机械制造及其自动化五轴机械式冲压件光学检测仪动力学特性研究.docx

南 昌 大 学 硕 士 研 究 生 学 位 论 文五轴机械式冲压件光学检测仪动力学特性研究Dynamic Research for the Five-axis Mechanical Stamping Optical Measuring Instrument摘 要冲压加工应用范围十分广泛，在汽车覆盖件的加工中更是具有十分重要的地位。本文为汽车覆盖件光学扫描质量检测设备的前期样机研制阶段的重要环节。在实验室研究基础上，对设备作进一步研究。具体有以下几个方面：检测设备结构仿真研究。设备由五大部分组成：测量主机、光学测量系统、数控系统、软件系统、辅助装置（防尘、防振装置等）。设备结构设计的关键是测量主机的设计。根据冲压件在线检测的要求，借鉴已成熟的三坐标测量机和数控机床的结构形式对测量主机进行设计，得出测量主机结构方案，并通过建模软件UG建立三维模型。将三维模型导入ADAMS仿真软件中建立设备虚拟样机，通过运动仿真分析，得出了设备测量主机的结构方案。设备控制系统初步设计。本文对设备的控制系统进行了初步研究。分析了设备控制系统的功能以及控制系统总体结构。将控制系统分成三个模块，并对各模块控制策略进行了描述。基于逆向工程3D对齐技术的检测标准及规范研究，并为冲压件的形位误差评定构建了数学模型。关键词：冲压件；质量检测；光学扫描设备；虚拟样机AbstractPunching technology is applied extremely widespread. It has important status in the automobile cover processing. Research on preliminary prototypical development for automobile punching parts optical scanning quality inspection equipment, at the before research foundation, did the facility further studies. Specifically has following several aspects: Simulation research on the structure of punching parts quality inspection equipment has been done. The equipment is composed of five major parts: the main machine, the optical measurement system, the numerical control system, the software system and the auxiliary unit (dustproof, anti-vibration installment and so on). The key of equipment structural design is the main structure of machine. According to the on-line detection requests of punching parts and using three-coordinate measuring machine structural style for reference to carry on the design of the main structure of machine, structure plans have been obtained. The models were established by UG software and imported in ADAMS software. The hypothesized prototype was established. The main machines structure was got through the movement simulation analysis.Preliminary design for device