机电类 自动检测技术及应用 第十一章 第5节 多媒体课件统一书号：ISBN 978-7-111-34300-4 课程配套网站 www.sensor-measurement.net 或www.liangsen.netDate1第十一章工程项目设计实例鞋楦机的数字化逆向制造 （参考福州大学机械工程及自动化学院资料）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。Date2一、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。Date3三维数据测量方法分类 .Date4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:10002000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220mm，最大测量长度450mmDate5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。Date6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Date7鞋楦的手工测绘Date8二、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。Date9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.Date10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。鞋楦数字化成套设备框图Date11由逆时针弹簧使测量测轮压住鞋楦。Date12光电编码扫描机的结构1Z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 9X轴角编码器Date132. 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.Date14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。Date15选用的 角编码 器的特 性参数型号E1050-14 位数14 分辨力80“ 最大误差100“ 外尺寸/mm5040 输出轴尺寸/mm612 重量/g250 允许转速/rmin_1200电源电压/VDC12(5%)，5(5%)光源红外LED 输出信号格雷码，TTL电平 使用温度40+55 工作环境 相对湿度/（%）相对湿度95 （35时） 振动/g6 冲击/g50Date16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Date17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Date18用直线光栅作传感器，分辨力10mDate19测量导轨气缸顶住测量轮Date20选用磁栅传感器的特性参数型号XCCB 刻线数/线mm_120 分辨力/m0.5 最大误差/m(5+5L/1000) 全长/mmL+143 有效长度L/mm100900 最大行程/mmL+22mm 最大响应速度/mmin_160 激励源10kHz 脉冲/mm20（TTL电平）移动寿命/km9000 电缆最大长度/m30Date21数控鞋楦机的系统框图1Z轴平移工作台 2滚珠螺母 3滚珠丝杠Date22采取卧式和轻量化结构高速鞋楦扫描机结构Date23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5m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”。 Date24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为例，若 转速为60r/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. Date25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。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。 Date26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 楦表面的点至回 转轴中心的距离 ，而是测轮中心 至鞋楦回转轴中 心的距离。2）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。Date27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 。测量控制系统硬件框图Date283.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。Date29高速鞋楦扫描机操作界面Date30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。Date31鞋楦三维造型图Date32鞋楦三维造型图Date33CNC数控鞋楦读数机性能参数(HD-CNC- DSJ)Date34CNC数控 鞋楦机外 形Date35WCLJ230性能参数项 目性 能 参 数 最高扫描速度/r/min大于45 r/min仿形轮直径/mm 84线性分辨率/mm0.010.001 角度分辨率/ 0.0360.001 整机尺寸/mm 12007001300整机重量/kg 200 整机功率/ kW1价格优势约为进口的40 Date36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 。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。Date37生成文件后的数控加工Date38三、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。Date39转角与极径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，xrA-r B。但如果采用光电角编码器，测 得