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工程项目设计实例
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  中国南车维修电工技师培训 传感器应用技术 主讲:刘红兵 2019/10/19 1 工程项目设计实例 ——鞋楦机的数字化逆向制造 逆向制造或逆向工程 (Reverse engineering,RE),是对产品设计过程的一种描述。 正向工程就是先设计图样,然后按图样加工出 产品实物,而逆向工程是按照现有实物模型, 通过三维扫描等方法,进行逆向软件处理和 CAD重新建模的过程。 一、项目综述 近十年来,中国制鞋业在全球制鞋业中一跃升为全球 最大的鞋类生产国和出口国,这就对制作鞋子的模型— —鞋楦的制造提出了更高的要求。 传统鞋楦机加工多采用机械靠模仿形加工的原理方法, 效率较低,而且较难建立有关鞋楦形状和尺寸等方面的 计算机数据,母楦实物的存放还要占用大量空间。 目前已研制出各种数控鞋楦机,它首先采用数字化逆 向制造技术,对母楦模型进行三维扫描后,形成母楦数 据文件,然后再经过数据处理软件,对母楦数据进行旋 转、缩放、样条插值和表面光顺等数学处理,就可以形 成各种尺码的鞋楦加工数据文件,送到数控刻楦机中加 工。 三维数据测量方法分类 . 项目主要技术指标 系统响应速度:X轴仿形轮不丢点 最高扫描速度45r/min X轴分辨力:0.005mm,换算为 角编码器的分辨力:0.03? C轴角分辨力:优于0.036° 鞋楦截面数据点数:1000~2000点/圈 每双鞋楦数据量:4MB (当鞋楦长270mm,加工螺距1.6mm时) 测量加工 极限:最大旋转直径 φ220mm,最大测量长度450mm 鞋楦简介 鞋楦是各种鞋设计和制造的依托,是鞋的母 体,是制鞋过程中不可缺少的重要模具。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。由于鞋和服装一样是 一种时尚 产品,更新快,花样变化大,产量大, 导致鞋楦市场需求量也很大。 鞋楦的特点 鞋楦的表面是由复杂的自 由曲线曲面组成的形体, 其外形轮廓不能由初等解 析曲面表达,也不能用一 般的三视图有效地加以描 述。 鞋楦长度方向断面图 鞋楦的两个横向截面图 鞋楦的手工测绘 二、逆向设计步骤 1.确定数控鞋楦机的数字逆向制造流程图 Z轴为鞋楦的长度直线位移轴; X轴为鞋楦的高度直线位移轴; C轴为鞋楦的横截面角坐标轴。 总体设计方案 用鞋楦顶叉顶住鞋楦,在C轴伺服电动机带动下,以恒 定的转速绕Z轴(鞋楦的长度方向)旋转,可以由C轴角 编码器测得旋转的角度。仿形轮依靠外界弹簧压力,紧靠 在鞋楦表面,鞋楦的高度变化引起仿形轮中心和鞋楦旋转 中心之间的相对位移(X轴位移),仿形轮和测臂带动光 电编码器来回振动,从而测得测臂的角位移,然后再经数 学转换获得X轴位移。鞋楦每转过一圈,与C轴联动的丝 杆-螺母传动系统就驱动溜板沿Z方向移动一个“行距”, 行距的大小可通过人机界面由操作人员设定。这样就得 到一个由X、C、Z组成的螺旋柱面极坐标系鞋楦三维立 体数据,为CAM(计算机辅助制造)提供了加工数据. 鞋楦数字化成套设备框图 鞋楦数控成套设备由: 鞋楦数字化扫描测量机、CAD/CAM软件、 和数字化加工机三大部分组成。 鞋楦测量机 (测量楦面三 位数据和前翘 、后跟高等楦 型数据) 管 CAD软件包 理 软 CAM软件包 件 包 数控刻楦机 由逆时针弹簧使测量测轮压住鞋楦。 光电编码扫描机的结构 1-Z向丝杠 2-传动螺母 3-溜板 4-鞋楦 5-仿形轮 6-丝杆轴承支撑 7-鞋楦顶叉(由C轴伺服电动机驱动) 8-测臂 9-X轴角编码器 2. 位移传感器的选型 X轴和Z轴位移传感器可以采用数字式传感器。由于C 轴角位移和Z轴直线位移的关系是由伺服电动机旋转产 生的,由计算机主动给出步进脉冲,也可以不设置测量 C轴的角位移传感器。只测量Z轴的位移量。 光栅读数头和磁栅磁头的密封圈摩擦阻力均较大, 所以只能适应较慢的扫描速度。 光电角编码器轴承的摩擦力较小,所以适合较高的 测量速度,但角位移转换成直线位移时存在一定误差, 等效后的直线分辨率不高。