基于三维扫描的水平式采棉机采摘头结构分析

高广娣,魏敏,张立新,龚宪生,葛云,曾海峰

(1.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子　832003；2.重庆大学机械工程学院，重庆　400044)



基于三维扫描的水平式采棉机采摘头结构分析

高广娣1,魏敏1,张立新1,龚宪生2,葛云1,曾海峰1

(1.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子832003；2.重庆大学机械工程学院，重庆400044)

【目的】 为解决采棉机采棉头核心部件摘锭易磨损、易折断，与进口摘锭性能相差较大的工程实际问题.【方法】 选取迪尔公司摘锭作为研究对象，利用三维扫描反求工程进行进口摘锭的原型重构，经扫描得到进口摘锭原始点云数据后，利用Geomagic软件对数据进行处理并利用Geomagic Qualify进行产品质量分析.【结果】 国产摘锭和进口摘锭在钩齿、端部及锥齿轮部位存在较大的尺寸偏差，其中，进口摘锭锥齿轮齿根厚度大、全齿高较高；国产摘锭整体长度较进口摘锭约长1.8 mm，从而在其端部产生较大的挠度、在根部产生较大弯矩.【结论】 理论分析与数值结果为国产摘锭优化设计提供了新的思路和方向，可以有效促进高性能摘锭国产化.

水平摘锭式采棉机；采摘头；三维扫描；结构分析

棉花是新疆的支柱产业之一，根据《新疆维吾尔自治区农牧业现代化建设规划纲要(2011～2020年)》，2015年新疆棉花产量达300万t，2020年将达到350万t[1-2].新疆正在大力发展棉花精量播种[3]及机械化采棉技术.棉花的机械化采收可大大降低植棉成本、减轻劳动强度，提高棉农的植棉积极性[4].目前，国内市场上采棉机主流产品主要有美国迪尔公司、凯斯公司和贵航集团生产的水平摘锭式采棉机[5].摘锭是采棉机的核心部件之一，其在高速旋转的过程中通过钩齿将棉铃中的棉花钩住并缠绕在摘锭表面，之后进行脱棉、洗刷，采摘效果较好.但国产摘锭存在磨损快、易折断、寿命短的缺陷，摘锭主要依赖于进口，从而导致整机成本大大增加[6].高性能摘锭国产化势在必行.为此，很多学者从采棉机的采摘工作原理、摘锭的结构设计、材料的选择、力学分析及建模等方面展开研究，为采棉机采摘系统的结构及优化设计提供理论参考[7-10].三维扫描技术采用目前国际上最先进的激光非接触照相测量原理，可实现全自动拼接，具有高效率、高精度、高寿命、高解析度等优点，特别适用于复杂自由曲面逆向建模，作为一种先进的设计手段已被广泛应用产品研发设计、逆向工程及三维检测等工业设计中.

本文主要采用三维扫描技术研究国产摘锭采摘头与进口摘锭采摘头间的结构及尺寸差异，以期为实现高性能摘锭国产化奠定理论基础.

1　采摘头模型构建

1.1进口摘锭点云数据获取

本文借助VisenTOP扫描仪对迪尔公司摘锭采摘头结构进行逆向设计，利用三维扫描多幅面点云拼接无累计误差和分层特点，很大程度上保持进口摘锭采摘头的原有结构及尺寸.

为获取更为精确的扫描数据，扫描前对迪尔公司产摘锭喷涂反差增强剂处理，并随机选取若干标定面用标定点标记，如图1所示.

扫描间隔设置为1 mm，可获得一系列采摘头标记面的点云数据，将数据导入Geomagic studio中进行处理，构建摘锭模型，如图2所示.

图1　迪尔公司待扫描摘锭Fig.1　Ingot of Deer to be scanned

图2　迪尔摘锭实体模型重构Fig.2　Restructured model for ingot of Deer

1.2国产采摘头三维实体模型构建

国产摘锭根据二维图纸采用Solidworks软件建立其三维实体模型，如图3所示.

图3　国产摘锭三维实体模型Fig.3　Three-dimensional model of domestic ingot

2　产品质量分析

在Geomagic Qualify中导入进口摘锭点云数据并进行减少噪音、着色、按距离过滤及填充孔等处理优化，设置点云文件为“TEST”.导入国产摘锭三维实体模型并设置为“REF”，将点云与三维模型进行最佳拟合对齐，如图4所示为2种摘锭比对分析结果，其中数据点位584 284个，体外孤点3 073个，图形右侧为对齐时的偏差值.

图5所示为偏差分布情况，可见采用三维扫描及产品对比进行偏差分析符合正态分布规律.产品分析的偏差情况如表1所示.

图4　点云与三维模型的比对Fig.4　Comparison between point cloud and three dimensional model

图5　偏差分布Fig.5　Distribution of deviation表1　产品分析基本信息Tab.1　Basic information of product analysis

公差类型3D偏差/mm最大临界值6.4974最小临界值-6.4974最大名义值0.3249最小名义值-0.3249最大上偏差6.4974最小上偏差-6.3557平均偏差0.7199/-0.7867标准偏差1.0130

图6自上而下分别为主视图、右视图及俯视图的比对情况.由以上图表可知，国产摘锭和进口摘锭在钩齿、端部及锥齿轮部位间存在较大的尺寸偏差.文献[10]中，针对摘锭失效形式构建了钩齿角度为55°、60°、65°、70°和摘锭直径为12、14 mm的正交组合三维模型并进行有限元分析，最终确定了摘锭合理的参数组合：钩齿数12个，斜度45°，导向槽深度0.5 mm，钩齿角度75°，直径12 mm.

