CN103321273A - 一种松土器齿尖、推土机及松土器齿尖模型生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种松土器齿尖，包括齿尖本体，所述齿尖本体的两侧具有削平面，所述齿尖本体上开设有贯通两个所述削平面的安装孔，所述齿尖本体为仿鸡爪爪尖结构。本发明提供的松土器齿尖，针对现有齿尖设计的不足，通过鸡爪爪尖仿生，提取鸡爪爪尖的曲面特征，并将此特征应用到齿尖设计中，从而设计出一种新型的齿尖结构。本发明能大大地改善目前松土器齿尖磨损快，使用寿命短的缺点，同时又能改善齿尖的受力情况，提高作业效率，降低作业成本。本发明还公开了一种具有上述松土器齿尖的推土机，本发明还公开了一种松土器齿尖模型生成方法。

Description

一种松土器齿尖、推土机及松土器齿尖模型生成方法

技术领域

本发明涉及推土机技术领域，更具体地说，涉及一种松土器齿尖、推土机及松土器齿尖模型生成方法。

背景技术

松土器是履带式推土机的一种主要附属工作装置，通常悬挂在推土机车架的尾部。如图1所示，松土齿由齿杆1、固定销、齿尖3及护板2组成。齿尖3和护板2通过固定销安装于齿杆1上，用以保护齿杆1，防止齿杆1剧烈磨损，延长齿杆1的使用寿命。松土齿的齿尖和护板是直接松土和裂土的零件，松土器的齿尖受力较大，磨损较快、使用寿命短，需经常更换。

因此，如何减少应力集中，提高耐磨性，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种松土器齿尖，以减少应力集中，提高耐磨性；

本发明的再一目的在于提供一种推土机及松土器齿尖模型生成方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种松土器齿尖，包括齿尖本体，所述齿尖本体的两侧具有削平面，所述齿尖本体上开设有贯通两个所述削平面的安装孔，所述齿尖本体为仿鸡爪爪尖结构。

优选地，在上述松土器齿尖中，所述齿尖本体的齿尖顶端为球面结构。

一种推土机，包括松土器，所述松土器包括松土器齿尖，所述松土器齿尖为如上所述的松土器齿尖。

一种松土器齿尖模型生成方法，包括步骤：

1）通过三维扫描仪对鸡爪爪尖进行扫描得到鸡爪爪尖的点云数据；

2）通过Imageware软件对点云数据点进行处理；

3）对处理完的点云数据做NURBS曲面插值生成鸡爪爪尖模型；

4）对鸡爪爪尖模型按照松土器齿尖的安装结构进行调整，得到松土器齿尖模型。

优选地，在上述松土器齿尖模型生成方法中，所述鸡爪爪尖模型为CAD模型。

优选地，在上述松土器齿尖模型生成方法中，对鸡爪爪尖模型按照松土器齿尖的安装结构进行调整包括：

在所述鸡爪爪尖模型的两侧切削出两个削平面；

在所述鸡爪爪尖模型上开设贯通两个所述削平面的安装孔。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的松土器齿尖，针对现有齿尖设计的不足，通过鸡爪爪尖仿生，提取鸡爪爪尖的曲面特征，并将此特征应用到齿尖设计中，从而设计出一种新型的齿尖结构。本发明能大大地改善目前松土器齿尖磨损快，使用寿命短的缺点，同时又能改善齿尖的受力情况，提高作业效率，降低作业成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为现有技术中的松土器的爆炸图；

图2为本发明实施例提供的松土器齿尖模型生成方法的流程图。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种松土器齿尖，以减少应力集中，提高耐磨性；

本发明的再一核心在于提供一种推土机及松土器齿尖模型生成方法。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的松土器齿尖，包括齿尖本体，齿尖本体的两侧具有削平面，齿尖本体上开设有贯通两个所述削平面的安装孔，其中，所述齿尖本体为仿鸡爪爪尖结构，即齿尖本体的上下表面为仿鸡爪爪尖结构曲面，两侧为削平的削平面，以方便安装。

本发明提供的松土器齿尖，针对现有齿尖设计的不足，通过鸡爪爪尖仿生，提取鸡爪爪尖的曲面特征，并将此特征应用到齿尖设计中，从而设计出一种新型的齿尖结构。本发明能大大地改善目前松土器齿尖磨损快，使用寿命短的缺点，同时又能改善齿尖的受力情况，提高作业效率，降低作业成本。

在本发明一具体实施例中，所述齿尖本体的齿尖顶端为球面结构，即齿尖本体采用了鸡爪爪尖顶端的圆钝形状，以及上下表面的圆锥楔形结构。

本发明实施例提供的推土机，包括松土器，所述松土器包括松土器齿尖，其中，所述松土器齿尖为如上实施例公开的松土器齿尖。由于采用了上述松土器齿尖，因此兼具上述松土器齿尖的所有技术效果，本文在此不再赘述。

请参阅图2，图2为本发明实施例提供的松土器齿尖模型生成方法的流程图。

本发明实施例公开的松土器齿尖模型生成方法，包括：

步骤S101：对鸡爪爪尖进行扫描；

具体可通过三维扫描仪对鸡爪爪尖进行扫描得到鸡爪爪尖的点云数据。三维扫描仪是一种科学仪器，用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状（几何构造）与外观数据（如颜色、表面反照率等性质）。搜集到的数据常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。

