阿基米德螺旋凸轮轮廓曲线的等分度测量方法

文档序号:6156243来源:国知局
专利名称:阿基米德螺旋凸轮轮廓曲线的等分度测量方法
技术领域
本发明涉及坐标测量机应用等分度测量法测绘和检验阿基米德螺旋曲线的技术 领域,尤其是关于关闭测针半径补偿完成阿基米德螺旋曲线测试及其曲线回归分析的方 法,适用于机械制造业对阿基米德凸轮的检验、凸轮曲线的线性分析、凸轮机构研究、计量 技术研究、方程式反求及逆向工程等。
背景技术
阿基米德螺旋被广泛应用于机械设计和精密仪器制造业,由于阿基米德螺旋线的 升程变化是角度变化的线性函数,因此它可应用于长度精密测量仪器设计及机床工业等, 所以阿基米德螺旋线广泛应用于计量;在凸轮机构设计中,凸轮的轮廓若采用阿基米德螺 旋线,可以把勻速圆周运动转化为勻速直线运动,所以,在轻工机械的卷烟包机上用于机械 传动等,在其它机械制造业,阿基米德螺旋也有广泛的应用,例如,用于空气动力学中的风 动实验等等。检验阿基米德螺旋凸轮的传统方法,过去常用万能工具显微镜,但测量范围 小,一般100X200mm,由于要人工用万能分度头做分度测量,因此,测量效率低,由于要人工 记录和处理数据,因此,数据处理困难,并且也难于做反求设计;目前,也有用专业凸轮检验 设备,如凸轮检查仪,但仪器价格昂贵,由于其只用于检验曲线的升程相对误差量,因此,它 们不做回归分析和逆向工程,难于完成反求设计和信息化制造。由于阿基米德螺旋的计量 检验指标通常是给定角度下的升程变化量,因此,不用测量机测试时,其测试设备要有高的 等分度准确度,这要求仪器要有高的精度;在反求方面,对机械原理分析而言,要计算出阿 基米德螺旋线方程的系数,以便做凸轮机构研究,因此,一般的计量仪器没有回归分析时, 是很困难的。用三坐标测量机完成阿基米德螺旋线的计量检验,数据准确、效率高,例如,在 昆明某厂过去用万能工具显微镜完成一个用于机床线性位移的阿基米德凸轮检验分析,通 常时间为一天,如现在使用测量机,只需十几分钟。对曲线测量,一般触发式测量机不具备这样的测量功能,因此,需要人工研究测量 方法和有高的测量软件设计能力。在三坐标测量技术中,补偿测针半径是关键技术,精密测 量任何几何元素,都必须作测针半径补偿,因此,测针应沿着所测量点的法线无障碍地趋近 测量点测量,并在该法线矢量上做测针半径补偿,其产生误差原理如图1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,tl表示实际值, t2表示做补偿的实测值,t3表示未补偿值,0表示原点。综上所述,曲线面的测量是困难的, 在三坐标测量机上用触发式测头完成凸轮曲线面轮廓的精密测量,人工测量模式难完成, 应该研究测量方法和设计测量程序。用测量机对阿基米德螺旋线的测量关键点,一是如何实现等分,二是如何准确测 量曲线上的坐标点,也即如何确定该测量点的法向矢量。对于未给定的阿基米德曲线方程, 是无法启用函数微分法计算所测量点的法向矢量的,因此,若启动测针半径补偿,又没有精 确的法向矢量,应用测量机难于完成阿基米德螺旋线的准确测量。所以,本发明采用关闭测 针半径补偿方法完成其曲线测量。

发明内容
为实现上述目的,本发明的测量阿基米德螺旋凸轮轮廓曲线的方法的技术方案包 括在阿基米德螺旋凸轮面上建立测量坐标系;采用等分度测量方法测量阿基米德螺旋凸轮轮廓曲线。所述步骤中,在阿基米德螺旋凸轮面上建立测量坐标系进一步包括如下步骤1)在阿基米德螺旋凸轮面上的测量坐标系中使用极坐标系;2)极坐标系的原点设在阿基米德螺旋凸轮的基圆中心;上述采用等分度测量方法测量阿基米德螺旋凸轮轮廓曲线的步骤进一步包括如 下步骤3)关闭测针半径补偿,计算测量点数M ;4)确定第一定位点Pl的坐标位置,预先确定其极半径R1,极角W,Z坐标为Zl ;利 用测量机使测针从Pl位置沿径向方向趋近测量,测量的矢量方向指向原点,测量第一测量 点的坐标,得到第一测量目标点Al的坐标;5)测针退回Pl点,计算下一个测量目标点A2,A2的极半径取Al的极半径,Z坐 标取Al的Z坐标,Al点和A2点投影在XOY坐标系中的极角差值为θ,即r2 = Γι, Φ2 =
