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49.空间凸轮轮廓的测量程序设计及应用李存华，薛卫(云南玉溪红塔烟草集团有限责任公司653100)摘要：本文介绍用坐标测量机基于等分度测量法通过编程实现空间圆柱凸轮轮廓的自动测量，完成其测量在CAD/CAM中的逆向工程，简述其制造和质量控制方法。关键词：等分度测量法，等距曲线，实际轮廓，TUTOR，DEAPPL，测量矢量，CAD/CAM，逆向工程ApplicationandDesigningoftheProgrammingforSpatialCamProfileLiCunhua，XueWeiHongtaTobacco(Group)Co.,Ltd,Yuxi,YunnanProvinceAbstract:Inthearticle,itisintroducedthatthedesignedprogrambasedontheequivalentgraduatemeasurementinCMMshallbeusedintheautomaticmeasuringofthespatialcylindricalcamprofile,ThecamprofilecreasedinCAD/CAMshallbediscussed,Themeasuringreservingengineeringwillbecomplicated,andthen,toanalyzetheprincipleofmanufactureandinspection.KeyWords:EquivalentGraduateMeasurement，EquidistantCurve，CamProfile，TUTORFORWINDOWS，DEAPPL，CAD/CAM，MeasuringVector，ReverseEngineering.１、引言设计出凸轮的轮廓曲线,就可以得到各种预期的运动规律,且结构紧凑,正是凸轮机构这一优点,在各种自动化机械、仪器仪表及自动控制装置中得到广泛应用。拥有大量高度自动化设备的红塔集团，如在高速包装机和卷烟机上，都可以看到各种不同类型的凸轮机构，其中昀难测绘和制造的应算空间圆柱凸轮，如GDX1包装机上的凸轮零件0X9674、0X9196、0X7400、0X7531及2XKDA4（GD公司件号）等，都是卷包机上的核心零件，每个进口价值数以万元计，每个的测绘和制造工艺不尽相同。卷烟的高速包装功能主要通过空间圆柱凸轮分度机构在高速运动中实现，因此，高速卷烟包装技术的发展与凸轮设计水平和加工技术密切联系，空间圆柱凸轮作为关键零件在高速卷烟包装机分度机构中所起的重要作用，用其它机械机构难于完成。由于凸轮的轮廓与推杆（滚子）之间为点接触或线接触，故易于磨损和报废，对制造该类零件，提出的技术要求也多，如测绘精度、检验分析、材料性能、加工精度等。所以，作为高副机构零件的空间圆柱凸轮，其复杂的曲线面测绘和制造成了技术难点，本文以空间圆柱凸轮2XKDA4为例，重点介绍其凸轮轮廓轨迹面的三坐标测量法。２、空间圆柱凸轮的实际轮廓面如图１述，空间圆柱凸轮2XKDA4以ω角速度转动，两个滚子在A、B曲面上带动推杆在V方向上作往复的推程运动，其中，两个滚子间的中心距和运动方向固定，推杆的运动规律和曲线面的属性密切联系，它们之间存在的规律在设计中已经确定。在机械原理中，称滚子中心的运动曲线轨迹为理论轮廓线，与滚子直接接触的凸轮廓线为实际轮廓线，在机械设计和技术要求中，昀关注的是理论轮廓线，在机械制造和计量检验中，昀直接涉及的是实际轮廓面。理论上，实际轮廓面上的任何一点至理论轮廓面的法线距离均等于该滚子的半径，因此，空间圆柱凸轮的理论轮廓和实际轮廓互为等距曲线面。由于A、B曲线面是工作面，C、D曲线面为非工作面，完成了A、B曲线面的测试和建模设计后，C、D曲线面可以在CAD/CAM中按求等距曲线面或通过类似的测试方法完成。