步骤S102：对点云数据点进行处理；

通过Imageware软件对点云数据点进行处理，Imageware软件因其强大的点云处理能力、曲面编辑能力和A级曲面的构建能力而被广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。

步骤S103：生成鸡爪爪尖模型；

对处理完的点云数据做NURBS曲面插值生成鸡爪爪尖模型，鸡爪爪尖模型优选为CAD模型。NURBS是一种非常优秀的建模方式，在高级三维软件当中都支持这种建模方式。NURBS能够比传统的网格建模方式更好地控制物体表面的曲线度，从而能够创建出更逼真、生动的造型。

步骤S104：得到松土器齿尖模型；

对鸡爪爪尖模型按照松土器齿尖的安装结构进行调整，得到松土器齿尖模型。由于鸡爪爪尖模型无法安装到推土机上，因此还需要对鸡爪爪尖模型进行调整和修改，以方便稳定的安装在推土机上。

其中，对鸡爪爪尖模型按照松土器齿尖的安装结构进行调整包括以下步骤：

在鸡爪爪尖模型的两侧切削出两个削平面，以方便护板的夹持；

在鸡爪爪尖模型上开设贯通两个所述削平面的安装孔。

本发明采用外形仿生的设计方法设计一种基于鸡爪爪尖外形仿生的松土器齿尖结构。

外形仿生是一种最常见的设计方法，在新材料和建筑的设计中屡见不鲜。外形仿生的原理同样也可以用于机械设计，自然界中的某些动物在长期的土壤环境生活的进化过程中，不仅具备了优良的挖掘功能，而且在形状上也与弯曲形深松部件极为类似，这为改进深松部件的几何形状乃至优化其在切削过程中的力学性能提供了很好的仿生研究基础。

鸡爪具有很强的挖掘本领，研究人员发现鸡爪爪尖是一面为楔面的圆锥楔形，爪尖顶端圆钝，这种结构有利于降粘降阻，楔面能分散土壤压力，减少触土面积，从而降低土壤阻力。由力学知识，楔形顶端的几何形状对其前部附近的土壤应力分布有着明显的影响，楔角越小越易产生应力集中，越不耐磨，当楔形端部形状为接近土体形状的圆钝状时，易于脱土，很显然鸡爪爪尖是遵循上述原理。一方面减少应力集中，提高耐磨性，另一方面在保证楔入力尽量大的条件下，使顶端的过度圆角增大，改善端部的土壤应力分布，减少土壤粘附。

逆向工程是将实物模型转化为数字几何模型，用于产品制造的手段。近年来，随着逆向工程的迅速发展，它日益成为各国吸收外界先进技术的方法。设计者为了吸收现有的先进技术，常常在己有产品模型的基础上进行再设计。因此，逆向工程在许多相关领域得到了广泛的应用，在我国也得到了广泛的重视，并应用于许多工程领域。逆向工程主要包括数据测量、数据处理、曲面重构三大关键技术。

本发明的具体方案其实是鸡爪爪尖的逆向工程，即先将鸡爪爪尖转化为CAD模型，以及在此基础上对鸡爪爪尖的CAD模型进行修改、再设计，使之适应生产安装的需要的过程。

步骤S103中，NURBS曲线的插值：由于测量得到的点云数据是曲线上的型值点，而不是曲线控制多边形的控制顶点，因而要根据曲线上已有的数据点来反算出曲线的控制点，该过程称为曲线的反算，所求出的曲线是插值曲线。通过n+1个型值点Qk，k=0，1，2…n，的p次NURBS曲线方程可表达为：

$\begin{array}{cc}P\left(u\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i{R}_{i,p}\left(u\right)& u\∈\left(\mathrm{0,1}\right)\end{array}---\left(1.1\right)$

其中 $R_{i,p}\left(u\right)=\frac{w_i{N}_{i,p}\left(u\right)}{\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j{N}_{j,p}\left(u\right)}$

w为权因子，

N_i,p(u)为B样条基函数

u_k为型值点Qk对应参数

U=[u₀,u₁,…,u_n+p+1]节点矢量

将型值点Qk对应参数u_k，依次代入式（1.1），应满足插值条件：

$\begin{array}{cc}{Q}_k=P\left(\stackrel{\‾}{u_k}\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i{R}_{i,p}\left(\stackrel{\‾}{u_k}\right)& k=\mathrm{0,1,2}\·\·\·n\end{array}---\left(1.2\right)$

将（1.2）式改写成矩阵形式就是：

上式中系数矩阵的元素即为B样条基函数在参数u_k处的取值，其值由节点矢量U=[u₀,u₁,…,u_n+p+1]（其中u∈[0，1]）和曲线参数u决定。为此，欲由式(1.3)求出控制点矢量，需对型值点进行参数化，进而确定型值点对应参数及节点矢量U。

