劍桿織機(jī)引緯螺桿的逆向設(shè)計(jì)造型與分析

宋長杰，遲連迅，呂啟興

(山東日發(fā)紡織機(jī)械有限公司，山東 聊城，252000)

1 引言

劍桿織機(jī)主要由五大機(jī)構(gòu)組成：送經(jīng)機(jī)構(gòu)、開口機(jī)構(gòu)、引緯機(jī)構(gòu)、打緯機(jī)構(gòu)和卷取機(jī)構(gòu)，其中引緯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接影響織機(jī)的各項(xiàng)性能。目前應(yīng)用較多的引緯機(jī)構(gòu)類型主要有共軛凸輪引緯機(jī)構(gòu)、螺旋引緯機(jī)構(gòu)和空間四連桿引緯機(jī)構(gòu)，其中螺旋引緯機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行平穩(wěn)、維護(hù)簡單等特點(diǎn)，贏得市場和客戶的青睞，織機(jī)制造廠商也都在開發(fā)設(shè)計(jì)。螺旋引緯機(jī)構(gòu)的核心部件是變導(dǎo)程的引緯螺桿和與其相嚙合的螺塊，引緯螺桿的造型決定著螺塊的嚙合型面，其中引緯螺桿型線影響整個劍桿引緯運(yùn)動規(guī)律。引緯螺桿型面較為復(fù)雜，傳統(tǒng)正向設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證周期長、風(fēng)險(xiǎn)大和成本高，通過逆向工程設(shè)計(jì)方法對引緯螺桿進(jìn)行三維模型造型，可大大縮短設(shè)計(jì)周期，并進(jìn)行偏差分析檢測，保證逆向模型的精度，也可為下一步的螺桿改進(jìn)和再設(shè)計(jì)提供研究基礎(chǔ)。本文主要介紹了應(yīng)用逆向工程的方法設(shè)計(jì)引緯螺桿，并著重介紹了螺桿復(fù)雜型面的逆向方法。

2 螺桿點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集及處理

逆向工程的模型數(shù)據(jù)前期處理過程一般為點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)階段處理、多邊形階段處理、輸出STL文件；點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集是逆向工程的首要任務(wù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響后續(xù)模型的處理、造型面精度準(zhǔn)確性和偏差大小[1]。

本文采用非接觸式的三維激光掃描儀來獲得螺桿點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過多個(一般8～10個)方位的掃描測量，采集到各個方位的螺桿點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過Geomagic軟件對掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化合并處理，去除體外孤點(diǎn)和減少噪音點(diǎn)，以消除大量無用點(diǎn)對型面重構(gòu)時的影響，再封裝為多邊形。在多邊形階段對采集數(shù)據(jù)調(diào)整，通過填充孔、光滑曲面、簡化多邊形數(shù)量等處理方法得到最好質(zhì)量的模型。多邊形階段處理非常重要，對模型生成質(zhì)量有很大影響，最后保存為小平面的STL文件，以便下一步螺旋型面造型。螺桿點(diǎn)云如圖1所示。

圖1 螺桿點(diǎn)云

3 螺桿造型線的提取與優(yōu)化

螺桿逆向造型可根據(jù)螺桿的螺旋特征采用掃描建模的方法，由點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取螺桿主要的兩個造型曲線：螺桿的螺旋線和螺桿牙型截面型線，其中螺桿螺旋線決定了螺桿性能，直接影響劍桿引緯運(yùn)動規(guī)律[2]。

3.1 螺桿螺旋線的提取

螺桿螺旋線提取可在螺桿點(diǎn)云文件中通過探測高曲率構(gòu)造螺旋輪廓線和通過3D斷面的圓柱曲面與螺桿點(diǎn)云模型相交得到螺桿螺旋線兩種方法。探測高曲率構(gòu)造螺旋線的方法受點(diǎn)云采集邊緣數(shù)據(jù)誤差和實(shí)體本身加工誤差影響較大，準(zhǔn)確率較低；3D斷面方法得到的螺旋線在螺旋型面上，點(diǎn)云分布均勻，準(zhǔn)確率較高，但這樣得到螺旋線并不是光順曲線，需要進(jìn)行擬合曲線處理。