control system has been done. In this article the control system of equipment was conducted preliminary study. The control system function as well as the overall structure was analyzed, which is divided into three modules. And then the control strategies were described respectively.The standardized research and constructed the mathematical model which based on 3D alignment technology of reverse engineering of punching parts examination content have been done.Key Words：Punching part; Quality inspection; Optical scanning equipment; Virtual prototype 目录学位论文独创性声明I摘 要IIAbstractIII第1章 绪论11.1 课题研究的背景11.1.1 工程背景11.1.2 课题研究目标21.1.3 课题来源21.1.4 课题意义21.2 国内外发展现状31.2.1 汽车冲压件检测现状31.2.2 自由曲面检测技术现状51.2.3 机械系统动力学仿真分析错误！未定义书签。1.3 实验室研究基础121.4 主要研究内容121.4.1 FMSOMI主机结构详细设计121.4.2 FMSOMI数学模型建立错误！未定义书签。1.4.3 FMSOMI动力学仿真实验131.5 技术路线131.5.1 FMSOMI的主要零部件三维模型构建技术131.5.2 FMSOMI虚拟样机构建技术141.5.3 FMSOMI数学模型建立及仿真实验技术151.6 设计平台介绍151.6.1 Unigraphics NX （UG）151.6.2 IMAGEWARE错误！未定义书签。1.6.3 ANSYS WORKBENCH171.7 论文结构18本章小结18第2章 检测仪设计总体描述192.1 发达十分、发啊错误！未定义书签。2.1.1 发错误！未定义书签。2.1.2 发412错误！未定义书签。第3章 检测仪结构详细设计28第4章 检测仪结构静力优化设计38第5章 检测仪结构动力优化设计45第6章 总结与展望45第7章 致谢45第8章 参考文献45第1章 绪论1.1 课题研究的背景1.1.1 工程背景传统的冲压件检测工具是千分尺，游标卡尺，样板或样件等，如江西江铃股份有限公司的冲压件在线检测就是采用样件检测方式。对于一些较为复杂的冲压件的首样检测，往往会花费一个熟练的检测技术人员几个小时甚至一两天的时间完成检测，而这时花巨资引进的冲压设备只能停机等待检测结果，无形中造成了先进设备利用率低下，浪费严重。另外，在首样检测过程中如果出现人为的检测错误，生产了大量的工件，到了安装或交货时才发现不合格，不但企业损失惨重而且也有损信誉，然而遗憾的是在传统检测方法中人为的检测错误并不少发生。总结起来，传统的检测手段存在如下问题：检测结果不可靠；检测效率低下；没有质量跟踪；无法做到数字化集成1-5。随着计算机、自动控制、精密机械等相关技术领域的快速发展，用于冲压件的检测技术也得到了迅速的提高，呈现出非接触、高效率、高精度、高柔性、高智能的发展趋势。开发一种能够对冲压件进行高精度、高速度在线检测的设备对提高冲压件的质量和生产效率有着非常重要的意义1, 6-11。本课题研制的“五轴机械式冲压件在线光学检测仪（Five-axis Mechanical Stamping Online Optical Measuring Instrument）简称FMSOMI”就是应用逆向工程点云3D对齐技术和三维光学扫描技术，借鉴三坐标测量机和五轴数控加工中心结构形式的一种新型冲压件在线质量检测仪。虚拟样机技术作为一项基于产品计算机仿真模型的数字化设计方法，利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估12。