相同，不仅影响了设计和制造之间的数据传输和程序衔接，而且直接影响了CMM与CAD/CAM系统的数据通讯。目前通行的办法是利用几种主要的数据交换标准（IGES、STEP、AutoCAD的DXF等）来实现数据通讯。在逆向工程实际的过程中，由于坐标测量都有自己的测量范围，因此无论我们采用什么测量方法，都很难在同一坐标系下将产品的几何数据一次完全测出。产品的数字化不能在同一坐标系下完成，而在模型重建的时候又必须将这些不同坐标下的数据统一到一个坐标系里，这个数据处理过程就是多视数据定位对3齐（多视点云的拼合）。多视数据的对齐主要可以分为两种：通过专用的测量软件装置实现测量数据的直接对齐；事后数据处理对齐。采用事后数据处理对齐又可以分为：对数据的直接对齐和基于图形的对齐。对数据的直接对齐研究研究中，出现了多种算法，如ICP算法；四元数法；SVD法；基于三个基准点的对齐方法等。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。其中高斯滤波能较好地保持原数据的形貌，中值滤波消除数据毛刺的效果较好。因此在选用时应该根据数据质量和建模方法灵活选择滤波算法。运用点云数据进行造型处理的过程中，由于海量数据点的存在，使存储和处理这些点云数据成了不可突破的瓶颈。实际上并不是所有的数据点都对模型的重建起作用，因此，可以在保证一定的精度的前提下减少数据量，对点云数据进行精简。目前采用的方法有：利用均匀网格减少数据的方法；利用减少多变形三角形达到减少数据点的方法；利用误差带减少多面体数据点的方法。数据分割是根据组成实物外形曲面的子曲面的类型，将属于同一曲面类型的数据成组，划分为不同的数据域，为后续的模型重建提供方便。数据分割方法可以分为基于测量的分割和自动分割两种方法。目前的分割方法有：基于参数二次曲面逼近的数据分割方法；散乱数据点的自动分割方法；基于CT技术的数据分割方法。（3）逆向模型重建技术在整个逆向工程中，产品的三位几何模型CAD重建是最关键、最复杂的环节。因为只有获得了产品的CAD模型我们才能够在此基础上进行后续产品的加工制造、快速成型制造、虚拟仿真制造和进行产品的再设计等。在进行模型重建之前，设计者不仅需要了解产品的几何特征和数据的特点等前期信息，而且需要了解结构分析、加工制作模具、快速成型等后续应用问题。目前使用的造型方法主要有：曲线拟合造型用一个多项式的函数通过插值去逼近原始的数据，最终得到足够光滑的曲面。曲线是构成曲面的基础，在逆向工程中常用的模型重建方法为，首先将数据点通过插值或逼近拟合成样条曲线，然后采用造型软件完成曲面片的重构造型。优点是原理比较简单，只要多项式的次数足够高就可以得到满意的曲面，但也容易造成计算的不稳定，同时边界的处理能力也比较差，一般用于拟合比较简4单的曲面。曲面片直接拟合造型该方法直接对测量数据点进行曲面片拟合，获得曲面片经过过渡、混合、连接形成最终的曲面模型。曲面拟合造型既可以处理有序点，也可以处理散乱数据点。算法有：基于有序点的B样条曲面插值；B样条曲面插值；对任意测量点的B样条曲面逼近。点数据网格化网络化实体模型通常是将数据点连接成三角面片，形成多面体实体模型。目前已经形成两种简化方法：基于给定数据点在保证初始几何形状的基础上，反复排除节点和面片，构建新的三角形，最终达到指定的节点数；寻找具有最小的节点和面片的最小多面体。1.1.3运动仿真技术概述4-7在机械设计领域，其设计工程主要阶段可以分为原理方案设计、运动学分析、静力学或动力学分析、方案及系统优化、强度分析计算和结构设计等阶段。而传统的设计方法是可以通过理论分析计算实现，但是大多数情况下，我们为了避免不必要的复杂的理论分析计算，通常会在机械设计过程中采用经验法、类比法或试凑法等一系列方法，但是这样不但会降低工作效率，还会延长工作周期，并且更容易导致设计结果不准确，很难得到满意的结果，同样也缺乏科学的理论根据。科学技术的飞速发展和学科的相互交叉极大地促进了机械设计行业的发展和进步，设计的自动化和高效化已然成为今后发展的必然趋势。伴随着机械产品性能的要求而不断提高和计算机技术的广泛使用，作为机械设计强大支撑技术之一的运动仿真技术越来越受到机械设计人员的重视和亲睐。仿真技术综合集成了计算机、网络技术、图形图像技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础,以计算机和各种物理效应设备为工具,利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。机械运动仿真技术是一种建立在机械动力学理论、系统动力学和计算机实用5技术基础上的新技术，涉及到建模、运动机构、运动学、机构学和动力学等方面内容，主要是利用计算机来模拟机械系统在真实环境下的运动和动力特性，并根据机械设计要求和仿真结果，修改设计参数直至满足机械性能指标要求或对整个机械系统进行优化的过程。