逆向工程技術(shù)在小模數(shù)齒輪加工檢測中的應(yīng)用*

康玉輝，李美美

(河南工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引 言

模數(shù)小于1 mm的齒輪，一般稱為小模數(shù)齒輪。小模數(shù)齒輪在齒輪領(lǐng)域中處于極其獨(dú)特的位置，其行業(yè)規(guī)模雖然小于風(fēng)電行業(yè)的大模數(shù)齒輪和交通運(yùn)輸行業(yè)的中模數(shù)齒輪，但小模數(shù)齒輪憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢，成為精密裝備、航空機(jī)械、電子儀器儀表、計(jì)時(shí)器等裝備的核心零件。在交通運(yùn)輸工具、電動(dòng)工具、微型變速器、包裝機(jī)械、微型泵、航空航天等設(shè)備中，甚至在漁具產(chǎn)品中小模數(shù)齒輪也有大量的應(yīng)用[1]。

由于幾何尺寸和機(jī)械性能的影響，小模數(shù)齒輪的制造檢測難度遠(yuǎn)超過其他類型齒輪?？茖W(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步，帶來了對其制造精度和尺寸的更高要求，對小模數(shù)齒輪的制造和檢測提出了更嚴(yán)酷的考驗(yàn)。隨著電火花線切割加工[2]、數(shù)控慢走絲線切割加工[3]、基于光學(xué)的齒形測量技術(shù)和齒輪單面嚙合測量技術(shù)等先進(jìn)的測量方法的不斷涌現(xiàn)[4]，這些加工及檢測技術(shù)雖然解決了一定的問題，但是也暴露出了一些弊端。

逆向工程是指從實(shí)物模型中獲得數(shù)字化模型并制造得到新零件的相關(guān)技術(shù)，已經(jīng)成為數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，逆向工程技術(shù)憑借其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)中的重要意義，自20世紀(jì)90年代以來，有關(guān)逆向工程的研究越來越受到關(guān)注。逆向工程逐漸發(fā)展為成熟的技術(shù)領(lǐng)域，主要涵蓋產(chǎn)品數(shù)字化技術(shù)、模型重構(gòu)技術(shù)、產(chǎn)品快速制造技術(shù)等三大技術(shù)集群。產(chǎn)品快速制造技術(shù)可以用來加工制造小模數(shù)齒輪，產(chǎn)品數(shù)字化技術(shù)和模型重構(gòu)技術(shù)相結(jié)合可以解決小模數(shù)齒輪的測量難題。

本研究提出用逆向工程技術(shù)中的快速成型方法和數(shù)字化技術(shù)，來制造和檢測小模數(shù)齒輪。

1 SLA加工小模數(shù)齒輪的優(yōu)勢

1.1 小模數(shù)齒輪加工方法及其優(yōu)缺點(diǎn)

目前，在小模數(shù)齒輪比較普遍的加工方法中，按其齒輪的輪齒加工方式，大致可以分為兩大類：(1)切削加工；(2)近凈成形加工。

兩種加工方法的具體對比情況如表1所示。

表1 小模數(shù)齒輪加工方法對比

由表1可知，上述工藝方法基本上沿襲了普通齒輪加工的工藝和方法。

模具和刀具的制造是制約小模數(shù)齒輪加工精度和制造速度的主要原因。

1.2 SLA光固化成型

光固化成型又叫立體光刻成型法(SLA)，其原理如圖1所示。

圖1 光固化成型原理

筆者以液態(tài)光敏樹脂為原料，用計(jì)算機(jī)控制紫外激光束運(yùn)動(dòng)，使光敏樹脂層層固化，形成三維實(shí)體。

該工藝的主要特點(diǎn)是：(1)制造精度高(可達(dá)0.05 mm)；(2)材料的利用率和性價(jià)比高；(3)零件強(qiáng)度和硬度好，可制造出結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的特殊零件。因此，該工藝被廣泛應(yīng)用于模具加工、精密鑄造、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。

首先筆者使用Pro/e軟件繪制的小模數(shù)齒輪CAD模型如圖2所示。

圖2 Pro/e繪制的CAD模型

然后筆者將模型導(dǎo)出三角面格式(STL格式)，再把零件的STL格式文件導(dǎo)入前處理軟件Materialise中進(jìn)行處理，將處理后的文件導(dǎo)入聯(lián)泰460 HD快速成型機(jī)中進(jìn)行快速制造。

筆者對打印完成后的產(chǎn)品用無水酒精進(jìn)行清洗，然后剝離輔助支撐；將清洗過的零件移入二次固化箱中照射20 min左右，固化后得到的零件成品如圖3所示。

圖3 清洗固化完成后的模型

2 現(xiàn)有小模數(shù)齒輪的檢測方法

小模數(shù)齒輪目前普遍應(yīng)用于高精密儀表和儀器中，儀器的工作性能和使用壽命由齒輪的精度決定。因此，小模數(shù)齒輪的檢測至關(guān)重要。與一般齒輪的檢測相比，小模數(shù)齒輪的檢測又具有特殊性：齒輪的剛度小，容易變形；齒距小，調(diào)整和對正困難，對檢測系統(tǒng)的自動(dòng)化程度要求高[5]；齒輪的種類繁多，檢測時(shí)裝夾與定位困難；受齒輪尺寸的限制，測量機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難。

目前，國內(nèi)外對于小模數(shù)齒輪檢測的自動(dòng)化程度低，檢測設(shè)備和手段也不足。在現(xiàn)階段，圓柱漸開線齒輪的檢測還在使用較為傳統(tǒng)的接觸式測量方法。

