基于CMM逆向工程的擺線(xiàn)齒輪磨損檢測(cè)研究與應(yīng)用

林祖勝

(廈門(mén)理工學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361024)

?

基于CMM逆向工程的擺線(xiàn)齒輪磨損檢測(cè)研究與應(yīng)用

林祖勝

(廈門(mén)理工學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361024)

針對(duì)只有實(shí)體但缺少技術(shù)圖紙的擺線(xiàn)齒輪磨損位置和磨損量的不確定性和復(fù)雜性問(wèn)題，提出基于逆向工程的齒輪磨損檢測(cè)方法。通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)對(duì)齒輪磨損件進(jìn)行表面信息獲取，結(jié)合Imageware和Pro/E軟件重構(gòu)CAD模型，分析了齒輪離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取方式、點(diǎn)云的預(yù)處理以及曲面重構(gòu)過(guò)程，最后根據(jù)磨損前后三維模型對(duì)比獲得磨損部位與磨損量的精確數(shù)字化待修復(fù)信息。試驗(yàn)表明，基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的逆向工程技術(shù)能對(duì)齒輪修復(fù)給予指導(dǎo)并達(dá)到良好效果。

逆向工程；三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)；擺線(xiàn)齒輪；磨損檢測(cè)

齒輪機(jī)構(gòu)是現(xiàn)代機(jī)械應(yīng)用最廣泛的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)比穩(wěn)定、工作可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。由于所承受的載荷及工作環(huán)境等因素導(dǎo)致齒輪容易發(fā)生磨損、斷齒等故障，最終致使齒輪失效，因此齒輪的磨損修復(fù)研究受到高度重視[1-2]，對(duì)于傳動(dòng)精度要求不高的普通大齒輪，一般采用腐蝕方法再生，而對(duì)于傳動(dòng)精度要求高的精密齒輪，在出現(xiàn)磨損損傷或腐蝕后，多采用刷鍍和堆焊方法進(jìn)行修復(fù)[3-4]。

但是齒輪磨損位置和磨損量存在很大的不確定性和復(fù)雜性，傳統(tǒng)的磨損檢測(cè)和評(píng)定并不能快速地?cái)?shù)字化表征復(fù)雜齒面的磨損情況，特別對(duì)于早期設(shè)備或非標(biāo)進(jìn)口件等大多沒(méi)有完整的尺寸圖備案，很難掌握關(guān)鍵尺寸，因此修復(fù)過(guò)程存在經(jīng)驗(yàn)依賴(lài)性強(qiáng)、效率低、精度差等問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已將逆向技術(shù)成功應(yīng)用到產(chǎn)品修復(fù)再制造領(lǐng)域，但多基于已有技術(shù)圖紙[5-7]。本文以擺線(xiàn)齒輪為例，在缺乏相關(guān)技術(shù)資料的背景下，利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，研究基于逆向工程的齒輪表面檢測(cè)技術(shù)，以期為擺線(xiàn)齒輪的快速精確修復(fù)提供數(shù)字化依據(jù)。

1　逆向工程

逆向工程(也稱(chēng)反求工程)是指在無(wú)法獲得相關(guān)技術(shù)圖紙的情況下，根據(jù)現(xiàn)有實(shí)物或?qū)嶒?yàn)?zāi)Ｐ?，利用?shù)字化技術(shù)重構(gòu)CAD模型并進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化及制造的全過(guò)程，其工作流程如圖1所示。與傳統(tǒng)正向設(shè)計(jì)相比，逆向工程具有設(shè)計(jì)精度高、周期短、便于后續(xù)仿真等特點(diǎn)[8]，主要應(yīng)用在：(1)新產(chǎn)品的仿制或改型。(2)磨損件或損壞件的還原與修補(bǔ)。(3)數(shù)字化模型的檢測(cè)，分析制造或加工誤差。(4)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹貥?gòu)，如風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等。(5)其他領(lǐng)域應(yīng)用，如義齒修復(fù)等。

