【文章內(nèi)容簡介】 以及壽命方面的要求有重要的作用。 還要對導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行模態(tài)分析，得到整體結(jié)構(gòu)的固有頻率和相應(yīng)的振型，并設(shè)置動力學(xué)仿真參數(shù)，對其作諧響應(yīng)分析，得到導(dǎo)軌系統(tǒng)的整體動態(tài)特性。通過模態(tài)分析可以預(yù)先使結(jié)構(gòu)的固有頻率避開在線環(huán)境的振動頻率，以免發(fā)生共振；通過諧 響應(yīng)分析還可以知道外來振源對儀器各方面性能的影響并盡量通過改進結(jié)構(gòu)讓其影響達到最??；還可以通過動態(tài)特性的分析發(fā)現(xiàn)設(shè)計的 結(jié)構(gòu)缺陷和薄弱環(huán)節(jié) ，繼續(xù)對機構(gòu)設(shè)計不合理處進行改進，以實現(xiàn)對 FMSOMI 的優(yōu)化設(shè)計。 論文 組織 結(jié)構(gòu) 本文依托 數(shù)字化 設(shè)計平臺（ UG、 ANSYS WORKBENCH）對基于 3D 對齊檢測原理的沖壓件在線檢測設(shè)備的結(jié)構(gòu)進行研究。全文共分七章，內(nèi)容安排如下： 第一章 緒論。介紹了論文的研究背景，問題的提出、研究基礎(chǔ)，研究思路、研究內(nèi)容以及本論文的結(jié)構(gòu)。 第二章 檢測儀 設(shè)計 的總體描述 。 借鑒目前成熟三坐 標(biāo)測量機和數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合沖壓件在線檢測的要求，先從總體上把握主機的框架結(jié)構(gòu)，得出設(shè)備結(jié)構(gòu)方案，再對各功能部件進行分析、選擇和設(shè)計。 第三章 檢測儀各部分結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計 。 第四章 基于 AWE 的測量主機結(jié)構(gòu) 靜 力學(xué) 仿真 實驗分析 。 第 五 章 基于 AWE 的測量主機結(jié)構(gòu) 動力學(xué) 仿真 實驗分析。 第 六 章 結(jié)論和展望。對本論文的工作做出總結(jié)和展望，指出不足和需要進一步改進的地方。 第 1 章 緒論 6 圖 11 論文結(jié)構(gòu)示意圖 本章小結(jié) 本章為本文的緒論部分。從沖壓件的質(zhì)量檢測的工程背景及產(chǎn)品的虛擬設(shè)計兩方面分析課題的研究背景，相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀。并介紹課題研究的目標(biāo)、意義、主要內(nèi)容及技術(shù)路線；最后對論文結(jié)構(gòu)進行描述。第 2 章 檢測儀設(shè)計總體描述 7 第 2章 檢測儀設(shè)計總體描述 五軸機械式?jīng)_壓件光學(xué)檢測儀是精密機械技術(shù)、電子技術(shù)與光電檢測技術(shù)的結(jié)合體，是一臺集光機電技術(shù)于一體的精密儀器，因此在我們對檢測儀的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候 要特別遵循一些 精密 機械與儀器結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求、原則及方法等，同時還要遵循機械產(chǎn)品研制的一般流程 。 本章 通過對 檢測儀的設(shè)計的總體描述，對檢測儀的設(shè)計形成一個全局的把握 。