Imageware和proe的齿轮逆向工程模型重建技术

2013-08-09 by:广州ProE/Creo培训中心来源:仿真在线

引言

齿轮机构是各种机械设备中应用最广泛、最多也是最重要的一种传动机构。而在齿轮的逆向设计中,由于齿轮齿面几何形状的复杂性,使得齿轮三维模型的重构存在一定的技术难度,高效地建立出一个符合精度要求的齿轮模型很值得研究。

关于齿轮的逆向工程模型重建技术以往也有不少研究,其方法有基于测得的离散点云数据通过曲面重构来建立一个锥齿轮三维模型的理论上的分析;也有借助图形处理软件用计算机编程来实现直齿轮的模型反求等。这些方法在一定的程度上展现了利用反求工程重建齿轮模型的技术成果,但是文献[1]并没有锥齿轮反求建模策略的研究,反求得到的齿轮精度不足。

本文中我们从创建一张齿轮整体曲面这一新的角度出发,以来源于现场应用的渐开线圆柱直齿轮为对象,基于实物反求工程技术路线,研究了齿轮的模型重建技术,并最终实现了该齿轮的实体化。文中的建模策略分为两个阶段:首先在Imageware中构建特征曲线和各个小的曲面片,利用其误差控制功能来调整曲面的控制点和阶数,从而减小曲面与原始点云的差异,最终控制所需要曲面的准确程度和光顺程度;然后通过在proe中构建一张大的曲面,去除齿顶圆实体中曲面以外的材料实现齿轮的实体化。这种通过曲面重构建立齿轮三维模型的方法高效、方便,且可以控制拟合误差;最后去除材料得到的齿轮模型也符合实际加工的特点。

文中采用反求工程模型重建的基本步骤,由测量设备采集到齿轮的点云数据,然后在逆向软件中对点云预处理以进行特征曲面片的重构,并且分析曲面拟合误差,调整各拟合参数使其在精度要求范围内,最后在通用CAD软件中基于创建好的曲面片可以方便快捷地建立齿轮的数字化模型。

1 齿轮点云数据的采集

实物反求的首要环节是点云数据采集,也称实物表面的数字化。逆向工程中物体表面三维数据的获取

方法可以分为两大类,即接触式与非接触式。接触式又分为点位触发式和连续式,点位触发式数据采集,如普通三坐标测量机测量,其采集速度较低,一般只适于零件的表面形状检测或需要数据较少的表面数字化的场合;连续式数据采集,如接触扫描测量,其采集速度较快,因而可用于采集较大规模的数据接触式测量。接触式测量都是采用探头直接接触工件表面,故其测甚精度较高,抗干扰性好。

由于齿轮是一个传动件,工作时需要配对,因而齿形精度要求较高,故选用接触式测量方法采集齿轮点云数据。本文中选用的GLOBAL IMAGE活动桥式三坐标测量机配备PC—DMIS通用测量软件以及QSGEAR齿轮专用软件,用其测量将有益于降低测量误差、保证反求精度,其长度测量的最大允许示值误差是(2.5+L/400)μm,空间测量精度可达到(3.5+L/300)μm,但是检测效率不高。

文中拟采用点位触发式和连续式测量方式结合使用。数据检测原则为:

①顺着齿廓特征方向走,沿着法线方向采;

②重要部位(分度圆处)精确多采,次要部位(凸台和端面)适当取点;

③复杂部位密集取点,简单部位稀疏采点;

④先采外廓数据,后采内部数据。对应的实施方法是:采用点位触发式测量方式,在齿轮一侧端面的凸台外圆轮廓线上和齿根圆轮廓线上任意取4个点(该测量软件需要4个点来确定一个圆),以测量凸台外圆的直径和齿根圆的直径;另一侧的端面上任意取4个点,以测得齿宽;采用连续几何轨迹点扫描方式按一定的采点密度,在齿廓、齿顶、齿根圆弧倒角处和轴孔上沿齿向均匀打点,这样就测得了后续建模需要的齿轮的网格点。