圖2 3D斷面提取后螺旋線

具體方法為通過Geomagic軟件中的3D斷面命令得到螺桿螺旋型面上的螺旋線，再偏移該螺旋線到牙型截面中心線(需經(jīng)多次重復(fù)操作，才能偏移準(zhǔn)確)，平滑光順該偏移螺旋線，得到所需螺旋線，如圖3、圖4所示。

圖3 最終提取螺旋線

圖4 螺桿螺旋線

提取到的螺旋線在點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集質(zhì)量差時，會出現(xiàn)不光順的情況，影響螺旋型面的光順度，通過Geomagic軟件無法很好的光順處理，就需將該螺旋線以點(diǎn)數(shù)據(jù)的方式提取出來，再通過Matlab等數(shù)據(jù)處理軟件對點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線擬合和對比，為了盡可能保持曲線的曲率規(guī)律，不能采用整段多次擬合的方式，需采用分段重復(fù)多次擬合的方式。整段擬合會使曲線偏離原曲線規(guī)律很多，誤差達(dá)到0.5 mm，如圖5所示；分段重復(fù)多次擬合曲線能夠較為準(zhǔn)確光順螺桿曲線，如圖6所示，再將擬合曲線數(shù)據(jù)輸入到設(shè)計(jì)軟件中生成螺旋線。

圖5 原數(shù)據(jù)整體擬合和差值

圖6 原數(shù)據(jù)分段擬合和差值

3.2 螺桿牙型截面型線的提取

引緯螺桿的牙型截面是不變的，故可以在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取螺旋線上任一點(diǎn)處牙型截面，擬合曲線后作為掃描用截面，但由于測量和螺桿本身誤差影響，提取的牙型截面數(shù)據(jù)會出現(xiàn)誤差，需在多點(diǎn)提取牙型截面數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線擬合，得到所需的牙型截面。

單一牙型截面的提取方法：選擇螺旋線上的任一點(diǎn)，做該點(diǎn)處螺旋曲線垂直方向的平面，再由該平面提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的牙型截面，如圖7、圖8所示。

圖7 牙型截面

圖8 單個牙型截面

4 螺桿的造型建模

螺桿的造型模型可由提取到的螺旋線和牙型截面通過UG等三維軟件生成，以提取到的螺旋線作為引導(dǎo)路徑、牙型截面為掃描截面，使用掃描命令生成單個螺旋牙型，再旋轉(zhuǎn)陣列完成螺旋部分造型建模，最后完成其他部分建模[3]，如圖9所示。

圖9 逆向后模型

5 螺桿逆向建模后的偏差檢測分析

螺桿逆向建模過程經(jīng)過了點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和特征線提取擬合等過程，不可避免地會出現(xiàn)尺寸偏差，檢測分析偏差的大小就成為必不可少的環(huán)節(jié)，通過檢測分析偏差可隨時對逆向模型進(jìn)行修改，以便盡可能的接近原始數(shù)據(jù)。

使用Geomagic control x軟件將逆向后模型與原始測量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行3D偏差比較并輸出報(bào)告，如圖10所示。由比較圖可見，逆向模型與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)偏差大部分在±0.05 mm之間，滿足使用精度要求。還可將逆向后模型作為樣模與加工后零件的測量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行3D偏差比較分析，解決螺桿測量檢測困難的問題。

圖10 3D偏差分析

6 結(jié)語

本文主要闡述了逆向工程方法在引緯螺桿模型設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用，對螺桿點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、螺旋型線提取和擬合、螺桿牙型截面提取、螺桿模型生成和3D偏差檢測分析進(jìn)行了詳細(xì)說明。通過此方法可大大縮短設(shè)計(jì)研發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)精度，為下一步的螺桿改進(jìn)和再設(shè)計(jì)提供研究基礎(chǔ)，也可為其它螺旋類零件的逆向設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)和啟發(fā)。