逆向工程技術在小模數齒輪加工檢測中的應用*

康玉輝，李美美

(河南工學院 機械工程學院，河南 新鄉 453003)

0 引 言

模數小于1 mm的齒輪，一般稱為小模數齒輪。小模數齒輪在齒輪領域中處于極其獨特的位置，其行業規模雖然小于風電行業的大模數齒輪和交通運輸行業的中模數齒輪，但小模數齒輪憑借其獨特的優勢，成為精密裝備、航空機械、電子儀器儀表、計時器等裝備的核心零件。在交通運輸工具、電動工具、微型變速器、包裝機械、微型泵、航空航天等設備中，甚至在漁具產品中小模數齒輪也有大量的應用[1]。

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

逆向工程是指從實物模型中獲得數字化模型并制造得到新零件的相關技術，已經成為數字化設計與制造技術研究和應用的熱點，逆向工程技術憑借其在產品設計研發中的重要意義，自20世紀90年代以來，有關逆向工程的研究越來越受到關注。逆向工程逐漸發展為成熟的技術領域，主要涵蓋產品數字化技術、模型重構技術、產品快速制造技術等三大技術集群。產品快速制造技術可以用來加工制造小模數齒輪，產品數字化技術和模型重構技術相結合可以解決小模數齒輪的測量難題。

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

1 SLA加工小模數齒輪的優勢

1.1 小模數齒輪加工方法及其優缺點

目前，在小模數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

筆者以液態光敏樹脂為原料，用計算機控制紫外激光束運動，使光敏樹脂層層固化，形成三維實體。

該工藝的主要特點是：(1)制造精度高(可達0.05 mm)；(2)材料的利用率和性價比高；(3)零件強度和硬度好，可制造出結構極其復雜的特殊零件。因此，該工藝被廣泛應用于模具加工、精密鑄造、生物醫療等領域。

首先筆者使用Pro/e軟件繪制的小模數齒輪CAD模型如圖2所示。

圖2 Pro/e繪制的CAD模型

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

筆者對打印完成后的產品用無水酒精進行清洗，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 現有小模數齒輪的檢測方法

小模數齒輪目前普遍應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，小模數齒輪的檢測至關重要。與一般齒輪的檢測相比，小模數齒輪的檢測又具有特殊性：齒輪的剛度小，容易變形；齒距小，調整和對正困難，對檢測系統的自動化程度要求高[5]；齒輪的種類繁多，檢測時裝夾與定位困難；受齒輪尺寸的限制，測量機械結構設計困難。

目前，國內外對于小模數齒輪檢測的自動化程度低，檢測設備和手段也不足。在現階段，圓柱漸開線齒輪的檢測還在使用較為傳統的接觸式測量方法。

而雙嚙測量法在小模數齒輪的綜合檢測過程中得到了廣泛的應用[6]，其主要原因是齒輪嚙合測量原理簡單，對檢測環境無嚴格要求，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)對測量使用的標準齒輪精度要求極高，加工制造難度大。這兩個關鍵技術至今未得到很好的解決。

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

影像光學測量技術是以現代光學理論為基礎，集計算機影像圖形學、信息技術、機器視覺、光電子學等科學為一體的先進測量手段，從被測對象的影像信息中過濾出有用數據來進行檢測，憑借無接觸、速度快、效率高等特點，在現代工業測量技術中得到了廣泛應用[8]。

目前的研究主要是測量系統的構建和測量結果的圖形圖像處理算法研究，測量的內容主要是齒廓誤差，而很難對齒輪進行全方位的誤差檢測。

3 小模數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掃描系統獲得指定工件的數字化模型，然后對該數字模型進行處理，從而進行關鍵尺寸的測量；另外，也可以把工件的物理模型與數字模型進行全方位比對，以生成完整的檢測報告，進行詳細的分析[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 點云數據的獲取與處理

筆者將小模數齒輪噴粉晾干后，用橡皮泥固定在回轉工作臺上，然后調節萬向云臺及測頭位置，點擊轉臺進行測量；設置需要測量的次數和曝光參數等，設備調整到位后即開始掃描零件數據，獲得點云數據。

掃描完成的數據模型如圖5所示。

圖5 掃描完成的數據模型

筆者將獲取到的點云數據輸出為三角面格式(STL格式)，然后導入Geomagic Studio中進行后續處理。此舉的主要的目的是把數據采集過程中的噪音點去除，刪除零件實體之外的點云數據[11]。

處理后小模數齒輪數據(網格數據)如圖6所示。

圖6 處理后的小模數齒輪數據模型

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，同時將小模數齒輪原始模型CAD數據和掃描結果導入Geomagic Control X中，使用N點對齊命令，將原始模型和掃描模型對齊[12]。

筆者使用3D掃描儀進行掃描比較，比較的結果如圖7所示。

圖7 小模數齒輪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齒輪的尺寸偏差狀況[13]；然后筆者對特定部位創建注釋，可直接觀察到小模數齒輪某處的偏差情況。由于對點云數據僅進行了雜點去除，不會影響模型精度，模型精度由數據采集設備的掃描精度決定。

從圖7可以看出：

(1)A007齒輪中部凸臺位置Y方向出現了偏差，主要原因是該位置厚度大，材料收縮不均勻導致；

(2)A004、A005、A006位置也出現了不同程度的偏差，這和材料收縮產生的內部應力有密切關系，同時也受到打印時支撐的數量和排列的影響，但這些誤差不會對齒輪的傳動精度產生影響；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，主要是由于整個齒輪厚度太小導致的。

4 結束語

相對于普通加工方式，小模數齒輪的加工有著苛刻的要求，甚至一些傳統的金屬加工方式根本不能制造出標準的小模數齒輪。

筆者通過SLA光固化成型技術快速精確地制造出了小模數齒輪；同時，對于小模數齒輪難以檢測的問題，筆者通過三維掃描儀對已經制造出來的產品進行了數據采集和模型重構，將重構的模型與原始設計的模型數據進行了對比，從三維方向檢測了小模數齒輪的制造誤差，為小模數齒輪的檢測探索了一條新的途徑，也對小尺寸復雜零件的數字化制造與檢測提供了新的思路。