主要介紹該檢測儀總體設(shè)計過程中所涉及的內(nèi)容，包括： 檢測儀的概念設(shè)計、功能設(shè)計以及初步設(shè)計的結(jié)構(gòu)原理方案，最后要重點介紹的是在該檢測儀的設(shè)計過程中重點使用到的數(shù)字化設(shè)計方法 ，在接下來的章節(jié)中就可以對檢測儀關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)的 數(shù)字化 設(shè)計以及基于結(jié)構(gòu)設(shè)計建模完成的基礎(chǔ)上再進行的仿真實驗展開論述 。 檢測儀設(shè)計流程 設(shè)計是產(chǎn)品生命周期中的第一個環(huán)節(jié)，也是最重要的環(huán)節(jié)。工程研究與實踐表明：整個產(chǎn)品生命周期約 80%的費用是由產(chǎn)品設(shè)計階段 （ 從產(chǎn)品定義到制造之前 ） 的工作所決定的，而這一階段本身所需費用則占不到總費用的 3%。 產(chǎn)品設(shè)計階段的重要性使得人們對設(shè)計過程的本質(zhì)進行了深入的研究，于是有了研究設(shè)計理論和設(shè)計方法的設(shè)計方法學(xué)。設(shè)計理論是研究設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計過程的思維方式和基本規(guī)律，設(shè)計方法是產(chǎn)品設(shè)計的具體手段，如并行設(shè)計、可靠性設(shè)計、虛擬設(shè)計、智能設(shè)計等。 雖然設(shè)計理論及設(shè)計方法多種多樣，但他們都會有一個共性，那就是都會強調(diào)設(shè)計規(guī)則的重要性， 機械產(chǎn)品的研發(fā)一般都可以遵循一個 普遍的設(shè)計流程，在本檢測儀的設(shè)計中，我們 根據(jù)機械產(chǎn)品普遍的設(shè)計流程 將其設(shè)計過程劃分 為 4個階 段： （ 1）計劃階段：這一階段就是要對所設(shè)計的 檢測儀 進行定義，首先要了解檢測儀 所涉及到的技術(shù)的當(dāng)前水平， 包括沖壓件在線檢測、精密檢測儀器、光學(xué)掃描等技術(shù)的發(fā)展水平， 確認 檢測儀 應(yīng)具有的性能及水平， 根據(jù)這些 進行可行性分析 。最后 根據(jù)設(shè)計目標(biāo) 編制技術(shù)任務(wù)書，制定設(shè)計要求表 ，并制定設(shè)計計劃書。 （ 2）方案設(shè)計階段：又稱初步設(shè)計或概念設(shè)計，這個階段要完成 檢測儀 的總體方案設(shè)計。根據(jù)技術(shù)任務(wù)書的要求，確定 檢測儀 的技術(shù)參數(shù)及主要技術(shù)性能指標(biāo)、總體布局及主要部件結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品主要工作原理等。繪制 檢測儀的 總體結(jié)構(gòu)第 2 章 檢測儀設(shè)計總體描述 8 模型草圖 、 工作原理圖等，編寫方案設(shè)計評審報告，經(jīng)評審后作為技術(shù)設(shè)計的基礎(chǔ)。 （ 3）技術(shù)設(shè)計階段：在 方案設(shè)計評審?fù)ㄟ^ 后 ， 這階段還需要 在研究試驗及設(shè)計計算與技術(shù)經(jīng)濟分析的基礎(chǔ)上 對總體方案進行 修正 ， 最后 完成產(chǎn)品主要零部件件的設(shè)計。在運用數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的現(xiàn)代設(shè)計中，技術(shù)設(shè)計階段可以采用現(xiàn)代化的設(shè)計手段來對設(shè)計方案進行評估，如建立產(chǎn)品的數(shù)字化虛擬樣機，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行運動學(xué)、 靜力學(xué)以及 動力學(xué) 等性能進行計算機的模擬仿真分析，通過這些手段來對產(chǎn)品的性能進行評估并提供修改方案。