零件特征范文（精选6篇）
零件特征 第1篇
航空发动机结构设计是计算与实验相结合, 理论与经验相结合的复杂的过程。伴随着CAD/CAE技术在航空发动机领域内越来越广泛的应用以及参数化设计的发展, 国内外已有许多学者将参数化建模引入发动机的设计和分析过程中, 并对此进行了大量研究。本文是基于一个成熟的花键、圆弧端齿、涡轮轴设计方案, 引入参数化设计思想, 提出其快速建模的方法, 以满足工程设计中的需求, 降低设计过程中反复修改尺寸带来的重复建模工作量, 在此基础上整理已有程序, 为涡轮设计生成一个典型结构件建模系统。
2 花键、圆弧端齿、涡轮轴结构形式及特点
2.1 花键及其结构设计
花键在航空发动机压气机和涡轮中是很常用的一种零件, 它主要借助键齿连接传递扭矩。本文主要讨论广泛应用于航空发动机上的渐开线花键。绘制花键主要参数有:模数m、齿数z、压力角α、大径De, 内花键的齿根圆或外花键的齿顶圆的直径、小径Di, 内花键的齿顶圆或外花键的齿根圆的直径以及分度圆直径D。压力角α可以取30°、37.5°和45°;齿根分为平齿根和圆齿根。根据三种齿形角和两种齿根规定了四种基本齿廓, 在对花键进行参数化建模时, 四种齿廓作为四种拓扑结构供用户单项选择, 内外花键形式作为两种拓扑结构供用户单项选择, 用户仅仅需要输入模数m、齿数z、拉伸起始位置和拉伸终止位置即可, 其余的参数可以通过这些参数计算得出。
2.2 圆弧端齿及其结构设计
圆弧端齿是一种特殊结构形式的端齿盘, 其轮齿呈弧形, 由专用机床磨削加工而成, 本文进行参数化建模研究的是两侧齿面不同的固定式、单排结构形式的圆弧端齿。圆弧端齿的主要设计参数包括圆弧端齿内外径、齿宽、齿数和模数、齿顶倒角、过渡圆弧设计等。选择圆弧端齿外径时推荐两种方式:一种方式是利用扭矩-端齿外径经验关系曲线图来选择端齿外径, 第二种方法是根据公式进行计算。齿宽常常选为圆弧端齿外径的0.125倍, 以保证齿面轮径向的弧度合适。如果端齿外径已经确定, 那么可以根据径节确定齿数。齿顶倒角高由式T=f2×m确定;齿顶倒角推荐角度范围为20°~30°。
2.3 涡轮轴及其结构设计
对输出轴做输出功的涡轮称为动力涡轮, 动力涡轮分为定轴涡轮和自由涡轮两种, 真实的自由涡轮轴上包含小孔、倒角和套齿等小尺寸结构。考虑这些细节的精细建模可能因为分网等原因使得计算结果失真, 因此, 参数化模型时对结构进行部分简化。不考虑套齿、花键、轴孔等结构特征的简化涡轮轴, 可视作一个经复杂截面回转360°而成的实体。
3 花键、圆弧端齿涡轮轴的参数化设计
3.1 花键的参数化建模
首先对花键进行手动建模, 对UG进行二次开发。根据上一节提到的花键建模所需参数, 设计出MFC对话框, 作为参数化建模的人机交互的用户界面;对输入尺寸驱动参数的编辑框插入成员变量;声明、定义诸如拓扑结构所对应的参数及绘图所需的函数;建立草图, 再经过一系列函数及程序的调用, 完成特征创建, 最后得到给定条件的花键。
3.2 圆弧端齿的参数化建模
参照实际加工过程, 完成圆弧端齿的手动建模, 根据上一节提到的圆弧端齿建模所需参数, 设计出MFC对话框, 作为参数化建模的人机交互的用户界面;对输入尺寸驱动参数的编辑框插入成员变量;声明、定义诸如拓扑结构所对应的参数及绘图所需的函数;生成圆弧端齿底座, 即带孔圆台;通过函数的调用生成圆弧端齿的三个齿形面, 对生成的三个面进行缝合, 再通过修剪实体修剪出该实体;将修剪出的实体进行阵列, 与前面生成的带孔圆台进行布尔求差得到圆弧端齿。
3.3 涡轮轴参数化建模
首先对涡轮轴进行手动建模, 对UG进行二次开发。根据上一节提到的涡轮轴建模所需参数, 设计出MFC对话框, 作为参数化建模的人机交互的用户界面。然后, 对输入尺寸驱动参数的编辑框插入成员变量;声明、定义诸如拓扑结构所对应的参数及绘图所需的函数;利用函数建立草图, 创建特征 (回转) 将第一步生成的涡轮轴草图以X方向 (即涡轮盘轴向) 为旋转轴, 旋转360度, 即可生成涡轮轴的三维图, 对键槽草图进行拉伸和阵列, 创建键槽。
4 参数化建模系统的建立
4.1 参数化建模
本文所包含的参数化的建模是通过UG软件二次开发实现, 并通过编写二次开发程序完成人机交互平台, 使参数化建模通过这个人机交互平台实现, 设计人员将尺寸驱动参数的具体量输入到用户界面中的相应位置, 平台通过二次开发程序将模型输出到UG中, 实现建模。二次开发使用UG API系统, 支持C, C++语言。首先, 设置Windows环境变量, 然后逐一更改新建项目的属性:包括附加目录、运行库、附加库目录、附加依赖项等。
4.2 各特征设计模块集成应用
