洋馬VP-6D插秧機底盤 PTO逆向建模與分析

何劍飛，李貴蓉，郭梓游，曾志浩，鐘文能，楊文武

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

0 引言

農(nóng)業(yè)是我國第一大產(chǎn)業(yè)，國家對農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展的支持力度日益增強，并將加快推進農(nóng)業(yè)機械化高質(zhì)量發(fā)展融入《中國制造2025》[1]。

PTO 是拖拉機與機具之間的動力傳輸樞紐，國內(nèi)外學(xué)者對拖拉機PTO 進行了大量的研究，馮飛燕等運用可靠性理論建立PTO 故障的故障樹，分析出影響PTO 可靠性的因素[2]；張華平等通過功率匹配和速比選擇探究出了一種專用于消防車的PTO 設(shè)計方法[3]；張筱梅采用外置干式氣壓摩擦技術(shù)對灑水車上的PTO 進行改進，杜絕了行駛過程中啟動曬水器時齒輪打齒的問題[4]。

PTO 是插秧機將動力傳至機具中必不可少的部件，PTO 性能對換擋平順性、株距穩(wěn)定性和動力傳動的可靠性等具有重要影響，但目前國內(nèi)對插秧機取力器的研究較少，因此開展插秧機底盤取力器研究，對推動插秧機研究，促進水稻種植機械化具有重要意義。

虛擬樣機技術(shù)是一種基于虛擬樣機的數(shù)字化設(shè)計方法，可通過改變參數(shù)和優(yōu)化設(shè)計，節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)周期和經(jīng)費投入，實現(xiàn)產(chǎn)品高質(zhì)量、快速和低成本設(shè)計[5-6]。因此，本文介紹一種關(guān)于基于逆向工程技術(shù)的PTO 設(shè)計方法，利用三維掃描儀及三維建模軟件Geomagic Design X 對PTO 進行逆向建模，闡述了在逆向建模過程中有關(guān)模型點云數(shù)據(jù)的獲取與處理、模型的建立與誤差分析、格式的轉(zhuǎn)換以及裝配等問題。

1 插秧機PTO結(jié)構(gòu)與工作原理

在實現(xiàn)車輛行駛運輸?shù)然竟δ艿幕A(chǔ)上，通過從發(fā)動機或傳動系統(tǒng)的動力傳遞過程中取出部分動力輸出，用于驅(qū)動其他專用設(shè)備的裝置稱之為取力器[7]。取力器主要搭配在農(nóng)用拖拉機、大功率重型自卸車、特種車輛以及環(huán)衛(wèi)車輛上，可為搭配的作業(yè)機具提供動力源。

目前我國生產(chǎn)的PTO 主要應(yīng)用于自卸車，實現(xiàn)功能較為單一，結(jié)構(gòu)也較為簡單，但在歐美、日本等國家的特種車輛以及拖拉機對PTO 的要求較高，如結(jié)構(gòu)上設(shè)計換擋離合，功能上實現(xiàn)多端口輸出等。因此，本文利用逆向工程技術(shù)對洋馬VP-6D 插秧機底盤搭配的PTO 進行逆向研究及建模，通過對其傳動路線以及結(jié)構(gòu)的研究，分析該PTO 的性能、結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計PTO 提供數(shù)字三維模型以及理論借鑒。

插秧機底盤PTO 的機械結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示，主要分為殼體、輸入軸、中間軸、輸出軸以及各擋位齒輪。插秧作業(yè)時，插秧機從變速箱分配部分動力至取力器，由輸入軸輸入至PTO 中，撥叉撥動中間軸和輸出軸上的齒輪變換擋位，同時通過離合裝置控制PTO 與機具傳動通斷，根據(jù)水稻插秧農(nóng)藝要求，為插秧機工作裝置提供動力和合適的傳動比。

圖1 PTO 傳動示意圖

PTO 內(nèi)部設(shè)有撥叉換擋機構(gòu)，為了滿足不同的輸出扭矩和株距要求，PTO 共設(shè)有6個擋位，各擋位的傳動比以及對應(yīng)的插秧株距如表1 所示。

表1 PTO各擋位對應(yīng)傳動比與株距

2 PTO逆向建模

2.1 掃描數(shù)據(jù)獲取及處理

本文采用CREAFORM 手持式HandySCAN 3D SILVER 型三維掃描儀進行掃描及點云獲取，如圖2所示，掃描體積精度為0.02 mm+0.06 mm/m，測量分辨率為0.05 mm，網(wǎng)格分辨率為0.2 mm。