W+ θ , Z2 = Z1 ;6)移动到第二定位点 Ρ2,R2 = R1, O2 = W+θ, Z2 = Z1;7)利用测量机使测针从Ρ2位置沿径向方向趋近测量,测量的矢量方向指向原点, 测量第二测量点的坐标,得到第二测量目标点Α2的坐标;8)利用计算第j测量目标点Aj的坐标的公式r」=r^, Oj = W+(j_l) θ , Zj = Z1,第j定位点Pj的坐标为=Rj = Rjm, Oj = ff+(j-l) θ,Zj = Z1,重复步骤5) 7),测量 A3,Α4,Α5......,直到整个阿基米德凸轮轮廓曲线测量完毕;9)测量阿基米德螺旋曲线在Z坐标上没有升程时,Z坐标变化设定为常数,Z坐标 上有升程,则Z坐标按升程规律确定,如Zj = Zp1+(a为每变化θ时的常数),或函数Zj = f(0);10)轮廓曲线测量完毕即生成数据文件,类型为ISO-G型和SCN型,能用于通用软 件的读取,如PROF、CAD/CAM等,并可在PROF等应用软件中完成测针半径补偿等,在CAD/CAM 中完成逆向工程等;11)利用所生成数据文件,可完成该曲线的检验及任意曲线范围内的阿基米德螺 旋曲线的回归分析,如回归方程确定、方差分析及F检验等,回归分析可以针对任意盘型凸 轮曲线。与现有技术相比,本发明的阿基米德螺旋凸轮轮廓曲线的等分度测量方法的优点 为在测量机上实现了凸轮曲线的等分度测量法。在测量机上检验阿基米德螺旋凸轮 轮廓曲线,比传统仪器如万工显等,有高的测量精度和效率;由于曲线采用等分度测量,只 要给定等分角度和测量范围,则测量点数理论上已经确定,因此,利于数据分析和处理;由 于测量机测量范围大,精度高,实现NC自动化测量,所以,测量凸轮曲线的工件尺寸大、效率高、精确。由于等分度测量法有高的等分准确度,因此,利用其测量数据文件能用于阿基 米德螺旋曲线的快速检验;尽管采用了关闭测针半径补偿作曲线测量,获取产生的测量点 是测针中心坐标,但同时生成了所测点的直角坐标系和极坐标系下的数据文件,程序设计 了产生3种数据文件的功能,并能直接逆向到PROF、CAM、SURFACER等软件,便于CAD/CAM等 专业软件存储和读取,完成所测曲线的测针半径补偿,以便在CAD/CAM系统完成建模和制 造,因此,该发明可以完成该曲线的测量逆向工程;由于该发明主要针对阿基米德方程做线 性回归分析,同时可以针对任意平面凸轮的二维曲线做任意给定测量范围内的回归分析, 并可用于反求设计,它计算出回归方程中的线性相关系数、方差分析、F检验等相关指标,以 评价回归方程的准确性,所以该发明可以广泛应用于各种盘型凸轮二维曲线的测量和凸轮 机构分析。


下面结合附图对发明进一步说明。图1 测量A点产生的测针补偿误差分析的示意图;图2 本发明的测量方法流程图;图3 等分度测量法测量阿基米德螺旋凸轮轮廓曲线的示意图;图4 等分度测量法测量阿基米德螺旋凸轮轮廓曲线的另一示意图;图5 该阿基米德凸轮曲线的极坐标系示意图;图6 该阿基米德凸轮曲线的回归直线示意图。
具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明的阿基米德螺旋凸轮轮廓曲线的等分度测量方法。本实施例中使用三坐标测量机SCIR0CC0 140907,测量软件TUTOR,应用DEAPPL语 言编程实现测量自动化。首先,在阿基米德螺旋凸轮面上建立测量坐标系。如图3和图4所示,在阿基米德螺旋凸轮面的测量坐标系中使用极坐标系,原点设 在阿基米德螺旋凸轮的基圆中心。其次,采用等分度测量方法测量阿基米德螺旋凸轮轮廓曲线。