最后要形成產(chǎn)品的最終技術(shù)方案，建立零部件的工程圖以及部件及 總裝配圖。 （ 4）編制技術(shù)文件階段： 在檢測儀設(shè)計的最后這一階段主要是要 確定 檢測儀的 全部結(jié)構(gòu)，完成 檢測儀 的全部零部件設(shè)計，完成全部產(chǎn)品圖樣和技術(shù)文件，供加工、裝配、 生產(chǎn)管理 使用。 本章通過對檢測儀的概念設(shè)計的詳細介紹來對檢測儀的總體設(shè)計方案進行描述，在接下來的第三、四、五章中將對檢測儀的技術(shù)設(shè)計做詳細介紹，包括第三章對檢測儀關(guān)鍵零部件的設(shè)計以及對其數(shù)字化造型及裝配，第四、五章通過計算機模擬仿真分析檢測儀關(guān)鍵部件導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)及動力學(xué)性能，來驗證技術(shù)設(shè)計以及作為設(shè)計修改的依據(jù)。 檢測儀概念設(shè)計 檢測儀功能 設(shè)計 實現(xiàn)沖壓件加工 100%在線檢測，要求檢測設(shè)備具有較快的檢測速度以及較高的測量精度；要適應(yīng)車間現(xiàn)場的工作環(huán)境，檢測設(shè)備必須具有較好的防振、防塵、防潮的輔助裝置；同時檢測設(shè)備還需具有較好的操作性、軟硬件集成度好、自動化程度較高的功能特點。在設(shè)備研制的初級階段，我們需要從設(shè)備檢測方法、功能實現(xiàn)、工作環(huán)境等多方面綜合考慮設(shè)備的結(jié)構(gòu)。 許多儀器設(shè)備的測量性能依賴于環(huán)境 [45]，本文研究的沖壓件檢測設(shè)備也不例外，環(huán)境條件是我們研究沖壓件質(zhì)量檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)必須考慮的重要因素。用于沖壓件在線質(zhì)量檢測的設(shè)備工作環(huán)境是沖壓 件加工現(xiàn)場，即沖壓車間。因此，設(shè)備工作環(huán)境比較惡劣，主要受到 溫度、振動、濕度等 環(huán)境參數(shù)和使用條件的影響 。 根據(jù)以上對沖壓件在線質(zhì)量檢測的環(huán)境限制以及性能要求，我們總結(jié)出該 檢測儀設(shè)計擬達到的 的主要技術(shù)性能指標(biāo)如下： （ 1）儀器用途：用于汽車覆蓋件在線質(zhì)量檢測，可用于車間現(xiàn)場實時快速第 2 章 檢測儀設(shè)計總體描述 9 檢測工件的表面形貌、總體尺寸、零件基本特征（如孔、槽等）的形位誤差等。 （ 2）檢測對象：汽車沖壓件中尺寸范圍在 500mm*500mm*200 內(nèi)的小型覆蓋件和 車內(nèi)支撐件、結(jié)構(gòu)加強件 等中小尺寸沖壓件。其需要檢測的總體尺寸和一些特征的形位 精度一般為 。 （ 3）測量范圍： 有效行程： Ｘ： 500ｍｍ ,Ｙ： 600ｍｍ ,Ｚ： 300ｍｍ 外形尺寸： Ｘ： 1000ｍｍ ,Ｙ： 600ｍｍ ,Ｚ： 1000ｍｍ （ 4） 測量精度： —— 光學(xué)測頭：北京博維恒信公司 ,非接觸式光學(xué)三維掃描測頭（ 3DCAMEGA CF200）；測頭測量原理 —— 無需標(biāo)志點，點云數(shù)據(jù)自動拼接；利用三座標(biāo)的機械定位系統(tǒng)（配有光柵）實現(xiàn)精確自定位拼接； 儀器總精度：一個經(jīng)驗值： 一般情況下，儀器的總精度是被測對象精度的1/31/5，因此設(shè)定此檢測儀的總精度為 ；重復(fù)精度為儀器允差的 1/31/5，為 ；光學(xué)測頭，其瞄準(zhǔn)精度為 13um； 測量機械系統(tǒng)的精度一般為儀器總精度的 1/31/5， 單軸 測量精度： EMPE ： ≤ + L/300 m? 