基于三維掃描的水平式采棉機采摘頭結(jié)構(gòu)分析

高廣娣,魏敏,張立新,龔憲生,葛云,曾海峰

(1.石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832003；2.重慶大學(xué)機械工程學(xué)院，重慶　400044)

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基于三維掃描的水平式采棉機采摘頭結(jié)構(gòu)分析

高廣娣1,魏敏1,張立新1,龔憲生2,葛云1,曾海峰1

(1.石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832003；2.重慶大學(xué)機械工程學(xué)院，重慶400044)

【目的】 為解決采棉機采棉頭核心部件摘錠易磨損、易折斷，與進口摘錠性能相差較大的工程實際問題.【方法】 選取迪爾公司摘錠作為研究對象，利用三維掃描反求工程進行進口摘錠的原型重構(gòu)，經(jīng)掃描得到進口摘錠原始點云數(shù)據(jù)后，利用Geomagic軟件對數(shù)據(jù)進行處理并利用Geomagic Qualify進行產(chǎn)品質(zhì)量分析.【結(jié)果】 國產(chǎn)摘錠和進口摘錠在鉤齒、端部及錐齒輪部位存在較大的尺寸偏差，其中，進口摘錠錐齒輪齒根厚度大、全齒高較高；國產(chǎn)摘錠整體長度較進口摘錠約長1.8 mm，從而在其端部產(chǎn)生較大的撓度、在根部產(chǎn)生較大彎矩.【結(jié)論】 理論分析與數(shù)值結(jié)果為國產(chǎn)摘錠優(yōu)化設(shè)計提供了新的思路和方向，可以有效促進高性能摘錠國產(chǎn)化.

水平摘錠式采棉機；采摘頭；三維掃描；結(jié)構(gòu)分析

棉花是新疆的支柱產(chǎn)業(yè)之一，根據(jù)《新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)規(guī)劃綱要(2011～2020年)》，2015年新疆棉花產(chǎn)量達300萬t，2020年將達到350萬t[1-2].新疆正在大力發(fā)展棉花精量播種[3]及機械化采棉技術(shù).棉花的機械化采收可大大降低植棉成本、減輕勞動強度，提高棉農(nóng)的植棉積極性[4].目前，國內(nèi)市場上采棉機主流產(chǎn)品主要有美國迪爾公司、凱斯公司和貴航集團生產(chǎn)的水平摘錠式采棉機[5].摘錠是采棉機的核心部件之一，其在高速旋轉(zhuǎn)的過程中通過鉤齒將棉鈴中的棉花鉤住并纏繞在摘錠表面，之后進行脫棉、洗刷，采摘效果較好.但國產(chǎn)摘錠存在磨損快、易折斷、壽命短的缺陷，摘錠主要依賴于進口，從而導(dǎo)致整機成本大大增加[6].高性能摘錠國產(chǎn)化勢在必行.為此，很多學(xué)者從采棉機的采摘工作原理、摘錠的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料的選擇、力學(xué)分析及建模等方面展開研究，為采棉機采摘系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及優(yōu)化設(shè)計提供理論參考[7-10].三維掃描技術(shù)采用目前國際上最先進的激光非接觸照相測量原理，可實現(xiàn)全自動拼接，具有高效率、高精度、高壽命、高解析度等優(yōu)點，特別適用于復(fù)雜自由曲面逆向建模，作為一種先進的設(shè)計手段已被廣泛應(yīng)用產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計、逆向工程及三維檢測等工業(yè)設(shè)計中.

本文主要采用三維掃描技術(shù)研究國產(chǎn)摘錠采摘頭與進口摘錠采摘頭間的結(jié)構(gòu)及尺寸差異，以期為實現(xiàn)高性能摘錠國產(chǎn)化奠定理論基礎(chǔ).

1　采摘頭模型構(gòu)建

1.1進口摘錠點云數(shù)據(jù)獲取

本文借助VisenTOP掃描儀對迪爾公司摘錠采摘頭結(jié)構(gòu)進行逆向設(shè)計，利用三維掃描多幅面點云拼接無累計誤差和分層特點，很大程度上保持進口摘錠采摘頭的原有結(jié)構(gòu)及尺寸.

為獲取更為精確的掃描數(shù)據(jù)，掃描前對迪爾公司產(chǎn)摘錠噴涂反差增強劑處理，并隨機選取若干標定面用標定點標記，如圖1所示.

掃描間隔設(shè)置為1 mm，可獲得一系列采摘頭標記面的點云數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic studio中進行處理，構(gòu)建摘錠模型，如圖2所示.