本文开发的涡轮盘典型特征参数化设计模块所适用的CAD平台为UG NX, 编制语言为VS编程平台下的MFC对话框技术。实现功能为在UG中呼出自行设计的用户操作界面, 按照界面中的指示输入设计此结构所需要的尺寸及位置定位参数, 程序执行完毕后自动生成满足设计要求的几何模型。VS平台开发UG参数化建模二次开发程序时, 需要对程序项目属性进行设置, 保证其包含UGOPEN中所用到的函数库。各设计模块程序在VS平台编译运行结果为DLL格式应用程序文件, 此文件可在UG中直接菜单浏览执行, 也可以制作为用户菜单, 将各参数化设计模块功能集成于UG人机交互界面菜单中。
结语
本文将参数化设计思想引入到花键、圆弧端齿、涡轮轴结构设计中, 提出并建立了一种快速建模的方法。该方法旨在满足工程设计中的需求, 降低设计过程中反复修改尺寸带来的重复建模工作量, 将设计人员从大量的重复劳动中解放出来。
摘要：本文针对涡轮通用零部件花键、圆弧端齿和涡轮轴, 先经过初步设计将限制条件和尺寸驱动参数连接起来;再通过对UG二次开发完成的参数化建模实现了对零件及特征模型的快速建模和快速修改, 验证了参数化设计方法的便捷性, 同时在单个零部件参数化建模开发完成之后将其整理成了一整个的典型零部件建模系统, 减少其在设计过程中的重复劳动, 节省设计时间。
关键词：参数化,设计方法,涡轮典型零部件,设计流程
参考文献
[1]应济, 张万利.基于特征的参数化建模技术的研究[J].机电工程, 2003.
零件特征 第2篇
一、引言
随着航空领域对航空发动机性能要求的逐渐提高和数控加工技术的广泛应用，航空发动机零件逐渐向高性能、高精度的方向发展，采用传统编程方式造成的加工周期长、效率低及加工质量差等成为制约航空发动机零件研制的主要因素。究其根源，主要有以下几方面原因：（1）编程质量的好坏主要取决于编程人员的经验和专业水平，导致程序质量参差不齐；（2）系统只能通过交互方式点取产品几何信息，且缺乏数控编程资源库支持，无法自动获取加工区域信息、自动选取刀具和切削参数，自动化程度低；（3）编制的程序可移植性差，刀具轨迹的生成完全依赖于实际加工模型，即使非常相似的两个零件，也需要重新建立加工坐标系、几何体、选择切削参数等，编程效率较低，编程人员的重复劳动较大。研究和开发一套适用于航空发动机零件的快速编程系统，提高数控程序自动化编制水平已经成为当务之急。针对以上问题，本文提出了一种基于特征的车加工快速编程技术，采用向导指引的方式，以特征为基本加工单元，建立一种从加工特征识别、切削区域化分、切削参数加载到刀具轨迹生成半自动化快速编程机制，有效地提高车加工数控程序编制的效率和质量。
二、特征定义与识别技术
1.特征定义
“特征”一词在工业领域中最早出现在 1978年美国麻省理工学院 Gossard DC教授指导的一篇学士学位论文“CAD中基于特征的零件表示”中。不同的专业领域对特征有不同的定义，至今仍未有一个严格、完整的定义。在机械加工领域，特征是指在一定加工要求下，能够用相同或相类似加工手段加工出来的具有一定形状特征的零件部位。由此可以看出，加工特征不仅包含了零件的几何信息，还包括了加工方法和切削参数等制造信息，是 CAD/CAPP/CAM信息的集成（图 1）。
2.机匣零件车加工典型特征分类
航空发动机机匣是发动机中的壳体、框架类零件，是飞机发动机的重要承力部件，属于静子部件，主要作用是承载发动机零组件重量、承受轴向和径向力的作用。航空发动机机匣类零件种类繁多，结构复杂，按设计结构可以分为两大类，即环形机匣和箱体机匣。
本文主要针对环形机匣进行研究探讨，主要车加工区域为机匣内腔。通过对几类典型环形机匣进行全面分析，将内腔的加工特征分为以下 3类：内圆面、T形槽端部和 T形槽底部，每类加工特征根据具体细节的不同可继续细分，如内圆特征可分为直面内圆和斜面内圆两种，本系统研究的机匣类零件典型特征分类如图 2所示。为了便于特征的检索和特征库资源的管理，对每种加工特征赋予一个指定的编码，通过对特征编码进行检索可以快速定位待识别特征以及对特征库的系统管理。
3.特征识别技术
特征识别技术的作用是从零件的设计模型中提取具有特定结构和特定工艺属性的几何形状的一种手段，具体识别流程如图 3所示。目前，常用的特征识别方法主要有两种，一种是基于边界匹配的特征识别方法，另一种是基于立体分解的特征识别方法。
基于边界匹配的特征识别方法是通过对零件的边界进行识别，来匹配预定义的特征。具体步骤如下：（1）拾取特征的边界信息对特征进行定义；（2）搜索待识别零件的边界表示，将其与定义的特征进行匹配；（3）确定识别的特征参数，构造完整的特征几何模型。这种方法的关键是对特征边界模式的定义和特征搜索策略的确定。
基于体分解的特征识别方法基本步骤如下：（1）首先对零件模型进行分解，将其分解为凸体的集合；（2）通过对分解的凸体进行重新组合，产生对应于特征的体元；（3）对特征体元进行分类，确定特征的类型，建立特征的体表示。
