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(guó)第一大產(chǎn)業(yè)，國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的支持力度日益增強(qiáng)，并將加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化高質(zhì)量發(fā)展融入《中國(guó)制造2025》[1]。

PTO 是拖拉機(jī)與機(jī)具之間的動(dòng)力傳輸樞紐，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)拖拉機(jī)PTO 進(jìn)行了大量的研究，馮飛燕等運(yùn)用可靠性理論建立PTO 故障的故障樹(shù)，分析出影響PTO 可靠性的因素[2]；張華平等通過(guò)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(jì)方法[3]；張?bào)忝凡捎猛庵酶墒綒鈮耗Σ良夹g(shù)對(duì)灑水車上的PTO 進(jìn)行改進(jìn)，杜絕了行駛過(guò)程中啟動(dòng)曬水器時(shí)齒輪打齒的問(wèn)題[4]。

PTO 是插秧機(jī)將動(dòng)力傳至機(jī)具中必不可少的部件，PTO 性能對(duì)換擋平順性、株距穩(wěn)定性和動(dòng)力傳動(dòng)的可靠性等具有重要影響，但目前國(guó)內(nèi)對(duì)插秧機(jī)取力器的研究較少，因此開(kāi)展插秧機(jī)底盤(pán)取力器研究，對(duì)推動(dòng)插秧機(jī)研究，促進(jìn)水稻種植機(jī)械化具有重要意義。

虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種基于虛擬樣機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，可通過(guò)改變參數(shù)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)約產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和經(jīng)費(fèi)投入，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高質(zhì)量、快速和低成本設(shè)計(jì)[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(jì)方法，利用三維掃描儀及三維建模軟件Geomagic Design X 對(duì)PTO 進(jìn)行逆向建模，闡述了在逆向建模過(guò)程中有關(guān)模型點(diǎn)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(wèn)題。

1 插秧機(jī)PTO結(jié)構(gòu)與工作原理

在實(shí)現(xiàn)車輛行駛運(yùn)輸?shù)然竟δ艿幕A(chǔ)上，通過(guò)從發(fā)動(dòng)機(jī)或傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞過(guò)程中取出部分動(dòng)力輸出，用于驅(qū)動(dòng)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(jī)、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(jī)具提供動(dòng)力源。

目前我國(guó)生產(chǎn)的PTO 主要應(yīng)用于自卸車，實(shí)現(xiàn)功能較為單一，結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單，但在歐美、日本等國(guó)家的特種車輛以及拖拉機(jī)對(duì)PTO 的要求較高，如結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)換擋離合，功能上實(shí)現(xiàn)多端口輸出等。因此，本文利用逆向工程技術(shù)對(duì)洋馬VP-6D 插秧機(jī)底盤(pán)搭配的PTO 進(jìn)行逆向研究及建模，通過(guò)對(duì)其傳動(dòng)路線以及結(jié)構(gòu)的研究，分析該P(yáng)TO 的性能、結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)PTO 提供數(shù)字三維模型以及理論借鑒。

插秧機(jī)底盤(pán)PTO 的機(jī)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(shí)，插秧機(jī)從變速箱分配部分動(dòng)力至取力器，由輸入軸輸入至PTO 中，撥叉撥動(dòng)中間軸和輸出軸上的齒輪變換擋位，同時(shí)通過(guò)離合裝置控制PTO 與機(jī)具傳動(dòng)通斷，根據(jù)水稻插秧農(nóng)藝要求，為插秧機(jī)工作裝置提供動(dòng)力和合適的傳動(dòng)比。

圖1 PTO 傳動(dòng)示意圖

PTO 內(nèi)部設(shè)有撥叉換擋機(jī)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(gè)擋位，各擋位的傳動(dòng)比以及對(duì)應(yīng)的插秧株距如表1 所示。

表1 PTO各擋位對(duì)應(yīng)傳動(dòng)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(jìn)行掃描及點(diǎn)云獲取，如圖2所示，掃描體積精度為0.02 mm+0.06 mm/m，測(cè)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先對(duì)擬掃描零件進(jìn)行清潔，去除表面污垢，待零件清理干凈后對(duì)零件進(jìn)行噴粉處理，以便提高掃描精度。