如下图1.3就是运动仿真步骤示意图。通过机械系统的运动仿真，不但可以对整个机械系统进行运动模拟，以验证设计方案是否正确合理，运动和力学性能参数是否满足设计要求，运动机构是否发生干涉等还可以及时发现设计中可能存在的问题，并通过不断改进和完善，严格保证设计阶段的质量，缩短了机械产品的研制周期，提高了设计成功率，从而不断提高产品在市场中的竞争力。因此，机械运动仿真当前已经成为机械系统运动学和动力学等方面研究的一种重要手段和方法，并在交通、国防、航空航天以及教学等领域都得到了非常广泛的应用。机械系统的运动仿真可以采用VB、OpenGL、3Dmax、VC等语言编程实现，也可以使用具有运动仿真功能的机械设计软件（如ADMAS、Pro/E、EUCLID、UG、Solidworks、SolidEdge等）实现，而且，随着计算机软件功能的不断强大和完善，用软件进行运动仿真是一种省时、省力而用高效的方法，也是机械运动仿真发展趋势。根据不同的情形使用不同的软件总体方案设计零部件及运动仿真模型建立运动环境设置运动仿真分析分析结果输出系统方案的构思、原理设计、评价与决策零部件的建模、装配关系的确定和运动副的定义力（包括重力、弹簧力和阻尼力）或扭矩的施加、初始条件定义等分析类型（如运动学、动力学、静力分析等）的定义运动模拟的实现、运动特性曲线（如位移、速度、加速度等）的可视化、干涉检验及参数跟踪测量图1.3机械运动仿真步步骤示意图6对运动物体进行仿真，从而在电脑上体现三维的物体运动，宏观上观察物体的运动规律。本设计中准备使用Pro/E软件进行运动仿真。1.2逆向工程研究状况1.2.1逆向工程的由来人类一直从事设计，为了生存与适应环境，人类制造了各种各样的工具及人工制品。设计，是人类社会最基本的一种生产实际活动，他是创造精神财富与物质文明的重要环节。随着社会的法杖与进步，人们喜欢新奇核对客观世界评价标准不断变化的特征表现的越来越明显，已有的工具机及人工制品要不断改善，新的设想、构思及产品要不断出现8。现代社会随着经济与科技的发展，产品越来越复杂，很多产品由于成千上万个零部件组成，产品的设计与制造也分开化。即先完成产品设计，然后再制造产品、很多产品，其设计周期远大于其制造周期。如汽车产品，一款新型的汽车的设计也许要几年的时间，但采用先进的网络集成制造系统，制造业徐只需要几个小时。所以，在这个产品竞争日趋激烈的年代，为了生存与发展，生产企业必要快速、已适中的成、高质量及良好的售后服务来推出新产品。比如说：接口设计。由于互操作性，逆向工程被用来找出系统之间的协作协议；军事或商业机密。窃取敌人或竞争对手的最新研究或产品原型；改善文档。当原有的文档有不充分处，又当系统被更新而原设计人员不在时，逆向工程被用来获取所需数据，以补充说明或了解系统的最新状态；软件升级或更新。出于功能、合规、安全等需求更改，逆向工程被用来了解现有或遗留软件系统，以评估更新或移植系统所需的工作；制造没有许可/未授权的副本；学术/学习目的；去除复制保护和伪装的登录权限；文件丢失：采取逆向工程的情况往往是在某一个特殊设备的文件已经丢失了（或者根本就没有），同时又找不到工程的负责人。完整的系统时常需要基于陈旧的系统上进行再设计，这就意味着想要集成原有的功能进行项目的唯一方法，便是采用逆向工程的方法，分析已有的碎片进行再设计；产品分析：用于调查产品的运作方式，部件构成，估计预算，识别潜在的侵权行为。因此，逆向工程思想走进了大门。7逆向工程的思想最初是来自于从油泥模型到产品实物的设计过程。逆向工程技术最开始的时候是20世纪80年代初分别由美国3M公司、美国UVP公司以及日本名古屋工业研究所提出来的，在进入20世纪90年代以来，逆向工程就被放在大幅度缩短产品开发周期和增强企业竞争的主要位置上。它指的是针对已有产品原型，消化吸收和挖掘其中的涉及产品设计，制造和管理等各个方面的一系列分析方法、手段和技术的综合。它以产品原型、实物、软件或影响作为研究对象，应用系统工程学、产品设计方法学和计算机辅助技术的理论和方法，探索并掌握产品全生命周期设计、制造和管理的关键技术，今儿开发出同类的或更先进的产品9。目前在全世界都得到了广泛的应用。1.2.2逆向工程技术存在的问题经过近20年的亚牛，基于计算机辅助技术的实物逆向工程的技术方法，流程已实用化，并在产品开发中取得广泛的应用，对应用逆向工程的各个流程，也已形成有专业生产商和软件开发商。但逆向工程技术仍在发展当中，仍存在许多问题有待解决。目前逆向工程的研究正受到广泛的重视。是CAD/CAE研究的热点，一些重要的国际和国内的学术会议都将逆向工程及相关技术讨论作为一个重要的会议专题。国内外已形成一批长期从事逆向工程研究的单位和个人。综合起来，逆向工程技术的研究和应用仍存在下列问题：（1）技术方面对实物外形的测量仍存在误差和遗漏。