2　磨損齒輪表面數(shù)字化

如果想要確定實(shí)體表面數(shù)字化磨損程度，就必須通過(guò)一定的方法獲取其表面點(diǎn)數(shù)據(jù)，如圖2所示，目前三坐標(biāo)測(cè)量法是逆向工程中獲取實(shí)體表面信息最常見(jiàn)也是應(yīng)用最為廣泛的一種。

2.1三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)及其數(shù)據(jù)獲取方式

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是將被測(cè)件置于允許的測(cè)量空間，通過(guò)機(jī)器運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)傳感器精確地獲得工件表面三維坐標(biāo)值，經(jīng)計(jì)算機(jī)擬合形成測(cè)量元素后進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而獲得尺寸公差及其他幾何量數(shù)據(jù)。根據(jù)與被測(cè)體是否接觸，其數(shù)據(jù)獲取分為接觸式和非接觸式兩種，其中接觸式通過(guò)采樣探針與被測(cè)表面接觸產(chǎn)生角度偏轉(zhuǎn)變化，觸發(fā)采樣開(kāi)關(guān)使控制系統(tǒng)鎖存當(dāng)前光柵計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)并輸入測(cè)量軟件中，移動(dòng)測(cè)頭到所需位置即可采集工件表面坐標(biāo)數(shù)據(jù)，非接觸式則利用與工件表面發(fā)生非接觸相互作用的物理現(xiàn)象(如光、磁場(chǎng)等)，將物理模擬量通過(guò)算法轉(zhuǎn)化為工件表面坐標(biāo)信息，以激光式和光學(xué)影像式較為常見(jiàn)，兩種測(cè)量方式的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1接觸式與非接觸式測(cè)量的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)接觸式對(duì)被測(cè)件的材質(zhì)、粗糙度、反射性要求不高測(cè)量精度和可靠性較高易進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與程序控制不宜測(cè)量軟性材料工件需進(jìn)行探頭半徑補(bǔ)償需逐點(diǎn)進(jìn)行,速度較慢測(cè)頭易磨損非接觸式可測(cè)易變形、易碎等工件不必進(jìn)行探頭半徑補(bǔ)償速度快,數(shù)據(jù)量大測(cè)量精度稍差易受環(huán)境光線(xiàn)等影響工件表面質(zhì)量有要求

2.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集

本文應(yīng)用德國(guó)蔡司Contura G3橋式CMM，配備Vast XXT 2.5分度接觸式掃描測(cè)頭和Viscan非接觸式光學(xué)影像測(cè)頭，其長(zhǎng)度測(cè)量最大允許示值誤差是(1.8+L/333) μm，其他軟件為Imageware逆向處理軟件以及Pro/E CAx集成系統(tǒng)。

在三維掃描前，需要根據(jù)所選的儀器特點(diǎn)(如測(cè)量范圍、精度等)，對(duì)被測(cè)對(duì)象的形狀及掃描區(qū)域等進(jìn)行分析從而制定一套合理的測(cè)量方案[9-10]。由于被測(cè)擺線(xiàn)齒輪結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不能將所有面的數(shù)據(jù)一次性?huà)咄?，因此結(jié)合三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的特點(diǎn)，將齒輪分成幾個(gè)待測(cè)區(qū)域，綜合使用上述兩種數(shù)據(jù)采集方式，從不同角度、不同方位對(duì)被測(cè)件進(jìn)行多次掃描，最后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用預(yù)貼的紙質(zhì)參考點(diǎn)拼接起來(lái)，同時(shí)在測(cè)量中不僅要掃描磨損區(qū)域，還應(yīng)掃描未磨損或磨損程度較輕區(qū)域，從而保證后續(xù)能與磨損前模型準(zhǔn)確對(duì)齊，提高檢測(cè)精度。

