面向增材制造技術(shù)的破損實(shí)驗(yàn)齒輪逆向修復(fù)

朱振國(guó),李旗號(hào)

(1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 安徽 合肥 230011; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009)

傳統(tǒng)的機(jī)械正向設(shè)計(jì)是依據(jù)產(chǎn)品圖紙或者相關(guān)技術(shù)參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)，但是對(duì)于沒(méi)有圖紙參數(shù)只有實(shí)物模型的情況就只能選擇逆向工程技術(shù)。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，有些產(chǎn)品的造型過(guò)于復(fù)雜，只能通過(guò)泥?；蚰灸５确椒ǐ@得產(chǎn)品原型，并沒(méi)有數(shù)字模型，于是需要將這些產(chǎn)品原型進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量還原為數(shù)字模型，方便后續(xù)的改型與再設(shè)計(jì)，這種方法統(tǒng)稱(chēng)為逆向工程或反求工程[1-2]。逆向工程技術(shù)實(shí)質(zhì)上就是將實(shí)物模型轉(zhuǎn)化為CAD模型的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱(chēng)，與傳統(tǒng)正向設(shè)計(jì)相比，逆向工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“由無(wú)到有”的革命性轉(zhuǎn)變，它是作為數(shù)字化與快速響應(yīng)制造大趨勢(shì)下的一項(xiàng)重要的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)，已在制造業(yè)各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3]。

以斷齒齒輪教具的逆向修復(fù)為案例，介紹逆向設(shè)計(jì)的流程以及3D打印的情況，具體流程如圖1所示。

1 斷齒齒輪點(diǎn)云數(shù)據(jù)的生成

在一次正常教學(xué)過(guò)程中不慎將該活動(dòng)齒輪墜落地面，出現(xiàn)其中兩個(gè)嚙合齒斷裂現(xiàn)象，如圖2所示。該斷齒齒輪屬于難再修復(fù)零部件，其具有以下特點(diǎn)：一是教具有一定的使用年限，沒(méi)有相關(guān)的設(shè)計(jì)圖紙，而且對(duì)嚙合精度要求較高；二是該齒輪為非標(biāo)準(zhǔn)化零部件，且其為嚙合齒輪齒系中唯一可拆卸齒輪，用于向?qū)W生展示齒輪結(jié)構(gòu)構(gòu)造。如果不能修復(fù)，整套齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)就無(wú)法工作，浪費(fèi)教學(xué)資源；三是該齒輪材質(zhì)為鑄鐵，設(shè)計(jì)選材不合理，因重量較大，每次拆卸不方便。本次優(yōu)化將把斷齒齒輪的輕量化設(shè)計(jì)考慮進(jìn)去。

圖1 斷齒齒輪修復(fù)制造流程

圖2 斷齒齒輪

數(shù)據(jù)采集是逆向技術(shù)的第一步，也是最關(guān)鍵的一步，因?yàn)閿?shù)據(jù)采集得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是決定后續(xù)產(chǎn)品制造的關(guān)鍵。本次數(shù)據(jù)采集使用的是SHINING3D三維掃描儀，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 SHINING3D三維掃描儀主要參數(shù)

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，首先需要考慮的是前處理環(huán)節(jié)。前處理包括表面清理和貼標(biāo)記點(diǎn)，該斷齒齒輪的表面需要進(jìn)行清理以保證掃描件的干凈無(wú)污染，但是由于其本身表面不是黑色或者透明反光，所以不需要噴灑顯像劑，而且由于其存在斷齒和完整齒并存的情況，特征點(diǎn)相對(duì)比較突出，所以也不需要進(jìn)行標(biāo)記點(diǎn)的張貼，表面處理后直接進(jìn)行三維掃描。

要建立掃描數(shù)據(jù)模型，先要計(jì)算出不同測(cè)站公共區(qū)域內(nèi)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)參數(shù)和平移參數(shù)，這就需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移，再旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣[XYZ]T關(guān)系如式(1)[4-5]，即

(1)

