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 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.net

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） 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。

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。

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 E1050-14 位数 14 分辨力 80" 最大误差 ±100" 外尺寸/mm φ50×40 φ6×12 重量/g 250 允许转速/r·min_1 200 电源电压/V DC12(±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/g 6 冲击/g 50 选用的角编码器的特性参数

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

用直线光栅作传感器，分辨力10μm

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 XCCB 刻线数/线·mm_1 20 分辨力/μm 0.5 最大误差/μm ±(5+5L/1000) 有效长度L/mm 100～900 最大行程/mm L+22mm 最大响应速度/m·min_1 60 激励源 10kHz 脉冲/mm 20（TTL电平） 移动寿命/km 9000 电缆最大长度/m 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

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.

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。

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。

测量控制系统硬件框图 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 性 能 参 数 最高扫描速度/r/min 大于45 r/min 仿形轮直径/mm Φ84 线性分辨率/mm 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 Φ84 线性分辨率/mm 0.01～0.001 角度分辨率/゜ 0.036～0.001 整机尺寸/mm 1200×700×1300 整机重量/kg ≤200 整机功率/ kW 1 价格优势 约为进口的40％

鞋楦CAD/CAM软件--数学建模、加工数据生成 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 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：www.liangsen.net 深圳华朗科技有限公司 三维测量系统 石道渝，王希，等 数控刻楦机及鞋桓CM技术 百度百科 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

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