對(duì)于磨損齒輪的逆向測(cè)量，關(guān)鍵是獲得精確的齒廓數(shù)據(jù)，因此首先利用蔡司Vast XXT接觸式掃描測(cè)頭，先采集外部輪廓數(shù)據(jù)，后采集內(nèi)圓等數(shù)據(jù)，取點(diǎn)原則為順著齒廓特征，沿著法線(xiàn)方向采點(diǎn)，重要部位如分度圓附近密集采點(diǎn)，靠近齒頂、齒根以及端面、凸臺(tái)等部分采集點(diǎn)較稀疏，通過(guò)點(diǎn)觸發(fā)方式測(cè)得齒輪兩側(cè)端面一面任意位置至少4點(diǎn)數(shù)據(jù)，以獲得齒輪齒寬，采用幾何軌跡連續(xù)掃描方式以一定的采點(diǎn)密度分別在齒輪外圓輪廓、齒頂、齒根圓弧倒角以及軸孔等處沿齒向均勻采點(diǎn)，以獲得相應(yīng)齒面輪廓、內(nèi)圓等點(diǎn)云信息，然后利用蔡司Viscan非接觸式光學(xué)影像測(cè)頭獲取齒輪其他部分點(diǎn)云信息，為了獲得最佳的掃描效果和精度，在磨損零件表面噴涂顯影劑以防止由于反光、顏色差異等對(duì)掃描造成多余測(cè)量雜點(diǎn)和噪聲。最終獲得的磨損齒輪表面原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。

2.3點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

由于通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)獲得的齒輪離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)較為規(guī)則、工件坐標(biāo)與軟件相符、測(cè)量方案合理，因此預(yù)處理階段只需消除由測(cè)量設(shè)備、環(huán)境影響以及表面質(zhì)量等所帶來(lái)的噪聲誤差數(shù)據(jù)[11]，通過(guò)Imageware逆向工程軟件，預(yù)處理主要步驟如下：

(1)數(shù)據(jù)的輸入：將齒輪三坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)保存為IGES格式輸入到Imageware軟件中，使用快捷鍵“Ctrl+I”查看點(diǎn)云數(shù)量及分布跨度等信息。

(2)數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)：通過(guò)Modify-Data Reduction- Space Sampling，根據(jù)被測(cè)精度要求設(shè)定合理距離誤差，從而減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提高處理速度。

(3)重疊數(shù)據(jù)的刪除：通過(guò)Merge-Clouds Subtract Overlap，進(jìn)行點(diǎn)云合并，刪除重疊部分。

(4)去除噪音點(diǎn)：通過(guò)Modify-Scan Line-Pick Delete Points，依次手動(dòng)檢查去除一些比較明顯和集中的雜點(diǎn)，為后續(xù)的齒面重構(gòu)作準(zhǔn)備。

2.4三維模型重建

三維模型重建主要是根據(jù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)插值或擬合等方法構(gòu)建一個(gè)真實(shí)的模型，一般有以下兩種方式：一種是將點(diǎn)云進(jìn)行分塊構(gòu)造生成曲面片，然后通過(guò)橋接、過(guò)渡、裁剪等細(xì)節(jié)特征處理最終生成全部曲面，另一種是先析出點(diǎn)云，然后通過(guò)插值或擬合生成曲線(xiàn)，再用曲線(xiàn)構(gòu)建曲面[12]。本文采用后一種方式，模型重建主要步驟如下：

(1)曲線(xiàn)的生成：在Imageware軟件中用Modify-Extract-Scan Lines，選擇Pick選項(xiàng)，在視圖區(qū)將曲線(xiàn)上的點(diǎn)依次選擇，完成一條曲線(xiàn)的構(gòu)建，然后用Create-3D Curve-3D Spline保證連接線(xiàn)的曲率連續(xù)，利用曲率梳查看其光順性，通過(guò)此方法分別完成齒廓、齒根圓弧等曲線(xiàn)構(gòu)建。

(2)曲面的重構(gòu)：根據(jù)各部分特征，綜合運(yùn)用Through Curve Mesh、Through Curves、Rule、Swept方法擬合齒廓曲面、端面及凸臺(tái)等，完成后檢查其誤差和光順度，并以IGS格式選擇性(selected)方式保存，選擇輸出的點(diǎn)云、曲線(xiàn)和曲面。