此外还可使用摩擦力小的反 射式钢带光栅,能兼顾速度与准确度的要求。 可以使用两个光电角编码器,分别测量Z轴和X轴的 位移。X轴角编码器的壳体与溜板支架固定在一起,仿 形轮的角位移通过测臂带动角编码器的转轴. 角编码器的选取 角编码器有绝对式和增量式之分。当鞋楦的高 度突变时,增量式角编码器易产生“失码”现象, 而且较难避免产生累计误差。本项目选用绝对式 角编码器,它的码道数必须大于或等于14位,才 能达到0.03?的分辨力(360?/212)的项目指标。 选用的 角编码 器的特 性参数 型号 位数 分辨力 最大误差 外尺寸/mm 输出轴尺寸/mm 重量/g 允许转速/r·min_1 电源电压/V 光源 输出信号 使用温度 工作环境 相对湿度/(%) 振动/g 冲击/g E1050-14 14 80 ±100 φ50×40 φ6×12 250 200 DC12(±5%),5(±5%) 红外LED 格雷码,TTL电平 -40~+55℃ 相对湿度95 (35℃时) 6 50 如果系统的测量速度较慢,X轴的位移也可以 用直线磁栅传感器来测量,可避免运算误差。直 线磁栅传感器安装在仿形轮支架的侧面。 1-鞋楦 2-鞋楦顶叉 3-靠轮 4-仿形轮支架 导轨 5-仿形轮支架 6-磁栅传感器 读数头 7-磁栅尺 8-鞋楦顶尖 角编码器、直线磁栅传感器及变送器的外形 a)角编码器及变送器的外形 b)直线磁栅传感器及变送器的外形 用直线μm 气缸顶住测量轮 测量导轨 选用磁栅传感器的特性参数 型号 刻线 分辨力/μm 最大误差/μm 全长/mm 有效长度L/mm 最大行程/mm 最大响应速度/m·min_1 激励源 脉冲/mm 移动寿命/km 电缆最大长度/m XCCB 20 0.5 ±(5+5L/1000) L+143 100~900 L+22mm 60 10kHz 20(TTL电平) 9000 30 数控鞋楦机的系统框图 1-Z轴平移工作台 2-滚珠螺母 3-滚珠丝杠 高速鞋楦扫描机结构 采取卧式和轻量化结构 +X +C 伺服电机 仿形轮 +Z 鞋楦高速扫描机对数控系统的要求 不丢点扫描速度须达:35 ~45 r/min 以30r/min速度扫描一双100mm高筒鞋楦为例, 仿形轮的周边瞬时速度须达到70 m/min,采样周 期为0.2ms,X轴传感器分辨力为5μm时,信号脉 冲频率达到2MHz。 如采用WINDOWS NT等软实时操作系统,配 以光栅/编码器采集卡,容易造成“丢点”。 鞋楦数控加工机对数控系统的要求(续) (1)高速大数据量处理和传输能力: 传统数控的插补周期均在10ms左右,每段轮 廓由已知数学曲线表达,程序中含起点、终点、 圆心坐标等信息,由系统根据数学方程自动进行 数据“密化”,即插补。由于鞋楦是自由曲线曲 面,无法用数学公式表达,导致数据量很大。以 鞋楦截面一圈取1000点表达截面轮廓曲线r/min,每点的三维数据处理时间只有 1ms。若为270mm的长鞋楦,加工螺距为1.6mm 时,总数据量达到4MB。 2)要求高速三坐标联动插补能力:在三轴联动 插补时,合成进给速度矢量达到40万脉冲/秒以上. 鞋楦数字化成套设备的开放式数控系统 鞋楦测量原理和坐标系的设定 在测量中,鞋楦 绕着Z轴旋转,仿 形轮测量头靠弹簧 压力紧靠在鞋楦表 面,并沿着Z轴正 方移动,移动的距 离与鞋楦的转数成 严格的比例关系。 X C 0 力 测轮中心点 运动方向 Z 鞋楦高速数据扫描示意图 即:鞋楦每转过一圈。测量头沿+Z向的移动一定的 距离。这样就形成了一个螺旋柱面极坐标系,按数控系 统确立坐标系。 利用测控软件,实时记录下该螺旋柱面上鞋楦每转过 一个极角时对应的极径(以+Z为中心,以+Z到测量轮中 心的距离为极半径坐标值),从而形成加工数据文件。 1)实际测得的 极径并不是鞋楦 X 表面的点至回转 轴中心的距离, C 而是测轮中心至 0 鞋楦回转轴中心 的距离。 力 测轮中心点 法 线)测量时的螺旋柱面极坐标的螺距是可以在操作界 面上任意设定的。加工时刀轮运动轨迹的螺距也是可以 任意设定,以适应粗、精加工的不同需要。 