圖2 HandySCAN 3D SILVER 系列三維掃描儀

為了獲取高精度點云數(shù)據(jù)，首先對擬掃描零件進行清潔，去除表面污垢，待零件清理干凈后對零件進行噴粉處理，以便提高掃描精度。

利用標(biāo)簽貼點可以使掃描儀對區(qū)域的連通性得到提高，使點云數(shù)據(jù)更加完整。調(diào)節(jié)掃描儀器的參數(shù)后進行掃描。在掃描的過程中，從不同的方位對零件進行細(xì)節(jié)掃描，對于部分掃描不清晰的零件可以采用細(xì)節(jié)掃描按鈕，獲取更加完整的掃描數(shù)據(jù)。獲取數(shù)據(jù)后需要對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，點云數(shù)據(jù)預(yù)處理是逆向工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其結(jié)果將直接影響到后期模型重構(gòu)的質(zhì)量[8]。因此需要在逆向建模之前對原始點云數(shù)據(jù)進行刪除無關(guān)掃描數(shù)據(jù)、減少噪聲點、合并、簡化、對齊等步驟[9]。在本文中主要是通過利用Geomagic Studio 軟件對點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，主要采取的步驟有刪除掃描數(shù)據(jù)、減少噪聲點、簡化數(shù)據(jù)、對齊以及封裝。刪除掃描數(shù)據(jù)主要是對掃描背景的刪除，先刪除面積大的無用掃描數(shù)據(jù)。減少噪聲點則是利用體外孤點和非連接項進行掃描數(shù)據(jù)的刪除，刪除噪點后殼體點云如圖3 所示。

Noble算法丟失的角點不會在梯度曲線圖和曲率圖中顯示出較高的值,SUSAN算法丟失的角點主要集中在非均勻平坦的地區(qū),這是典型的農(nóng)業(yè)用地和屋頂斜坡。后一種情況對應(yīng)于漸變顏色區(qū)域。

圖3 處理后的點云數(shù)據(jù)

然后對數(shù)據(jù)進行簡化，可減少數(shù)據(jù)內(nèi)存，方便軟件運行流暢。對齊主要是對從內(nèi)和從外2 邊的掃描數(shù)據(jù)進行拼接形成完整的掃描數(shù)據(jù)，在對齊的過程中通過不斷嘗試使用全局對齊的命令使系統(tǒng)計算的誤差小于0.05 mm。對齊后的點云數(shù)據(jù)如圖4 所示，最后則是對數(shù)據(jù)進行封裝，將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成面片數(shù)據(jù)，方便后續(xù)的建模。

圖4 對齊后點云數(shù)據(jù)

2.2 PTO模型建立與裝配

2.2.1 坐標(biāo)對齊

將處理完的面片數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Design X軟件中進行建模，對于剛導(dǎo)入的數(shù)據(jù)需要對面片數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)對齊。通過利用軟件中“領(lǐng)域”的“自動分割”命令對面片數(shù)據(jù)進行分割，設(shè)置的參數(shù)敏感度為65%，光滑度選取最大值。再利用“模型”中提取領(lǐng)域的功能建立裝配面的平面，將該平面定義為XOY 平面，選取零件垂直XOY 平面的輸出軸作為z 軸，通過輸出軸軸心與XOY 平面的交點為原點[10]。如此可以建立方便建模的坐標(biāo)系，同時考慮到后期與其他的零件裝配的問題，在選取坐標(biāo)原點的同時盡量和前一個的原點定位相同。

2.2.2 模型構(gòu)建

對齊坐標(biāo)后，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)，通過拉伸切除等命令建立主體部分，再進行細(xì)節(jié)調(diào)整，如螺栓螺母的位置。在建立模型的過程中，需要保持關(guān)鍵位置尺寸的準(zhǔn)確性，如軸孔同軸度、軸與裝配面垂直度等。同時，在建模的過程中也要考慮面片數(shù)據(jù)的合理性問題，在建模過程中發(fā)現(xiàn)部分特征貼合度相差較遠時，需要校核零件本身發(fā)生變形量。對單個零件完成建模后，利用Geomagic Design X 中的誤差檢測功能，檢查模型是否準(zhǔn)確，并查看模型的最大最小偏差[11]。模型經(jīng)坐標(biāo)對齊、分割、提取領(lǐng)域、建模和誤差校核后，殼體掃描偏差色圖如圖5、圖6 所示。