1)关闭测针半径补偿,计算测量点数M,如为测量曲线范围为一个圆周,则M = 360/θ,其中θ为极角变化量;2)确定第一定位点Pl的坐标位置,确定其极半径R1,初始极角W,Z坐标为Z1,通 常W取0,Z坐标值通常为常数。在图3中,Ml表示凸轮的实际轮廓曲线,M2表示测针中心 的实际轨迹曲线,M3表示测针中心定位的始点轨迹曲线,其中Ml和M2曲线是等距曲线,它 们之间相差一个测针半径值;利用测量机使测针从Pl位置沿径向方向趋近测量,测量的矢 量方向指向原点,测量第一测量点的坐标,得到第一测量点Al的坐标。具体而言,测量中采用极半径值跟踪法,即Al点的极半径值ra为初始设定,其误 差在“测量趋近距离值d”内,准确值由测量机自动测量确定,该测定的准确值作为第二测量 点A2的极半径预报值。如图3、图4所示,反映测量状态,在点Pl和Al之间有一点Ni,其 表示,测针在由Pl移动到m的过程中是高速移动,其碰到任何物体,测量程序将中断,并可能导致测量故障,Nl到Al的过程中,测量机处于趋近测量状态,测针移动速度较低,其间, 只要测针碰到工件上任何点,测量系统将采集该点坐标值。m位置受“测量趋近距离值d” 影响,未设定d时一般为6mm(不同的测量系统可能不同)。测量程序命令测尖从Pl位置移 动到W点,以趋近矢量N1A1,在沿极径方向上测量Al点,采集Al点的实际坐标值。3)测针退回到Pl点,预报出下一个测量目标A2点和定位始点P2的坐标位置,A2 的极半径取Al的极半径,Z坐标取Al的Zl坐标,Al点和A2点投影在XOY坐标系中的极角 差值为 θ,即 r2 = r1 Φ2 = w+θ , z2 = Z1 ;第二定位点 Ρ2,R2 = R1, Φ2 = W+θ , Z2 = Z10 其中θ可以取Γ或0.5°等,在本实施例中θ取Γ。4)计算第j测量点Aj的坐标的公式r」=r^, Oj = ff+(j-l) θ,Zj = Z1, Hj定 位点 Pj 的坐标为:Rj = Rj-!, Oj = ff+(j-l) θ , Zj = Z105)测针移动到第二定位点Ρ2 ;与上述测量Al点相同的方法,利用测量机使测针从 Ρ2位置沿径向方向趋近测量,测量的矢量方向指向原点,测量第二测量点的坐标,得到第二 测量点Α2的坐标,以此类推再测量Α3,Α4,Α5......,Aj,直至测量整条凸轮轮廓曲线。6)阿基米德螺旋曲线的应用类型较多,测量阿基米德螺旋曲线在Z坐标上没有升 程时,Z坐标变化设定为常数,如Z坐标上有升程,则Z坐标按升程规律确定,如τ、= Zj^+a (a 为每变化θ时的常数),或函数& = 等。7)测量中快速生成测量点的数据文件。第一,利用所得到的数据文件可用于阿基米德螺旋凸轮轮廓曲线的检验在极坐标系下,生成所测量点的序号、极半径值和极角值的数据文件,用于文件处 理和数据校验。该文件能被专业应用软件读取,或设计数据处理程序直接读取。在阿基米德凸轮曲线的精度检验中,常考核的技术指标是每一转角的曲线变化 量,如极角变化量θ每变化Γ,极半径变化一定值,这些行业大多是精密仪器制造业和机 床行业,例如极角变化量θ每变化1°,极半径变化0.010mm等等,这时,要在三坐标测量机 做其检验,使用等分度测量法通过编程序,短时间内就可以出据检验结果,并可以做全面的 工艺分析等,如使用其他计量设备,效率相对较低,如万能工具显微镜等。详细说明上述检验步骤在任意测量点间,或规定的测量角度范围内,选择其对应 的测量极半径值求其差值,例如每度测量1点,曲线上测量共360点,第j+Ι点测量极半径 值 与第j点的极半径&之差值为相临误差,第μ点测量极半径值i>k与第j点的极半 径h之差值为K点累积误差;将上述方法编程序并打印计算清单表。第二,利用所得到的数据文件进行回归分析。上述数据文件可直接设计程序读取,编程序作回归分析。以下阐述分析理论在凸 轮的逆向设计或技术改造中,常遇到所测量的凸轮要分析是否是阿基米德凸轮曲线,或那 些曲线范围属于阿基米德螺旋线,因此,伴随着测量过程快速做任意范围内的回归分析程 序设计尤其重要;阿基米德凸轮曲线的数学方程为y = b θ +Iv式中y表示极半径值,θ表 示极角值。在回归分析中系数