测量过程仍是一种无指导下的行为，基于实物几何特点进行路径规划，达到最划路径仍是寻求的目标。复杂曲面重建技术，尤其是由多个子曲面拼合而成的组合曲面，由于其表面特征识别的难度增大。影响了后续的数据分割和造型处理。尽管三角曲面差值是解决异形曲面（边界畸异、内部特征畸异）的有效方法，但三角曲面模型和四边曲面模型兼容问题仍有待完善。曲面光顺和模型评价。曲面光顺仍是针对去面片，没有一个整点曲面光顺的方法，虽然在目前的CAD系统中，都具有调整曲面的控制顶点的曲面修形的功能，但却是一项最难操纵的技术，因为无法控制曲面的光顺，大多数场合，调整后的曲面外观品质反而更差。另外，曲面光顺和精度保证仍是一对对立的矛盾。在模型精度评价方面，依靠最下距离进行模型评价是一种8简单方法，但不是一种最好的方法。CAD软件。尽管现在已有多种专用的逆向设计软件进入市场，但目前软件的数据处理技术、造型技术仍不完善，可以这么说，仍没有一种令操作者得心应手的软件，模型质量的高低仍直接受操作者的经验、水平的影响。集成系统。专用逆向软件和其他计算机辅助技术的结合已受到重视，我们也高兴看到一些国际著名的CAD软件公司开发了与自己的CAD平台集成的专用逆向软件（模块）。但是不同系统的数据传输仍需要采取通用数据格式的方式：在数字化设备与造型软件的集成上，目前进展甚微。（2）工具方面首先要有足够的资金选配出合适的逆向工程设备，包括硬件和软件。对具体的流程，多数企业和研究单位只能选配一种方式的设备和软件，如选择接触测量或非接触测量、某种CAD系统软件等，由于不同的测量方式和设备包括软件都有其特点和不足，适用于不同的应用的范围，使技术的通用性受到一定限制、应针对产品特点来造型。（3）人员方面逆向工程技术的应用仍是一项专业性很强的工作，各个过程都需要由专业的人才，需要经验丰富的工程师，特别是对三维模型重建人员有更高的要求，除需了解产品特点、制造方法和熟练使用CAD软件、你想造型软件外，另一方面应熟悉上游的测量设备，甚至必须参与测量过程，以了解数据特点，还应了解下游的制造过程，包括制造设备和制造方法等。1.2.3逆向工程的发展目前基于实物的逆向工程应用最广的还是进行产品复制和仿制，尤其是外观设计产品，因为不涉及到复杂的动力学分析、材料、加工热处理等技术难题，相对容易实现。目前基于CAD/CAM系统的数字扫描技术为实物逆向工程提供了有力的支持，在进行数字化扫描、完成实物的3D重建后，通过NC加工就能快速的制造出模具，最终注塑得到所需的产品。这个过程已成为我国沿海地区许多家用电器、玩具、摩托车等产品企业的产品开发及生产模式，但多数是复制和仿制国外的产品，工业产品设计需要Copy，这不等于简单的照抄和照搬。中国将成为世界工厂，这已是许多经济学家的共识，但这些产品中，绝大部9分没有我们自己的品牌，也没有自己的只是产权，这也是一个不争的事实。中国是一个制造大国，能够制造出很多高质量的机电产品，但在这些产品中鲜有自己的技术。实事求是地说，我们在相当长的时期里还不具备创新能力。在这个阶段更多的是学习和模仿。积累自己的经验，为今后的创新打下坚实的基础。作为一种新产品开发和消化、吸收先进技术的重要手段，逆向工程的研究真受到各国工业和学术界的高度重视。一些重要的国际和国内的学术会议都将逆向工程机相关技术讨论作为一个中国要的会议专题，如GeometricModelingandProcessingSeries、IEEETransactionsonImageAnalysisandModeling、SIGGRAPH和SPIE等会议。著名的CAD杂志也在1997年编发了一个逆向工程的研究专集。从只要文献和会议情况看，国内外已形成了一批长期从事逆向工程研究的单位和个人，发表的文章也逐年递增，其研究方向已成为计算机辅助几何设计（CAGD）、CAD/CAE等的一个相对独立和活跃的研究分支。战后日本通过仿制美国及欧洲的产品，在采取各种手段获取先进的技术和引进技术的消化、吸收的基础上，建立了自己的产品创新设计体系，是经济迅速崛起，成为仅次于美国的制造大国。德国在1998年提出：“德国不能采用产品降价的办法来提高竞争力，而是要通过持续性地创新出其他国家没有的产品来提高竞争力。”因此通过逆向工程，在消化、吸收先进技术的基础上，建立和掌握自己的产品开发技术设计，进行产品的创新设计，即在copy的基础上进行改进和创新，这是提升我国制造业创业的必由之路。实际上任何产品问世，不管是创新、改进还是仿制，都蕴涵着对已有科学、技术的继承和应用借鉴，逆向工程通过重构产品零件的CAD模型，可对原型进行修改和再设计，这位产品的在设计以及创新设计提供了数字原型，各种先进的计算机辅助技术手段也为此提供了强有力的支持。市场全球化使国家、企业面临的竞争越来越激烈，如何更快、更好的发展科技和经济，世界各国都在研究对策，充分利用别国的科技成就加以消化吸收与创新，进而发展自己的技术已成为普遍的手段。