SHINING3D三維掃描儀本身具有掃描數(shù)據(jù)自動(dòng)拼接功能，掃描結(jié)束后自動(dòng)將若干次掃描數(shù)據(jù)拼接為一個(gè)整體的掃描文件，將該點(diǎn)云數(shù)據(jù)保存為“斷齒.asc”后導(dǎo)出，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理做準(zhǔn)備。

2 斷齒齒輪掃描數(shù)據(jù)處理

由于齒輪的齒形和斷齒面曲面較為復(fù)雜，采用Geomagic WRAP和Geomagic Design X逆向工程軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，先將掃描后得到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到WRAP軟件進(jìn)行“初修”，然后再將封裝后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Design X進(jìn)行“定?！?，具體操作過(guò)程如下。

1) WRAP點(diǎn)云數(shù)據(jù)“初修”處理。

將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向軟件，通過(guò)逆向軟件將點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合出實(shí)體特征并生成產(chǎn)品的3D模型[6-9]；再將三維掃描后得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到WRAP軟件中進(jìn)行第一步“初修”，剛導(dǎo)入的“.asc”格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)為原始掃描數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行一定的處理。由于SHINING3D掃描儀得到的掃描數(shù)據(jù)已經(jīng)是自動(dòng)拼接成的完整數(shù)據(jù)，因此本步驟不需要再進(jìn)行“手動(dòng)注冊(cè)”，可以直接進(jìn)入雜點(diǎn)刪除環(huán)節(jié)。此時(shí)先將掃描過(guò)程中出現(xiàn)的雜點(diǎn)(主要為掃描過(guò)程中外部輔助支撐材料，例如橡皮泥等)進(jìn)行全部刪除，如圖3所示。A處為在掃描過(guò)程中為了減少掃描次數(shù)將斷齒齒輪豎直放置便于前后面掃描的橡皮泥點(diǎn)云數(shù)據(jù)，B處為斷齒部分。雜點(diǎn)刪除一般先將整體大部分雜點(diǎn)進(jìn)行“粗刪”，然后再通過(guò)“非連接項(xiàng)”和“體外孤點(diǎn)”命令進(jìn)行“精刪”。刪除雜點(diǎn)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，封裝之后的數(shù)據(jù)為面片結(jié)構(gòu)，此時(shí)需要對(duì)掃描過(guò)程中出現(xiàn)的孔洞進(jìn)行“填充空”處理，然后利用網(wǎng)格醫(yī)生等命令對(duì)斷齒齒輪的面片數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后得到最終封裝模型，如圖4所示。

圖3 掃描原始數(shù)據(jù)

圖4 最終封裝模型

2) Design X封裝數(shù)據(jù)處理。

逆向工程技術(shù)中，曲面重構(gòu)一直是最為復(fù)雜、最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。其涉及的影響因素較多，比如邊界條件如何確定，型值點(diǎn)的權(quán)值以及其相應(yīng)權(quán)值點(diǎn)的反求，造成曲面重構(gòu)較為困難[10]。曲面重構(gòu)一般選用NURBS曲面插值，它是由曲線差值推廣得到的，曲面表達(dá)式如式(2)，即

(2)

本例中，將經(jīng)過(guò)WRAP處理后的面片數(shù)據(jù)(斷齒.STL)導(dǎo)入到Design X軟件中進(jìn)一步處理，主要運(yùn)用曲面擬合和曲面剪切的功能。對(duì)于由其他軟件導(dǎo)入到Design X中的數(shù)據(jù)模型，一般要先進(jìn)行對(duì)齊，也就是坐標(biāo)系的重建；然后開(kāi)始進(jìn)行曲面擬合，選擇一個(gè)完整的輪齒刷上領(lǐng)域，根據(jù)所刷到的領(lǐng)域依次建立擬合曲面。曲面擬合完成后進(jìn)入曲面剪切環(huán)節(jié)，在事先通過(guò)“描紅”得到的實(shí)體上導(dǎo)入輪齒的擬合曲面，剪切出來(lái)的模型就是輪齒的形狀，如圖5所示。由于斷齒齒輪整體具有一定的對(duì)稱(chēng)性，在得到一個(gè)完整的輪齒后，通過(guò)陣列得到全部的輪齒，實(shí)現(xiàn)斷齒齒輪的完整性修復(fù)，如圖6所示。

