Imageware和proe的齒輪逆向工程模型重建技術(shù)

2013-08-09 by:廣州ProE/Creo培訓(xùn)中心來(lái)源:仿真在線(xiàn)

引言

齒輪機(jī)構(gòu)是各種機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用最廣泛、最多也是最重要的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。而在齒輪的逆向設(shè)計(jì)中,由于齒輪齒面幾何形狀的復(fù)雜性,使得齒輪三維模型的重構(gòu)存在一定的技術(shù)難度,高效地建立出一個(gè)符合精度要求的齒輪模型很值得研究。

關(guān)于齒輪的逆向工程模型重建技術(shù)以往也有不少研究,其方法有基于測(cè)得的離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)曲面重構(gòu)來(lái)建立一個(gè)錐齒輪三維模型的理論上的分析;也有借助圖形處理軟件用計(jì)算機(jī)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)直齒輪的模型反求等。這些方法在一定的程度上展現(xiàn)了利用反求工程重建齒輪模型的技術(shù)成果,但是文獻(xiàn)[1]并沒(méi)有錐齒輪反求建模策略的研究,反求得到的齒輪精度不足。

本文中我們從創(chuàng)建一張齒輪整體曲面這一新的角度出發(fā),以來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的漸開(kāi)線(xiàn)圓柱直齒輪為對(duì)象,基于實(shí)物反求工程技術(shù)路線(xiàn),研究了齒輪的模型重建技術(shù),并最終實(shí)現(xiàn)了該齒輪的實(shí)體化。文中的建模策略分為兩個(gè)階段:首先在Imageware中構(gòu)建特征曲線(xiàn)和各個(gè)小的曲面片,利用其誤差控制功能來(lái)調(diào)整曲面的控制點(diǎn)和階數(shù),從而減小曲面與原始點(diǎn)云的差異,最終控制所需要曲面的準(zhǔn)確程度和光順程度;然后通過(guò)在proe中構(gòu)建一張大的曲面,去除齒頂圓實(shí)體中曲面以外的材料實(shí)現(xiàn)齒輪的實(shí)體化。這種通過(guò)曲面重構(gòu)建立齒輪三維模型的方法高效、方便,且可以控制擬合誤差;最后去除材料得到的齒輪模型也符合實(shí)際加工的特點(diǎn)。

文中采用反求工程模型重建的基本步驟,由測(cè)量設(shè)備采集到齒輪的點(diǎn)云數(shù)據(jù),然后在逆向軟件中對(duì)點(diǎn)云預(yù)處理以進(jìn)行特征曲面片的重構(gòu),并且分析曲面擬合誤差,調(diào)整各擬合參數(shù)使其在精度要求范圍內(nèi),最后在通用CAD軟件中基于創(chuàng)建好的曲面片可以方便快捷地建立齒輪的數(shù)字化模型。

1 齒輪點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集

實(shí)物反求的首要環(huán)節(jié)是點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集,也稱(chēng)實(shí)物表面的數(shù)字化。逆向工程中物體表面三維數(shù)據(jù)的獲取

方法可以分為兩大類(lèi),即接觸式與非接觸式。接觸式又分為點(diǎn)位觸發(fā)式和連續(xù)式,點(diǎn)位觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集,如普通三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量,其采集速度較低,一般只適于零件的表面形狀檢測(cè)或需要數(shù)據(jù)較少的表面數(shù)字化的場(chǎng)合;連續(xù)式數(shù)據(jù)采集,如接觸掃描測(cè)量,其采集速度較快,因而可用于采集較大規(guī)模的數(shù)據(jù)接觸式測(cè)量。接觸式測(cè)量都是采用探頭直接接觸工件表面,故其測(cè)甚精度較高,抗干擾性好。

由于齒輪是一個(gè)傳動(dòng)件,工作時(shí)需要配對(duì),因而齒形精度要求較高,故選用接觸式測(cè)量方法采集齒輪點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本文中選用的GLOBAL IMAGE活動(dòng)橋式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)配備PC—DMIS通用測(cè)量軟件以及QSGEAR齒輪專(zhuān)用軟件,用其測(cè)量將有益于降低測(cè)量誤差、保證反求精度,其長(zhǎng)度測(cè)量的最大允許示值誤差是(2.5+L/400)μm,空間測(cè)量精度可達(dá)到(3.5+L/300)μm,但是檢測(cè)效率不高。

文中擬采用點(diǎn)位觸發(fā)式和連續(xù)式測(cè)量方式結(jié)合使用。數(shù)據(jù)檢測(cè)原則為:

①順著齒廓特征方向走,沿著法線(xiàn)方向采;

②重要部位(分度圓處)精確多采,次要部位(凸臺(tái)和端面)適當(dāng)取點(diǎn);

③復(fù)雜部位密集取點(diǎn),簡(jiǎn)單部位稀疏采點(diǎn);

④先采外廓數(shù)據(jù),后采內(nèi)部數(shù)據(jù)。對(duì)應(yīng)的實(shí)施方法是:采用點(diǎn)位觸發(fā)式測(cè)量方式,在齒輪一側(cè)端面的凸臺(tái)外圓輪廓線(xiàn)上和齒根圓輪廓線(xiàn)上任意取4個(gè)點(diǎn)(該測(cè)量軟件需要4個(gè)點(diǎn)來(lái)確定一個(gè)圓),以測(cè)量凸臺(tái)外圓的直徑和齒根圓的直徑;另一側(cè)的端面上任意取4個(gè)點(diǎn),以測(cè)得齒寬;采用連續(xù)幾何軌跡點(diǎn)掃描方式按一定的采點(diǎn)密度,在齒廓、齒頂、齒根圓弧倒角處和軸孔上沿齒向均勻打點(diǎn),這樣就測(cè)得了后續(xù)建模需要的齒輪的網(wǎng)格點(diǎn)。