而雙嚙測量法在小模數(shù)齒輪的綜合檢測過程中得到了廣泛的應(yīng)用[6]，其主要原因是齒輪嚙合測量原理簡單，對檢測環(huán)境無嚴(yán)格要求，測量速度較快。雙嚙測量法存在問題主要包括：(1)微小測量力的控制；(2)對測量使用的標(biāo)準(zhǔn)齒輪精度要求極高，加工制造難度大。這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)至今未得到很好的解決。

非接觸式視覺測量方法：隨著影像測量技術(shù)的出現(xiàn)，非接觸式測量技術(shù)也被用于小模數(shù)齒輪的測量[7]。

影像光學(xué)測量技術(shù)是以現(xiàn)代光學(xué)理論為基礎(chǔ)，集計(jì)算機(jī)影像圖形學(xué)、信息技術(shù)、機(jī)器視覺、光電子學(xué)等科學(xué)為一體的先進(jìn)測量手段，從被測對象的影像信息中過濾出有用數(shù)據(jù)來進(jìn)行檢測，憑借無接觸、速度快、效率高等特點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)測量技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用[8]。

目前的研究主要是測量系統(tǒng)的構(gòu)建和測量結(jié)果的圖形圖像處理算法研究，測量的內(nèi)容主要是齒廓誤差，而很難對齒輪進(jìn)行全方位的誤差檢測。

3 小模數(shù)齒輪的逆向工程檢測

3.1 逆向工程檢測流程

首先筆者通過三維光學(xué)掃描系統(tǒng)獲得指定工件的數(shù)字化模型，然后對該數(shù)字模型進(jìn)行處理，從而進(jìn)行關(guān)鍵尺寸的測量；另外，也可以把工件的物理模型與數(shù)字模型進(jìn)行全方位比對，以生成完整的檢測報(bào)告，進(jìn)行詳細(xì)的分析[9-10]。

逆向工程的檢測流程如圖4所示。

圖4 逆向工程檢測流程

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取與處理

筆者將小模數(shù)齒輪噴粉晾干后，用橡皮泥固定在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，然后調(diào)節(jié)萬向云臺(tái)及測頭位置，點(diǎn)擊轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行測量；設(shè)置需要測量的次數(shù)和曝光參數(shù)等，設(shè)備調(diào)整到位后即開始掃描零件數(shù)據(jù)，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

掃描完成的數(shù)據(jù)模型如圖5所示。

圖5 掃描完成的數(shù)據(jù)模型

筆者將獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸出為三角面格式(STL格式)，然后導(dǎo)入Geomagic Studio中進(jìn)行后續(xù)處理。此舉的主要的目的是把數(shù)據(jù)采集過程中的噪音點(diǎn)去除，刪除零件實(shí)體之外的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[11]。

處理后小模數(shù)齒輪數(shù)據(jù)(網(wǎng)格數(shù)據(jù))如圖6所示。

圖6 處理后的小模數(shù)齒輪數(shù)據(jù)模型

3.3 對齊及分析

筆者將上一步的處理好的模型存為STL格式，同時(shí)將小模數(shù)齒輪原始模型CAD數(shù)據(jù)和掃描結(jié)果導(dǎo)入Geomagic Control X中，使用N點(diǎn)對齊命令，將原始模型和掃描模型對齊[12]。

筆者使用3D掃描儀進(jìn)行掃描比較，比較的結(jié)果如圖7所示。

圖7 小模數(shù)齒輪3D尺寸分析

色彩深淺的差異顯示出偏差的不同，色差圖直觀地顯示出小模數(shù)齒輪的尺寸偏差狀況[13]；然后筆者對特定部位創(chuàng)建注釋，可直接觀察到小模數(shù)齒輪某處的偏差情況。由于對點(diǎn)云數(shù)據(jù)僅進(jìn)行了雜點(diǎn)去除，不會(huì)影響模型精度，模型精度由數(shù)據(jù)采集設(shè)備的掃描精度決定。

從圖7可以看出：

(1)A007齒輪中部凸臺(tái)位置Y方向出現(xiàn)了偏差，主要原因是該位置厚度大，材料收縮不均勻?qū)е拢?/p>

(2)A004、A005、A006位置也出現(xiàn)了不同程度的偏差，這和材料收縮產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力有密切關(guān)系，同時(shí)也受到打印時(shí)支撐的數(shù)量和排列的影響，但這些誤差不會(huì)對齒輪的傳動(dòng)精度產(chǎn)生影響；A001、A002、A003位置靠近輪齒，由于在最邊沿材料的收縮和變形更為明顯，主要是由于整個(gè)齒輪厚度太小導(dǎo)致的。

4 結(jié)束語

相對于普通加工方式，小模數(shù)齒輪的加工有著苛刻的要求，甚至一些傳統(tǒng)的金屬加工方式根本不能制造出標(biāo)準(zhǔn)的小模數(shù)齒輪。

筆者通過SLA光固化成型技術(shù)快速精確地制造出了小模數(shù)齒輪；同時(shí)，對于小模數(shù)齒輪難以檢測的問題，筆者通過三維掃描儀對已經(jīng)制造出來的產(chǎn)品進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和模型重構(gòu)，將重構(gòu)的模型與原始設(shè)計(jì)的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，從三維方向檢測了小模數(shù)齒輪的制造誤差，為小模數(shù)齒輪的檢測探索了一條新的途徑，也對小尺寸復(fù)雜零件的數(shù)字化制造與檢測提供了新的思路。