将传统的产品设计样机建造测试评估反馈设计的循环过程通过虚拟样机技术完成，从而减少物理样机的建造次数，缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品开发成本。虚拟样机技术通过减少物理样机的研制，可以极大提高产品设计的柔性，缩短产品开发周期，降低新产品开发风险，提高企业市场竞争力13-16。基于虚拟样机的动力学仿真分析技术在机械工程领域，特别是航空、航天、数控技术、机器人、机构、车辆等行业已经得到广泛应用，并受到机械工程领域的高度重视17-18。它是产品设计与性能研究的重要手段，能实现虚拟设计，产生模拟样机，预测动态特性，取得最优设计结果19。机械结构力学性能分析是机械结构设计的一个重要方面，主要是对结构在静力、动力及其他因素作用下结构的强度、刚度、稳定性和动力特性等分析，其目的在于了解结构强度、找出薄弱部位，改进设计以满足结构在功能、形状、重量以及寿命方面的要求。对于新设计的机械结构进行结构力学分析，需要反复进行分析与综合，边分析、边改进设计，逐步达到预期的目标。因此，建立FMSOMI的虚拟样机及对其机械系统的静动态力学特性仿真研究，对设计进行快速测试、评估与改进，直到获得最优的整机性能起着非常重要的作用。1.1.2 课题研究目标FMSOMI是一台用于生产车间现场实时在线检测冲压件（诸如一些汽车外覆盖件和结构加强件等）的表面质量、尺寸和形位误差的精密检测仪器。本论文的目标是实现FMSOMI的功能设计、结构设计及虚拟样机的研制，并对FMSOMI机械系统静、动态力学特性的研究。依托UG NX设计平台，结合ANSYS有限元仿真设计软件，对FMSOMI进行结构设计、建立FMSOMI的虚拟样机及静、动力学仿真实验，是为了通过评价产品外观、形状和装配，验证产品的工作原理，分析产品的性能，综合检查产品试制或生产过程中可能出现的各种问题，达到缩短开发周期、提高产品质量、降低生产成本的目的。1.1.3 课题来源依托项目：饶锡新，江西省教育厅基金：基于3D数据重构的曲面质量检测技术研究（赣教技字200656）。1.1.4 课题意义1.1.4.1 理论价值1、在本课题研究设计中，通过在三维CAD软件环境中为检测设备关键零部件建立基本几何模型，并在虚拟环境中对零部件的结构进行仿真，在虚拟样机中发现问题，再返回三维CAD环境中作相应的修改，以至达到最优的设计效果。这种以3D虚拟设计平台和CAD设计软件结合的方法，为我们在机电产品及设备开发的概念设计方面提供了新的思路、新的方法，并且对机电产品及设备的优化设计也意义深远；2、“五轴机械式冲压件在线光学检测仪FMSOMI”的设计为冲压件质量检测的现代化测量仪器的开发提供了一个新的思路，对现代测量手段的丰富与发展有重要意义；3、建立FMSOMI的虚拟样机，并应用有限元分析软件ANSYS进行静力学、动力学的仿真实验，以求得结构的静动态特性，为产品提供具体的静力学性能参数以及动力学特性，对结构的质量性能设计和产品的正确运行使用提供参考。为产品的研发提供了一个全新的设计方法和设计理念，对产品的多种设计方案进行快速测试、评估与改进，直到获得最优的整机性能起着重要作用。1.1.4.2 工程价值1、本课题所研究的冲压件在线快速检测系统具有检测准确、检测速度快的特点，可用在冲压件生产现场的检测，工程技术人员能在第一时间发现问题，同时还可提供详细准确的偏差数据进行分析，从而避免更大质量成本的发生。FMSOMI整个系统简单可靠，适应性强，可大大提高冲压件产品的检测效率。基于光学扫描数字化测量及逆向工程的点云获取方法和3D对齐比较技术的冲压件加工质量的检测仪的研制，其在工程应用上的意义在于20：(1)增强检测结果的可信性；(2)提高检测工作的效率；(3)降低检测人员的劳动强度；(4)及时发现设备及模具的故障；(5)完备零件加工质量数据库将为企业数字化设计制造提供基础。零件加工质量加工数据库的建立对于加工质量的监测、设备的故障诊断、维护、维修、以及设备的改进、改造设计将是非常重要的。2、由于本设备的制造涉及到机械、电子、光学测量以及数字控制、软件工程等多学科的知识应用，同时也是典型的机电一体化的设备。