毕业设计——鞋楦测量装置.doc

鞋楦测量装置的设计 40摘 要本文研究了一种对三维曲面的测量方法，即用螺旋测量法，并根据此原理设计了一台鞋楦三维测量装置，实现了对鞋楦三维模型的连续测量。在测量过程中通过步进电机带动钳状支承轴的旋转完成鞋楦的转动，并通过同步带轮带动丝杠横向水平运动，控制系统采用工控机、PCL-839步进电机控制卡对步进电机进行控制。探讨了步进运动控制卡、激光传感器、数据采集卡和数据库应用技术。关键词：鞋楦，三维测量，控制系统ABSTRACTIn this paper, a three-dimensional surface measurement method, which uses helical measurement and design in accordance with the principle of a shoe last of three-dimensional measuring devices to achieve a three-dimensional model of shoe last for a continuous measurement. In the measurement process through the stepper motor driven clamp-like support to complete the rotation axis of the rotating shoe last, and lead screw driven through the belt round the level of horizontal movement, use of stepper motion control card, laser sensors, data acquisition card and database applications technology, successfully complete the acquisition of the shoe last data Envelope. The use of IPC, PCL-839 stepper motor control card to control the stepper motor.Key words: shoelast, measurement, control sysytem目 录1 绪论-11.1课题的选题背景-11.2 课题研究的主要内容-21.3 国内外鞋楦CAD技术的发展概况-31.4课题选题意义-52 技术方案分析-62.1鞋楦的三维测量及测量机的结构分析-62.2鞋楦的三维造型研究-72.3鞋楦的模型修改-83鞋楦三维模型测量技术研究-103.1鞋楦的三维测量及测量机的结构分析-103.2鞋楦测量机构的设计-133.3鞋楦数据测量-154鞋楦测量装置的设计-244.1夹紧部分-244.2传动部分-254.3测量部分-305控制系统的设计-345.1工控机的选择-345.2步进电机驱动器的选择-345.3驱动卡的选择-355.4编辑程序-35参考文献-36致谢-371 绪论1.1 课题的选题背景鞋楦是皮鞋设计和制造过程中不可取代的重要模具，是制鞋的基础。皮鞋款式，品种的变化直接依赖于鞋楦的造型设计。用造型优美的鞋楦制造的皮鞋穿着起来即舒适又美观，既能美化人们的生活，又能增强市场竞争力。鞋的的花色品种和款式的翻新也是基于鞋楦来设计的。在经济高速发展的同时，人们对皮鞋的样式品种的更新越来越高。因此，提高鞋楦的设计和生成技术水平，是我国制鞋业的发展具有十分重要的推动作用。 在传统制鞋业中，鞋楦是刻楦工按鞋楦的几个特征值或样楦手工反复修改制作而成的，同时由于鞋楦的CAD/CAM技术的发展相对落后，不但母楦制造周期长，而且精度差，质量不稳定。而且在制造过程中主要是采用仿形加工。这种加工工艺不但制造周期长，而且精度差，质量不稳定。特别是精度的要求达不到设计的要求，其可加工的规格完全取决于母楦的规格，而且放大缩小的灵活性较差。对于批量生产每台刻楦机都需要有一套母楦，由于母楦的差异，将导致各台刻楦机加工的产品统一性较差。由于鞋楦的CAD/CAM技术的发展相对落后，长期以来，它们成为整个鞋业发展的重要制约因素。而现代国际上先进的制模机虽然可以制造出样式复杂的模型，但是制作一个母楦高昂的造价和漫长的时间显然不适于制鞋业样式品种多、更新快这一特点。加入WTO后，从制鞋业庞大的市场出发，刻楦系统的CAD/CAM的研制具有较好的社会、经济效益。 在皮鞋设计过程中引入CAD技术，已成为国内外制鞋行业关注和研究的课题。