CN109308401A - 一种基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构及其构建方法 - Google Patents
一种基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构及其构建方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构及其构建方法，属于农业机械设备技术领域。本发明仿生曲面结构以五条曲线拟合方程拟合一个曲面，曲面一端以一段圆弧为横截面截取，曲面另一端光滑连接而成；构建方法具体为：基于逆向工程技术与仿生学理论，以砂鱼蜥背部体表形态为原型获取点云并提取多条背部曲线，选取背部五条平行等宽的曲线，将曲线轨迹拟合为方程式；最终以一段圆弧为横截面截取且将五个方程式拟合的曲面光滑连接，进行组合完成仿生曲面结构的构建。本发明的仿生曲面结构作为仿生曲面犁铧触土部件应用于实际时触土部件插入土壤能力强，工作阻力小，并且减小了犁体曲面对土壤的破坏程度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构及其构建方法，主要运用逆向工程技术与仿生学理论设计出仿生曲面结构，此结构可应用到农机具触土部件中，属于农业机械设备技术领域。
背景技术
在现代农业生产过程中，耕作是农业生产中最消耗能量的环节之一，因此需要通过对耕作过程的优化降低农机具，人工等消耗。在耕作中农机具的使用是最多的，而在众多的农机具触土部件中，曲面犁的应用相对较多。犁的主要应用于：灌溉渠系、珀塘工程、耕翻等。而我国近年来由于干旱农田土壤层状况过于疏松干旱，造成了大量沙尘天气，这一现象就是由于传统犁年复一年的翻耕土壤，揭开了土壤风湿水蚀的入口，地表裸露，加大了蒸发面，失墒严重。为了保墒，人们不得不采用耙、耱、镇压等多道作业；为了利于播种，人们又不得不旋耕整地。这样的“精耕细作”，已成为农民的沉重负担。不仅如此众多农民在使用犁耕作时，犁壁曲面的工作阻力大，作业速度慢，地表土壤破坏严重等问题，也困扰着众农民。机械多次进地作业，既破坏了土壤结构，又增加了作业成本，导致了增产不增收的恶果。为改善土壤破损问题，广大设计人员和学者针对犁体曲面的设计也做出相应研究，但再设计过程中犁体曲面的设计问题的也一直困扰着广大设计人员和学者。
仿生结构设计是把生物中所蕴含的某些优势转化成机械结构的参数和结构特征，从而实现从其内在的生物特征到外在的几何结构在工程领域的拓展。针对上述问题本人根据仿生学原理，采用逆向工程技术设计一种仿生曲面结构。采用逆向工程技术不仅可以有效的解决广大设计人员和学者再设计过程中犁体曲面的制作问题；更有效的解决了众农民的“精耕细作”问题，防止土壤板结以及犁壁磨损严重等问题。仿生曲面还可以有效的减少农机具触土部件的入土阻力大等问题。
逆向工程(Reverse Engineering，RE)是对产品设计过程的一种描述。在工程技术职员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程：设计职员首先构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后利用CAD技术建立产品的三维数字化模型，终极将这个模型转进制造流程，完成产品的整个设计制造周期。这样的产品设计过程我们可以称之为“正向设计”。逆向工程则是一个“从有到无”的过程。简单地说，逆向工程就是根据已经存在的产品模型，反向推生产品的设计数据(包括设计图纸或数字模型)的过程。
仿生学是一门既古老又年轻的学科。人们研究生物体的结构与功能工作的原理，并根据这些原理发明出新的设备，工具和科技，创造出适用于生产，学习和生活的先进技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构及其构建方法，用于克服传统农机具曲面触土部件工作阻力大，破土难能耗高，对地表土壤破坏大的问题。
在本发明中，触土部件作为耕作时磨损较为严重的主要部件，其仿生结构设计是在对沙漠动物研究和分析的基础上展开的，沙漠动物中砂鱼蜥破土钻土能力强，再以300mm/s的速度在沙土中快速移动时，表皮与土壤产生严重的摩擦，但砂鱼蜥表皮并没有受到严重损伤。在长时间与土壤接触过程中砂鱼蜥表皮进化形成了优良的几何结构和优异的生物力学性能，不但破土能力高，且土壤摩擦阻力小，这为农机具触土部件的几何形状的优化提供了仿生设计基础。