長度測量重復(fù)精度： m? 光柵分辨率： m? （ 5）工作原理：根據(jù)上述技術(shù)要求設(shè)計該三坐標(biāo)在線測量儀，該機具有空間三個相互垂直的 X、 Y、 Z 運動導(dǎo)軌，主機采用固定橋式結(jié)構(gòu)，工件固定在水平工作臺上，工作臺可沿 X 方向?qū)к壠叫幸苿樱鈱W(xué)測頭安裝在垂直方向立柱上，立柱可沿 Y、 Z 方向?qū)к壠叫幸苿?。其檢測原理是 利用 光學(xué) 測量 頭 迅速準(zhǔn)確地 掃描 獲取 覆蓋件 表面的 點云數(shù)據(jù) ，通過 專用軟件（ IMAGEWARE）實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)處理及拼合 ， 然后將其與 CAD 數(shù)字樣件模型直接進行三維對齊，以彩色誤差圖以及報表形式直觀詳細地反映被檢測工件的整體質(zhì)量。 檢測儀 結(jié)構(gòu)方案 FMSOMI 是將三維光學(xué)掃描 技術(shù)和點云三維對齊技術(shù)應(yīng)用到?jīng)_壓件在線檢測中，通過對沖壓件進行一次裝夾， 利用 光學(xué) 測量 頭 迅速準(zhǔn)確 全面 地 掃描 獲取 沖壓件 表面的 點云數(shù)據(jù) ，通過 專用軟件實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)處理及拼合 ， 然后將其與 CAD數(shù)字樣件模型直接進行三維對齊，以彩色誤差圖以及報表形式直觀詳細地反映被檢測工件的整體質(zhì)量。 該檢測儀采用五軸機械式結(jié)構(gòu)形式，主要構(gòu)成包括三個相互垂直正交的 X、Y、 Z 運動導(dǎo)軌軸和兩個分別繞 X、 Z 軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)分度端齒盤機構(gòu)（分別定義為 A 軸和 C 軸）、安裝在主體機構(gòu) Z 軸上的三維光學(xué)測頭。 工件 裝夾 在 檢測工作第 2 章 檢測儀設(shè)計總體描述 10 臺上，此檢測工作臺置于兩個分別繞 X、 Z 軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)分度端齒盤機構(gòu)上，可組合實現(xiàn)將工件繞 X、 Y、 Z 三軸的轉(zhuǎn)動，將工件的 所有特征 展現(xiàn)在光學(xué)測頭的視覺范圍內(nèi) ；光學(xué) 掃描 測頭 安裝在運動導(dǎo)軌軸 Z 軸上，借助驅(qū)動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)在 X、 Y、 Z 三維直角坐標(biāo)系中做直線平移運動，實現(xiàn)對工件表面的攝像 ，快速準(zhǔn)確動態(tài)地獲取工件表面的點云數(shù)據(jù)。 圖 21 FMSOMI 結(jié)構(gòu)示意圖 在圖 21 所示結(jié)構(gòu)示意圖中， 工件 裝夾 在 檢測工作臺（ 12）上，此檢測工作臺置于繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)的水平放置旋轉(zhuǎn)分度端齒盤（ 13）上，該水平放置旋轉(zhuǎn)分度端齒盤（ 13）通過軸和一個連接機構(gòu)與一垂直放置旋轉(zhuǎn)分度端齒盤（ 4）連接，該垂直放置旋轉(zhuǎn)分度端齒盤（ 4）可繞 X 軸旋轉(zhuǎn)。由此可組合實現(xiàn)將工件繞 X、Y、 Z 三軸的轉(zhuǎn)動，將工件的 所有特征 展現(xiàn)在光學(xué)測頭的視覺范圍內(nèi)。 