在国外一些先进国家采用计算机辅助设计系统，总结传统的制鞋经验、方法、工艺，进行帮样、检型等设计系统，使传统的制鞋业发生了深刻的变化，CAD/CAM技术在国外出现于60年代，近几十年来得到迅猛发展。目前，在发达国家己经形成丁关于制鞋CAD技术的研究、开发、制造、销售以及咨询服务的新产业。自从1976年欧美第一台制鞋CAD系统问世以来，到1981年发展到三家鞋厂采用，而到1986年竞达50多家企业采用制鞋CAD系统，其普及率达40%，用电脑控制的绷帮、上底等CAM系统己遍及世界各地鞋厂。 随着改革开放的日益深入， 我国己逐渐成为世界土最大的鞋业生产国及出日国。 但是，我国的制鞋业和一些鞋业发达的国家和地区相比，有成鞋档次低、质量不过硬、花色品种少等一系列问题。另一方面，由于现在鞋的设计与生产周期越来越短，面临这些综合的、多变的技术要求，我国传统的设计与生产手段显然已无法胜任。因此，从关键工艺入手，用先进的CAD/CAM技术武装我国的制鞋业，提高设计生产的质量和速度，缩小产品的更新换代周期，使我国制鞋业对内加快传统产业改造，适应国内市场的变化要求，对外参与国际 竞争， 增强 产品的出口创汇能力等诸多方面都有十分重要的现实意义。在国内将CAD/CAM用于制鞋业的研究不多，研究具有自主知识产权的实用型皮鞋鞋楦CAD/CAM系统更少。而且，目前针对皮鞋的CAD/CAM技术往往是各自封闭孤立的，各系统之间不能实现数据的传递，妨碍了其实际应用与推广。 本课题就是在这样一个形势之下，结合NC、虚拟仿真、数据处理等技术，对鞋楦实现三维面型测量以及CAD应用。从制鞋业庞大的市场出发，刻楦CAD系统相关技术具有较好的社会、经济效益;从科学研究的发展角度出发，研制较为鞋楦的CAD系统将是一个极富挑战性的课题。1.2 课题研究的主要内容本课题是鞋楦CAD/CAM系统的前期研究。主要是对鞋楦在计算机上实现数字化描述，并能对其进行适当的整体缩放和局部修改，便于为下一步数控加工做准备。本课题综合使用机电一体化技术、机械设计、数控技术、数学建模、虚拟仿真技术及VC编程等方面的知识，对鞋楦数控加工控制系统原理进行综合的开发研究。 传统的产品开发流程是一种预定的顺序模式，即从市场需求抽象出产品的功能描述（规格及预期指标），然后进行概念设计，在此基础上进行总体设计和详细的零部件设计，制定工艺流程，设计工装夹具。完成加工及装配，通过检验及性能测试，这种开发模式的前提是己完成了产品的蓝图设计或其CAD造型。 然而在很多场合下产品的初始信息状态不是CAD模型，而是各种形式的物理模型或实物样件。若要进行仿制或再设计，必须对实物进行三级数字化处理，数字化手段包括传统测绘和各种先进测量方法，将获得的三维离散数据作为初始素材，借助专用的曲面处理软件和CAD/CAM系统构造实物的CAD模型，输出NC加工指令或用STL文件驱动CNC或用快速成型机制造出产品或原型，这一产品开发模式即为逆向工程。逆向工程亦称为反求工程，简称RE ( Reverse Engineering ) 。逆向工程的体系结构，它由三维离散数据获取技术、三维重构和快速制造三部分组成本课题研究中就不包括下图中的数控加工部分。长期以来，由于鞋楦的CAD/CAM技术的发展相对落后。因而严重地制约了整个制鞋业的发展。目前，虽然国内外都在大力开展制鞋CAD/CAM技术的研究，但从制鞋设计和生产的总体要求上看，尚没有一个从鞋楦测量到鞋帮、鞋楦设计和加工全过程的较为完整的CAD/CAM系统；鉴于此，首先开展皮鞋鞋楦CAD技术的研究很有必要。传统的鞋楦都是在手工制作的母楦的基础上采用靠模的方法加工出来。研制鞋楦的CAD系统，首先要能对鞋楦的三维外形进行测量。然后在计算机上能实现对鞋楦模型的数字化表示。本课题针对鞋楦的这一产品要求批量大，价格低，外形复杂的特点着手研究，主要包括以下的几个方面的内容：(1）如何测量鞋楦 鞋楦外形复杂，是由三维异形曲面构成。采用何种方式测量才在既能在既能满足精度，又能快速经济的采集所需的数据点。如果用激光式三座标测量机测量的话，反射角变化大，对精度有很大影响影响。当激光束与表面法线重合时，传感器的精度将超过接触式测头的精度。但由于鞋楦的被测表面变化复杂，散射光含有正反射成分且被测表面倾斜引起接收光功率的质心偏移，激光位移传感器的精度随着入射角（激光束与被测点法线的 夹角）的增大而降低，甚至导致测量失效。 基于传统三角法的激光位移传感器存在测量盲区，改善这类传感器的途径有两个：一是革新传感器结构，二是维持传感器的光轴与被测表面法线重合。这两种办法对测量鞋楦而言，都不太现实。如果用接触式三座标测量机则因为形状复杂，需采点数较多耗时太长，而且更重要的是费用太高，采用在鞋楦技术上不现实。