vwCABD图1３、用等分度测量法测量实际轮廓曲线面红塔集团使用测量机为:型号SCIROCCORECORD140907,精度为:1.9+3L/1000μm,测量系统软件为：（１）、TUTORFORWINDOWSVers3.3.3，它来自意大利，（２）、PC-DMISCAD3.7MaintenanceRelease2，它来自美国，至今为昀高版本，两套测量软件均在WINDOWSXP系统下运行，相关配置的CAD/CAM处理软件还有，I-DEAS7.0、CAMANDRev14.0、Surface10.0及AutoCAD2004等等。只要能够设计测量程序，两种测量系统都可以完成同一工作，本文讨论TUTORFORWINDOWS环境下使用DEAPPL语言编程来实现测量自动化并实现数据文件的生成和传输，如下述。ABM1A1M1B1P1P1YzoR1R2R3PjMjAjBjPjMj图2首先，测量坐标系建立在测量零件面内，原点建立在凸轮轴的中心，坐标轴线的建立由定位孔确定，等分度测量实际轮廓线曲线面，等分度的角度变化量θ可以为1°或0.5°，测量范围由曲线面范围确定，如一个圆周360°，必要时，也可以大于一个圆周，例如，空间螺旋凸轮。如图2述，它是测量该空间圆柱凸轮的示意图，测量A曲线面时，确定扫描轨迹在XOY平面上的投影极半径R1值，使每个测点的该极半径值都恒定为R1值，在程序中设定测量趋近距离d，未设定时一般为6毫米（不同的测量系统可能不同），d值的确定要根据滚子直径ΦD的大小和曲线的属性，它取值的不合理易导致测量的碰针而中断程序运行。首先，确定测量定位点P1坐标位置：P1M1的距离要确保整个测量过程不碰针，例如取20或30mm，起测点M1在实际测量点A1的上方，M1A1的取值距离要确保测针不碰针，可取4-6mm，其次，测量程序命令测尖到达P1位置，再移动到M1点，M1点在XOY平面上的投影极半径为R1值，投影点为A1，在Z坐标轴方向上测针自M1点趋近测量A1点，采集A1点的实际坐标值后，测尖退至M1点，再回P1位，此时，程序预报出下一个测尖的测量定位始点P2和M2的坐标位置，其x、y坐标值的用三角函数计算，即x=R1×COS(φ),y=R1×SIN(φ)，φ表示目标测量点的极角，它等于第一测量点的极角与等分的角度之和，例如，在图3中，Ａ为初测第一点极角，通常Ａ可以取０，则第2点极角φ＝Ａ＋θ，第3点极角φ＝Ａ＋2θ，等等，因此，该测量点在XOY平面上的投影极半径仍为R1值，但A2点的Z坐标值预报为A1点的实测Z坐标值，同样，P2点Z坐标值为A1点的实测Z坐标值加M1A1的距离，其中，A1点和A2点投影在XOY坐标系中的极角差值为θ。其次，如图3为投影XOY坐标系，按测量A1点的方法实测A2，A3和A4点等，依此类推，使A1、A2、A3和A4各测点即第j＋1、j+2、j+3和j+4各点在XOY坐标系中投影的相邻极角变化量均为等值θ，并且，在以R1为半径的投影圆周上。整条曲线测量完毕，做测量数据处理，之后，在A曲线面上，再以R2、R3等为半径，按同样的方法测量整个轮廓面，A曲线面测量完毕后，改变测量的趋近矢量或方向，选择合适的测针位置，设定P1坐标位置，再测量B曲线面。测量一般平面凸轮时，通常只使用一个测针位置，由于空间圆柱凸轮轮廓通常为空间的曲线面，常伴随弧面，使用测针位置的数目也多，有时是多个空间测针位置，如测试该凸轮就用到PITCH(A)=0°，ROLL(B)=0°；PITCH(A)=90°，ROLL(B)=0°、45°、90°、135°、180°、-45°、-90°、-135°等，并且要伴随测量范围的选择，其中，对使用PH10MQ测头，PITCH(A)表示测头与Z轴的夹角，测头与Z轴方向一致时，PITCH(A)＝0°，昀大值为105°；ROLL(B)表示测头绕Z轴上的转角，范围为±180°，一般测头与X正轴方向一致时，ROLL(B)＝0°，PITCH(A)和ROLL(B)的昀小取值步距为7.5°，因此，测针位置的变换选择也是整个测量程序设计的难点。