图6　各视图对比Fig.6　Comparison of different views

3　结构分析

3.1锥齿轮部分

摘锭锥齿轮在采棉机中主要起传递动力和运动的作用，摘锭实际工作过程中，锥齿轮部分的失效形式主要有齿面磨损、轮齿折断、点蚀及胶合，锥齿轮的材料、结构尺寸及热处理方式等决定了其工作能力.根据文献[11]所介绍的测量锥齿轮参数的方法，多次测量求取平均值获得国产摘锭锥齿轮及进口摘锭锥齿轮的关键参数，如表2所示.其中压力角的测量及计算采用滚印法，如图7所示.

表2　国产摘锭与进口摘锭参数表Tab.2　Parameter table of domestic ingot and imported ingot

对比表2中的各参数可知，国产摘锭锥齿轮与进口摘锭锥齿轮采用的大端模数及压力角相同，因传动比要求，与其啮合的锥齿轮齿数应相同，故而分锥角相等.此外，进口摘锭锥齿轮的整体外廓尺寸较小、齿顶厚度小、齿根厚度大、全齿高较高，两轮轮齿齿形简化模型如图8所示，在材料及加工工艺相同的情况下，进口摘锭轮齿齿根强度高，抗弯能力强，力学特性好，此种齿形可通过正变位加工方法加工获得.

3.2摘锭头部

从产品分析报告可以看出，国产摘锭与进口摘锭的头部存在较大尺寸差异.建立拍照标尺，获取两组摘锭图片，利用Digimizer 测量软件对摘锭图像进行测量，如图9所示，测得国产摘锭与进口摘锭长度差值AB=1.80 mm.

图7　滚印法测量压力角Fig.7　Measurement of pressure angle by roll printing method

国产摘锭锥齿轮轮齿(左)，进口摘锭锥齿轮轮齿(右). 图8　齿轮齿形简化模型Fig.8　Simplified model of gear tooth profile

图9　摘锭长度差值测量Fig.9　Measurement of the different length of the ingots

采棉机中摘锭的一端通过防尘套、耐磨铜套及固定座等固定在机架上，另一端处于自由状态，为了便于计算，忽略摘锭杆身的钩齿、倒槽等结构，将摘锭视为一圆锥形悬臂梁进行研究，其摘锭的简化模型如图10所示[12].假设摘锭与脱棉盘接触部位受到的力为均布载荷，在任意时刻摘锭受力情况如图11所示.

图10　摘锭的简化模型Fig.10　Simplified model of ingot

图11　摘锭的受力分析Fig.11　Force analysis of ingot

可见，摘锭简化后等同于悬臂梁，当相同的力作用在摘锭上时，最大挠度将发生在摘锭上离固定端最远处的A点，最大弯矩则发生在固定端D点处，且长度越长最大挠度及最大弯矩越大.国产摘锭长度较进口摘锭整体长度长1.8 mm，将在其端部产生更大的挠度、在摘锭根部产生更大弯矩，从而影响其性能.

4　结论

通过三维扫描技术的反求功能，实现了进口摘锭的模型重构并结合Geomagic Qualify和Solidworks软件实现了国产摘锭与进口摘锭的比对.通过产品质量分析可知，国产摘锭在钩齿、锥齿轮及端部存在影响其性能的尺寸偏差.未来可通过三维扫描技术重构的进口摘锭模型优化国产摘锭结构及几何尺寸，从而提高其性能，在结构相同的情况下，若性能仍有差距，则可以考虑加工工艺、热处理及材料方面等优化方向.

[1]杨东.全国产棉区推广使用采棉机还有多远[EB/OL].[2011-06-28]http://www.chinanews.com/cj/2011/06-28/3142703.shtml

[2]新疆兵团今年棉花机械采收面积达350万亩[EB/OL].[2011-09-15].http://www.chinanews.com/df/2011/09-15/3330918.shtml

[3] 卢勇涛，李亚雄，陈学庚.气吸式棉花精量穴播器的设计与试验[J].甘肃农业大学学报，2012，47(3):129-133

[4]张有强，马少辉，丁旺才.采棉机摘锭采摘过程的动力学分析[J].农业工程学报，2012，28(13)：54-58

[5]翟超，周亚立，赵岩,等.水平摘锭式采棉机的研究现状及发展趋势[J]，农业机械，2011(25)：91-92

[6]周扬理，孙文磊，罗小磊.水平式采棉机采摘摘锭新结构及参数优化[J]，机械工程与自动化，2012(1)：10-12

[7]毕新胜，王维新，武传宇，等.采棉机水平摘锭的工作原理及采摘力学分析[J].石河子大学学报，2007，25(6)：786-789

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[9]边金英，吴疆.基于Pro /E的采棉机水平摘锭的三维建模[J].农机化研究，2009(1):146-148

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[11]熊娟，甘宁.测量直齿圆锥齿轮的基本参数[J].实用测试技术，2002(5)：28-30，34

[12]张有强，马彦，周岭.采棉机摘锭的采摘力学分析及仿真[J].塔里木大学学报，2012，24(2):31-36

(责任编辑李辛)

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

高广娣(1981-)，女，副教授，硕士，主要从事机械设计及其理论方面的教学和研究.E-mail：ggd1981@shzu.edu.cn

石河子大学重大科技攻关项目(gxjs2011-zdgg06).

2015-05-13；

2016-03-14

S 225.91+1

A

1003-4315(2016)04-0150-04