研究一种合理的测量方式，设计一个有效的测量装置就是首先要解决的问题。直接测量鞋楦表面数据点的方法时间长，难度大不可取。间接测量是个不错的方法，只是测量后的数据要进行处理还原之后才能得到所需的楦型数据。(2）鞋楦测量机构的设计本课题拟采用一种圆盘形的测头，接触式测量，使用激光位移传感器通过测量位移相对变化值得到鞋楦的表面数据。用步进电机带动整个系统。如果用电机控制整个系统联动，并与能与激光传感器的数据采集向协调，最重要的是还要考虑如何能保证测量的精度问题。这需要综合考虑机械结构的设计精度，传感器的测量精度，电机的控制精度，还有测量方法的合理性问题。1.3 国内外鞋楦CAD技术的发展概况计算机对统制造产业的渗透，完全改变了制造业。在自动化高度发展的年代，刻楦技术应当以数控技术为基础，整合CAD/CAM系统技术，形成新的鞋楦自动数控加工工艺在皮鞋设计过程中引入CAD/CAM技术，已成为国内外制鞋行业关注和研究的课题。1.3.1 国内外鞋楦技术的发展现状 随着六十年代“计算机图形学”的出现，实体造型中诸如边界计算、曲面表小、布尔运算等关键技术的相继解决，能够较真实地表示三维物体的三维实体模型开始应用。许多具有三维实体造型功能的CAD系统陆续问世。给传统的生产方式，从设计到制造，乃至经营管理都带来了巨大的冲击。利用三维实体产品模型，设计者在设计产品时，不需要将维物体进行投影，想象各种角度的视图，用多个剖面表示内容结构，用多个视图解释投影的二义性。而可以直接在计算机上构造三维物体，并赋以质量、颜色等特性，并从任意角度观察物体。随着参数化特征造型技术的发展，设计人员还可以在零件上构造具有加工工艺特征结构，修改原先设计的尺寸，使零件的形态按要求进行变化。新的设计手段大大方便了设计人员。一方面他们可以构造任意复杂的零件表面形状和内部结构，而需考虑如何表达它们的二维投影；另一方面他们可以把头脑中的设计灵感直接映射到计算机构成的三维空间中，而无需经过二维平面手段作为媒介。 在国外，一些先进国家采用计算机辅助设计系统，总结传统的制鞋经验、方法、工艺，进行帮样、 楦型等设计， 使传统的制鞋业发生了 深刻的变化， CAD/CAM技术在国外出现厂60年代，近三四十年来得到迅猛发展。目前，在发达国家已经形成丁关于制鞋CAD技术的研究、开发、制造、销售以及咨询服务的新产业。自从 1976年欧美第一台制鞋CAD系统问世以来，到1981年发展到三家鞋厂采用，而到1986年竞达50多家企业采用制料CAD系统，其普及率达40%，用电脑控制的绷帮、上底等CAM系统己遍及世界各地鞋厂。随着改革开放的日益深入，我国己逐渐成为世界上最大的鞋业生产国及出口国。但是，我国的制鞋业和一些鞋业发达的国家和地区相比，有成鞋档次低、质量不过硬、花色品种少等一系列问题。另一方面，由于现在鞋的设计与生产周期越来越短，面临这些综合的、多变的技术要求，我国传统的设计与生产手段显然已无法胜任。因此，从关键工艺入手，用先进的CAD /CAM技术武装我国的制鞋业，提高设计生产的质量和速度，缩小产品的更新换代周期，使我国制鞋业对内加快传统产业改造，适应国内市场的变化要求，对外参与国际竞争，增强产品的出口创汇能力等诸多方面都有十分重要的现实意义。1.3.2 国内外鞋楦技术的发展趋势 60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，CAM及CAE均无法实现。 进入70年代，正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。此间飞机及汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图、特征纬线的方式来近似表达所设计的自由曲面。由于三视图方法表达的不完整性，经常发生设计完成后，制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况。设计者对自己设计的曲面形状能否满足要求也无法保证，所以还经常按比例制作油泥模型，作为设计评审或方案比较的依据。既慢且繁的制作过程大大拖延产了产品的研发时间，要求更新设计手段的呼声越来越高。 此时法国人提出了贝赛尔（Bezier）算法，使得人们在用计算机处理曲线及曲面问题时变得可以操作，同时也使得法国的达索飞机制造公司的开发者们，能在二维绘图系统CAD/CAM的基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统CATIA 。