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)中心來源:仿真在線

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機(jī)構(gòu)。而在齒輪的逆向設(shè)計中,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,其方法有基于測得的離散點云數(shù)據(jù)通過曲面重構(gòu)來建立一個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算機(jī)編程來實現(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),以來源于現(xiàn)場應(yīng)用的漸開線圓柱直齒輪為對象,基于實物反求工程技術(shù)路線,研究了齒輪的模型重建技術(shù),并最終實現(xiàn)了該齒輪的實體化。文中的建模策略分為兩個階段:首先在Imageware中構(gòu)建特征曲線和各個小的曲面片,利用其誤差控制功能來調(diào)整曲面的控制點和階數(shù),從而減小曲面與原始點云的差異,最終控制所需要曲面的準(zhǔn)確程度和光順程度;然后通過在proe中構(gòu)建一張大的曲面,去除齒頂圓實體中曲面以外的材料實現(xiàn)齒輪的實體化。這種通過曲面重構(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際加工的特點。

文中采用反求工程模型重建的基本步驟,由測量設(shè)備采集到齒輪的點云數(shù)據(jù),然后在逆向軟件中對點云預(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 齒輪點云數(shù)據(jù)的采集

實物反求的首要環(huán)節(jié)是點云數(shù)據(jù)采集,也稱實物表面的數(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,即接觸式與非接觸式。接觸式又分為點位觸發(fā)式和連續(xù)式,點位觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集,如普通三坐標(biāo)測量機(jī)測量,其采集速度較低,一般只適于零件的表面形狀檢測或需要數(shù)據(jù)較少的表面數(shù)字化的場合;連續(xù)式數(shù)據(jù)采集,如接觸掃描測量,其采集速度較快,因而可用于采集較大規(guī)模的數(shù)據(jù)接觸式測量。接觸式測量都是采用探頭直接接觸工件表面,故其測甚精度較高,抗干擾性好。

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

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

①順著齒廓特征方向走,沿著法線方向采;

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

③復(fù)雜部位密集取點,簡單部位稀疏采點;

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

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)測量的齒輪點云數(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量設(shè)備、周圍環(huán)境影響所帶來的噪聲數(shù)據(jù),用Cilele—selectPoint手動刪除明顯的噪聲點,經(jīng)過預(yù)處理的齒輪點云如圖2所不。

2.2 構(gòu)建特征線和主要的曲面片

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

Imageware是著名的反求工程軟件,其獨(dú)特的優(yōu)勢是具有強(qiáng)大的點云預(yù)處理、曲線曲面擬合和誤差分析能力,且可以實時直觀地顯示所構(gòu)建的特征曲面與實測點云的差異,并出具誤差報告;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,但其處理龐大的點云數(shù)據(jù)非常困難。本文中我們結(jié)合Imageware和proe的優(yōu)勢,借助Imageware進(jìn)行點云預(yù)處理、構(gòu)建后續(xù)PID/E建模必須的特征線和曲面片,并且分析曲面片與點云的誤差;然后proe接受來自Imageware軟件IGS格式的點云、曲線和曲面,通過曲面、實體造型功能,來實現(xiàn)曲面的鏡像、合并、實體化等,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必須要用Fit所得的圓柱。

(2)找出齒輪中心軸線:用Construct-Curve fromsurface—Line form Cylinder/cone Axis析出齒輪中心軸線,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云數(shù)量足夠多,可以直接由點云擬合為曲面,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的連接面:為了連接齒廓跟齒根圓弧不連接的部分,對點云進(jìn)行剖斷面,利用剖斷面的點云構(gòu)建齒廓曲線和齒根圓弧曲線,再用create-3D Curve-3D B—Spline構(gòu)建連接線,保證所構(gòu)建的連接線與齒廓曲線和齒根園弧曲率連續(xù);然后由連接線拉伸為連接曲面,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)方式寫保存,選擇輸出的點云、曲線和曲面,如圖4所示。在齒廓曲面重構(gòu)的過程中,有可能出現(xiàn)曲面皺褶、不光滑以及與原始點云誤差較大的現(xiàn)象,為了達(dá)到要求的精度,會有很多需要調(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接受來自Imageware軟件IGS格式的點云、曲線和曲面,以重構(gòu)得到的一個齒廓曲面為依據(jù),以齒輪中心軸線為基準(zhǔn),經(jīng)過鏡像、合并生成整張大的曲面。然后去除材料實體化,剪切掉齒頂圓實體中曲面外側(cè)的部分。

最后拉伸凸臺至選中的曲面,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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