利用標(biāo)簽貼點(diǎn)可以使掃描儀對(duì)區(qū)域的連通性得到提高，使點(diǎn)云數(shù)據(jù)更加完整。調(diào)節(jié)掃描儀器的參數(shù)后進(jìn)行掃描。在掃描的過(guò)程中，從不同的方位對(duì)零件進(jìn)行細(xì)節(jié)掃描，對(duì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，點(diǎn)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(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除無(wú)關(guān)掃描數(shù)據(jù)、減少噪聲點(diǎn)、合并、簡(jiǎn)化、對(duì)齊等步驟[9]。在本文中主要是通過(guò)利用Geomagic Studio 軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)、簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)、對(duì)齊以及封裝。刪除掃描數(shù)據(jù)主要是對(duì)掃描背景的刪除，先刪除面積大的無(wú)用掃描數(shù)據(jù)。減少噪聲點(diǎn)則是利用體外孤點(diǎn)和非連接項(xiàng)進(jìn)行掃描數(shù)據(jù)的刪除，刪除噪點(diǎn)后殼體點(diǎn)云如圖3 所示。

Noble算法丟失的角點(diǎn)不會(huì)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(diǎn)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(duì)應(yīng)于漸變顏色區(qū)域。

圖3 處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，可減少數(shù)據(jù)內(nèi)存，方便軟件運(yùn)行流暢。對(duì)齊主要是對(duì)從內(nèi)和從外2 邊的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接形成完整的掃描數(shù)據(jù)，在對(duì)齊的過(guò)程中通過(guò)不斷嘗試使用全局對(duì)齊的命令使系統(tǒng)計(jì)算的誤差小于0.05 mm。對(duì)齊后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖4 所示，最后則是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，將點(diǎn)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(duì)齊后點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2 PTO模型建立與裝配

2.2.1 坐標(biāo)對(duì)齊

將處理完的面片數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Design X軟件中進(jìn)行建模，對(duì)于剛導(dǎo)入的數(shù)據(jù)需要對(duì)面片數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)對(duì)齊。通過(guò)利用軟件中“領(lǐng)域”的“自動(dòng)分割”命令對(duì)面片數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)輸出軸軸心與XOY 平面的交點(diǎn)為原點(diǎn)[10]。如此可以建立方便建模的坐標(biāo)系，同時(shí)考慮到后期與其他的零件裝配的問(wèn)題，在選取坐標(biāo)原點(diǎn)的同時(shí)盡量和前一個(gè)的原點(diǎn)定位相同。

2.2.2 模型構(gòu)建

對(duì)齊坐標(biāo)后，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)，通過(guò)拉伸切除等命令建立主體部分，再進(jìn)行細(xì)節(jié)調(diào)整，如螺栓螺母的位置。在建立模型的過(guò)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(shí)，在建模的過(guò)程中也要考慮面片數(shù)據(jù)的合理性問(wèn)題，在建模過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分特征貼合度相差較遠(yuǎn)時(shí)，需要校核零件本身發(fā)生變形量。對(duì)單個(gè)零件完成建模后，利用Geomagic Design X 中的誤差檢測(cè)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(duì)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(duì)于齒輪模型的建立，主要測(cè)量齒輪軸的長(zhǎng)度、直徑以及齒輪相對(duì)于斷面的位置尺寸，對(duì)于齒輪的參數(shù)，主要通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)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(jìn)而建立齒輪與傳動(dòng)軸模型。

2.2.3 模型裝配

在Geomagic Design 中完成模型的建立后，對(duì)建立的模型進(jìn)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(guò)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(jìn)行裝配。裝配過(guò)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(jìn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，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(wú)法獲取，需要根據(jù)具體情況確定具體的數(shù)值。

對(duì)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(kāi)線區(qū)段，使齒輪傳動(dòng)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(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)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(cè)量，需要借助特殊的工具，再經(jīng)過(guò)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(shí)際的變位系數(shù)存在誤差，并不能應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中。因此，不需要對(duì)齒輪的變位系數(shù)進(jìn)行逆向，可以根據(jù)已經(jīng)獲取的有關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)查找機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的方式，確定齒輪變位系數(shù)，通過(guò)該方式確定的齒輪變位系數(shù)更加符合實(shí)際的需要。

通過(guò)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)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(cè)量得出齒輪中心距、齒數(shù)、模數(shù)，通過(guò)計(jì)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(duì)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(méi)有產(chǎn)生干涉，提高了強(qiáng)度，改善了傳動(dòng)質(zhì)量。

表3 齒輪傳動(dòng)參數(shù)

圖8 齒輪變位前后對(duì)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(jī)底盤(pán)PTO 逆建模方法，并對(duì)洋馬VP-6D 插秧機(jī)底盤(pán)PTO 進(jìn)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(jì)提供數(shù)字樣機(jī)。

利用Geomagic Design X 中的誤差檢測(cè)功能對(duì)逆向模型進(jìn)行了建模誤差檢測(cè)，檢測(cè)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(duì)不同齒輪變位系數(shù)對(duì)齒輪的貼合度、嚙合側(cè)隙和干涉的影響進(jìn)行了優(yōu)化，確定了合理的齒輪傳動(dòng)參數(shù)。