它的出现， 标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图 纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得CAM技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统CATIA为人类带来了第一次CAD技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后的工作方式。 计算机辅助设计和辅助制造自70年代中期逐步进入制鞋业。若干发达国家如加拿大，意大利， 德国的制鞋公司竞相配备了CAD和CAM系统。 这类系统所包括的帮样设计、 样片分解、样片扩缩、样底设计、优化排料等功能向传统的各项工艺发出了挑战，不论是在提高款式设计质量，还是加快花样翻新速度，或是在降低成本方面都表现出不可比拟的优越性。日常生活中人人都需要穿鞋，随着生活水平的提高以及个性化穿鞋的要求，人们对鞋的款式和质量提出了更高的要求，而鞋的款式和质量在很大程度上依赖于制鞋用的鞋楦。国内外都在研究把CAD/CAM技术应用于制鞋业中，国外己经研制出了一些技术上比较成熟的产品，如美国的“脚型测量及制鞋的集成系统”，德国的“数控刻楦机”等。但也存在需要改进和完善的地方，如设计效率较低、刻楦质量不太高、数控刻楦机噪音大、CAM算法复杂。因此，研制实用化的、能满足市场需求的数控刻楦机及其CAD/CAM系统是非常必要的。不仅可以生产出高精度、质量稳定的鞋楦，缩短设计和生产周期，使我国真正具备快速设计生产高质量单双鞋的能力，而且该技术和系统可推广应用于其它领域生产异形复杂零件。基于国内外研究数控刻楦机及其CAM系统的经验，鞋楦数控加工算法是其研究的难点和重点。1.4 课题研究意义 制鞋业是我国重要的出口行业，在国民经济发展中发挥着重要作用。鞋楦是制鞋过程中必不可少的重要模具，鞋的款式和品种的变化直接依托于鞋楦的造型设计。传统的制鞋业主要采用以手工制作母楦，再配合“靠模”的方式仿形加工鞋楦。 这样不但生产周期长，而且加工精度低，质量不稳定，尤其是鞋楦的级放精度难以保证。这些因素，严重制约着我国制鞋水平的提高以及制鞋业的发展。 随着数控技术的发展，国外已有大公司开发了鞋楦曲面的重构建模、数字化级放，以及数控加工的整套技术，并开始应用于实际生产.它大大地缩短了生产周期，提高了生产效率和产品质量。我国加入WTO以后，面对更加激烈的市场竞争，必须开发有自主产权的鞋楦曲面数字化建模、数字化级放以及自动生成数控加工程序的软硬件系统，为实现鞋楦的完全CAD/CAM奠定基础。其中CAD软件系统的核心内容，包括检测采样数据预处理、曲面数字化模型重构、数字化级放以等。传统儿何模型的建立是基于产品或构件的功能和外形，由设计师在 CAD软件中构造的，这即为正向工程。但在汽车、飞机、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。它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塑料、泥制模型进行数字化。鞋楦的制造过程大多属于逆向工程的范畴.母楦实物由设计师制作完成，通过测量机对母楦进行检测采样，再经一系列数据处理，最终完成鞋楦模型重构。 在本课题中,综合使用机电一体化技术、机械设计、激光测量、数控技术、VC 编程、数据库、计算机资维空间建模技术等方面的知识。本课题将研究其中的一些关键技术，即在检测过程中采样数据预处理的方法及步骤，以及如何实现数据还原、图型显示、图形捕捉、 数据特征识别、图型修改等一系列功能。2 技术方案分析本课题研究的主要从以下几个方面方面综合考虑：一，鞋楦的测量，包括采用何种测量原理，设计什么样的测量仪器，如何才能保证测量精度，要求测量方法即简单有效，又经济实用；二，鞋楦的三维造型如何实现，怎么样在计算机上方便的美观的显示出鞋楦的真实感模型；三，对鞋楦的模型如何才能进行编辑修改，如何构建数学模型，如何满足鞋楦模型的缩放标准。2.1 鞋楦的三维测量及测量机的结构分析 三维面形的测量方法多种多样。国外有采用三坐标测量机对鞋楦测量，但是这种仪器是高精度通用设备，价格昂贵，操作复杂，且测量速度极慢。虽然有采用激光非接触式测量，速度较快，但是由于鞋楦面形复杂，激光的反射情况变化大，对测量精度会有较大的影响。这对鞋楦制造业来说都不太现实。而国内长期以来只能凭借常规楦型检验工具（如划盘针、布带尺、前挠测量器和三脚平行规等）对主要部位进行测量。这种方法效率低下，而且对测量人的经验和熟练程度要求比较高，难以保证精度。 鞋楦是一个由不规则的复杂的空间曲面所组成的闭合曲而体，其形状不能由初等解析函数来表示。