圖5 斷齒齒輪模型的曲面剪切

圖6 DX中修復(fù)的完整齒輪

3 輕量化創(chuàng)新設(shè)計(jì)和增材制造

原斷齒齒輪材質(zhì)為灰鑄鐵，但是由于該機(jī)構(gòu)僅用于普通的教學(xué)演示，運(yùn)行時(shí)間短、嚙合力小、對(duì)強(qiáng)度要求不高，經(jīng)驗(yàn)證換成ABS材質(zhì)的齒輪。在嚙合過(guò)程中可以滿(mǎn)足要求，因此3D打印過(guò)程中材質(zhì)選擇ABS。該齒輪是齒系傳動(dòng)中的唯一可拆卸零部件，拆卸的目的是為了更好的將齒輪結(jié)構(gòu)展示給學(xué)生觀看。但是其自身鑄鐵的材質(zhì)也很容易造成輪齒在撞擊情況下的損壞，輕量化設(shè)計(jì)可以在不改變齒輪傳動(dòng)效果的情況下，通過(guò)合理優(yōu)化材料布局、減少材料等方法達(dá)到輕量化目標(biāo)。在這個(gè)過(guò)程中零件的機(jī)械強(qiáng)度、安全系數(shù)等仍滿(mǎn)足要求，破損齒輪的輕量化設(shè)計(jì)是在UG軟件中進(jìn)行的。為了實(shí)現(xiàn)這一效果，先將DX修復(fù)后的完整齒輪模型保存為“.STP”格式，然后導(dǎo)入到UG軟件中進(jìn)行輕量化減材設(shè)計(jì)。對(duì)輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)行強(qiáng)度和受力校核，結(jié)果滿(mǎn)足要求，保存模型以備后續(xù)3D打印。

本案例使用的是WEDOO FDM 3D打印機(jī)，F(xiàn)DM 工作原理是將低熔點(diǎn)絲狀材料通過(guò)加熱器的擠壓頭熔化成液體，使熔化的熱塑材料絲通過(guò)噴頭擠出，噴頭沿工件的每一橫截面的輪廓準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)。每完成一層成型，噴頭再進(jìn)行下一層截面的掃描噴絲，這樣逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個(gè)實(shí)體模型或零件[13]。在進(jìn)行打印之前，先將處理好的三維模型導(dǎo)入切片軟件進(jìn)行切片預(yù)處理，調(diào)整模型的放置位置、角度，設(shè)置層厚、填充方式、支撐角度等參數(shù)。其中層厚對(duì)3D 打印精度的影響最為關(guān)鍵，層厚越小打印精度越高[14-15]。切片處理完成后保存文件，直接導(dǎo)入到打印機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品制造。為了滿(mǎn)足輕量化的設(shè)計(jì)需求，打印材質(zhì)選擇PLA絲材，最后打印出符合條件的齒輪模型，如圖7所示。齒輪打印出來(lái)后與原來(lái)齒輪系統(tǒng)進(jìn)行嚙合，滿(mǎn)足要求。

圖7 3D打印的齒輪實(shí)物模型

4 結(jié)語(yǔ)

利用增材制造技術(shù)、逆向技術(shù)等解決了非標(biāo)準(zhǔn)化齒輪零部件破損修復(fù)并輕量化的問(wèn)題，利用逆向技術(shù)將破損的斷齒齒輪進(jìn)行修復(fù)。根據(jù)齒輪的受力特點(diǎn)和工作環(huán)境，對(duì)齒輪進(jìn)行二次的輕量化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)束后進(jìn)行強(qiáng)度校核，最終結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。采用3D打印技術(shù)將建模數(shù)據(jù)打印成實(shí)物模型，并將其安裝后進(jìn)行運(yùn)行驗(yàn)證，結(jié)果滿(mǎn)足要求。