其中牵涉到光学、力学、运动、结构、工效以及制造等方面的优化设计问题，建立设备的虚拟样机并进行静动力学仿真分析设计有助于对产品多种设计方案进行快速测试、评估与改进，直到获得最优的整机性能；有助于提高测量仪设备的实物样机制造的一次成功率。1.2 国内外研究现状1.2.1 冲压件检测1.2.2 精密仪器1.2.3 力学仿真1.3 实验室研究基础实验室已经对基于3D扫描的质量检测原理进行了深入的研究，并研究了其基本策略及主要的技术思想，有了一套基于3D扫描的质量检测工艺流程；对冲压件在线检测问题及设备开发的基本原理进行了研究，对FMSOMI进行了前期的概念设计，有了初步的功能及结构方案，并对设备的软、硬件功能作了总体设计。1.4 主要研究内容1.4.1 FMSOMI主机结构详细设计基于实验室在测量仪方案设计、概念设计方面已经取得的成果，结合该检测仪的功能、原理、工作环境条件等，对原有方案进行改进，进一步从结构、外观、功能、实用性等方面完善该检测仪。借助三维辅助设计软件UG对检测设备结构进行总体技术设计，包括对设备的结构选型、结构的尺寸设计、运动学设计等，最终得到设备的三维数字模型。FMSOMI主机结构主要由以下几部分构成：1、基于三坐标结构形式实现三正交轴直线运动的框架结构；2、基于端齿盘的二轴空间旋转分度平台；3、基于光学摄像原理的光学测头；4、标尺系统；5、导轨系统；6、驱动机构；7、其他附件。1.4.2 虚拟样机建立本设计拟建立的FMSOMI的虚拟样机是将结构检验目标和功能检验目标有机结合在一起实现真正意义上的虚拟样机系统，提供全方位的产品组装测试、检验评价43。1）在结构设计方面主要作用是用来评价产品外观、形状和装配。新产品设计首先表现出来的就是产品的外观形状是否满意，其次，零部件能否按要求顺利安装，能否满足配合要求，这些都要在产品的虚拟样机中得到检验和评价；2）新产品在满足了外观形状的要求以后，就要检验产品整体上是否符合基于物理学的功能原理，因此虚拟样机在功能检验方面的主要作用是用于验证产品的工作原理，如：机构运动仿真，动力学仿真等，用来综合检查潜在的新产品试制或生产过程中及使用中可能出现的的各种问题。这是将结构虚拟样机和功能虚拟样机结合在一起的一种完备型的虚拟样机。1.4.3 FMSOMI静、动力学仿真实验分析在主机结构设计后，借助ANSYS WORKBENCH软件对检测仪的导轨结构系统进行静力学仿真分析，对结构的强度、刚度、稳定性等进行分析，以了解结构的强度、找出薄弱部位，对改进设计以满足结构在功能、形状、重量以及寿命方面的要求有重要的作用。还要对导轨结构系统进行模态分析，得到整体结构的固有频率和相应的振型，并设置动力学仿真参数，对其作谐响应分析，得到导轨系统的整体动态特性。通过模态分析可以预先使结构的固有频率避开在线环境的振动频率，以免发生共振；通过谐响应分析还可以知道外来振源对仪器各方面性能的影响并尽量通过改进结构让其影响达到最小；还可以通过动态特性的分析发现设计的结构缺陷和薄弱环节，继续对机构设计不合理处进行改进，以实现对FMSOMI的优化设计。1.5 论文组织结构本文依托数字化设计平台（UG、ANSYS WORKBENCH）对基于3D对齐检测原理的冲压件在线检测设备的结构进行研究。全文共分七章，内容安排如下：第一章 绪论。介绍了论文的研究背景，问题的提出、研究基础，研究思路、研究内容以及本论文的结构。第二章 检测仪设计的总体描述。借鉴目前成熟三坐标测量机和数控机床的结构形式，结合冲压件在线检测的要求，先从总体上把握主机的框架结构，得出设备结构方案，再对各功能部件进行分析、选择和设计。第三章 检测仪各部分结构的详细设计。第四章 基于AWE的测量主机结构静力学仿真实验分析。第五章 基于AWE的测量主机结构动力学仿真实验分析。第六章 结论和展望。对本论文的工作做出总结和展望，指出不足和需要进一步改进的地方。图1-1 论文结构示意图本章小结本章为本文的绪论部分。从冲压件的质量检测的工程背景及产品的虚拟设计两方面分析课题的研究背景，相关技术的研究现状。并介绍课题研究的目标、意义、主要内容及技术路线；最后对论文结构进行描述。第2章 检测仪设计总体描述五轴机械式冲压件光学检测仪是精密机械技术、电子技术与光电检测技术的结合体，是一台集光机电技术于一体的精密仪器，因此在我们对检测仪的机械结构设计的时候要特别遵循一些精密机械与仪器结构的设计要求、原则及方法等，同时还要遵循机械产品研制的一般流程。