对CAD/CAM而言，测量的点数或测量曲线的条数要尽可能多，由于测量曲面的点数或曲线的条数过少，也不能精确反映该轮廓的真实情况，但是，对本测量机系统使用TP200高精度触发测头，一次采样只能获取一个点的三维坐标值，其采集测量点的效率相对其它方法如使用非接触光学测头或使用其它高速扫描测头要低，尽管如此，测试每个轮廓面的曲线条数至少要三条以上,如上面要测试的R1、R2、R3上的曲线等。M4(A4)M3(A3)M2(A2)P4P3P2M1(A1)P1yxoθθθ图3如图4中的图解法述，它是该空间圆柱凸轮某一R圆周上的截面展开示意图，横轴表示凸轮转动的角度变化量，纵轴表示该曲线在长度方向上的变化量。A和B表示该截面上的实际轮廓曲线，M1和M2表示测针中心测定实际轮廓面的曲线轨迹，测针中心轨迹M1和M2所在的曲面，分别是A和B所在的轮廓轨迹面的等距曲线面，它们之间相距一个测针半径值。实际上，如果凸轮轮廓面没有螺旋或没有弧面，其测量或数据处理相对简单，在图4中，就有M1和M2曲线分别是A和B曲线的等距曲线，因为其各点的测针补偿法线或等距曲线生成的法线在同一平面或同一方向上，而不在三维空间。图4设计该测量软件时，采用跟踪Z坐标实测量值的方法，第j+2测点的Z坐标值由实测的第j+1测点的Z坐标值预报。在测量曲线面中，由于测量系统或软件等原因，通常采用取消测针半径补偿法，含有测针半径补偿的测量方法研究有其他科技论文发表，对类似这样的等分度测量法，若伴随着测针半径补偿做实际测量点的测量，理论上将产生误差，除非测尖半径小到可忽略的程度或采用其它方法如非接触测量法等，如图5述，测针以V方向测量曲线M的目标点A，按V方向做测针半径补偿，将产生补偿误差t，其中，t1表示实际值，t2表示做补偿的实测值，t3表示未补偿值，O表示原点【1】。t1t3t2tMVOA图5４、实际轮廓线曲线面的测量程序设计(1)、测量程序设计测量的逆向工程技术应用广泛在烟机配件的测绘中，下面是完成A曲线面的自动测量程序，对测量曲线面B而言，要改变测量向量和趋近失量符号及做测量起点的坐标计算。……dist_approach6.prob(1,1)/*测针选择refsys1/*测量坐标系dy(水平测针--旋面(曲线)轴向变量测量:圆柱凸轮，趋进向下)read(MANY)/*测量点数输入read(DM1)/*测量起点的极半径2倍值输入read(HIGHT)/*测量起点的Z坐标值输入read(START)/*测量起点极角输入read(END)/*测量终点极角输入ZH=HIGHT/*赋值loop/*测针移至安全位置get_ition(C)ifC|zgt249thenexitend_ifend_loopncmove/*自动测量模式mspeed25/*测量速度25%move(X=0,Y=0,Z=250)/*测针移至坐标原点上方move(X=DM1/2,Y=0,Z=250)*/测针至测点上方forJ=0toMANYby1/*做MANY个点数测量ifabs(END-START)gt180then/*逆时针方向计算极角值G=(END+(360-START))/MANYelseG=(END-START)/MANYend_ifG=J*G+START/*计算测点极角值T=info_func(2)/*自动获取测针号码if(Gle40)then/*测量范围对应测针号码选择if(Tne10)thenmove(Z=200)/*测针移至安全位置probe(10,1)/*选择测针号码并更换.move(X=(DM1/2+30)*cos(G),Y=(DM1/2+30)*sin(G),Z=200)move(X=(DM1/2+30)*cos(G),Y=(DM1/2+30)*sin(G),Z=zh)end_if……..end_iftip_compensoff/*取消测量半径补偿msh(MEMORY[J+11],1,1)/*测点命令move(X=(DM1/2+30)*cos(G),Y=(DM1/2+30)*sin(G),Z=zh