也无法用简单的机构三视图来表示。通常鞋楦的三维造型有两种方法：第一种为平行平面法，如图2-1(a)所示，以楦体的前后两个端点A和B的连线为轴线，建立以A为坐标原点的右向坐标系，则AB的长度为鞋杭全长，设AB=L。然后我们可以用一个和轴线AB垂直以d 为间距的平面由B 至A顺序递进切割楦体，得到一系列与鞋楦外轮廓表面相交的闭合曲线，称其为U线，并依次设为U0，U1，U2， ，Un 其中n 表示截面数，且有， 表示取整。一般情况下由于L都不可能整除d，所以切割完以后必定存在一个小于d的余量，设其为，则。然后，再用一个以AB为轴线的半平面，从过Y轴正向半平面位置开始以间隔角度逆时针顺序切割楦体表面，从而又得到一系列与鞋楦表面相交的以A、B为轴端点的曲线，称其为V线，并依次设为V0，V1，V2，Vm-1，m为总线段数，它与的关系为：。图 2-1 离散造型法示意图这样，鞋楦表面即可看作由U线（横向）和V线（纵向）相交所形成的网络片状小曲面所组成。由于在计算机中采用极坐标非常简便，可以把许多复杂问题简化，所以我们利用它们每个交点的极坐标来描述整个鞋楦三位轮廓。设任意一个交点的极半径为：i=0，1，2，n-1代表U线序号，j=0，1，2，m-1代表V线序号。只要选取能准确逼近鞋楦表面的离散精度，即确定合适的d和，整个楦体表面就可以用共计nm个点的极坐标来近似描述。因此，描述鞋楦轮廓的离散数据特征如下：鞋楦按横的间距d沿中心轴共分为n圈，每圈有m个数据点，数据采用极坐标形式，沿逆时针方向每转动360/m度存取一个点的极半径。另一个方法是如图2-1(b)所示，采用螺旋线式测量的方法采集鞋楦的表面数据，与方法一大同小异只是采集数据的点数密度要稍微大了一点，但是对于接触式测量法可实现连续测量，而由此测量原理制造的鞋楦造价低且速度快。其原理是对固定螺旋测量的导程d，并以AB轴为轴线，在楦体周向每隔一定的角度采集一个数据点，这样便可确定螺旋线上任意两个周前后角度相对应的点都在一个平面上。最后采用与图a相同的连线方式，同样能表达出鞋楦模型。本课题采用的是螺旋线式测量原理，并根据此原理设计一台鞋楦测量机构。该测量机构是接触式测量法，可实现对空间三维曲面体进行连续测量。在与鞋楦接触的是个盘型接触头，此测头可以做上下方向的自由移动，在测头上方安装了一个位移传感器，当测量仪器开始转动时，测头沿着鞋楦滚动，位移传感器即时的记录下测头的位移数据。此数据实际上是盘型测头圆心的点位移。因此还要对此数据进行转化才能得到测头与鞋楦的实际接触点的信息。2.2 鞋楦的三维造型研究鞋楦的数据采集之后，要在计算机上生成鞋楦的三维真实感图形。一般图形显示可采用以下两种办法：一种是充分利用已有的通用CAD平台系统进行二次开发。这样做可以节省大量的人力、物力和财力。但其缺点也是显而易见的，譬如：(1) 由于CAD平台本身的数据结构不对用户开放，难以与自主开发的软件相融合；(2) 程序员要对CAD平台有相当的了解，但一般软件商都不会提供CAD系统源代码这样给二次开发编制程序带来相当大的麻烦；(3) 如要在商业软件上进行开发，将涉及版权纠纷；另一种办法就是直接从底层开发。这样做显然避免了上述缺点，但需要投入相当大的人力、财力，甚至事倍功半，造成资源浪费。随着计算机技术及软件开发技术的进步，尤其是OpenGL的广泛应用、为可视化编程、绘制具有真实感的3D图形，提供了极大的便利、极大地减轻了软件开发工作量，缩短了软件开发周期。目前快速成型技术已经稳步进入了商品化进程、广大用户在要求快速成型系统具有更高的精度、更快的速度、更稳定的性能和更便宜的价格的同时。也要求系统本是具有漂亮的外观以及友好而丰富的软件界面。用户在进行三维CAD造型时，对CAD系统彩色清晰的三维显示效果已经产生了强烈的印象。通常希望在原型制造过程中也能够看到同样真实的零件图形，这就对三维原型的可视化提出了一定的要求。美观而真实的三维模型显示功能，必将提高快速成型商品的生命力和竞争力。计算机图形学的发展使得三维表现技术日臻完善，人们已经能够在一定程度上再现现实世界的三维物体。在计算机中显示三维物体的大致过程如图2-2所示，主要由一系列三维坐标变换功能来实现。这是一个相当复杂、费时的过程。图 2-2 三维图形显示流程2.3 鞋楦的模型修改 在计算机动画何几何造型中，几何形状的修改是一个重要的研究课题。一般来说在图形显示的基础上使用样条曲线变换的方法进行修改。而OpenGL技术在图像的交互性上功能不强，要实现的图形的实时修改，其交互性的实现举足轻重。因为不能实现交互性，就无法捕捉点位，那么如何修改就无从谈起了。我们采用一种非实时交互的办法，一定程度上实现了的点位捕捉，及线段捕捉和面型捕捉等。 