基于逆向工程技術(shù)圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的CAD_CAM

1、第28卷第5期2011年5月機(jī)械設(shè)計(jì)JOURNALOFMACHINEDESIGNVol28No5May2011基于逆向工程技術(shù)圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的CAD/CAM蔣萌，葛正浩，屈毅，李艷妮（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安710021）*摘要：介紹了圓柱凸輪機(jī)構(gòu)逆向設(shè)計(jì)與制造的流程和方法。利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和Pro/E軟件為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)輔助設(shè)計(jì)，以MicrosoftVisualC+60為開(kāi)發(fā)工具，基于Windows平臺(tái)編制了圓柱凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造軟件，實(shí)現(xiàn)了圓柱凸輪機(jī)并可進(jìn)行壓力角及曲率半徑的快速校核和凸輪的運(yùn)動(dòng)仿真，生成了直接用于數(shù)控機(jī)床的刀具構(gòu)的循環(huán)圖和輪廓設(shè)計(jì)，NC加工代碼，實(shí)現(xiàn)了圓柱凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)制

2、造一體化。此CAD/CAM系統(tǒng)不僅可用于圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的反求設(shè)計(jì)，亦可簡(jiǎn)單快捷地實(shí)現(xiàn)圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的正向設(shè)計(jì)。文中以圓柱分度凸輪的反求與制造為例詳細(xì)說(shuō)明了基于逆向工程技術(shù)圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造方法和流程。關(guān)鍵詞：圓柱凸輪機(jī)構(gòu)；CAD/CAM；逆向工程；正向設(shè)計(jì)；Pro/E中圖分類(lèi)號(hào)：TH339文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10012354（2011）05001804逆向工程作為一種產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要手段，在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中起到日益重要的作用，是推進(jìn)先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的利器。逆向工程技術(shù)與以往開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)從實(shí)物到圖紙的順序不同，為產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)與原型化提供了一種途徑。在凸輪的設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域逆向工程的應(yīng)用也頗為廣

3、泛，但是，由目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于反求凸輪機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究工作可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)反求空間凸輪機(jī)構(gòu)的研究卻很少。上海交通大學(xué)的郭為忠3動(dòng)規(guī)律）到凸輪機(jī)構(gòu)的正向設(shè)計(jì)與制造的整個(gè)流程做了細(xì)致的研究，給出了集成化更強(qiáng)的，能夠快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)空間凸輪設(shè)計(jì)與制造方法。解決了空間圓柱凸輪較平面凸輪復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量，更不易建立運(yùn)動(dòng)規(guī)律反求數(shù)學(xué)模型，以及如何實(shí)現(xiàn)通用、快速、準(zhǔn)確、實(shí)用的圓柱凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造這一難題。曾1逆向工程狹義的逆向工程（ReverseEngineering）是指以實(shí)提出了利用測(cè)繪數(shù)據(jù)，根據(jù)共軛曲面原理反求從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方法，并可有效地用于空間凸輪機(jī)構(gòu)CAD，2，4針對(duì)空間凸具有一定的參考

4、價(jià)值。文獻(xiàn)輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律不易反求的問(wèn)題，提供了一套基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）的空間凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律快速反求的方法，并編制了可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)球半徑補(bǔ)償?shù)目臻g凸輪專(zhuān)用測(cè)量程序，快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)空間凸輪的精密測(cè)量及從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的反求。文中就圓柱凸輪從數(shù)據(jù)采集、提取凸輪機(jī)構(gòu)的技術(shù)核心（即凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)WANGJi-rui（CollegeofAutomotiveEngineering，TongjiUniversity，Shanghai201804，China）Abstract：Asthespringstiffnessandcontrollabilityoftheve-hiclesuspensionhascl