事实证明，技术引进是吸收国外先进技术，促使名族经济高速度增长的战略措施。据有关统计表明，各国百分之七十以上的技术都是来自于国外，要掌握这些技术，正常的途径都是通过10逆向工程。1.2.4逆向工程的应用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，还存在许多实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，最终可通过运动逆向工程技术将这些比例模型用数字模型表达，通过比例运算得到美观的真实尺寸的CAD模型。（3）由于各种相关学科发展水平的限制，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，在再次制造该模具时可运用这一模型生成加工程序，就可大大减少修模量，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/CAE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，这是为了能利用CAD/CAE技术来加工模具，就可大大减少修模量，提高模具生产效率，降低模具制造成本。（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、价值制造。（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象为：通过逆向工程，可以方便的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。111.3课题的研究内容及研究意义1.3.1课题的研究内容根据柱塞泵的原始的模型来进行改良，通过对有问题的部分模型去进行直接的修改、试验和分析。通过对柱塞泵的工作原理，特点，调压原理进行正确的分析，以及对柱塞泵主要参数进行设计，还有柱塞泵的零部件结构尺寸正确计算，得到相对理想的结果，然后根据修正后的模型通过扫描和造型等一系列方法得到最终的三维模型。1.3.2课题的研究意义逆向工程作为对已有产品实物模型进行数据测量、拟合、分析、改进设计，是实现新产品开发的最佳手段之一10。通过对原有的柱塞泵模型进行逆向设计所得到的产品模型，由于是有实际的模型参与各种试验因此得到的结果相对于概念化推算和电脑虚拟模拟更接近真实，所以能迅速找到并确定产品的正确形态缩短产品开发周期，也提高了产品的可靠性。对该产品所在的企业增强市场竞争有着十分重大的意义。本章主要对柱塞泵，逆向设计，运动仿真进行详细的描述，进而深入了解逆向设计以及运动仿真在现代科技中的使用及地位。并简要说明本课题的研究意义。122逆向工程测量技术及柱塞泵测量2.1逆向工程测量技术概述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。因此高效、高精度的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，接触式包括基本力变形原理的数据发、光干涉法，、结构光学法、图像分析法等。这一系列方法都是逆向工程中常用的方法。另外，随着工业CT技术的发展，断层件扫描技术也在逆向工程取得了应用。在接触和非接触测量中，三坐标测量机（CMM）是广泛采用的一种测量设备。在很多领域都在使用，使用逆向工程有很多好处，节省时间的同时也可以对其三维模型进行分析和处理，在人工作用的基础上，从而进行一系列的改良，下面就介绍一下三坐标测量机。2.2三坐标测量机概述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，但是都不是特别精确，如果用高度尺和量规等通用量具在平板上测量，以及采用专用量规、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攻击按长度的测量，即是单坐标测量机，仅能进行一维测量，后来出现的万能显微镜具有X与Y两个坐标方向移动的工作台，可测量平面上各点的坐标位置，即为二维测量，也成为二坐标测量机。因此，如果具备X/Y/Z方向运动导轨，就可测出空间范围内各测点的坐标位置。基于这一种原因，在保证能方便快捷而不失准确性的前提下，一种新型的机器理论慢慢成型。所以，三坐标测量机就这样诞生了。下图2.1为三坐标测量机：13图2.1三坐标测量机三坐标测量机是20世纪60年代发涨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、形状及相互位置进行检测。此外，还可以用于划线、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。