洋马VP-6D插秧机底盘 PTO逆向建模与分析

何剑飞，李贵蓉，郭梓游，曾志浩，钟文能，杨文武

（华南农业大学工程学院，广东 广州 510642)

0 引言

农业是我国第一大产业，国家对农业机械化发展的支持力度日益增强，并将加快推进农业机械化高质量发展融入《中国制造2025》[1]。

PTO 是拖拉机与机具之间的动力传输枢纽，国内外学者对拖拉机PTO 进行了大量的研究，冯飞燕等运用可靠性理论建立PTO 故障的故障树，分析出影响PTO 可靠性的因素[2]；张华平等通过功率匹配和速比选择探究出了一种专用于消防车的PTO 设计方法[3]；张筱梅采用外置干式气压摩擦技术对洒水车上的PTO 进行改进，杜绝了行驶过程中启动晒水器时齿轮打齿的问题[4]。

PTO 是插秧机将动力传至机具中必不可少的部件，PTO 性能对换挡平顺性、株距稳定性和动力传动的可靠性等具有重要影响，但目前国内对插秧机取力器的研究较少，因此开展插秧机底盘取力器研究，对推动插秧机研究，促进水稻种植机械化具有重要意义。

虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，可通过改变参数和优化设计，节约产品开发周期和经费投入，实现产品高质量、快速和低成本设计[5-6]。因此，本文介绍一种关于基于逆向工程技术的PTO 设计方法，利用三维扫描仪及三维建模软件Geomagic Design X 对PTO 进行逆向建模，阐述了在逆向建模过程中有关模型点云数据的获取与处理、模型的建立与误差分析、格式的转换以及装配等问题。

1 插秧机PTO结构与工作原理

在实现车辆行驶运输等基本功能的基础上，通过从发动机或传动系统的动力传递过程中取出部分动力输出，用于驱动其他专用设备的装置称之为取力器[7]。取力器主要搭配在农用拖拉机、大功率重型自卸车、特种车辆以及环卫车辆上，可为搭配的作业机具提供动力源。

目前我国生产的PTO 主要应用于自卸车，实现功能较为单一，结构也较为简单，但在欧美、日本等国家的特种车辆以及拖拉机对PTO 的要求较高，如结构上设计换挡离合，功能上实现多端口输出等。因此，本文利用逆向工程技术对洋马VP-6D 插秧机底盘搭配的PTO 进行逆向研究及建模，通过对其传动路线以及结构的研究，分析该PTO 的性能、结构和技术特点，为后续优化设计PTO 提供数字三维模型以及理论借鉴。

插秧机底盘PTO 的机械结构原理如图1 所示，主要分为壳体、输入轴、中间轴、输出轴以及各挡位齿轮。插秧作业时，插秧机从变速箱分配部分动力至取力器，由输入轴输入至PTO 中，拨叉拨动中间轴和输出轴上的齿轮变换挡位，同时通过离合装置控制PTO 与机具传动通断，根据水稻插秧农艺要求，为插秧机工作装置提供动力和合适的传动比。

图1 PTO 传动示意图

PTO 内部设有拨叉换挡机构，为了满足不同的输出扭矩和株距要求，PTO 共设有6个挡位，各挡位的传动比以及对应的插秧株距如表1 所示。

表1 PTO各挡位对应传动比与株距

2 PTO逆向建模

2.1 扫描数据获取及处理

本文采用CREAFORM 手持式HandySCAN 3D SILVER 型三维扫描仪进行扫描及点云获取，如图2所示，扫描体积精度为0.02 mm+0.06 mm/m，测量分辨率为0.05 mm，网格分辨率为0.2 mm。

图2 HandySCAN 3D SILVER 系列三维扫描仪

为了获取高精度点云数据，首先对拟扫描零件进行清洁，去除表面污垢，待零件清理干净后对零件进行喷粉处理，以便提高扫描精度。

利用标签贴点可以使扫描仪对区域的连通性得到提高，使点云数据更加完整。调节扫描仪器的参数后进行扫描。在扫描的过程中，从不同的方位对零件进行细节扫描，对于部分扫描不清晰的零件可以采用细节扫描按钮，获取更加完整的扫描数据。获取数据后需要对数据进行预处理，点云数据预处理是逆向工程中的关键环节，其结果将直接影响到后期模型重构的质量[8]。因此需要在逆向建模之前对原始点云数据进行删除无关扫描数据、减少噪声点、合并、简化、对齐等步骤[9]。在本文中主要是通过利用Geomagic Studio 软件对点云数据进行预处理，主要采取的步骤有删除扫描数据、减少噪声点、简化数据、对齐以及封装。删除扫描数据主要是对扫描背景的删除，先删除面积大的无用扫描数据。减少噪声点则是利用体外孤点和非连接项进行扫描数据的删除，删除噪点后壳体点云如图3 所示。

Noble算法丢失的角点不会在梯度曲线图和曲率图中显示出较高的值,SUSAN算法丢失的角点主要集中在非均匀平坦的地区,这是典型的农业用地和屋顶斜坡。后一种情况对应于渐变颜色区域。