5、oserelationwiththecontrollabilityoftheve-hicle，thispapertakesthebarrel-shapedhelicalspringontherearsuspensionofPASSATB5asastudyobject，anddiscussesthein-物原型為設(shè)計(jì)制造出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)所測(cè)的數(shù)據(jù)構(gòu)造CAD模型，繼而進(jìn)行分析制造。廣義的逆向工程不僅包括實(shí)物逆向，還包括影像逆向、軟件逆向、工藝逆向等。逆向工程是產(chǎn)品引進(jìn)消化、縮短開(kāi)發(fā)周期的關(guān)鍵技術(shù)。逆向工程CAD除了應(yīng)包含正向設(shè)計(jì)（ForwardEn-gineering）CAD中的幾何設(shè)計(jì)、工程分析、動(dòng)

6、態(tài)仿真、自動(dòng)繪圖模塊之外，還應(yīng)包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、曲面fluenceofcoilclosingonstiffnessnonlinearintheformulaofthebarrel-shapedhelicalspringOnthisbasis，thetestsonstiffnessofthebarrel-shapedhelicalspringarecarriedout，andthereliabilityoritsstiffnessformulawasfurtherverifiedKeywords：barrel-shapedhelicalspring；stiffness；nonlin-ear

7、；testFig4Tab3Ref4“JixieSheji”0056欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍*收稿日期：20100309；修訂日期：20101120作者簡(jiǎn)介：蔣萌（1984），女，陜西三原人，在讀研究生，研究方向：機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真、凸輪CAD/CAM/CAE。2011年5月蔣萌，等：基于逆向工程技術(shù)圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的CAD/CAM19重構(gòu)、可視化分析等模塊。均化數(shù)據(jù)點(diǎn)等。22凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的反求對(duì)于圓柱凸輪技術(shù)的探求即凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，從測(cè)量的數(shù)據(jù)中提取零件原型的幾何特征，利用Pro/E為平臺(tái)建立數(shù)字模型，應(yīng)用運(yùn)動(dòng)仿真

8、技術(shù)獲得凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。凸輪實(shí)際的運(yùn)動(dòng)規(guī)律并不能反映設(shè)計(jì)者的思想，即圓柱凸輪原型所具有的設(shè)計(jì)與加工特征，必須結(jié)合運(yùn)動(dòng)規(guī)律反求的數(shù)學(xué)模型得到圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，才能掌握其關(guān)鍵技術(shù)。即將實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，從而判斷出運(yùn)動(dòng)規(guī)律類(lèi)型。23圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的CAD/CAM基于以上逆向技術(shù)的應(yīng)用結(jié)果，以圓柱凸輪機(jī)構(gòu)用文中開(kāi)發(fā)的圓柱反求出的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及參數(shù)為基礎(chǔ)，凸輪機(jī)構(gòu)CAD/CAM系統(tǒng)對(duì)圓柱凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，并且在建立的數(shù)字化模型的基礎(chǔ)上生成NC程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工。圓柱凸輪CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)用VisualC+60編制實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，包括循環(huán)圖設(shè)計(jì)模塊，通過(guò)42種常

9、用運(yùn)動(dòng)規(guī)律及4種自行控制運(yùn)動(dòng)參數(shù)的通用運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)設(shè)計(jì)凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，生成數(shù)據(jù)文件，該數(shù)據(jù)文而且還可以用于平面件不僅可以用于圓柱凸輪設(shè)計(jì)，凸輪和其他空間凸輪。該系統(tǒng)包括“一般圓柱凸輪機(jī)“圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊”和兩種不構(gòu)設(shè)計(jì)模塊”同的設(shè)計(jì)模塊，分別針對(duì)不同的凸輪類(lèi)型，它們屬于平行模塊，可以通過(guò)輸出圓柱凸輪展開(kāi)輪廓坐標(biāo)和輸出查看凸輪壓圓柱凸輪加工坐標(biāo)來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性，力角和曲率半徑，若不滿足要求，可返回設(shè)計(jì)界面重新設(shè)計(jì)參數(shù)。最后完成各數(shù)據(jù)的輸出、圖形輸出、運(yùn)動(dòng)仿真和NC數(shù)控代碼的輸出。通過(guò)計(jì)算機(jī)與數(shù)控機(jī)床的將NC代碼傳輸?shù)綌?shù)控機(jī)床，完成凸輪的制通信接口，造，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的