所谓参数化就是指对于一组有序数据点决定一个参数分割。即对参数的求取。积累弦长参数化法：参数点间的差值与型值点间的距离成正比。由式（1.4）求出

$\left\{\begin{array}{c}{u}_0=0\\ u_k=u_{k-1}+\left|\mathrm{\Δ}{Q}_{k-1}\right|,(k=1\·\·\·m-1;\mathrm{\Δ}{Q}_k=Q_{k+1}-Q_k)\end{array}\right.---\left(1.4\right)$

确定参数

后，还需进一步确定节点向量U。

u₀=…=u_p=0    u_m-p=…=u_m=1

$\begin{array}{cc}{u}_{j+p}=\frac{1}{p}\underset{i=j}{\overset{j+p-1}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{u_i}& j=\mathrm{1,2},\·\·\·n-p\end{array}---\left(1.5\right)$

为了由n+1个型值点反解出数目等同的控制点向量，避免补充边界条件，且为了反映型值点Q_k对应参数

在参数域中的分布，选择代数平均法确定节点矢量，节点矢量由（1.5）式求得。

节点矢量：U={0=u₀=…=u_p，u_j+p，u_m-p=…=u_m=1}，m=n+p+1。

NURBS基函数求取过程：N_i,p(u)为B样条基函数，其值由节点矢量U=[u₀,u₁,…,u_n+p+1]（其中u∈[0,1]）和曲线参数u决定。N_i,p(u)是第i个p次规范B样条基函数，其值可由（1.6）公式递推得到,基函数的计算流程图如图2所示：

已知型值点Q_k，参数值

节点矢量U=[u₀,u₁,…u_n+p+1]，NURBS基函数，便可求出曲线的控制顶点

$A_{n\×n}\·\left\{\begin{array}{c}{P}_0\\ P_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ P_n\end{array}\right\}=\left\{\begin{array}{c}{Q}_0\\ Q_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ Q_n\end{array}\right\}---\left(1.7\right)$

式（1.7）是一个关于控制顶点d_i的n个n元的线性方程组，求解该方程组就可得到控制顶点序列，从而获得NURBS曲线的插值公式。对于方程组（1.7）的求解，可采用列主元Gauss消元法求解。

NURBS曲面的插值是根据给定的呈拓扑矩阵阵列的型值点（即为处理后的点云数据），用插值方法构造数学模型的一种方法。可表达为求未知控制顶点的一个线性方程组，但这个方程组往往过于庞大，给求解带来困难。为了解决该问题，采用的方法是把曲面的反算问题转化为两阶段的曲线反算问题，具体算法流程如下。

B样条曲面可表示如下：

$s(u,v)=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,j}{N}_{i,p+1}\left(u\right)N_{j,q+1}\left(v\right)$

$=\underset{j=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{j,q+1}\left(v\right)\left[\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,j}{N}_{i,p+1}\left(u\right)\right]=\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{j,q+1}\left(v\right)c_i\left(u\right)---\left(1.8\right)$

扫描所得型值点Q_uv，u=0，1，…e；v=0，1，…f，构造曲面过程如下：

（l）沿u方向取f+1行型值点Q_i,v，{Q_0,v,Q_1,v,…Q_e,v}；

（2）取好节点矢量U后，对每一行型值点进行B样条曲线插值反求，获f+1条B样条曲线及相应的控制点

（3）把

看成中间型值点，再沿v方向取m+1列中间型值点 $D_i^1=\{D_{i,0}^1,D_{i,1}^1\·\·\·D_{i,f}^1\},$ i=1,2,…m；

（4）取好节点矢量V后，对每一列中间型值点进行B样条曲线插值反求，获得B样条曲面的控制顶点P_i,j；

（5）根据已求得的控制顶点P_i,j和u向v向节点矢量确定NURBS曲面。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种松土器齿尖，包括齿尖本体，所述齿尖本体的两侧具有削平面，所述齿尖本体上开设有贯通两个所述削平面的安装孔，其特征在于，所述齿尖本体为仿鸡爪爪尖结构。

2.如权利要求1所述的松土器齿尖，其特征在于，所述齿尖本体的齿尖顶端为球面结构。

3.一种推土机，包括松土器，所述松土器包括松土器齿尖，其特征在于，所述松土器齿尖为如权利要求1或2所述的松土器齿尖。

4.一种松土器齿尖模型生成方法，其特征在于，包括步骤：

1）通过三维扫描仪对鸡爪爪尖进行扫描得到鸡爪爪尖的点云数据；

2）通过Imageware软件对点云数据点进行处理；

3）对处理完的点云数据做NURBS曲面插值生成鸡爪爪尖模型；

4）对鸡爪爪尖模型按照松土器齿尖的安装结构进行调整，得到松土器齿尖模型。

5.如权利要求4所述的松土器齿尖模型生成方法，其特征在于，所述鸡爪爪尖模型为CAD模型。

6.如权利要求4所述的松土器齿尖模型生成方法，其特征在于，对鸡爪爪尖模型按照松土器齿尖的安装结构进行调整包括：

在所述鸡爪爪尖模型的两侧切削出两个削平面；

在所述鸡爪爪尖模型上开设贯通两个所述削平面的安装孔。

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