圖5 PTO 前殼體體偏差色圖

圖6 PTO 后殼體體偏差色圖

分析體偏差，建模誤差值如表2 所示。

表2 誤差分析表 mm

對于齒輪模型的建立，主要測量齒輪軸的長度、直徑以及齒輪相對于斷面的位置尺寸，對于齒輪的參數(shù)，主要通過游標(biāo)卡尺測量值和掃描數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，確定了齒頂圓直徑、齒數(shù)和模數(shù)等參數(shù)，進而建立齒輪與傳動軸模型。

2.2.3 模型裝配

在Geomagic Design 中完成模型的建立后，對建立的模型進行裝配。Geomagic Design X 設(shè)有與Solidworks、Creo（Pro/E）、NX、Inventor 等三維軟件的輸出接口，能將逆向建模的模型通過輸出接口輸出到這些三維軟件中，轉(zhuǎn)換成這些軟件的專用格式并進行裝配。裝配過程中可以微調(diào)模型以保證模型輸入、輸出軸孔位以及裝配孔位的同軸度以及結(jié)合面的擬合程度。本文將逆向建立的模型輸出至Solidworks 進行裝配，裝配效果如圖7 所示。

圖7 PTO 裝配圖

3 齒輪變位系數(shù)的選取

在利用手持式掃描儀獲取三維點云數(shù)據(jù)時，由于儀器掃描精度有限，某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精確尺寸數(shù)據(jù)無法獲取，需要根據(jù)具體情況確定具體的數(shù)值。

對PTO 的齒輪組而言，選擇恰當(dāng)?shù)凝X輪變位系數(shù)x，可以得到有利的漸開線區(qū)段，使齒輪傳動性能得到改善。應(yīng)用變位齒輪可以避免根切，提高齒面接觸強度和齒根彎曲強度，提高齒面的抗膠合能力和耐磨損性能。

變位系數(shù)不能直接測量，需要借助特殊的工具，再經(jīng)過一定的換算，獲取較為繁瑣，而且逆向得到的變位系數(shù)往往與實際的變位系數(shù)存在誤差，并不能應(yīng)用于實際當(dāng)中。因此，不需要對齒輪的變位系數(shù)進行逆向，可以根據(jù)已經(jīng)獲取的有關(guān)數(shù)據(jù)，通過查找機械設(shè)計手冊的方式，確定齒輪變位系數(shù)，通過該方式確定的齒輪變位系數(shù)更加符合實際的需要。

通過查閱機械設(shè)計手冊關(guān)于變位齒輪的相關(guān)內(nèi)容，利用由哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出的變位系數(shù)選擇圖[12]，根據(jù)測量得出齒輪中心距、齒數(shù)、模數(shù)，通過計算、查閱變位系數(shù)選擇圖得出各齒輪組的變位系數(shù)，以其中的一組齒輪為例，利用ROMAX 軟件，輸入相應(yīng)參數(shù)，如表3 所示，觀察齒輪變位前后對比，如圖8 所示，發(fā)現(xiàn)在改變變位系數(shù)后，齒輪的貼合更加緊密，減小了側(cè)隙，沒有產(chǎn)生干涉，提高了強度，改善了傳動質(zhì)量。

表3 齒輪傳動參數(shù)

圖8 齒輪變位前后對比圖

4 結(jié)論

提出了一種基于三維掃描儀、面片處理軟件和三維建模軟件的插秧機底盤PTO 逆建模方法，并對洋馬VP-6D 插秧機底盤PTO 進行了逆向建模，獲取了高精度PTO 數(shù)字模型，可為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)字樣機。

利用Geomagic Design X 中的誤差檢測功能對逆向模型進行了建模誤差檢測，檢測結(jié)果表明，上下殼體建模偏差平均值分別為1.056 5 mm 和1.032 5 mm。

利用ROMAX 軟件對不同齒輪變位系數(shù)對齒輪的貼合度、嚙合側(cè)隙和干涉的影響進行了優(yōu)化，確定了合理的齒輪傳動參數(shù)。