本章通过对检测仪的设计的总体描述，对检测仪的设计形成一个全局的把握。主要介绍该检测仪总体设计过程中所涉及的内容，包括：检测仪的概念设计、功能设计以及初步设计的结构原理方案，最后要重点介绍的是在该检测仪的设计过程中重点使用到的数字化设计方法，在接下来的章节中就可以对检测仪关键部件结构的数字化设计以及基于结构设计建模完成的基础上再进行的仿真实验展开论述。2.1 检测仪设计流程设计是产品生命周期中的第一个环节，也是最重要的环节。工程研究与实践表明：整个产品生命周期约80%的费用是由产品设计阶段（从产品定义到制造之前）的工作所决定的，而这一阶段本身所需费用则占不到总费用的3%。产品设计阶段的重要性使得人们对设计过程的本质进行了深入的研究，于是有了研究设计理论和设计方法的设计方法学。设计理论是研究设计人员在产品设计过程的思维方式和基本规律，设计方法是产品设计的具体手段，如并行设计、可靠性设计、虚拟设计、智能设计等。虽然设计理论及设计方法多种多样，但他们都会有一个共性，那就是都会强调设计规则的重要性，机械产品的研发一般都可以遵循一个普遍的设计流程，在本检测仪的设计中，我们根据机械产品普遍的设计流程将其设计过程划分为4个阶段：（1）计划阶段：这一阶段就是要对所设计的检测仪进行定义，首先要了解检测仪所涉及到的技术的当前水平，包括冲压件在线检测、精密检测仪器、光学扫描等技术的发展水平，确认检测仪应具有的性能及水平，根据这些进行可行性分析。最后根据设计目标编制技术任务书，制定设计要求表，并制定设计计划书。（2）方案设计阶段：又称初步设计或概念设计，这个阶段要完成检测仪的总体方案设计。根据技术任务书的要求，确定检测仪的技术参数及主要技术性能指标、总体布局及主要部件结构、产品主要工作原理等。绘制检测仪的总体结构模型草图、工作原理图等，编写方案设计评审报告，经评审后作为技术设计的基础。（3）技术设计阶段：在方案设计评审通过后，这阶段还需要在研究试验及设计计算与技术经济分析的基础上对总体方案进行修正，最后完成产品主要零部件件的设计。在运用数字化设计技术的现代设计中，技术设计阶段可以采用现代化的设计手段来对设计方案进行评估，如建立产品的数字化虚拟样机，对产品结构进行运动学、静力学以及动力学等性能进行计算机的模拟仿真分析，通过这些手段来对产品的性能进行评估并提供修改方案。最后要形成产品的最终技术方案，建立零部件的工程图以及部件及总装配图。（4）编制技术文件阶段：在检测仪设计的最后这一阶段主要是要确定检测仪的全部结构，完成检测仪的全部零部件设计，完成全部产品图样和技术文件，供加工、装配、生产管理使用。本章通过对检测仪的概念设计的详细介绍来对检测仪的总体设计方案进行描述，在接下来的第三、四、五章中将对检测仪的技术设计做详细介绍，包括第三章对检测仪关键零部件的设计以及对其数字化造型及装配，第四、五章通过计算机模拟仿真分析检测仪关键部件导轨结构的静力学及动力学性能，来验证技术设计以及作为设计修改的依据。2.2 检测仪概念设计2.2.1 检测仪功能设计实现冲压件加工100%在线检测，要求检测设备具有较快的检测速度以及较高的测量精度；要适应车间现场的工作环境，检测设备必须具有较好的防振、防尘、防潮的辅助装置；同时检测设备还需具有较好的操作性、软硬件集成度好、自动化程度较高的功能特点。在设备研制的初级阶段，我们需要从设备检测方法、功能实现、工作环境等多方面综合考虑设备的结构。许多仪器设备的测量性能依赖于环境45，本文研究的冲压件检测设备也不例外，环境条件是我们研究冲压件质量检测设备结构必须考虑的重要因素。用于冲压件在线质量检测的设备工作环境是冲压件加工现场，即冲压车间。因此，设备工作环境比较恶劣，主要受到温度、振动、湿度等环境参数和使用条件的影响。根据以上对冲压件在线质量检测的环境限制以及性能要求，我们总结出该检测仪设计拟达到的的主要技术性能指标如下：（1）仪器用途：用于汽车覆盖件在线质量检测，可用于车间现场实时快速检测工件的表面形貌、总体尺寸、零件基本特征（如孔、槽等）的形位误差等。（2）检测对象：汽车冲压件中尺寸范围在500mm*500mm*200内的小型覆盖件和车内支撑件、结构加强件等中小尺寸冲压件。