对于鞋楦的尺码型号，国家有相应的标准，当定位到鞋楦不同的部位时，对其修改要调用不同的数学模型。鞋楦是鞋的母体。是鞋的成型模具。鞋楦不仅决定鞋造型和式样，更决定着鞋是否合脚，能否起到保护脚的作用。因此，鞋楦设计修改虽然必须以脚型为基础，但又不能与脚型一样，因为脚在静止和运动状态下，其形状、尺寸、应力等都有变化，加上鞋的品种、式样、加工工艺，原辅材料性能，穿着环境和条件也不同，鞋楦的造型和各部位尺寸不可能与脚型完全一样。因此，现代鞋楦设计牵连多种学科 。本课题在鞋楦模型的修改方面不作进一步地研究。3 鞋楦三维模型测量技术研究 三维物体的表面轮廓测量，即三维面形测量，在机器视觉、产品外观质量检测，自动加工，实物仿型，制鞋工业，服装工业等领域具有重要意义和广阔的应用前景。在制鞋工业生产中，无论是新设计的母样，还是大批生产的鞋楦，都必须对其楦身各特征部位的尺寸及外形进行测量检验。特别是近年发展起来的制CAD/CAM更需要整个鞋楦的三维面形数据。由于楦体形状比较复杂，很难检验其全部尺寸和外形。国内长期以来凭借常规楦形检验工具（如划盘针、布带尺、前跷测量器和三脚平行规等）对主要部位进行测量，至于鞋楦其余部位和形状，仅能凭经验和眼力来鉴别。这种状况给制鞋CAD/CAM的应用造成困难，严重影响了制鞋工业的发展。国外虽然采用了三坐标测量机对鞋楦进行测量，但这种仪器是高精度通用设备，价格昂贵;操作相对复杂，且测量速度慢。计算机辅助设计（CAD）辅助制造（CAM）自进入制鞋工业，无论是在提高款式设计质量，还是加快花样翻新速度，或是在降低生产成本方面，都表现出不可比规的优越性。3.1鞋楦表面测量原理 数据采集方法根据测量方式的不同可分为接触式测量和非接触式测量两大类。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点的坐标位置，可以细分为点触发式和连续式数据采集方法。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换为样件表面的坐标点。接触式测量与非接触式测量相比虽然效率较低，但由于其测量精度和智能化程度高、设备价格低，被广泛应用于制造业的CAD/CAM.。鞋楦的表面因为其形状为自由曲面，曲面之间没有深的凹坑，可以利用接触式测量方法来测量。本文中我们采用了固定式盘形测头对鞋楦进行连续式测量。该测量仪器由工作台、激光传感器、步进控制系统、工控机等组成。 激光测距仪通过数据采集卡与电脑相连，在测量过程中对采集的数据进行实时存储。3.1.1 平面测量原理示意下面根据如图3-1所示，来说明测量原理。先以测量一个圆和一个矩形平面来说明它的测量原理。在测量圆时，圆a绕旋转中心O旋转，一厚度为1mm测头在O点的垂直上方绕其旋转中心旋转的同时随滑杆平动。当被测轮廓与O点的距离发生变化，则圆盘的中心会垂直上下运动。我们将记录两个数据：1. 盘形测头中心到O点的距离；2. 物体转过的角度。这些数据会由数据采集卡记录到计算机中进行处理。同样方法可测图3-1的矩形。我们根据测得的数据得到曲线b，通过计算机程序的一系列算法处理就可得到被测物体的实际外形曲线a 。图3-1 平面测量原理图 此方法也适用与测量一般性的表面特征平滑变化的曲面，只需要合理的调整盘形测头的半径就可以了。下面我们通过一个一般物体的外形测量具体说明该种测量方法的一般测量原理。如图3-2所示，盘形测头中心C沿OO上下运动。在测量中我们测得的是圆盘中心C 到旋转中心的距离OC和自测量起物体转过的角度(以弧度表示)。在图中，C点是测量点， 用数据(r ,) 来表示; d 点是实际需要的点， 也是测量时圆盘与物体轮廓相切的点；L1是测量得到的一系列C点形成的集合，可用一系列的点(r ,)来描述， 例如我们对一个平面测量360个点，我们就用这360个离散数据(r ,)来描述L1线；L2是我们测量的物体的外形，也是一系列d点的集合。如何从c点得到d点是另一需要研究的问题。简要的讲就是求L1线在c点的法线cd，然后把c点坐标在法线方向减去一个圆盘半径r，本文不作更详细地解释。图3-2 一般轮廓的测量方法3.1.2 鞋楦表面立体测量原理在平面测量原理的基础上，即可研究立体的测量机。如图3-3所示，如果对空间模型在其纵向取n个测量面的话，即对测量二维坐标( r, )再加上一个纵向坐标成为( r , , z )。其采集数据的模式如图3-3(a)所示，但是这种方法也有缺陷，对于模型周向，在盘形测头大小设置合理的情况下，可以顺利的测完一周；但是当要测量另一周的数据时，一是因为测量的曲面模型复杂，二是因为测头的形状限制了测头在纵向的移动，所以必须要再设计一个抬起机构， 这样会既增加造价，又降低测量速度。