(3)實(shí)體的重建：將Imageware軟件IGS格式的點(diǎn)云、曲線(xiàn)和曲面文件導(dǎo)入Pro/E CAx軟件中，以重構(gòu)得到的齒廓曲面為依據(jù)，以齒輪中心軸線(xiàn)為基準(zhǔn)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)、陣列、曲面合并等得到整個(gè)曲面，最后經(jīng)過(guò)拉伸、倒角等布爾操作構(gòu)建得到完整的磨損齒輪三維CAD模型。在模型重構(gòu)中，由于齒輪齒面輪廓屬于自由曲面，形狀較為復(fù)雜，有可能出現(xiàn)曲面褶皺、不光順或者扭結(jié)等現(xiàn)象，為了符合精度要求，需要多次調(diào)整曲面控制點(diǎn)。

3　齒輪磨損分析

通過(guò)磨損前后CAD模型在同一坐標(biāo)系下的3D對(duì)齊，比較計(jì)算兩模型在表面各處的差異，即可獲得精確的數(shù)字化磨損信息。由于缺乏相關(guān)技術(shù)圖紙，因此磨損前三維模型的重建分為以下兩種情況：

(1)如有全新的備用標(biāo)準(zhǔn)件，則根據(jù)未磨損的零件特征重構(gòu)磨損前三維模型，具體方法與上述一致，在此不做詳述。

(2)如已無(wú)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，則根據(jù)獲得的磨損點(diǎn)云數(shù)據(jù)，模型重建的精度一定程度上取決于零件的形狀、磨損程度以及操作人員的經(jīng)驗(yàn)。首先提取出磨損程度最少或幾乎無(wú)磨損的齒的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在完成特征分塊后進(jìn)行陣列處理，形成完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后重構(gòu)齒廓曲面，其它如軸孔、端面等部分重建由于無(wú)磨損發(fā)生則利用已有點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最終獲得的磨損前CAD模型如圖4所示。

圖5為以磨損前三維模型為參考的磨損3D偏差色差帶顯示圖，磨損前模型表面即為理論上的標(biāo)度尺零值，其他不同色塊顯示磨損偏差大小以及磨損分布情況。圖6為某一齒面的具體磨損信息，可以清晰直觀地看出磨損前齒廓、磨損后齒廓、點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集位置編號(hào)、磨損偏差量值以及作為參考的磨損前齒面法線(xiàn)方向等，表2即為該位置的詳細(xì)磨損信息。

表2　擺線(xiàn)齒輪部分磨損信息

mm

4　試驗(yàn)應(yīng)用

根據(jù)上述磨損信息，為擺線(xiàn)齒輪后續(xù)采取的修復(fù)工藝提供數(shù)字化指導(dǎo)。在傳統(tǒng)的齒輪修復(fù)之前，必須結(jié)合磨損齒輪的實(shí)際狀況，預(yù)先收集相關(guān)技術(shù)資料從而獲取齒輪的詳細(xì)參數(shù)，如壓力角、齒輪模數(shù)、齒數(shù)等，并制造出相應(yīng)齒形樣板，而后才能進(jìn)行后續(xù)修復(fù)工作。根據(jù)本文所提檢測(cè)方法，著重解決了修復(fù)中碰到的技術(shù)資料不全、測(cè)繪困難等實(shí)際問(wèn)題，節(jié)約了修復(fù)時(shí)間，該擺線(xiàn)齒輪最終修復(fù)效果如圖7所示。

修復(fù)后的擺線(xiàn)齒輪經(jīng)重新掃描其點(diǎn)云數(shù)據(jù)，與原始模型比較偏差較小，同時(shí)經(jīng)過(guò)齒形幾何尺寸測(cè)量、表面硬度測(cè)量、轉(zhuǎn)動(dòng)嚙合測(cè)試等質(zhì)量驗(yàn)收環(huán)節(jié)，均達(dá)到產(chǎn)品品質(zhì)要求，驗(yàn)證本文所提出的檢測(cè)方法，效果明顯。