基于体分解的特征识别方法与基于边界匹配的特征识别相比，对识别相交特征和曲面特征有相对优势，但是总体上效率较低。因此，本系统采用基于边界匹配的特征识别技术，并将其应用到 NX软件的 MKE模块实现特征识别。
三、基于特征的车加工快速编程系统框架
为适应航空发动机零件数控编程自动化和智能化的要求，本文在 NX平台的 CAM模块中，将智能编程的思路引入到系统中，集成加工特征识别、切削参数加载和工艺资源知识库，建立了基于特征的车加工快速编程系统，系统框架如图 4所示。
步骤 1：模型预处理工作，在 NX软件中将设计模型和毛坯模型按照设计要求装配在一个部件文件中，并对模型的典型特征进行确定，完成后台典型特征的特征识和加工规则程序的编制。
步骤 2：调用车加工快速编程系统，识别零件的典型加工特征。
步骤3：调用加工规则程序，选取特征所属的加工模块，实现切削区域的自动化分、切削刀具的自动调用和切削参数的自动加载，并生成刀具轨迹。
步骤 4：对步骤 3中生成的刀具轨迹按照实际加工需要进行排序。
步骤 5：对刀轨程序进行后置处理和仿真优化，优化后的程序即可用于实际生产加工中。
1.加工向导定制
本系统采用 NX中的加工向导构造器模块（ProcessStudio Author），创建车加工向导。在加工向导构造器模块把典型零件加工的编程过程定制成向导模板，形成标准的流程，用户根据向导的指引可以快速完成坐标系的创建、刀具、加工方法的选取等操作，极大地缩减了重复性的工作。用户还可以根据实际需求定制加工向导，实现较为复杂的工作。对于经验不足的编程人员可以直接选取合适的加工向导，根据指引完成加工程序的编制，既保证了程序的质量，又缩短了程序编制周期。本系统设计的车加工向导如图 5所示。
2.辅助工具
在 NX软件的加工模块中无法实现建模功能，在机匣类零件编程过程中通常需要创建辅助线或辅助面才能够实现一些程序的编制，这就需要编程人员在建模模块和加工模块不停的切换，给编程人员的工作带来了极大的不便。本系统采用在 NX加工模块嵌入简单建模功能解决了上述问题。图6所示为在建模环境下调用拉伸命令。
3.数据库文件
航空发动机机匣类零件结构复杂，加工特征种类较多，为了能够实现零件数控程序的快速准确编制，需要丰富的数据库作为支持，将成熟的加工经验和典型加工方法固化下来，作为特征识别和程序编制的依据。数据库主要由以下几部分组成。
（1）加工特征库：存储各类零件的典型加工特征，作为特征识别模块的基础特征（图 7）。
（2）加工刀具库：存储刀具的主要参数，包括刀具的类型、形状和主要参数，便于编程时准确快速的调用所需的刀具。
（3）加工规则库：存储各个典型特征各加工程序所需要的加工策略，使用 NX中的 MKE（加工知识编辑器，Machining Knowledge Editor）模块实现对加工规则的编制，通过对加工规则的调用可以实现数控程序的自动生成。
（4）加工向导库：存储定制的向导模版，用户可以根据具体的加工需求从库选择合适加工向导进行数控程序的编制。
在实际编程过程中，编程人员根据具体需求从数据库中选择合适的模板文件进行程序编制，即可以提高编程效率，又能够保证编程质量。同时，编程人员还可以将常用的具有代表性的特征按照工作需求添加到数据库中，对数据库进行不断的丰富和完善，使编制出的加工向导和加工规则在更大的范围内发挥作用。
四、典型机匣类零件车加工快速编程实例
基于以上研究分析，本文应用航空发动机机匣零件（图3）对车加工快速编程工具进行验证。
首先，根据该机匣件的结构特征，将内腔提取为 3个典型特征，进入快速编程工具车加工向导模块（图 8a），完成坐标系和车加工几何体的创建。其次，对典型特征进行识别，完成加工特征模板的调用（图 8b）。再次，调用加工规则程序，完成加工程序的创建（图 8c）。最后，根据实际加工需求，对生成的加工程序进行合理的排序，即完成该机匣件内腔车加工程序的创建。
五、结语
基于特征的零件工艺参数化变型设计 第3篇
工艺设计作为连接产品设计与制造的桥梁,由于其自身的复杂性和不确定性,一直是CAPP (Computer Aided Process Planning)难以解决的问题。开发一套具有较强使用性的CAPP系统,不仅要考虑企业的产品特点、生产技术水平、加工设备和条件等,而且还应该对已有工艺经验和数据进行充分利用,摆脱工艺设计对工艺人员经验的依赖[1]。所以,实现计算机根据产品信息自动生成合理的加工工艺有一定的困难。
调查研究显示,很多企业的系列化产品的相似度比较高,总的来说,在机械产品的实际设计中,将近70%~80%的产品是重复利用过去的零件设计或对已有零件进行变型设计,只有约20%的零件是完全新设计出来的[2]。零件的结构或特征具有相似性,则意味着零件的加工工艺也具有相似性[3],基于这种特点,在零件的特征发生变化的情况下,将参数化技术运用到工艺变型的设计过程中,很多问题就会得到解决。