本发明在于解决农机具触土部件表面对地表土壤破坏力大，严重时影响耕作生产，板结土壤工作阻力大的技术问题，设计出一种基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构，安装有仿生曲面结构的农机具触土部件可以在板结严重的土壤中减阻耕作，插入土壤能力强，且对地表土壤的破坏力大大降低。
本发明技术方案是：一种基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构，所述仿生曲面结构以五条曲线拟合方程拟合一个曲面，曲面一端以一段圆弧为横截面截取，曲面另一端光滑连接而成；五条曲线拟合方程分别为：
y1＝0.0003943x1 4+0.05131x1 3+2.327x1 2+45.93x1+364.9；
y2＝0.0008876x2 4+0.09806x2 3+3.918x2 2+68.458x2+471.1；
y3＝0.0001187x3 4+0.019x3 3+0.9285x3 2+19.14x3+171.5；
y4＝0.0003826x4 4+0.04088x4 3+0.1562x4 2+26.38x4+195.6；
y5＝0.009708x5 4+0.4157x5 3+8.885x5 2+495.55x5+446.1。
进一步地，所述五条曲线拟合方程满足如下条件：
x1的取值范围为-32～-16mm；
x2的取值范围为-32～-16mm；
x3的取值范围为-32～-14mm；
x4的取值范围为-32～-14mm；
x5的取值范围为-30～-12mm；
其中x1、x2、x3、x4、x5均表示为曲面的纵截面参数。
进一步地，所述圆弧的半径R的范围为60mm至100mm，圆弧对应圆心角为90°至120°。
进一步地，所述五条曲线拟合方程拟合的曲线与曲线之间的宽度均相同，其中宽度范围为8～12毫米。
一种基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构的构建方法，所述构建方法具体为：
基于逆向工程技术与仿生学理论，以砂鱼蜥背部体表形态为原型获取点云并提取多条背部曲线，选取背部五条平行等宽的曲线，将曲线轨迹拟合为方程式；
最终以一段圆弧为横截面截取且将五个方程式拟合的曲面光滑连接，进行组合完成仿生曲面结构的构建。
进一步地，其中选取的五条曲线的拟合方程分别为：
y1＝0.0003943x1 4+0.05131x1 3+2.327x1 2+45.93x1+364.9；
y2＝0.0008876x2 4+0.09806x2 3+3.918x2 2+68.458x2+471.1；
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y5＝0.009708x5 4+0.4157x5 3+8.885x5 2+495.55x5+446.1。
进一步地，仿生曲面结构是利用imageware软件将砂鱼蜥背部曲面扫描出点云图像，在整个砂鱼蜥背部点云图中选取一条背部最高的曲线，以最高曲线为中间线，向两边扩10mm，获得第二和第三条曲线，同理，向左右两边再次扩大10mm，获取第四条和第五条曲线，删除噪声点，保存点云图；利用AutoCAD软件以每一条曲线为准，分别获取五条曲线点云图中各点坐标值；再利用MATLAB软件将各曲线上的点拟合为方程，表达出五个曲线拟合方程。
进一步地，所述五条曲线拟合方程满足如下条件：
x1的取值范围为-32～-16mm；
x2的取值范围为-32～-16mm；
x3的取值范围为-32～-14mm；
x4的取值范围为-32～-14mm；
x5的取值范围为-30～-12mm；
其中x1、x2、x3、x4、x5均表示为曲面的纵截面参数。
进一步地，所述圆弧的半径R的范围为60mm至100mm，圆弧对应圆心角为90°至120°。
进一步地，所述五条曲线拟合方程拟合的曲线与曲线之间的宽度均相同，其中宽度范围为8～12毫米。