圖1　迪爾公司待掃描摘錠Fig.1　Ingot of Deer to be scanned

圖2　迪爾摘錠實體模型重構(gòu)Fig.2　Restructured model for ingot of Deer

1.2國產(chǎn)采摘頭三維實體模型構(gòu)建

國產(chǎn)摘錠根據(jù)二維圖紙采用Solidworks軟件建立其三維實體模型，如圖3所示.

圖3　國產(chǎn)摘錠三維實體模型Fig.3　Three-dimensional model of domestic ingot

2　產(chǎn)品質(zhì)量分析

在Geomagic Qualify中導(dǎo)入進口摘錠點云數(shù)據(jù)并進行減少噪音、著色、按距離過濾及填充孔等處理優(yōu)化，設(shè)置點云文件為“TEST”.導(dǎo)入國產(chǎn)摘錠三維實體模型并設(shè)置為“REF”，將點云與三維模型進行最佳擬合對齊，如圖4所示為2種摘錠比對分析結(jié)果，其中數(shù)據(jù)點位584 284個，體外孤點3 073個，圖形右側(cè)為對齊時的偏差值.

圖5所示為偏差分布情況，可見采用三維掃描及產(chǎn)品對比進行偏差分析符合正態(tài)分布規(guī)律.產(chǎn)品分析的偏差情況如表1所示.

圖4　點云與三維模型的比對Fig.4　Comparison between point cloud and three dimensional model

圖5　偏差分布Fig.5　Distribution of deviation表1　產(chǎn)品分析基本信息Tab.1　Basic information of product analysis

公差類型3D偏差/mm最大臨界值6.4974最小臨界值-6.4974最大名義值0.3249最小名義值-0.3249最大上偏差6.4974最小上偏差-6.3557平均偏差0.7199/-0.7867標準偏差1.0130

圖6自上而下分別為主視圖、右視圖及俯視圖的比對情況.由以上圖表可知，國產(chǎn)摘錠和進口摘錠在鉤齒、端部及錐齒輪部位間存在較大的尺寸偏差.文獻[10]中，針對摘錠失效形式構(gòu)建了鉤齒角度為55°、60°、65°、70°和摘錠直徑為12、14 mm的正交組合三維模型并進行有限元分析，最終確定了摘錠合理的參數(shù)組合：鉤齒數(shù)12個，斜度45°，導(dǎo)向槽深度0.5 mm，鉤齒角度75°，直徑12 mm.

圖6　各視圖對比Fig.6　Comparison of different views

3　結(jié)構(gòu)分析

3.1錐齒輪部分

摘錠錐齒輪在采棉機中主要起傳遞動力和運動的作用，摘錠實際工作過程中，錐齒輪部分的失效形式主要有齒面磨損、輪齒折斷、點蝕及膠合，錐齒輪的材料、結(jié)構(gòu)尺寸及熱處理方式等決定了其工作能力.根據(jù)文獻[11]所介紹的測量錐齒輪參數(shù)的方法，多次測量求取平均值獲得國產(chǎn)摘錠錐齒輪及進口摘錠錐齒輪的關(guān)鍵參數(shù)，如表2所示.其中壓力角的測量及計算采用滾印法，如圖7所示.

表2　國產(chǎn)摘錠與進口摘錠參數(shù)表Tab.2　Parameter table of domestic ingot and imported ingot

對比表2中的各參數(shù)可知，國產(chǎn)摘錠錐齒輪與進口摘錠錐齒輪采用的大端模數(shù)及壓力角相同，因傳動比要求，與其嚙合的錐齒輪齒數(shù)應(yīng)相同，故而分錐角相等.此外，進口摘錠錐齒輪的整體外廓尺寸較小、齒頂厚度小、齒根厚度大、全齒高較高，兩輪輪齒齒形簡化模型如圖8所示，在材料及加工工藝相同的情況下，進口摘錠輪齒齒根強度高，抗彎能力強，力學(xué)特性好，此種齒形可通過正變位加工方法加工獲得.

3.2摘錠頭部

從產(chǎn)品分析報告可以看出，國產(chǎn)摘錠與進口摘錠的頭部存在較大尺寸差異.建立拍照標尺，獲取兩組摘錠圖片，利用Digimizer 測量軟件對摘錠圖像進行測量，如圖9所示，測得國產(chǎn)摘錠與進口摘錠長度差值A(chǔ)B=1.80 mm.

圖7　滾印法測量壓力角Fig.7　Measurement of pressure angle by roll printing method

國產(chǎn)摘錠錐齒輪輪齒(左)，進口摘錠錐齒輪輪齒(右). 圖8　齒輪齒形簡化模型Fig.8　Simplified model of gear tooth profile

圖9　摘錠長度差值測量Fig.9　Measurement of the different length of the ingots

采棉機中摘錠的一端通過防塵套、耐磨銅套及固定座等固定在機架上，另一端處于自由狀態(tài)，為了便于計算，忽略摘錠桿身的鉤齒、倒槽等結(jié)構(gòu)，將摘錠視為一圓錐形懸臂梁進行研究，其摘錠的簡化模型如圖10所示[12].假設(shè)摘錠與脫棉盤接觸部位受到的力為均布載荷，在任意時刻摘錠受力情況如圖11所示.