1 参数化变型设计
参数化变型设计是利用参数化技术,对模板的参数进行调整,以设计要求的主参数为自变量,非关键参数为函数值的一种驱动机制。不仅包括通过对主特征驱动尺寸的修改实现三维模型的变型设计,还包括工程图的自动调整,以及零件的工艺规程规划的参数化变型设计[4]。
1.1 基于特征的零件参数化变型设计
在机械设计制造中,特征驱动是指零件几何形状结构特征或者非几何特征参数变化引起零件的结构、功能及其制造工艺的变化。通常情况下,零件是由一些特征通过某些关系组合的,把对零件的最终结构和功能起决定性的特征规定为主特征,通过修改主特征的参数来实现零件的变型设计,零件上其他的特征的改变都是通过主特征或者约束关系确定的[5]。
1.2 基于特征的工艺参数化变型设计
基于特征的零件工艺参数化变型设计是将已经完成的工艺设计由变量表示,其中,主特征为主参数,生成参数化工艺设计模板,并将其记录在工艺模板数据库中;在设计新零件的工艺时,按照用户的具体需要,通过修改相应的变量来实现工艺的变型设计。
工艺变型的实质是在三维CAD软件和加工特征工艺模板库的协助下一系列参数化的集合。为了实现零件工艺的变型,必须对加工工艺路线和工序卡片进行变型,工艺路线的变型是对零件加工过程的工序进行增加、修改或删除,而工序卡片的变型是对零件尺寸的改变、文字和数字信息的变化,以及加工所需要的刀具和装备的重新选择。
如图1所示,零件的变型是工艺变型的基础,零件工艺变型设计是通过零件参数的变化来驱动工艺参数的。所以,分别建立零件参数表和工艺参数表,工艺参数表中的参数是从加工工艺路线和工序卡片中提取出来的,能够完整的表达零件加工的全部特性,并且与零件的三维模型保持相关联。如此,当零件的三维模型发生变型时,零件参数表会驱动工艺参数表发生变化,而工艺参数表可以驱动工艺变型实现快速工艺变型设计。
2 工艺变型设计流程
基于特征的零件工艺参数化变型设计包括整体设计和详细设计两个阶段,如图2所示。在整体设计阶段,系统根据设计需求与数据库中的工艺模板进行比较,判断是否存在与该零件工艺相似的工艺,如果有就借用,否则,需要对零件进行重新设计。
如果借用典型工艺模板,则进行详细设计:系统根据交互界面输入的信息,完成零件三维模型变型,并自动提取零件参数,完成工艺模型的驱动,并提取每道工艺路线中包含的尺寸信息和特征信息,最后在自动生成工序简图以及工艺卡片,如果符合要求,则输出工艺文件,并把零件模型及工艺参数加入实例库,作为新的实例。如果不符合要求,对工艺进行重新设计。
2.1 制定工艺参数化模板
工艺的最后形式是以工艺卡片表现的,新零件的工艺生成是在可编辑的已有工艺模板上完成的,支持变型的工艺参数化模板如图3所示,工艺模板的参数化依靠数据库中的数据参数传递。当零件的信息发生变化时,引起工艺数据库变化,数据库中单元索引表的字段与工艺模板中单元格的参数内容相关联,数据库会把该信息准确无误的传递给工艺模板,从而实现工艺变型。
2.2 三维模型的变型设计
零件三维模型的变型是工艺变型的基础,实现零件的变型同时也生成新零件的工程图,再对工程图进行修改,就可以实现工序简图的自动生成。
2.3 工艺路线的变型设计
工艺路线指利用所有的加工资源设计出从毛坯到零件的详细加工过程,当对零件进行变型设计时,其工艺路线也会随之改变。加工工艺路线的变型设计主要包括两类:1)当零件模型尺寸变型时,工艺路线或工序中工步数值型参数的变化;2)当零件模型结构变型时,工艺路线中工序的内容需要修改、增加、删除。
2.4 工序简图的变型设计
工艺变型设计过程中最重要同时也是最繁琐的就是工序简图的变型,基于特征的工艺变型省去了重新画工序简图的步骤,而是利用工程图生成工序简图[6]。工程图会根据零件的变型驱动发生相应的变化,可能会出现视图比例不合适、粗糙度信息的混乱等,需要对工程图进行调整,最后,对工程图进行属性修改或添加,就可以生成工序简图。
2.5 工艺卡片的变型设计
工艺卡片的变型过程如图4所示,模型的变化会引起工艺路线以及工序简图的变化,最终引起每一道工序和工艺模型的变型,工艺数据库会把改变的内容保存下来,替换原来的旧数据。工艺卡片的变型实质就是操作数据库、传递参数的过程,将工艺卡片的数据结构提前在数据库中设置好,这些结构中的内容会随着参数的驱动显示不同内容,就会呈现不同的工艺卡片,从而实现了工艺卡片的变型。
3 应用实例
以某企业的板类零件为研究对象,零件的三维模型如图5所示。可以看出,零件的主要加工特征是孔和平面,加工该零件主要是在铣床上进行,孔的常用加工方法有钻、扩、铰、镗、磨,根据企业的要求选择不同的加工方式,可以加工出不同精度的孔。