2.2.1三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测量机的测量空间，可获得被测物体上测点的坐标位置，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。在三坐标测量机装置分度头、回转台后，系统具备了极坐标系测量功能，这种具有X/Y/Z/C四轴的坐标测量机称为四坐标测量机。按照回转轴的数目，也可由无坐标或六坐标测量机。142.2三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值（标尺），利用导轨实现沿相应方向的运动，还需要三维侧头对被测量进行测量和瞄准。此外，测量机还具备数据自动化处理和自动监测等功能，需要有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、侧头、电气系统三大部分。（1）主机三坐标测量级的主机结构如图2.2图2.2主机结构图框架结构：指测量机的主体机械结构架子。踏实工作台、立柱、桥框、壳体等机械结构的集合体。标尺结构：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，分流器等启动装置。驱动装置：实现机动和程序控制私服运动功能。有丝杠丝母、滚动轮、钢丝、齿形带、齿轮齿条、光轴滚动轮、伺服马达等组成。平衡部件：主要用于Z轴框架中，用以平衡Z轴的重量，使Z轴上下运15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）三维侧头三维侧头即是三维测量传感器，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。主要有硬侧头、电器侧头、光学侧头等。侧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侧头和用于扫描的瞄准式侧头、测微式侧头等。侧头如下图2.3所示：图2.3侧头（3）电气系统电气控制系统：是测量机的电器控制部分，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。测量及软件：包括控制软件与数据处理软件。可进行坐标变换与侧头校正，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。162.2.3三坐标测量机的类型（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，一般采用手动测量。代小型计算机的测量机：由计算机可进行诸如共建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，通过计算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：代小型计算机的测量机的测量过程依然是手动或机动的，计算机数字控制（CNC）型可按照编制好的程序自动进行测量。可分为标志好的程序对已加工好的零件进行自动监测，并可自动打印出实际值和理论值之间的误差以及超差值和可按实物测量结果编程，与数控中心配套使用，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小型坐标测量机：主要用于测量小型精密的工具、模具、刀具与集成线路板等，测量精度高，测量范围，一般是X轴方向相遇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。显示大型测量机：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在大体上可以这样划分：低精度测量级的单轴最大测量不确定度大体在110-4L左右，而空间最大测量不确定度分别约为110-5L和（2-3）10-5L；精密度的则分别小雨110-6L和（2-3）10-6L。2.2.4三坐标测量机的发展趋势三坐标测量机子开发以来，至今已约有30年。在此期间，他与计算机技术的发张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17前国内外三坐标测量及发展状况和科技、生产对三坐标测量及提出的要求看，在今后一段时期内，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显著提高，这种要求更趋强烈。要提高精度由许多问题需要解决，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项正交的三轴组成笛卡尔坐标系的模式。与多轴自动化机床相似，正确的选择测量及工作的模式（立式或卧式）是十分重要的。一般来说，在测量小型工件时，使用高柔性卧式主轴最为有利。