其需要检测的总体尺寸和一些特征的形位精度一般为0.5mm。（3）测量范围：有效行程： ：500,：600,：300外形尺寸： ：1000,：600,：1000（4）测量精度：光学测头：北京博维恒信公司,非接触式光学三维扫描测头（3DCAMEGA CF-200）；测头测量原理无需标志点，点云数据自动拼接；利用三座标的机械定位系统（配有光栅）实现精确自定位拼接；仪器总精度：一个经验值：一般情况下，仪器的总精度是被测对象精度的1/3-1/5，因此设定此检测仪的总精度为0.2mm；重复精度为仪器允差的1/3-1/5，为0.2mm；光学测头，其瞄准精度为1-3um；测量机械系统的精度一般为仪器总精度的1/3-1/5，单轴测量精度：2.0 + L/300 长度测量重复精度：2.0光栅分辨率：0.5（5）工作原理：根据上述技术要求设计该三坐标在线测量仪，该机具有空间三个相互垂直的X、Y、Z运动导轨，主机采用固定桥式结构，工件固定在水平工作台上，工作台可沿X方向导轨平行移动，光学测头安装在垂直方向立柱上，立柱可沿Y、Z方向导轨平行移动。其检测原理是利用光学测量头迅速准确地扫描获取覆盖件表面的点云数据，通过专用软件（IMAGEWARE）实现点云数据处理及拼合，然后将其与CAD数字样件模型直接进行三维对齐，以彩色误差图以及报表形式直观详细地反映被检测工件的整体质量。2.2.2 检测仪结构方案FMSOMI是将三维光学扫描技术和点云三维对齐技术应用到冲压件在线检测中，通过对冲压件进行一次装夹，利用光学测量头迅速准确全面地扫描获取冲压件表面的点云数据，通过专用软件实现点云数据处理及拼合，然后将其与CAD数字样件模型直接进行三维对齐，以彩色误差图以及报表形式直观详细地反映被检测工件的整体质量。该检测仪采用五轴机械式结构形式，主要构成包括三个相互垂直正交的X、Y、Z运动导轨轴和两个分别绕X、Z轴旋转的旋转分度端齿盘机构（分别定义为A轴和C轴）、安装在主体机构Z轴上的三维光学测头。工件装夹在检测工作台上，此检测工作台置于两个分别绕X、Z轴旋转的旋转分度端齿盘机构上，可组合实现将工件绕X、Y、Z三轴的转动，将工件的所有特征展现在光学测头的视觉范围内；光学扫描测头安装在运动导轨轴Z轴上，借助驱动机构和执行机构实现在X、Y、Z三维直角坐标系中做直线平移运动，实现对工件表面的摄像，快速准确动态地获取工件表面的点云数据。图2-1 FMSOMI结构示意图在图2-1所示结构示意图中，工件装夹在检测工作台（12）上，此检测工作台置于绕Z轴旋转的水平放置旋转分度端齿盘（13）上，该水平放置旋转分度端齿盘（13）通过轴和一个连接机构与一垂直放置旋转分度端齿盘（4）连接，该垂直放置旋转分度端齿盘（4）可绕X轴旋转。由此可组合实现将工件绕X、Y、Z三轴的转动，将工件的所有特征展现在光学测头的视觉范围内。X向驱动导轨、Y向导轨和Z向导轨由步进电机和滚动导轨与滚珠丝杠一体化的智能组合单元驱动实现直线运动；三维光学测头（11）通过测头连接杆（10）安装在运动导轨轴Z轴（7）滑块上，由步进电机和滚动导轨与滚珠丝杠一体化的智能组合单元实现Z轴滑块的直线运动；由此实现测头在X、Y、Z三维直角坐标系中做直线平移运动，实现对工作台内任意位置工件表面的摄像，快速准确动态地获取工件表面的点云数据。X向导轨组合单元安装在基础安装台上，A轴分度端齿盘（4）直接安装在基础安装台（3）上，C轴分度端齿盘（13）通过两支承座（14）和A轴分度端齿盘（4）与基础安装台（3）相连。基础安装台（3）固定连接在减振台（1）上，以消除车间现场环境的振动对检测仪的影响。2.2.3 检测仪原理描述图2-2 检测方法工作流程图基于该装置结构的检测方法的工作流程如图2-2所示：（1）按照规划的区域用摄像式三维光学测量装置获取被测冲压工件三维型面多片测量点云数据。（2）在点云数据处理软件完成测量数据的去噪、数据精简、平滑等处理等点云数据优化与拼合处理得到被测冲压件点云数据模型。（3）在点云数据处理软件中，准备好处理后的被测工件的点云数据模型，同时导入CAD数字化样件的三维模型，选择一定的定位对齐原则，将两者进行3D对齐比较。（4）在点云数据处理软件中完成3D对齐比较，软件就可以以彩色误差图的方式可视化地显示出对齐后的工件整体误差，也可以用报表方式显示检测结果，实现冲压件在线全数字化检测。