5　結(jié)語(yǔ)

實(shí)例證明，逆向工程技術(shù)為擺線(xiàn)齒輪的磨損修復(fù)提供了一種精確的數(shù)字化支撐手段，彌補(bǔ)了普通檢測(cè)的不足，提高了修復(fù)精度和效率，尤其在缺乏產(chǎn)品原始設(shè)計(jì)資料的情況下，其優(yōu)勢(shì)更是顯而易見(jiàn)，同時(shí)也為其他各類(lèi)磨損或損壞產(chǎn)品的修復(fù)檢測(cè)問(wèn)題提供一定的參考和借鑒作用。

[1][1]李可. 數(shù)控機(jī)床斷裂齒輪輪齒的焊接修復(fù)[J].熱加工工藝，2013， 42(13)：218-221.

[2]高朝祥，任小鴻，王充，等. 堆焊修復(fù)法在礦山機(jī)械大型齒輪修復(fù)中的應(yīng)用研究[J]. 煤礦機(jī)械，2012，33(5)：200-201.

[3]趙麗娟，史輝. 齒輪傳動(dòng)中磨損問(wèn)題的研究及修復(fù)方法綜述[J]. 中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，5(2)：244-245.

[4]張衛(wèi)國(guó)，姜軍，宓為建. 基于逆向工程的齒輪磨損件無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[J]. 中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，10(2)：232-236.

[5]李聰波，顧小進(jìn)，李玲玲，等. 逆向工程輔助零部件再制造關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2015 21(1)：143-150.

[6]Bagci E. Reverse engineering applications for recovery of broken or worn parts and re-manufacturing: three case studies [J]. Advances in Engineering Software, 2009,40(6):407-418.

[7]王亮德，劉玉美. 反求工程技術(shù)在損壞或破壞零件修復(fù)中的應(yīng)用與數(shù)控加工[J]. 機(jī)床與液壓，2013，41(4)：46-49.

[8]王沁峰，胡志超，張火土. 汽車(chē)覆蓋件逆向工程設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2011 (4)：83-85.

[9]饒錫新，柳和生，楊紅飛. 機(jī)械零件磨損量的反求工程分析方法研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2007，23(5)：54-58.

[10]潘海鵬，陳濤，韓文，等. 由離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立齒輪三維模型的方法研究[J]. 機(jī)械傳動(dòng)，2008，32(4)：38-40.

[11]王春香，李雙青. 基于Imageware和Pro/E的齒輪逆向工程模型重建技術(shù)研究[J]．機(jī)械傳動(dòng)，2010，34(8)：10-12.

[12]成思源，余國(guó)鑫，張湘?zhèn)? 逆向系統(tǒng)曲面模型重建方法研究[J]．計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2008，14(10)：1934-1939.

(編輯汪藝)(收稿修改日期：2015-12-25)

如果您想發(fā)表對(duì)本文的看法，請(qǐng)將文章編號(hào)填入讀者意見(jiàn)調(diào)查表中的相應(yīng)位置。

Research and application of the wear testing for cycloid gear in reverse engineering based on CMM

LIN Zusheng

(School of Mechanical & Auto Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, CHN)

Regarding on the uncertainty and complexity of wear position and value, the surface data and CAD model of damaged cycloid gear are got without blueprint by coordinate measuring machine (CMM) based on reverse engineering. The way of getting and pre-treating point cloud is discussed and the freeform surface rebuilding is analyzed. Therefore the quantitative and precise pending-repair information is obtained to provide digitalized references．The application shows that the CMM is effective and guiding importance for the repair of wear gear part.

reverse engineering; coordinate measuring machine; cycloid gear; wear testing

TH12

B

林祖勝，男，1982年生，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)榫軠y(cè)量和逆向工程技術(shù)。

160424