在本课题中，我们选用了第二种方法进行测量即螺旋测量法。就本课题而言，螺旋测量法比平行平面测量法稍有优势。因为要描述一个完整的鞋楦，需要多达十几万的数据。一圈的数据至少为360个，每圈的间隔要在2mm左右。如果采用平行平面法，步进电机需频繁的启动、停止，在这过程中不可避免的会影响数据采集的精度。而采用螺旋法测量鞋楦数据失真的可能性很小，因为螺旋法测量中，鞋楦的转动与带动滑块运动的丝杠是一联动机构，这样就有效防止因步进电机的失步而带来的误差，而且因为可以实现连续测量，大大的提高的数据采集的速度。因此我们在即如图3-3(b)所示的螺旋线式采集方法，同样是只是对每一个点增加一个纵向的坐标( r , , z )。(a) (b)图3-3 两种测量方法示意图 根据螺旋线测量方式的原理，设计了一个测量机，其工作原理如图3-4 所示。 其工作情况是这个这个样子：步进电机带动转轴，鞋楦跟着转动，上方的丝杠由传动带根据设定的传动比带动滑块做轴向进给运动。令母楦绕轴做匀速圆周运动，仪器上方同位移传感器相连的盘形探测头始终于母楦接触。这样当母楦转动的时候，盘形测头在丝杠的带动下，一方面沿着母楦做上下移动，另一方面做轴向进给。位移传感器同时根据程序的设定，实时的记录下测量数值。最终的数据，在空间上肯定是个类螺旋线式排列的数据模型。1-鞋楦 2-步进电机 3-同步带 4-位移传感器 5-滑块 6-盘形触头图3-4 立体数据采集示意图3.2鞋楦测量机构的设计 测量系统原理图如图3-4所示，其工作原理为:鞋楦装置在由步进电机带动的转轴上，称其为Z向。Z向的轴通过顶针带动鞋楦旋转，测杆在Z轴方向作上下移动，而盘形测量头在重力作用下始终与鞋楦的表面保持接触，并由楦体的转动带动测头做上下一维自由运动，在测头的滑杆上端有一个激光测距仪，实时的记录下测头在X方向的坐标。测头除了在X方向上自由运动外，还在丝杆的带动下按照设定的速度做Z向的平动。这样，测量头在整个测量过程的相对鞋楦的运动轨迹为一螺旋线，该螺旋线由一个旋转轴和两个直线运动轴联动形成。在整个过程中盘形测头一直压在鞋楦表面，激光测距仪采集的X轴上的数据为柱面坐标的半径r ，鞋楦每转动的度数记录为，在Z轴方向上的坐标记为z 。从测量开始至结束的整个过程中，系统通过数据采集卡以鞋楦每转动一度的采集速度同步记录这三个坐标值，即(r , , z)，并保存在ACCESS数据库文件中。 在测量鞋楦过程中，鞋楦是夹紧在测量机上的，同时鞋楦应能随着轴的转动而转动。基于这两方面的因素，我们设计了机构来实现上述两个基本功能。通过连轴器与减速器相连的一个钳状支撑轴，把鞋楦卡住，以使之可以带动鞋楦转动。右图为楦体另端顶尖，其可以随着鞋楦同时转动。两个顶锥分别完成转动和夹紧功能。顶锥1通过连轴器与减速器的输出轴连在一起，它与减速器的输出轴以同样速度旋转。顶锥2是固定不动的，它的顶锥是圆锥形的，顶住鞋楦。松紧度的调整是通过顶锥2螺纹来实现的。顶锥安装座通过内六角螺栓安装在支座上，顶锥安装座上有内螺纹，顶锥2上有外螺纹。通过旋转顶锥2即可夹紧鞋楦。 在测量圆盘安装座上方装有传感器，传感器的主体与滑块固定在一起，主体不可在竖直方向移动，但其触头是可伸缩的，它固定在安装测量圆盘的平台上，传感器的电信号随传感器感应到的位移量变化而变化。圆盘触头直径的大小要适中，过大或过小都会不能准确的测量鞋楦外形。圆盘触头向上运动的动力是触头与被测物体之间的压力，在图上该压力为F，真正起作用的是F向上的分力F1。如果圆盘触头的直径过小，圆盘与被测物体的接触点则可能出现在圆盘的上方一点，这样就有可能是F1过小，会出现死点，导致圆盘不能被向上抬起，被测物体将被卡住，不能够旋转。如果圆盘触头的半径较大，则可能出现与被测物体有两个接触点的现象。为了避免这两种情况的出现，我们选择了半径为50mm的圆盘触头。图 3-5 盘形测头外形分析3.3 鞋楦数据测量本节我们介绍鞋楦测量方法的具体实现。包括如何运动控制卡的驱动、控制、运动模式的选择，还有激光传感器的驱动，采用频率，输出模式，以及选用的数据存储技术等等。对于一个自动测量系统而言，首先，功能的实现是第一位的，要能实现数据的采集；其次，要能包装采集的精度；最后在以上两点都保证的情况下，尽量缩短数据采集的时间，即保证采集高速。3.3.1 测量系统介绍本课题所研究的鞋楦测量系统包括以下几个方面：1、鞋楦测量机；2、激光式位移 传感器；3、步进电机控制卡；4、工控机等。该系统控制流程图如图3-6所示。鞋楦测量机是根据靠模仿形的原理自主研制而成，只不过其功能是为了实现数据采集。因为是一台原理机，主要是为了试验，在保证功能的前提下，其结构和材料尽量简单经济。