下面是利用该检测仪采用的3D Camega光学扫描测头系统对零件进行扫描以及分析的过程，图2-3所示是分两个角度对该零件进行拍摄扫描获取的两幅表面点云数据图，图2-3点云数据图图2-4所示是在点云数据处理软件Geomagic Studio中对前面获取的点云进行去噪、数据精简、平滑等点云数据优化工作后，再进行拼合处理得到的点云数据模型图2-4点云数据模型最后在点云数据处理软件Geomagic Qualify中将图2-5所示的该零件设计的CAD模型与图2-4所示的零件点云数据模型进行对齐比较，进行偏差计算，得到的色彩偏差图如图2-5所示直观的描述了该冲压件的加工误差。图2-5冲压件的色彩偏差图2.3 检测仪数字化设计过程传统的机械产品开发过程一般为功能设计、结构设计、样机研制、功能评价、修改设计、设计定型等几个阶段46。首先进行功能设计和方案论证，然后进行产品结构设计，在结构设计完成后，为了验证设计，通常要制造物理样机进行实验（有时这些实验甚至是破坏性的），当通过实验发现缺陷时，再回头修改设计并再造物理样机验证，通过周而复始的设计实验再设计过程，才能设计制造出达到要求性能的产品。但是，随着世界经济和科学技术的飞速发展，全球性的市场竞争日益激烈，消费者对产品的需求不断向多元化、个性化方向发展17。大批量生产千篇一律的产品已经难以满足信息时代人们对个性化的追求，量身定做的定制产品越来越受欢迎。产品消费结构向多元化、个性化方向发展，使得设计制造产品的难度大大增加。面对无法预测、持续发展的市场需求，企业为了提高竞争力，必须尽快改变品种，更新设计，缩短新产品的研发周期，提高产品的设计质量，降低产品的研发成本，进行创新性设计，这样才能对快速多变的市场需求做出敏捷响应，才能在市场竞争中获得相当的市场份额和利润43。因此，缩短开发周期、提高产品质量、降低生产成本以及对市场的灵活反应成为现代企业追求的目标。于是一种全新的设计方法“数字化虚拟样机技术（Virtual Prototyping，VP）”应运而生。虚拟样机技术作为一项基于产品计算机仿真模型的数字化设计方法，利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，将传统的产品设计样机建造测试评估反馈设计的循环过程通过虚拟样机技术完成，从而减少物理样机的建造次数，缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品开发成本17。如图2-3所示的产品设计流程对比图就反映了传统的产品设计流程与现代数字化设计流程的区别。概念设计产品设计样机制造Y测试产品N概念设计产品设计虚拟样机仿真测试验证物理样机Y测试产品NYN改进设计结果匹配传统产品设计流程产品数字化设计流程图2-3 产品设计流程对比图因此在本设计中我们对检测仪的设计将完全采用数字化的设计方法。具体是首先利用计算机辅助设计（CAD）技术，在UG设计平台中对设计的检测仪零部件结构进行三维数字化造型，然后在UG设计平台中建立起检测仪部件及其整机的虚拟装配模型，接着将计算机辅助工程分析（CAE）技术应用在检测仪的性能分析中，在ANSYS Workbench设计平台中建立起检测仪关键部件导轨结构的有限元力学模型，对导轨结构进行静动态的计算机模拟力学仿真实验，来获取导轨系统的静动态力学特性，对结构的优化设计以及对检测仪以后的使用都有参考作用。课题组应用数字化设计手段对检测仪进行的具体设计优化工作包括以下内容：1.利用计算机辅助三维设计软件UG对检测仪零部件进行三维数字化建模及虚拟装配；2.在ADAMS软件中建立检测仪整机的数字化虚拟样机，并对其进行运动学仿真，装配干涉进行检查以及其运动特性；3.在ANSYS WORKBENCH软件设计平台上对检测仪的导轨系统结构进行有限元静、动力学仿真分析，包括结构静力仿真、模态仿真、谐响应仿真分析，以获得检测仪导轨驱动系统的动静态力学特性。2.3.1 数字化建模建立检测仪的数字化零部件模型是建立检测仪数字化样机的基础，只有在建立好检测仪的数字化样机模型后，以产品模型信息为基础，才可以进行模型的动静态干涉检查、运动学和动力学的仿真等，才能对检测仪的数字化样机的性能进行测试和改善，使得样机的性能达到最优。