X 向驅(qū)動導(dǎo)軌、 Y 向?qū)к壓?Z 向?qū)к売刹竭M電機和滾動導(dǎo)軌與滾珠絲杠一體化的智能組合單元驅(qū)動實現(xiàn)直線運動；三維 光學(xué)測頭 （ 11）通過測頭連接桿（ 10）安裝在運動導(dǎo)軌軸 Z 軸（ 7）滑塊上，由步進電機和滾動導(dǎo)軌與滾珠絲杠一體化的智能組合單元實現(xiàn) Z 軸滑塊的直線運動；由此實現(xiàn)測頭在 X、 Y、 Z 三維直角坐標(biāo)系中做直線平移運動，實現(xiàn)對 工作臺 內(nèi)任意位置 工件表面的攝像 ，快速準(zhǔn)確動態(tài)地獲取工件表面的點云數(shù)據(jù)。 X 向?qū)к壗M合單元安裝在基礎(chǔ)安裝臺上， A 軸分度端齒盤（ 4）直接安裝在基礎(chǔ)安裝臺（ 3）上， C 軸分度端齒盤（ 13）通過兩支承座（ 14）和 A 軸分度端齒盤（ 4）與基礎(chǔ)安裝臺（ 3）相連?；A(chǔ)安裝臺（ 3）固定連接在減振臺（ 1）上，以消除車間現(xiàn)場環(huán)境的振動對檢測儀的影響。 第 2 章 檢測儀設(shè)計總體描述 11 檢測儀原理描述 待 生 產(chǎn) 的 沖 壓 件三 維 C A D 數(shù) 字 化 建 模得 到 沖 壓 件 數(shù) 字 樣 件 模 型已 加 工 完 成 的 待檢 測 沖 壓 件三 維 光 學(xué) 掃 描 檢 測 裝 置 獲取 被 測 工 件 三 維 形 面 的 點云 數(shù) 據(jù)經(jīng) 過 數(shù) 據(jù) 處 理 與 拼 合 的 點云 數(shù) 據(jù) 模 型在 點 云 數(shù) 據(jù) 處 理 軟 件 中 將 點 云 數(shù) 據(jù) 模型 與 C A D 數(shù) 字 樣 件 模 型 完 成 3 D 對 齊 比 較以 彩 色 誤 差 圖 和 報 表 的 方 式 輸 出 比 較結(jié) 果直 觀 得 到 沖 壓 件 加 工 幾 何 形 面 誤 差 的位 置 和 大 小 圖 22 檢測方法工作流程圖 基于該裝置結(jié)構(gòu)的檢測方法的工作流程如圖 22 所示： （ 1）按照規(guī)劃的區(qū)域用攝像式三維光學(xué)測量裝置獲取被測沖壓工件三維型面多片測量點云數(shù)據(jù)。 （ 2）在點云數(shù)據(jù)處理軟件完成測量數(shù)據(jù)的去噪、數(shù)據(jù)精簡、平滑等處理等點云數(shù)據(jù)優(yōu)化與拼合處理得到被測沖壓件點云數(shù)據(jù)模型。 （ 3）在點云數(shù)據(jù)處理軟件中，準(zhǔn)備好處理后的被測工件的點云數(shù)據(jù)模型，同時導(dǎo)入 CAD 數(shù)字化樣件的三維模型，選擇一定的定位對齊原則，將兩者進行3D 對齊比較。 （ 4）在點云數(shù)據(jù)處理軟件中完成 3D 對齊比較，軟件就可以以彩色誤差圖的方式可視化地顯示出對齊后的工件整體誤差，也可以用報表方式顯示檢測結(jié)果，實現(xiàn)沖壓件在線全數(shù)字化檢測。 下面是利用該檢測儀采用的 3D Camega 光學(xué)掃描測頭系統(tǒng)對零件進行掃描以及分析的過程，圖 23 所示是分兩個角度對該零件進行拍攝掃描獲取的兩幅表面點云數(shù)據(jù)圖， 圖 23 點云數(shù)據(jù)圖 第 2 章 檢測儀設(shè)計總體描述 12 圖 24 所示是在點云數(shù)據(jù)處理軟件 Geomagic Studio 中對前面獲取的點云進行去噪、數(shù)據(jù)精簡、平滑等點云數(shù)據(jù)優(yōu)化工作后，再進行拼合處理得到的點云數(shù)據(jù)模型 圖 24 點云數(shù)據(jù)模型 最后在點云數(shù)據(jù)處理軟件 Geomagic Qualify 中將圖 25 所示的該零件設(shè)計的CAD 模型與圖 24 所示的零件點云數(shù)據(jù)模型 進行對齊比較，進行偏差計算，得到的色彩偏差圖如圖 25 所示直觀的描述了該沖壓件的加工誤差。 圖 25 沖壓件