传感器选用的是激光测量传感器，此传感器的特点是精度高，速度快，价格昂贵。事实上对鞋楦而言只要精度能保证在0.5mm就能满足要求，而采用激光传感器有大材小用的之嫌。在采用激光传感器之前考虑使用电容式位移传感器，但是那款传感器反应速度很慢，每采集一个数据不得不人为地在程序中对电机设置500ms的等待延时。除此以外，采集的信号干扰大，数据抖动严重。对与试验机而言，尽可能采用现已具备的条件用精度高速度快的设备和仪器，取得高精度的数据，便于实验分析。待正式产业化时，再综合从经济适用性和功能可行性的角度选用合适的仪器和设备。程序中对数据的存储采用微软的ADO技术。这个技术目前支持最广的数据库接口技术，为今后功能的扩展提供便利。图3-6 鞋楦测量系统控制图 系统工作是通过工控机编程传输信号给运动控制卡，控制卡把控制信号传给驱动器，驱动器发出控制指令带动步进电机进行运动，整个鞋楦测量机便运作起来。与此同时发启动信号给激光传感器，使激光传感器的控制程序同运动控制卡协同工作，实时的读取测量机的信号，然后用与之配套的数据采集卡读取激光传感器采集的数据，存入到数据库中。3.3.2 步进电机控制卡介绍 PCL839是研华公司出产的3轴PCI总线运动控制卡。可以提供1至3轴的高性能控制，其步进速度可达16Kbps。此卡用户界面友好，可以很方便的用来对步进电机进行控制应用。它有三颗只能芯片，可对三个步进电机进行独立或同时控制。支持直接存取控制寄存器，可以直接访问卡上控制器的寄存器。每轴可接5个数字量输入，用于连接限位开关，板卡上CPU能自动监测这些开关并对信号进行响应，无需占用PC机的资源。IO端子板带有光隔离保护，更具安全性。 研华公司还提供许多运动控制软件工具，使用户可很快和有效的解决复杂的多轴运动控制问题。首先有几个功能丰富使用简便的程序可让用户无需编写任何程序即可操作步进系统，也可帮助用户轻易地熟悉PCL839板的软硬件功能。其次软件方面，研华公司还提供几个内容全面，功能强大的C函数运动库和Windows动态链接库支持Microsoft C/C+ Turbo C/C+和Visual Basic等语言编程，以满足不同的应用需要。用户只需根据控制系统的要求，编制人机界面并调用PCL839运动函数库中的指令函数，就可以开发出既满足要求又成本低廉的多轴运动控制系统。 在机电一体化系统开发中，控制系统的开发是最费时费力的。研华控制板和控制软件使开发工作变得既容易又省时。客户只需找一台普通PC机，编写一个界面程序，并与研华提供的运动函数库连接，便有了自己的控制系统。研华的运动函数库内容丰富，调用简单。利用研华控制卡自带的函数库，我们在VC开发平台下可以很轻易地编程对步进电机实现控制。下面程序的功能是点击run按钮，控制卡向电机发脉冲，让步进电机正向运转400步。程序中所用到的函数都是控制卡自带的函数，我们只需调用它就能实现这些功能。这个程序中用到的函数相当简单，对于复杂的控制要求，我们可以调用不同的函数来实现其功能。图3-7 步进电机控制卡结构示意图3.3.3 激光传感器及数据采集卡介绍 本文采用的是OPTONCDT1800的激光位移传感器和IF2004数据采集卡，都是德国米依公司的产品，特点是精度高，性能好。OPTONCDT1800是一种带微处理的光电位移传感器，适合于测量非常广泛材料表面位移。它按照三角反射原理工作。用激光二极管，将一束可见光投影到被测体表面，在其表面形成一个光点，这个光点通过光接收系统在一个与位置敏感的CCD元件上成像。测量值在控制器里被数据处理，以模拟或数字方式输出。这个控制器能够通过功能键，自动调零、自动对中。在该测量系统中，我们要测量的是鞋楦的旋转中心到圆盘触头中心之间的长度。 IF2004数据采集卡，是米依公司出产激光位移传感器相配套的，具有两通道的高速采集卡。作为制鞋业来说，因为数量多，产量大，鞋楦的加工和数据采集的专用设备，要实现尽可能的快，精度要尽可能的高。IF2004在测量头高速采集，控制器快速处理的同时，可以很好的与之配合通过程序设定快速而准确完成数据传递。3.3.4 鞋楦数据测量系统软件的开发 本文测量系统软件的是在WINDOWS操作系统平台下，利用VC开发的基于MFC技术的对话框软件。使用MFC开发，使窗口式程序的创建很直观，大大削减了创建窗口程序必须编写的代码的数量。它还保留了C+中所常见的所有优点，如继承和封装。而且，一般的工控板卡和数据采集卡等针对VC提供的驱动程序和应用函数更为丰富，并且通用性强，使用灵活，并且还有强大的数据库支持功能。当数据采集之后，还需使用OpenGL技术进行三维显示，针对与此VC也是一个良好的软件平台。在主程序