测量控制系统硬件框图 控制单元 编码脉冲计数 、处理单元 X轴正交脉冲 伺服电机 6 伺服驱动 6 PCI C轴正交脉冲 运动控制器 总线 双端口RAM缓冲区 ISA/PCI 转换接口 控制部分:根据面板设定螺距,控制C-X轴转动, 测量部分:测出C轴和X轴的位置脉冲,并传送到PC机。 3.数控鞋楦机的数据处理 数控鞋楦机可采用PC作为上位机,完成数据 分析、处理以及对执行机构的控制等任务。可利 用VC++进行软件设计、开发,通过运动控制卡 驱动系统,同时采集三轴数据,得到扫描数据文 件 , 用 于 CAM 加 工 ( Computer aided manufacturing,计算机辅助制造))。运动控制 卡作为控制核心,完成发送及接收脉冲,各步进 电动机接受伺服系统发送的脉冲,驱动对应轴运 动。 高速鞋楦扫描机操作界面 计算机逆向工程软件 由于鞋楦是自由曲面,每段轮廓可利用数学曲 线表达,程序中含有起点、终点、圆心坐标等信 息。采样点越密集,数据量就越大,加工出来的 产品就越光滑。因此多由数字化逆向工程系统软 件根据数学方程自动进行数据“密化”(插补)。 目前已有专用的计算机辅助测量、处理软件, 常用的逆向工程软件有:EDS公司的Imageware、 Raindrop公司的Geomagic Studio、DELCAM公 司的CopyCAD、INUS公司的RapidForm、上海 的DELPHI等。如果要生成实体模型,可导入UG、 PRO/E等软件进行进一步的处理。 鞋楦三维造型图 鞋楦三维造型图 CNC数控鞋楦读数机性能参数(HD-CNC-DSJ) CNC数控 鞋楦机外 形 WCLJ230性能参数 项目 最高扫描速度/r/min 仿形轮直径/mm 线性分辨率/mm 性能参 数 大于45 r/min Φ84 0.01~0.001 角度分辨率/゜ 整机尺寸/mm 整机重量/kg 整机功率/ kW 价格优势 0.036~0.001 1200×700×1300 ≤200 1 约为进口的40% 鞋楦CAD/CAM软件--数学建模、加工数据生成 获得极坐标数据:极径传感器如果采用直线光栅, 鞋楦旋转轴(C轴)传感器采用光电编码器,如右图, 可以直接获得极角和极径增量数据,但光栅的阻力较 大,影响扫描速度,所以可改用高分辨力的光电编码 器。 左图用蓝 线和红线分 别表示鞋楦 转过一个角 度的前后不 同位置。 可以看出,X轴光电编码器获得的是转角增量△a , 而不是极径增量△r,此时C轴传感器得到的也不是极角 增量数据 生成文件后的数控加工 三、逆向设计的误差分析 1)按项目的技术指标,鞋楦旋转一圈共采集1000~ 2000点数据,每点的三维数据处理时间小于1ms。在进 行高速数据扫描时,在鞋楦截面半径变化大的位置极易 因“丢点”产生误差。 2)采用仿形轮所获得的数据实际上是在螺旋极坐标 系中仿形轮中心点O的轨迹数据,其轨迹是一条空间螺 旋极坐标系下的复杂空间曲线,并非鞋楦实际表面点的 数据。由于仿形轮与鞋楦的接触点(即切点)也不总是 落在仿形轮的最大圆截面上,所以必须经过专门的数学 转换,由仿形轮中心点数据反求仿形轮与鞋楦自由曲面 的切点,才能得到所需的鞋楦真实表面点极坐标数据, 产生转换误差不可避免。目前各研究单位已提出多种仿 形轮心轨迹点和鞋楦表面切点之间的数学转换方法。 转角α与极径rA、rB之间的关系 3)如果测量鞋楦极径的X轴传感器采用直线 光栅或磁栅,可直接得到仿形轮心的直线位移x 的数据,x=rA-r B。但如果采用光电角编码器, 测得的只是光电角编码器测臂的转角α。 rA、rB-鞋楦极径 θ-鞋楦的C轴角位移 α -角编码器测得的角度 x-鞋楦表面A点到B的 极径差 四、利用逆向设计技术完成 其他物体的逆向设计 请在建立三维扫描数字逆向制造的概念之后, 完成其他诸如模具、玩具、车身、大型文物等物 体的逆向设计、加工。 三轴高速激光扫描振镜 的三维扫描 雕像、汽车外形三维激光扫描 对乐山大佛进行 三维激光扫描得 到三维文件 对建筑物扫描得到精确的三维模型 建筑物的 三维模型 五、项目参考文献 链接见:深圳华朗科技 有限公司 三维测量系统 石道渝,王希,数控刻楦机及鞋桓CM 等 技术 CAM 搜搜百科 数据密化插补 逆向工程软件 张系强 常用工业设计软件 休息一下 回目录

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