1)零件信息输入。当对零件进行工艺设计时,系统会根据用户提交的数据判断零件的类型(平板件、长体件、方体件)。 当确定零件以后,需要对零件的加工单元进行参数设置,如图6所示,然后在实例库中检索是否存在此类型零件。
2)零件几何参数化。用户将零件的设计参数输入界面后,系统会根据输入的参数自动输出相应的零件模型,如果生成的零件不符合实际要求,需要对生成的零件进行修改才能完成零件模型的建立。零件模型完成以后,会将零件的主要参数保存在数据库中。
3)零件工艺路线参数化。当零件的尺寸或结构参数化驱动完成后,自动提取模型的各个参数,并根据工艺要求的精度等级和表面粗糙度等信息确定孔和平面的工艺路线,把工艺信息写入到数据库中,并更新对应的工艺卡片,实现零件模型、数据库和工艺卡片的统一性与同步更新,弹出工艺设计界面如图7所示,用户还可根据需要添加,修改或删除工序。
4)自动生成工艺卡片。工艺卡片中工序简图的自动生成和更新是通过对工程图进行属性修改或添加,替换工艺卡片中旧的工序简图实现的。最后,通过数据库参数对工艺卡片的其他信息进行更新。
所有的工序设计实现以后,系统会调用Excel接口程序,将工艺内容放到工艺卡片对应的位置生成文件存储到数据库中方便查看和下载。生成的新的工艺模型及信息会存储到相应位置作为新的模板扩充实例库,供下次检索时使用。
4 结束语
零件特征 第4篇
关键词：机械零件,表面缺陷,目标特征,检测方法
0 引言
在机械零件加工以及使用过程中, 机械零件表面会产生裂纹等缺陷, 这些缺陷严重影响着机械零件表面质量;因此, 对这些机械零件表面质量监测有着重要意义。然而, 传统的监测方法是由人工离线抽检完成, 这种方法依赖于检验人员的检验, 不能实时发现产生的缺陷。图像检测技术可以通过对所采集图像的进行图像处理, 从而实现在线检测, 而基于图像处理的检测技术关键在于图像处理算法[1,2,3,4]。
目前, 基于图像处理的机械零件表面缺陷检测方法很多[5,6], 分别针对刀具、带钢、齿轮、轴承等的机械零件表面缺陷检测提出了空间域检测方法 (边缘检测法、零均值化法) 和小波域的检测算法等[7]。其中, 零均值化方法是通过构造零均值化图, 并采用阀值分割出缺陷区域, 这种算法虽然简单, 但检测缺陷区域误差较大[8];边缘检测方法是通过检测缺陷边缘实现对缺陷的检测, 这种方法只能提取缺陷的大致边缘, 不能检测出完整缺陷区域[9];小波域的检测算法是利用小波分解使正常区域信息与缺陷区域信息相分离, 从而实现缺陷区域的检测[10]。
然而, 缺陷区域分割好坏很大程度上依赖小波滤波器构造的性能, 如何构造小波滤波器是研究的难点问题, 目前没有统一的方法。
事实上, 人类视觉系统在有先验知识的前提下, 总是在视野中搜索与先验知识相匹配的检测目标特征, 并对这些目标进行优先处理, 这就是人类具有的检测机制。如果将这种机制引入到机械零件表面缺陷检测中, 利用缺陷特征作为机械零件缺陷检测条件, 就有可能把注意力集中到缺陷所在的区域, 从而避免环境因素对检测的影响, 实现对缺陷区域的准确分割。为此, 采用检测目标特征设定分割阈值, 实现对机械零件表面缺陷的准确分割。
1 机械零件表面缺陷均值滤波
工业现场所采集的图像往往含有噪声, 为了消除其对后期缺陷检测的影响, 我们拟在所采集的图像中滑动进行均值滤波。
设图像fi, j大小为MN, 则将图像划分为99的图像窗口, 然后每个窗口灰度均值为:
式中0≤i≤M1, 0≤j≤N1。
在计算每个子窗口灰度值后, 将子窗口均值代替窗口中心的像素值;通过子窗口遍历整幅图像实现滑动均值滤波。
2 基于目标分析的表面缺陷分割
在先验知识条件下, 人类视觉总是关注视场中与检测目标相同的特征, 并对其特定特征区域进行分析加工, 以提高检测快速性和准确性。机械零件表面缺陷大小、形态各异, 缺陷种类繁多;然而, 这些缺陷又有其共同特征, 这就是缺陷区域数目相比较背景总是比较稀少的, 如果能够利用这个特性, 就能够节省计算机, 准确的分割出缺陷信息。通常稀少目标必须满足以下条件:
(1) 目标区域必须与背景区域存在一定的区分度, 存在一定的对比度;
(2) 目标区域数目与背景区域数目相比较是很少的。
为了满足上述条件, 采用公式 (1) 如下:
图1示例中, 在第3、4次分割检测兴趣区数目差值最大, 即稀少度最大;因此, 确定分割阈值 (4) , 如图2 (c) 所示, 能够有效分割缺陷区域信息。
3 形态学滤波
机械零件表面缺陷图像分割后所得到的区域, 通常含有一定噪声和较小的孤立点;为了消除这部分信息对缺陷的影响, 本文采用先膨胀、后腐蚀的形态学闭运算操作;通过闭运算不仅能平滑滤波, 而且还能够除去区域中的小孔, 填平狭窄的断裂、细长的沟壑以及轮廓的缺口。