圖10　摘錠的簡化模型Fig.10　Simplified model of ingot

圖11　摘錠的受力分析Fig.11　Force analysis of ingot

可見，摘錠簡化后等同于懸臂梁，當(dāng)相同的力作用在摘錠上時，最大撓度將發(fā)生在摘錠上離固定端最遠處的A點，最大彎矩則發(fā)生在固定端D點處，且長度越長最大撓度及最大彎矩越大.國產(chǎn)摘錠長度較進口摘錠整體長度長1.8 mm，將在其端部產(chǎn)生更大的撓度、在摘錠根部產(chǎn)生更大彎矩，從而影響其性能.

4　結(jié)論

通過三維掃描技術(shù)的反求功能，實現(xiàn)了進口摘錠的模型重構(gòu)并結(jié)合Geomagic Qualify和Solidworks軟件實現(xiàn)了國產(chǎn)摘錠與進口摘錠的比對.通過產(chǎn)品質(zhì)量分析可知，國產(chǎn)摘錠在鉤齒、錐齒輪及端部存在影響其性能的尺寸偏差.未來可通過三維掃描技術(shù)重構(gòu)的進口摘錠模型優(yōu)化國產(chǎn)摘錠結(jié)構(gòu)及幾何尺寸，從而提高其性能，在結(jié)構(gòu)相同的情況下，若性能仍有差距，則可以考慮加工工藝、熱處理及材料方面等優(yōu)化方向.

[1]楊東.全國產(chǎn)棉區(qū)推廣使用采棉機還有多遠[EB/OL].[2011-06-28]http://www.chinanews.com/cj/2011/06-28/3142703.shtml

[2]新疆兵團今年棉花機械采收面積達350萬畝[EB/OL].[2011-09-15].http://www.chinanews.com/df/2011/09-15/3330918.shtml

[3] 盧勇濤，李亞雄，陳學(xué)庚.氣吸式棉花精量穴播器的設(shè)計與試驗[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，47(3):129-133

[4]張有強，馬少輝，丁旺才.采棉機摘錠采摘過程的動力學(xué)分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(13)：54-58

[5]翟超，周亞立，趙巖,等.水平摘錠式采棉機的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]，農(nóng)業(yè)機械，2011(25)：91-92

[6]周揚理，孫文磊，羅小磊.水平式采棉機采摘摘錠新結(jié)構(gòu)及參數(shù)優(yōu)化[J]，機械工程與自動化，2012(1)：10-12

[7]畢新勝，王維新，武傳宇，等.采棉機水平摘錠的工作原理及采摘力學(xué)分析[J].石河子大學(xué)學(xué)報，2007，25(6)：786-789

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[9]邊金英，吳疆.基于Pro /E的采棉機水平摘錠的三維建模[J].農(nóng)機化研究，2009(1):146-148

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(責(zé)任編輯李辛)

Structure analysis on horizontal spindle type cotton's ingots based on three-dimensional scanning

GAO Guang-di1,WEI Min1,ZHANG Li-xin1,GONG Xian-sheng2,GE Yun1,ZENG Hai-feng1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China；2.College of Mechanical Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China)

【Objective】 In order to resolve engineering practice problems such as cotton picker ingots easily worn and broken during picking process,comparing the performance difference between domestic ingots and imported ingots.【Method】 Imported ingot has been selected as study object.Point cloud data of imported ingot gotten has been processed by Geomagic software and product quality has been analyzed by Geomagic Qualify.【Result】 Differences of hook tooth angle,end and bevel gear have been found between domestic ingots and imported ingots.Tooth thickness of hook tooth angle and full tooth height of imported ingots are bigger.The whole length of domestic ingots is longer than that of imported ingots about 1.8mm,the deflection of the end and bending moment of the root is bigger.【Conclusion】 The theoretical analysis and numerical results are applicable to the new ideas and directions for the optimization of domestic ingots,which would promote the localization of high-performance ingot.

horizontal spindle type cotton picker；ingots；three-dimensional scanning；structural analysis

高廣娣(1981-)，女，副教授，碩士，主要從事機械設(shè)計及其理論方面的教學(xué)和研究.E-mail：ggd1981@shzu.edu.cn

石河子大學(xué)重大科技攻關(guān)項目(gxjs2011-zdgg06).

2015-05-13；

2016-03-14

S 225.91+1

A

1003-4315(2016)04-0150-04