10、逆向設(shè)計(jì)與制造流程圓柱凸輪機(jī)構(gòu)逆向工程的方法有兩種：（1）凸輪曲面的復(fù)制（即仿形），這種反求方法比但凸輪本身的表面缺陷和測(cè)量點(diǎn)的誤差都會(huì)較簡(jiǎn)單，完全復(fù)制到新的產(chǎn)品上，這種反求思想不適宜用于空間凸輪的逆向工程上。（2）通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)反求凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，重新計(jì)算凸輪輪廓面坐標(biāo)。這種是技術(shù)含量比較高的CAD反求方法。關(guān)鍵技術(shù)是將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)模。文中基于逆向工程技術(shù)針對(duì)圓柱凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行了第2種反求設(shè)計(jì)研究。根據(jù)已有圓柱凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)物模型測(cè)得數(shù)據(jù)，應(yīng)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行系探索其關(guān)鍵技術(shù)，為開(kāi)發(fā)出同類(lèi)統(tǒng)深入的分析與研究，的更為先進(jìn)的產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。文中通過(guò)凸輪實(shí)物模型產(chǎn)生其數(shù)字化模型，探求凸

11、輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而進(jìn)行CAD模型的重構(gòu)到產(chǎn)品的制造，充分利用數(shù)字化優(yōu)勢(shì)，提高了設(shè)計(jì)、制造、分析的質(zhì)量和效率。形成了基于逆向工程和CAD/CAM（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造）的方法與流程，如圖1所示。圖1基于逆向工程技術(shù)圓柱凸輪機(jī)構(gòu)CAD/CAM21凸輪型面數(shù)據(jù)采集及處理逆向工程數(shù)據(jù)采集的方法主要有兩種：接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。文中利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量凸輪廓面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這種接觸式測(cè)量方法需要進(jìn)行測(cè)頭半徑補(bǔ)償，在實(shí)驗(yàn)中利用上面提到的WinMeil編程語(yǔ)言編制實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)半徑補(bǔ)償，這里稱(chēng)為二次補(bǔ)償。研究發(fā)現(xiàn)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行二次補(bǔ)償獲得的凸輪廓線能較準(zhǔn)確地反映出凸輪原始輪廓線的變化，更利于準(zhǔn)確反求出凸輪機(jī)構(gòu)

12、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律。能夠正確測(cè)量造型的首要基礎(chǔ)就是數(shù)據(jù)的預(yù)處理，由于測(cè)量設(shè)備的缺陷、測(cè)量方法和零件質(zhì)量的影響，通過(guò)測(cè)量所獲得的數(shù)據(jù)不可避免地引入了誤差，尤其是尖銳邊和邊界等，預(yù)處理主要包括：消除噪聲點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，去除冗余數(shù)據(jù)，進(jìn)行優(yōu)化，光順數(shù)據(jù)點(diǎn)。如和圖2CAD/CAM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖20機(jī)械設(shè)計(jì)第28卷第5期31應(yīng)用實(shí)例圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理以一個(gè)圓柱分度凸輪為例進(jìn)行實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)，如動(dòng)程圖3所示。該圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的分度數(shù)為12、角為290°、從動(dòng)盤(pán)節(jié)圓半徑為75mm、中心距為7244mm、滾子直徑為25mm、凸輪旋向?yàn)樽笮?。（b）無(wú)量綱速度曲線（c）無(wú)量綱加速度曲線圖3利

13、用CMM測(cè)量圓柱分度凸輪圖6無(wú)量綱運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線測(cè)量程序采用意大利COORD3公司的WinMeil編程語(yǔ)言編制的半徑補(bǔ)償?shù)膱A柱凸輪的專(zhuān)用測(cè)量程序，得出的測(cè)量數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)凸輪測(cè)量的一文中利用WinMeil編程語(yǔ)言編制實(shí)現(xiàn)實(shí)次半徑補(bǔ)償，時(shí)半徑補(bǔ)償，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)行二次補(bǔ)償測(cè)量數(shù)據(jù)獲得的凸輪廓線能更準(zhǔn)確地反映出凸輪原始輪廓線的變化。32圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律反求利用Pro/E軟件將CMM測(cè)量所得的展開(kāi)的凸輪獲得如圖4所示的凸輪廓線離散數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線重構(gòu)，展開(kāi)廓線。由無(wú)量綱運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，可以判斷該圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為修正正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律。33圓柱分度凸輪的CAD/CAM在運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖設(shè)計(jì)