使用UG对检测仪的零部件三维建模2.3.2 数字化装配在UG中建立检测仪的数字化装配模型是在所有零件三维建模完成后，在设计平台上实现预装配，再对结构的可靠性、可维护性、技术指标、工艺性等方面进行一个综合评价，将信息及时反馈，便于及时修改设计。在UG软件平台中建立检测仪的数字化虚拟装配模型包括建立起检测仪结构的装配结构、定义装配关系、规划装配路径。2.3.3 数字化仿真对设计出的检测仪结构进行性能仿真、评价和预测，并可对数字化产品进行优化设计。本章小结本章对五轴机械式冲压件光学检测仪FMSOMI的功能及结构原理进行了总体描述。从冲压件检测的工程背景及在线检测涉及的问题对检测仪的功能及结构进行了详细的设计，详细的描述了检测仪的结构方案及其工作原理，还对冲压件在该检测仪中检测的方法及流程进行了详细的介绍。最后对该检测仪的现代数字化设计过程做了一个总体的规划。第3章 检测仪结构详细设计在该检测仪的机械结构上具体的体现就是机械传动件、导轨部件以及旋转装置等结构的设计上要特别由于该检测仪采用五轴机械式结构形式，其主要构成包括三个相互垂直正交的X、Y、Z运动导轨轴和两个分别绕X、Z轴旋转的旋转分度端齿盘机构，分别称之为测头三维直线运动结构和工件二轴旋转分度结构。因此分为两部分对检测仪的详细结构设计进行介绍。3.1 测头三维直线运动结构3.1.1 运动型式的选择为了实现光学测量头能迅速准确全面地扫描获取冲压件表面的点云数据，我们拟将工件与测头以五轴运动形式来实现测头视觉能将工件表面全面覆盖，具体的实现形式为将测头做三轴正交的直线运动，将工件绕二轴做旋转运动。而实现三轴正交直线运动的结构形式有很多，主要有以下几种，如图3-1所示：(a) 移动桥式(b)固定桥式(c)中心门移动式(d)龙门式(e)悬臂式(f)单柱移动式(g)单柱固定式(h)横臂立柱式(i)横臂工作台移动式图3-1 实现三轴正交运动结构型式以上结构各自所具有的特点如下：（1）移动桥式结构简单，敞开性能好，这种形式工作台的承载能力强，但这种结构X轴方向的驱动位于桥框一侧，易产生阿贝误差；（2）固定桥式结构桥框固定不动，主要部件运动稳定性高，运动误差小，但工作台负载能力比较弱，且敞开性能不好；（3）中心门移动式结构比较复杂，敞开性一般，和移动桥式结构一样具有承载能力强，同时还具有固定桥式结构精度高的优点；（4）龙门式结构的主要特点就是它的移动部分是横梁，整体结构刚性较高，且移动机构质量轻，适合于测量工件范围比较大的情况，但其立柱支撑结构会限制工件的装卸，且如果单侧驱动则会引起较大的阿贝误差，而如果双侧同时驱动技术性难度就较高；（5）悬臂式结构简单，敞开性较好，但当滑架在悬臂上作Y轴方向直线运动，则悬臂的变形较大且时刻变化，因此精度不高；（6）单柱移动式结构也称为仪器台式结构，该结构具有操作方便、测量精度高的优点，但是缺点也明显，如结构复杂、测量范围小等，比较适合用于高精度的小型精密仪器的工作平台；（7）单柱固定式结构结构牢固，敞开性能非常好，但因为是工作台在移动，因此也具有类似固定桥式结构的缺点，如工作台负载能力弱，且工作行程不允许太大；（8）横臂立柱式结构也叫水平臂式结构，结构简单，敞开性也较好，也可以设置较大的工作台用于测量大型工件，但当横臂前后伸出作Y轴直线运动时也会产生较大的变形，会引起较大的测量误差；（9）横臂工作台移动式结构也具有工作台移动式的类似的缺点，承载能力弱、移动范围小等。综合上述一些实现测头三轴正交运动的运动系统以及承载平台，结合该检测仪自身的功能定位所具有的一些特点，如用于车间在线检测，工作台敞开性要好，且基于该承载平台还要装置一个二轴的旋转工作平台用于实现被测工件的二轴旋转，所以承载平台刚性要求较高。用于冲压件车间在线检测的检测仪可以根据工件的大小、结构特点的分类来将设计分成系列化，而本课题将被测工件的尺寸范围限定的是长宽高为600*600*300mm，结合工作平台的敞开性，被测工件的大小、质量，检测仪所需精度等方面考虑，我们选择了承载平台不动、桥框移动的如图3-1中的(a)移动桥式结构，将光线测头搭载在桥框结构的Z轴立柱下端，工件的二轴旋转结构安装在承载平台上，来实现我们的五轴运动方案。3.1.2 导轨的选型设计根据上一小节中选定的移动桥框式结构，要实现测头的三轴正交运动，接下来就是为其选择一种合适的导轨来实现结构的承导和导向，使运动件按