为实现更高精度的测量精度，在中等规格尺寸测量机领域中，国外最新的三坐标测量及均采用了单一的桥式结构。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（计算技术空化）从最近国外推出的产品来看，测量技术控系统有明显的两极发展趋势：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（DirectlyComputerControl）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侧头的连续仿形测量，应用与评定曲面形状、派出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。从原理上说只要侧头能探及，三坐标测量机就能测量。三坐标测量级的测量效率也首先取决于探测速度。为了完善测量及功能，还必须发展各种附件。三坐标测量机除了机械本体外，侧头是测量及达到高精度的关键，也是坐标测量机的核心，与其他各项技术指标相比，提高侧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侧头三维电感侧头取得专利已有近20年历史，但至今改进不大。由于非接触侧头局有许多优点，探测技术发展的第一个重要趋势是非接触侧头将得到广泛的应用。十分重要的是，在非电子工业中有许多二维图案，如大规模集成电路掩模，他们是用接触侧头无法测量的。近年来国外光学三坐标测量及发展十分迅速，18光学三坐标测量及的核心就是非接触测量。、（4）采用新材料，运动新技术近年来，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。铝合金特别适用于制造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，但简单热变形比较同意补偿。它耐磨性差，可在其表面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。还有一些材料将在制作一些有特殊要求的测量及部件中得到应用，例如，在超高精度的三坐标测量机中，采用零膨胀系数的微晶玻璃制造一些关键部件：利用膨胀系数小、具有高的弹性模量与密度小的碳化纤维制造探针与接长杆的等。其他一些新技术，例如磁悬浮技术也会在测量机及其侧头中获得应用。（5）测量软件测量机的功能主要有软件决定。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、控制软件等。从每一类软件的内容看，也越来越丰富。可以说测量及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，大致的测出共建形状，然后在此基础上实现自动编程。确定测量策略包括几面的选择，测量项目和采样点的安排等。配置的选择，包括侧头的选择，附件如接长杆、回转体与侧墙的选择，分度台的选用等。这里还包括工件安放位置的自动识别，否则就无法实现无碰撞的二两路径规划。19按测量任务对测量机进行优化。智能测量机能够按照测量任务，提示工件最佳安装位置，针对被测参数进行优化。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使测量机无法正常工作的故障，而且还包括出现其他一些不正常现象，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。系统能更具CAD设计图形文件IGES提取测量信息、测量件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，完成零件在测量集中的位姿测量，并在此基础上建立零件坐标系。（6）使用现场化迄今为止，三坐标测量机只是在某些特定的环境条件（温度、粉尘、振动等）下使用，但是随着其有效性广泛为人们所认识，将会越来越要求在加工现场使用，或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。自动生产线街拍的告诉花灯，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，将越来越多的用于生产线，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。万能型，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、CAE软件，实现逆向工程。2.3柱塞泵的测量用三坐标测量机对柱塞泵进行测量。测量过程如下：首先打开起源（0.4MPA），然后在开三坐标测量机控制柜，最后打开测量软20件。开机后，先按照有关提示，将三坐标测