图3 处理后的点云数据

然后对数据进行简化，可减少数据内存，方便软件运行流畅。对齐主要是对从内和从外2 边的扫描数据进行拼接形成完整的扫描数据，在对齐的过程中通过不断尝试使用全局对齐的命令使系统计算的误差小于0.05 mm。对齐后的点云数据如图4 所示，最后则是对数据进行封装，将点云数据转化成面片数据，方便后续的建模。

图4 对齐后点云数据

2.2 PTO模型建立与装配

2.2.1 坐标对齐

将处理完的面片数据导入到Geomagic Design X软件中进行建模，对于刚导入的数据需要对面片数据进行坐标对齐。通过利用软件中“领域”的“自动分割”命令对面片数据进行分割，设置的参数敏感度为65%，光滑度选取最大值。再利用“模型”中提取领域的功能建立装配面的平面，将该平面定义为XOY 平面，选取零件垂直XOY 平面的输出轴作为z 轴，通过输出轴轴心与XOY 平面的交点为原点[10]。如此可以建立方便建模的坐标系，同时考虑到后期与其他的零件装配的问题，在选取坐标原点的同时尽量和前一个的原点定位相同。

2.2.2 模型构建

对齐坐标后，根据零件结构，通过拉伸切除等命令建立主体部分，再进行细节调整，如螺栓螺母的位置。在建立模型的过程中，需要保持关键位置尺寸的准确性，如轴孔同轴度、轴与装配面垂直度等。同时，在建模的过程中也要考虑面片数据的合理性问题，在建模过程中发现部分特征贴合度相差较远时，需要校核零件本身发生变形量。对单个零件完成建模后，利用Geomagic Design X 中的误差检测功能，检查模型是否准确，并查看模型的最大最小偏差[11]。模型经坐标对齐、分割、提取领域、建模和误差校核后，壳体扫描偏差色图如图5、图6 所示。

图5 PTO 前壳体体偏差色图

图6 PTO 后壳体体偏差色图

分析体偏差，建模误差值如表2 所示。

表2 误差分析表 mm

对于齿轮模型的建立，主要测量齿轮轴的长度、直径以及齿轮相对于断面的位置尺寸，对于齿轮的参数，主要通过游标卡尺测量值和扫描数据相结合的方式，确定了齿顶圆直径、齿数和模数等参数，进而建立齿轮与传动轴模型。

2.2.3 模型装配

在Geomagic Design 中完成模型的建立后，对建立的模型进行装配。Geomagic Design X 设有与Solidworks、Creo（Pro/E）、NX、Inventor 等三维软件的输出接口，能将逆向建模的模型通过输出接口输出到这些三维软件中，转换成这些软件的专用格式并进行装配。装配过程中可以微调模型以保证模型输入、输出轴孔位以及装配孔位的同轴度以及结合面的拟合程度。本文将逆向建立的模型输出至Solidworks 进行装配，装配效果如图7 所示。

图7 PTO 装配图

3 齿轮变位系数的选取

在利用手持式扫描仪获取三维点云数据时，由于仪器扫描精度有限，某些复杂结构的精确尺寸数据无法获取，需要根据具体情况确定具体的数值。

对PTO 的齿轮组而言，选择恰当的齿轮变位系数x，可以得到有利的渐开线区段，使齿轮传动性能得到改善。应用变位齿轮可以避免根切，提高齿面接触强度和齿根弯曲强度，提高齿面的抗胶合能力和耐磨损性能。

变位系数不能直接测量，需要借助特殊的工具，再经过一定的换算，获取较为繁琐，而且逆向得到的变位系数往往与实际的变位系数存在误差，并不能应用于实际当中。因此，不需要对齿轮的变位系数进行逆向，可以根据已经获取的有关数据，通过查找机械设计手册的方式，确定齿轮变位系数，通过该方式确定的齿轮变位系数更加符合实际的需要。

通过查阅机械设计手册关于变位齿轮的相关内容，利用由哈尔滨工业大学提出的变位系数选择图[12]，根据测量得出齿轮中心距、齿数、模数，通过计算、查阅变位系数选择图得出各齿轮组的变位系数，以其中的一组齿轮为例，利用ROMAX 软件，输入相应参数，如表3 所示，观察齿轮变位前后对比，如图8 所示，发现在改变变位系数后，齿轮的贴合更加紧密，减小了侧隙，没有产生干涉，提高了强度，改善了传动质量。

表3 齿轮传动参数

图8 齿轮变位前后对比图

4 结论

提出了一种基于三维扫描仪、面片处理软件和三维建模软件的插秧机底盘PTO 逆建模方法，并对洋马VP-6D 插秧机底盘PTO 进行了逆向建模，获取了高精度PTO 数字模型，可为后续优化设计提供数字样机。

利用Geomagic Design X 中的误差检测功能对逆向模型进行了建模误差检测，检测结果表明，上下壳体建模偏差平均值分别为1.056 5 mm 和1.032 5 mm。

利用ROMAX 软件对不同齿轮变位系数对齿轮的贴合度、啮合侧隙和干涉的影响进行了优化，确定了合理的齿轮传动参数。