设二值图像为I, 其连通域设为X, 结构元素为S, 当一个结构元素S的原点移到 (x, y) 处时, 我们将其记作sxy。此时图像X被结构元素S闭运算的运算可表示如式 (3) :
图1 (c) 通过形态学滤波, 如图2所示能够有效滤除噪声和较小的孤立点。
4 实验与分析
为了验证本文算法分割效果, 分别选取车削刀具磨损、齿轮裂纹、带钢缺陷作为检测目标, 分割结果如图3所示。可以看出, 采用本文方法能够有效分割出缺陷区域。
为了验证本文算法的检测准确率, 分别选取车削刀具磨损、齿轮裂纹、带钢缺陷图像各100幅进行试验。其具体步骤为:首先, 采用检测人员对测试图像的缺陷区域进行人工标记, 并计算缺陷的面积;然后, 对测试图像采用本文算法进行分割, 并统计前景目标的面积;最后, 将人工标记区域面积与本文分割出来的缺陷区域面积进行对比, 当误差小于10%, 认为被准确检测。试验试验结果表明, 三种缺陷检测准确率分别达到了98%、95%、97%, 具有较高的检测准确率。
5 结论
本文通过分析机械零件表面缺陷特征, 提出基于检测目标特征挖掘的缺陷检测方法;利用机械零件表面缺陷共性特征, 确定图像分割阈值, 从而实现对缺陷目标的分割;在此基础上, 实现对机械零件表面缺陷的准确检测;由于本文采用算法简单、计算量减少, 很容易实现硬件化, 从而为在线快速自动检测提供了途径。
参考文献
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零件特征 第5篇
关键词：磨削裂纹,残余奥氏体,马氏体,淬火
0 引言
机器上用的各种轴类零件如驱动轴、凸轮轴、曲轴、摇臂轴等在加工过程中需要热处理, 但热处理后淬硬或经过渗碳淬火的轴类零件, 在磨削过程中由于表面显微组织发生转变而形成大量的裂纹, 即磨削裂纹。下面就磨削裂纹的形成及特征加以阐述。
1 磨削裂纹的产生和影响因素
1.1 磨削裂纹的生成
轴类零件在磨削过程中要产生大量的热量, 这些热量只限于表面极薄的区域内, 它足以使其表面温度达到800℃以上, 而且升温极快。如果磨削时冷却不够充分, 将导致表面层的显微组织重新奥氏体化, 并再次淬火成为马氏体。因而使工件表面层产生极大的附加组织应力, 同时由于表面温升极快, 造成很大的热应力, 当组织应力和热应力叠加超过了材料的强度极限时, 被磨削的表面就会出现磨削裂纹。
1.2 磨削裂纹形成的影响因素
1.2.1 组织结构
所谓组织结构方面的影响因素有碳化物的形态与分布, 残余奥氏体的数量以及非金属夹杂物。
显微组织中碳化物的形态、分布影响着磨削裂纹的生成, 如果碳化物数量较多, 颗粒较大, 分布不均或集聚存在时, 将明显地分割金属的基体, 降低其强度。尤其当以断续网状析出时, 会严重削弱晶间结合力, 明显影响热传导, 加剧磨削裂纹生成。如果碳化物细小、分布均匀, 则有利于分散磨削应力, 从而减少生成磨削裂纹的机率。
零件磨削时显微组织中的残余奥氏体因受磨削热的影响必将发生分解, 逐渐转变为马氏体, 引起工件表面体积膨胀, 导致组织应力的产生, 进而促进裂纹的形成。因此, 工件内部残余奥氏体量较高时, 易于产生磨削裂纹。
1.2.2 热处理工艺
经过淬火而不进行回火的轴件, 对磨削裂纹的形成是非常敏感的。因为磨削时产生的磨削热足以使表层淬火马氏体发生转变, 碳化物析出, 体积减少。造成了工件表面与内部的比容差, 引起较大的内应力, 进而形成裂纹。零件有时回火不足, 在磨削时也容易形成裂纹。由此可见, 对淬火后的零件必须进行充分回火。但是为了保证工件达到一定硬度的要求, 回火温度不能任意提高。因此必须采用合适的磨削工艺, 使工件表面受热的温度不超过回火温度。
1.2.3 磨削工艺
磨削工艺的影响是很复杂的, 影响因素很多, 它是工件表面形成磨削裂纹的主要原因。一般进磨削热量越多, 则容易形成裂纹。如果砂轮硬度、粒度选择不当, 冷却不足、不均匀, 也必然会促进裂纹的产生。
2 磨削裂纹的鉴别
2.1 磨削裂纹的宏观形态
磨削裂纹存在于零件被磨削的表面上, 有的呈分散条状, 各条裂纹相互平行, 且与磨削方向相垂直, 有的呈网状或辐射状。若与磨削面成一定角度观察裂纹时, 即有裂纹突出表面的感觉。如果垂直于磨削面取样观察, 即可发现磨削裂纹一般很浅, 大致在0.1~0.5 mm之间, 而且深度基本一致。从表面起由粗到细逐渐消失。
2.2 磨削裂纹的显微组织
磨削裂纹在显微镜下观察, 主要表现为穿晶而过, 但也有沿着晶界延展的。
如果由于磨削过于剧烈引起表面裂纹, 则可通过垂直于被磨削面的截面显微组织进行辨别。
2.2.1 表面回火
轴件表面产生回火区。在磨削过程中, 表面局部受热, 导致马氏体组织继续分解, 转变为回火屈氏体。这种组织在酸浸蚀后易于显露, 呈黑色。此种工件的显微组织由表及里分别为, 回火屈氏体———回火屈氏体+回火马氏体———回火马氏体 (正常组织) 。
