劍桿織機引緯螺桿的逆向設計造型與分析

宋長杰，遲連迅，呂啟興

(山東日發紡織機械有限公司，山東 聊城，252000)

1 引言

劍桿織機主要由五大機構組成：送經機構、開口機構、引緯機構、打緯機構和卷取機構，其中引緯機構設計的好壞直接影響織機的各項性能。目前應用較多的引緯機構類型主要有共軛凸輪引緯機構、螺旋引緯機構和空間四連桿引緯機構，其中螺旋引緯機構具有結構簡單、運行平穩、維護簡單等特點，贏得市場和客戶的青睞，織機制造廠商也都在開發設計。螺旋引緯機構的核心部件是變導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動規律。引緯螺桿型面較為復雜，傳統正向設計和實驗驗證周期長、風險大和成本高，通過逆向工程設計方法對引緯螺桿進行三維模型造型，可大大縮短設計周期，并進行偏差分析檢測，保證逆向模型的精度，也可為下一步的螺桿改進和再設計提供研究基礎。本文主要介紹了應用逆向工程的方法設計引緯螺桿，并著重介紹了螺桿復雜型面的逆向方法。

2 螺桿點云數據采集及處理

逆向工程的模型數據前期處理過程一般為點云數據采集、點階段處理、多邊形階段處理、輸出STL文件；點云數據采集是逆向工程的首要任務，點云數據的質量直接影響后續模型的處理、造型面精度準確性和偏差大小[1]。

本文采用非接觸式的三維激光掃描儀來獲得螺桿點云數據，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云數據。通過Geomagic軟件對掃描點云數據優化合并處理，去除體外孤點和減少噪音點，以消除大量無用點對型面重構時的影響，再封裝為多邊形。在多邊形階段對采集數據調整，通過填充孔、光滑曲面、簡化多邊形數量等處理方法得到最好質量的模型。多邊形階段處理非常重要，對模型生成質量有很大影響，最后保存為小平面的STL文件，以便下一步螺旋型面造型。螺桿點云如圖1所示。

圖1 螺桿點云

3 螺桿造型線的提取與優化

螺桿逆向造型可根據螺桿的螺旋特征采用掃描建模的方法，由點云數據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動規律[2]。

3.1 螺桿螺旋線的提取

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

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(需經多次重復操作，才能偏移準確)，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云數據采集質量差時，會出現不光順的情況，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數據的方式提取出來，再通過Matlab等數據處理軟件對點數據進行數據曲線擬合和對比，為了盡可能保持曲線的曲率規律，不能采用整段多次擬合的方式，需采用分段重復多次擬合的方式。整段擬合會使曲線偏離原曲線規律很多，誤差達到0.5 mm，如圖5所示；分段重復多次擬合曲線能夠較為準確光順螺桿曲線，如圖6所示，再將擬合曲線數據輸入到設計軟件中生成螺旋線。

圖5 原數據整體擬合和差值

圖6 原數據分段擬合和差值

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，故可以在點云數據中提取螺旋線上任一點處牙型截面，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，提取的牙型截面數據會出現誤差，需在多點提取牙型截面數據，經數據處理后進行數據曲線擬合，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，做該點處螺旋曲線垂直方向的平面，再由該平面提取點云數據中的牙型截面，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過了點云數據采集、數據處理和特征線提取擬合等過程，不可避免地會出現尺寸偏差，檢測分析偏差的大小就成為必不可少的環節，通過檢測分析偏差可隨時對逆向模型進行修改，以便盡可能的接近原始數據。

使用Geomagic control x軟件將逆向后模型與原始測量點云數據進行3D偏差比較并輸出報告，如圖10所示。由比較圖可見，逆向模型與原始點云數據偏差大部分在±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云數據進行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 結語

本文主要闡述了逆向工程方法在引緯螺桿模型設計過程中的應用，對螺桿點云數據采集、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偏差檢測分析進行了詳細說明。通過此方法可大大縮短設計研發周期，提高設計精度，為下一步的螺桿改進和再設計提供研究基礎，也可為其它螺旋類零件的逆向設計提供一定的指導和啟發。