2 齒輪模型重建

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量的齒輪點(diǎn)云數(shù)據(jù)比較規(guī)則、零件坐標(biāo)與軟件相符,所以預(yù)處理階段只需要消除由測(cè)量設(shè)備、周?chē)h(huán)境影響所帶來(lái)的噪聲數(shù)據(jù),用Cilele—selectPoint手動(dòng)刪除明顯的噪聲點(diǎn),經(jīng)過(guò)預(yù)處理的齒輪點(diǎn)云如圖2所不。

2.2 構(gòu)建特征線(xiàn)和主要的曲面片

目前,將通用型CAD/CAM軟件和逆向工程軟件相結(jié)合,通過(guò)建立與點(diǎn)云數(shù)據(jù)沒(méi)有直接數(shù)學(xué)關(guān)系的曲線(xiàn)、曲面模型,實(shí)現(xiàn)曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的逼近,是有效解決曲面重建工程問(wèn)題的重要方法。同時(shí)所建立的曲面模型具有較好的可修改性,可以滿(mǎn)足再設(shè)計(jì)的要求。

Imageware是著名的反求工程軟件,其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)是具有強(qiáng)大的點(diǎn)云預(yù)處理、曲線(xiàn)曲面擬合和誤差分析能力,且可以實(shí)時(shí)直觀(guān)地顯示所構(gòu)建的特征曲面與實(shí)測(cè)點(diǎn)云的差異,并出具誤差報(bào)告;但是其提供的曲面造型手段及輔助功能與功能完備的商用CAD/CAM軟件相比還有差距。而proe靈活運(yùn)用可以建立符合工程需要的大部分模型,但其處理龐大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)非常困難。本文中我們結(jié)合Imageware和proe的優(yōu)勢(shì),借助Imageware進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理、構(gòu)建后續(xù)PID/E建模必須的特征線(xiàn)和曲面片,并且分析曲面片與點(diǎn)云的誤差;然后proe接受來(lái)自Imageware軟件IGS格式的點(diǎn)云、曲線(xiàn)和曲面,通過(guò)曲面、實(shí)體造型功能,來(lái)實(shí)現(xiàn)曲面的鏡像、合并、實(shí)體化等,最終完成模型的重構(gòu)。

為了后續(xù)的模型重建,必須要構(gòu)造出擬定的建模方法所需要的特征線(xiàn)和特征面,步驟如下:

(1)擬合圓柱:由Construct-Surface-form cloud—Fit Cylinder把軸孔擬合為圓柱面。采用擬合命令是由于后續(xù)要析出的齒輪軸心線(xiàn)必須要用Fit所得的圓柱。

(2)找出齒輪中心軸線(xiàn):用Construct-Curve fromsurface—Line form Cylinder/cone Axis析出齒輪中心軸線(xiàn),以方便后續(xù)造型操作。

(3)構(gòu)建齒廓曲面及齒根圓弧面:由于齒廓和齒根部分的點(diǎn)云數(shù)量足夠多,可以直接由點(diǎn)云擬合為曲面,用Construct-Surface-form cloud—Unform Surfcae擬合齒廓曲面以及齒根圓弧曲面。

(4)創(chuàng)建齒廓與齒根圓弧問(wèn)的連接面:為了連接齒廓跟齒根圓弧不連接的部分,對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行剖斷面,利用剖斷面的點(diǎn)云構(gòu)建齒廓曲線(xiàn)和齒根圓弧曲線(xiàn),再用create-3D Curve-3D B—Spline構(gòu)建連接線(xiàn),保證所構(gòu)建的連接線(xiàn)與齒廓曲線(xiàn)和齒根園弧曲率連續(xù);然后由連接線(xiàn)拉伸為連接曲面,最后形成一側(cè)的齒廓曲面。

(5)用Construct-Surface-form cloud—Fit Plane擬合齒輪端面及凸臺(tái)所在的平面。

(6)修剪各曲面片:主要是把齒廓曲面延伸,用齒頂圓裁剪得到完整的齒廓;再把構(gòu)建的各曲面片進(jìn)行延伸、剪斷等編輯,以IGS格式選擇性(selected)方式寫(xiě)保存,選擇輸出的點(diǎn)云、曲線(xiàn)和曲面,如圖4所示。在齒廓曲面重構(gòu)的過(guò)程中,有可能出現(xiàn)曲面皺褶、不光滑以及與原始點(diǎn)云誤差較大的現(xiàn)象,為了達(dá)到要求的精度,會(huì)有很多需要調(diào)整和反復(fù)嘗試的參數(shù)選擇,這需要一定的熟練程度和技巧。

2.3 用proe創(chuàng)建整張大的曲面和最終CAD模型

proe接受來(lái)自Imageware軟件IGS格式的點(diǎn)云、曲線(xiàn)和曲面,以重構(gòu)得到的一個(gè)齒廓曲面為依據(jù),以齒輪中心軸線(xiàn)為基準(zhǔn),經(jīng)過(guò)鏡像、合并生成整張大的曲面。然后去除材料實(shí)體化,剪切掉齒頂圓實(shí)體中曲面外側(cè)的部分。

最后拉伸凸臺(tái)至選中的曲面,去除材料拉伸軸孔,并且倒角后得到最終齒輪CAD模型。

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