2.2.2 表面二次淬火
如果磨削过于剧烈, 零件表面瞬时温度极高, 致使工件表面在很薄区域内重新奥氏体化, 再由于随后的快速冷却, 则造成该表层重新淬火, 通常成为二次淬火。这薄层的组织为淬火马氏体+残余奥氏体。酸浸蚀后呈白色, 在白色的淬火层下面是黑色的回火屈氏体组织, 所以这种零件的显微组织为, 淬火马氏体+残余奥氏体———淬火马氏体+回火屈氏体———回火屈氏体+回火马氏体———回火马氏体 (正常组织) 。
3 加工中如何阻止裂纹的产生
根据以上分析, 根据不同成因应采取不同措施。
3.1 充分冷却
磨削裂纹产生的原因很多, 但是磨削热起到了很重要的作用, 降低磨削热是解决磨削裂纹的关键。改善冷却条件, 改进磨削液的配方, 加大磨削液的流量和压力, 以及改进磨削液的喷嘴和气流的挡板结构, 都可以降低切削区的温度。
3.2 适当回火
对一些塑性低, 导热能力差的材料, 如高碳钢、渗碳钢、耐热钢、不锈钢及硬质合金等, 在磨削前应进行回火, 尽量减少残余奥氏体的数量, 防止网状渗碳体在工件表层形成。
3.3 砂轮的选择
磨削时为了使磨钝的磨粒及时脱落, 减少砂轮与工件的摩擦力, 从而减少磨削时的能量消耗, 选用较软硬度的砂轮。细粒度砂轮容易堵塞, 磨削时产生较大的热量, 使工件表层容易出现烧伤及裂纹, 砂轮粒度粗一些, 可以改善冷却条件, 减少发热量, 磨削时尽量选用粒度较大的磨粒, 但是粒度大的砂轮不适合表面粗糙度质量要求高的工件。
3.4 零件材质的选择
由于马氏体的膨胀收缩率随着含碳量的增加而增大, 因此碳素工具钢及渗碳钢产生磨削裂纹尤为严重。当零件硬度要求较高时, 零件回火温度不能超过500℃, 这时应该考虑从轴的材质方面改善, 尽量避免选用碳素工具钢和渗碳钢等, 而应该选用含碳量低的1Cr13和40Cr等。
4 结语
通过分析, 轴类零件磨削裂纹产生的原因很多, 但主要还是影响磨削热和热处理工艺, 在磨削过程中通过降低磨削热, 改善热处理工艺和合理选用轴的材料, 就可以解决磨削裂纹的问题。
参考文献
[1]崔忠圻, 刘北兴.金属学与热处理原理[M].哈尔滨:哈尔滨工业出版社, 2007.
[2]中国机械工程学会热处理学会, 热处理手册:热处理质量控制和检验[M].北京:机械工业出版社, 2008.
零件特征 第6篇
机器视觉在机械行业中越来越广泛应用于产品识别、检测、装配等领域[1]。零件识别是现代化生产线上基于机器视觉的工业机器人实现自动化视觉检测的关键技术, 零件识别技术中必不可少的部分是特征取。特征提取常用的提取算子有Moravec算子[2]、Harris算子[3]、SUSAN算子[4]和SIFT算子[5]。
SIFT (尺度不变特征转换) 算法是目前用于图像识别中较为成功的特征提取算法, 因具有很好的尺度、旋转、视角和光照不变性被广泛应用, 如三维重建[6,7]、影像配准[8,9]、图像拼接[10,11]、目标识别[12]。
由于传送带上零件因摆放存在的遮挡、旋转等问题的存在, 文章选用SIFT算法对零件图像进行特征提取。但是该算法提取的是图像的局部区域特征点, 而组成机械零件的主要几何元素是直线或是圆边缘, 所以为了充分利用边缘角点特征, 在SIFT算法的基础上引入SUSAN角点检测算子[13]。因为SUSAN算子是用于检测图像角点特征较好的算法, 基于最小核差值的底层处理方法, 直接处理的是图像的灰度值, 速度快, 定位精度高, 有很好的抗噪性能。
所以将SIFT算法与SUSAN算法结合使用于零件图像的特征提取, 能有效检测出图像的角点, 更大限度的利用了图像边缘点信息。为了增强零件的图像边缘响应, 文章针对机械零件的几何特点, 首先选用均值滤波和拉普拉斯锐化预处理方法。
1 图像预处理
由于生产线环境、输入设备和光照条件不稳定的影响, 直接采集到的图像会受到噪声、光照的影响, 使得图像不清晰, 不利于提取特征点。为了降低噪声, 改善图像质量, 提高图像的边缘信息, 就要对图像进行预处理, 为提取图像特征提供更多的信息量。考虑到零件几何特征中的线边缘特征多的特点并通过实验得出, 对零件图像进行均值滤波和拉普拉斯锐化处理, 能使图像特征的提取效果更好。
1.1 均值滤波
滤波原理是利用窗口中像素的平均值来代替窗口中心的像素值。一幅M×N的图像f (x, y) 经过大小为m×n (m和n是奇数) 的加权均值滤波器w (s, t) 滤波的过程可由下式给出:
常用的滤波器模板有平均模板和高斯模板。为了使零件图像平滑更柔和, 边缘保留效果更好, 选用如图1所示的高斯模板进行滤波处理。
1.2 拉普拉斯锐化