14、模塊中，輸入總體參數(shù)，例如（循環(huán)圖總段數(shù)為2，圓柱分度凸輪的分度數(shù)為12，動(dòng)程角為290°）。根據(jù)上面反求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，選擇“修正運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以通過(guò)“圖形顯示”命令查看修正正弦”正弦曲線的特征值，如圖7所示，顯示選擇的運(yùn)動(dòng)規(guī)設(shè)計(jì)的循環(huán)圖如圖8所示。律。設(shè)置完畢，圖4重構(gòu)的凸輪輪廓曲線根據(jù)重構(gòu)的凸輪廓線，建立圓柱分度凸輪展開(kāi)的3D模型，建立凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型，如圖5所示。圖7圖5圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的平面運(yùn)動(dòng)模型選擇反求出的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在Pro/E中的Mechanism模塊中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，將獲得的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行無(wú)量綱化處理后，得到如圖6所示的無(wú)量綱運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線。（a）無(wú)量綱位移曲線2011

15、年5月蔣萌，等：基于逆向工程技術(shù)圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的CAD/CAM1992機(jī)械工業(yè)出版社，2321啟動(dòng)圓柱分度凸輪設(shè)計(jì)模塊，選擇凸輪機(jī)構(gòu)的傳“凸脊式”，動(dòng)類(lèi)型并且輸入圓柱分度凸輪參數(shù)，如圖9所示。參數(shù)設(shè)置完成后就可查看輪廓展開(kāi)坐標(biāo)、壓力角和曲率半徑，并可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。在程序文件夾中自動(dòng)生成NC數(shù)控加工代碼，如圖10所示（為顯示加中間省略一些坐標(biāo)）。工代碼，456J中國(guó)金濤，陳建良，童水光逆向工程技術(shù)研究進(jìn)展2002，13（16）：14301436機(jī)械工程，郭為忠，王石剛，鄒慧君，等基于反求技術(shù)的擺動(dòng)從動(dòng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，件空間凸輪CADJ1999，11（2）：159162葛正浩，徐峰，陳石

16、峰，等空間凸輪精密測(cè)量及運(yùn)動(dòng)規(guī)J機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2007，23（2）：2629律反求研究吳鐵軍圓柱凸輪CAD/CAM系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)D2005湖南：中南林學(xué)院，葛正浩，楊芙蓮Pro/EWildfire30機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)例M北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007精解CAD/CAMofcylindricalcammechanismbasedonre-verseengineeringtechnology圖9圓柱凸輪相關(guān)參數(shù)hao，QUYi，LIYan-niJIANGMeng，GEZheng-（CollegeofMechanicalElectricalEngineering，ShaanxiU-niversit

17、yofScienceTechnology，Xi'an710021，China）Abstract：Thepaperpresentsanewprocessandmethodofre-versedesignandmanufacturingofthecylindricalcammechanismByapplyingtheCoordinateMeasuringMachine（CMM）andthebytakingPRO/Esoftwareastheplatformtocarryoutaideddesign，MicrosoftVisualC+60asthedevelopmenttool，andbas

18、edonWindowsplatform，thecylindricalcammechanismdesignandman-ufacturingsoftwareisgenerated，allowingthedesignofcyclemapandcamprofile，checkingthepressureangleandcurvatureradiusrapidly，simulatingthemotionofcamAndtheNCmachining圖10數(shù)控加工代碼codeswhichcanbedirectlyusedfornumericalcontrolmachineweregenerated，achievingtheintegrationofdesignandmanufactureofcylindricalcammechanismThisCAD/CAMsystemcannotonlybeappliedinther