L
权利要求
1.一种阿基米德螺旋凸轮轮廓曲线的等分度测量方法,其特征在于,包括下述步骤在阿基米德螺旋凸轮面上建立测量坐标系;采用等分度测量方法测量阿基米德螺旋凸轮轮廓曲线。
2.根据权利要求1所述的阿基米德螺旋凸轮轮廓曲线的等分度测量方法,其特征在 于,所述在阿基米德螺旋凸轮面上建立测量坐标系的步骤进一步包括以下步骤1)在阿基米德螺旋凸轮面的测量坐标系中使用极坐标系;2)极坐标系的原点设在阿基米德螺旋凸轮的基圆中心。
3.根据权利要求1所述的阿基米德螺旋凸轮轮廓曲线的等分度测量方法,其特征在 于,所述采用等分度测量方法测量阿基米德螺旋凸轮轮廓曲线的步骤进一步包括以下步 骤3)关闭测针半径补偿,计算测量点数M;4)确定第一定位点Pl的坐标位置,预先确定其极半径R1,极角W,Z坐标为Zl;利用测 量机使测针从Pl位置沿径向方向趋近测量,测量的矢量方向指向原点,测量第一测量点的 坐标,得到第一测量目标点Al的坐标;5)测针退回Pl点,计算下一个测量目标点A2,A2的极半径取Al的极半径,Z坐标取 Al的Z坐标,Al点和A2点投影在XOY坐标系中的极角差值为θ,即r2 =巧,Φ2 = w+ θ,Z2 — Z1 ;6)移动到第二定位点Ρ2,R2 = R1, Φ2 = ff+e ,Z2 = Z1 ;7)利用测量机使测针从P2位置沿径向方向趋近测量,测量的矢量方向指向原点,测量 第二测量点的坐标,得到第二测量目标点A2的坐标;8)利用第j测量目标点Aj坐标的计算公式r」=,Φj = ff+(j-l) θ , Zj = Z1,第j 定位点Pj的坐标为=Rj = Rj-!, Φ」=W+(j-l) θ , Zj = Z1,重复步骤5) 7),测量A3,A4, A5......,直到整个阿基米德凸轮轮廓曲线测量完毕;9)测量阿基米德螺旋曲线在Z坐标上没有升程时,Z坐标变化设定为常数,Z坐标上有 升程,Z坐标按升程规律确定,I = Zj-Ja (a为每变化θ时的常数),或函数& = ;
4.根据权利要求1所述的阿基米德螺旋凸轮轮廓曲线的等分度测量方法,其特征在 于,所述采用等分度测量方法测量阿基米德螺旋凸轮轮廓曲线的步骤进一步包括以下步 骤10)轮廓曲线测量完毕即生成数据文件,类型为ISO-G型和SCN型,能被通用软件的读 取,并可在应用软件中完成测针半径补偿,在CAD/CAM中完成逆向工程。
5.根据权利要求1所述的阿基米德螺旋凸轮轮廓曲线的等分度测量方法,其特征在 于,所述采用等分度测量方法测量阿基米德螺旋凸轮轮廓曲线的步骤进一步包括以下步 骤11)利用所生成数据文件,可完成该曲线的检验及任意曲线范围内的阿基米德螺旋曲 线的回归分析,如回归方程确定、方差分析及F检验等,回归分析可针对任意凸轮二维曲 线。
全文摘要
本发明公开一种阿基米德螺旋凸轮轮廓曲线的等分度测量方法,所述方法包括在阿基米德螺旋凸轮面上建立测量坐标系,使用极坐标系采用等分度测量方法测量该轮廓曲线。测量的矢量方向指向原点,利用测量机使测针从Pj位置沿径向方向趋近测量Aj点坐标,直至整个轮廓曲线测量完毕;所生成的数据文件能被通用软件读取,以便完成测针半径补偿和逆向工程等。利用所生成数据文件完成该曲线的检验及任意曲线范围内的回归分析。本发明应用于机械制造业对阿基米德凸轮的检验、凸轮二维曲线的线性分析、凸轮机构研究、计量技术研究、方程式反求及逆向工程等。
文档编号G01B21/20GK102032888SQ20091017958
公开日2011年4月27日 申请日期2009年9月30日 优先权日2009年9月30日
发明者吕小波, 李存华, 祁跃东 申请人:红塔烟草(集团)有限责任公司
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