图像锐化的目的是使经滤波后模糊化的图像边缘、轮廓线以及图像的细节变的清晰。因拉普拉斯滤波响应与滤波器作用的图像的突变方向无关, 各向同性, 具有旋转不变性, 是适合零件图像锐化的滤波算法。一个二维图像函数f (x, y) 的拉普拉斯算子定义为:
在x和y方向上的二阶微分分别是:
所以, 遵循以上三式, 两个变量的离散拉普拉斯算子是:
通过实验, 文章采用的模板如图2所示。
2 简化SIFT-SUSAN算法提取特征
2.1 SUSAN算法检测原理
SUSAN算法用预定义的掩板对图像的每个象素点进行局部运算操作。算法检测原理如图3所示。a、b、c、d是掩板在图像中位置, 中心点是掩板核, 外轮廓是掩板边缘。掩板内所有与核值相同或是相似的像素构成的区域称作相似核值区 (USAN) 。从图中可以看出角点就是USAN的面积占模板总面积1/4的像素点, 即b点。因此SUSAN检测原则就是判断USAN域中灰度相似的像素占整个掩板面积的比例。
模板在图上移动检测时, 分别用式 (6) 寻找USAN区域, 用式 (7) 计算该区域的面积。
式中:r0、r是模板核及其他点的位置;I (r0) 是模板核的灰度值;I (r) 是模板内其他像素的灰度值;t是灰度阈值;c (r, 0r) 是灰度比较的结果;S (r0) 是USAN的面积。
2.2 SUSAN-SIFT算法提取特征点
文章将算法用于零件识别的优点:1) 在作识别前, 针对零件图片特点选用均值滤波和拉普拉斯锐化预处理图片, 使零件纹理清晰, 边缘特征加强;2) 在SIFT算法中增加SUSAN检测算子, 增加边缘角点特征的检测;3) 文章在生成SIFT描述子时, 采用8×8的采样窗口, 只计算每个关键点32维特征向量即可, 缩短了提取时间。SUSAN-SIFT算法主要包括5个步骤:
1) 构建尺度空间。设I (x, y) 是零件输入图像, 则图像的尺度空间函数l (x, y, σ) , 等于尺度可变高斯函数G (x, y, σ) [14]和I (x, y) 的卷积:
为了有效的在尺度空间检测到稳定的关键点, 利用不同尺度的高斯差分核与图像卷积计算高斯差分尺度空间:
实际计算过程中, 用下式计算高斯差分核, ▽2是高斯因子:
2) 检测DOG尺度空间极值点。在图像域和尺度域中比较样点及同尺度和上下相邻尺度中共27个点的极值点, 作为图像在该尺度下局部区域的候选点。
3) SUSAN角点检测。用圆形模板扫描图像中每个位置, 用式6比较模板内各像素与核值的灰度, 用式7计算SUSAN的面积, tp用掩板内图像像素的平均值代替。本文采用的模板如图5所示圆形掩板, 能覆盖37个象素点, 半径是3.4个象素。
4) 为特征点选取主方向。用式 (12) 计算检测出的每个特征点的梯度模值和方向, 式中L所用的尺度为每个关键点各自所在的尺度。
以关键点为中心, 半径为1.5的邻域窗口内采样, 用直方图统计邻域像素的梯度方向, 选取直方图的主峰值作为关键点的主方向, 80%主峰值的局部峰值作为该点的辅助方向。
5) 生成SIFT特征向量。以关键点为中心旋转θ角度调整至0o, θ为该关键点的方向。再以关键点位中心取8×8的采样窗口, 利用式 (12) 计算窗口内每个点的模值m (i, j) 和方向θ ( (ii, j, ) j, ) 窗口内每个小格代表关键点邻域所在尺度空间的一个像素, 箭头长度代表梯度模值, 窗口内箭头方向代表该像素的梯度方向, 高斯窗口对其进行加权运算。利用直方图统计8×8小块上8个方向的梯度方向直方图, 绘制每个方向的累加值, 形成4个种子点。这样对每个关键点就形成2×2×8=32维的描述子, 降低了特征点维数的计算, 缩短了时间。并将向量归一化处理, 进一步去除了光照的影响, 增加了匹配的稳健性。
该算法的具体实现流程如图6所示。首先采用均值滤波和拉普拉斯锐化预处理图片, 利用简化SIFT算法提取特征点, 在提取过程中加入SUSAN算子, 完成零件图像的特征点匹配。运用MATLAB对该算法进行编程。
3 实验及结果分析
本文选择了几何特征典型的三类样本零件:六角螺母、垫片和轴承盖。分别采集三种零件图像各两张, 其中六角螺母两张图片的左右角度差15o, 大小比例为一倍, 垫片两张图片的上下角度差15o, 大小比例为1.5倍。在Matlab软件中分别采用SIFT算法和本算法完成三种零件不同形态的图像匹配。对比结果如表1所示, 垫片与螺母的对比实验如图7、图8所示, 图中绿色圆的圆心代表检测的特征点, 圆的数量代表特征点数的数量, 同一零件形态不同的图像中匹配成功的特征点用蓝色线对应连接。
4 结论
零件图片几何特征相对规则, 针对这一特点, 文章首先对采集的图像进行均值滤波和拉普拉斯锐化预处理, 增强图像边缘特征, 再利用简化SIFT算法提取特征点, 并在提取过程中加入SUSAN算子, 增加角点特征的提取。