2 齿轮模型重建

2.1 数据预处理

由于三坐标机测量的齿轮点云数据比较规则、零件坐标与软件相符,所以预处理阶段只需要消除由测量设备、周围环境影响所带来的噪声数据,用Cilele—selectPoint手动删除明显的噪声点,经过预处理的齿轮点云如图2所不。

2.2 构建特征线和主要的曲面片

目前,将通用型CAD/CAM软件和逆向工程软件相结合,通过建立与点云数据没有直接数学关系的曲线、曲面模型,实现曲面与点云数据之间的逼近,是有效解决曲面重建工程问题的重要方法。同时所建立的曲面模型具有较好的可修改性,可以满足再设计的要求。

Imageware是著名的反求工程软件,其独特的优势是具有强大的点云预处理、曲线曲面拟合和误差分析能力,且可以实时直观地显示所构建的特征曲面与实测点云的差异,并出具误差报告;但是其提供的曲面造型手段及辅助功能与功能完备的商用CAD/CAM软件相比还有差距。而proe灵活运用可以建立符合工程需要的大部分模型,但其处理庞大的点云数据非常困难。本文中我们结合Imageware和proe的优势,借助Imageware进行点云预处理、构建后续PID/E建模必须的特征线和曲面片,并且分析曲面片与点云的误差;然后proe接受来自Imageware软件IGS格式的点云、曲线和曲面,通过曲面、实体造型功能,来实现曲面的镜像、合并、实体化等,最终完成模型的重构。

为了后续的模型重建,必须要构造出拟定的建模方法所需要的特征线和特征面,步骤如下:

(1)拟合圆柱:由Construct-Surface-form cloud—Fit Cylinder把轴孔拟合为圆柱面。采用拟合命令是由于后续要析出的齿轮轴心线必须要用Fit所得的圆柱。

(2)找出齿轮中心轴线:用Construct-Curve fromsurface—Line form Cylinder/cone Axis析出齿轮中心轴线,以方便后续造型操作。

(3)构建齿廓曲面及齿根圆弧面:由于齿廓和齿根部分的点云数量足够多,可以直接由点云拟合为曲面,用Construct-Surface-form cloud—Unform Surfcae拟合齿廓曲面以及齿根圆弧曲面。

(4)创建齿廓与齿根圆弧问的连接面:为了连接齿廓跟齿根圆弧不连接的部分,对点云进行剖断面,利用剖断面的点云构建齿廓曲线和齿根圆弧曲线,再用create-3D Curve-3D B—Spline构建连接线,保证所构建的连接线与齿廓曲线和齿根园弧曲率连续;然后由连接线拉伸为连接曲面,最后形成一侧的齿廓曲面。

(5)用Construct-Surface-form cloud—Fit Plane拟合齿轮端面及凸台所在的平面。

(6)修剪各曲面片:主要是把齿廓曲面延伸,用齿顶圆裁剪得到完整的齿廓;再把构建的各曲面片进行延伸、剪断等编辑,以IGS格式选择性(selected)方式写保存,选择输出的点云、曲线和曲面,如图4所示。在齿廓曲面重构的过程中,有可能出现曲面皱褶、不光滑以及与原始点云误差较大的现象,为了达到要求的精度,会有很多需要调整和反复尝试的参数选择,这需要一定的熟练程度和技巧。

2.3 用proe创建整张大的曲面和最终CAD模型

proe接受来自Imageware软件IGS格式的点云、曲线和曲面,以重构得到的一个齿廓曲面为依据,以齿轮中心轴线为基准,经过镜像、合并生成整张大的曲面。然后去除材料实体化,剪切掉齿顶圆实体中曲面外侧的部分。

最后拉伸凸台至选中的曲面,去除材料拉伸轴孔,并且倒角后得到最终齿轮CAD模型。

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