本发明的有益效果是：本发明针对传统农机具曲面触土部件的不足，根据逆向工程技术与仿生学理论设计仿生曲面结构。将仿生曲面触土部件与传统触土部件进行比较，其中仿生曲面触土部件比传统曲面触土部件进入土壤速度有所提高，耐磨性提高，土壤与曲面接触时工作阻力减小，延长了农机具的使用寿命；另外，仿生曲面结构设计出的仿生曲面触土部件相对传统的曲面触土部件设计理论依据强，实用效果好，其耕作时对地表土壤的破坏较小，降低土壤板结情况。所以采用仿生曲面结构设计的仿生曲面触土部件结合我国先进的机械加工技术，可大量生产，而且大大减低了作业速度慢工作阻力大的问题，并延长了农机具的使用寿命。
附图说明
图1是本发明仿生曲面轴测图；
图2是本发明仿生曲面主视图；
图3是安装仿生曲面的触土部件犁体示意图。
图1-3中各标号：1-犁托，2-犁壁，3-犁铧。犁托1、犁壁2和犁铧3组成主要工作触土部件犁体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-3所示，一种基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构，所述仿生曲面结构以五条曲线拟合方程拟合一个曲面，曲面一端以一段圆弧为横截面截取，曲面另一端光滑连接而成；五条曲线拟合方程分别为：
y1＝0.0003943x1 4+0.05131x1 3+2.327x1 2+45.93x1+364.9；
y2＝0.0008876x2 4+0.09806x2 3+3.918x2 2+68.458x2+471.1；
y3＝0.0001187x3 4+0.019x3 3+0.9285x3 2+19.14x3+171.5；
y4＝0.0003826x4 4+0.04088x4 3+0.1562x4 2+26.38x4+195.6；
y5＝0.009708x5 4+0.4157x5 3+8.885x5 2+495.55x5+446.1。
进一步地，所述五条曲线拟合方程满足如下条件：
x1的取值范围为-32～-16mm(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)；
x2的取值范围为-32～-16mm(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)；
x3的取值范围为-32～-14mm(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)；
x4的取值范围为-32～-14mm(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)；
x5的取值范围为-30～-12mm(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)；
其中x1、x2、x3、x4、x5均表示为曲面的纵截面参数。
进一步地，所述圆弧的半径R的范围为80mm，圆弧对应圆心角为105°。
进一步地，所述五条曲线拟合方程拟合的曲线与曲线之间的宽度均相同，其中宽度范围为10毫米。
一种基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构的构建方法，所述构建方法具体为：
基于逆向工程技术与仿生学理论，以砂鱼蜥背部体表形态为原型获取点云并提取多条背部曲线，选取背部五条平行等宽的曲线，将曲线轨迹拟合为方程式；
最终以一段圆弧为横截面截取且将五个方程式拟合的曲面光滑连接，进行组合完成仿生曲面结构的构建。
进一步地，其中选取的五条曲线的拟合方程分别为：
y1＝0.0003943x1 4+0.05131x1 3+2.327x1 2+45.93x1+364.9；
y2＝0.0008876x2 4+0.09806x2 3+3.918x2 2+68.458x2+471.1；
y3＝0.0001187x3 4+0.019x3 3+0.9285x3 2+19.14x3+171.5；
y4＝0.0003826x4 4+0.04088x4 3+0.1562x4 2+26.38x4+195.6；
y5＝0.009708x5 4+0.4157x5 3+8.885x5 2+495.55x5+446.1。
进一步地，仿生曲面结构是利用imageware软件将砂鱼蜥背部曲面扫描出点云图像，在整个砂鱼蜥背部点云图中选取一条背部最高的曲线，以最高曲线为中间线，向两边扩10mm，获得第二和第三条曲线，同理，向左右两边再次扩大10mm，获取第四条和第五条曲线，删除噪声点，保存点云图；利用AutoCAD软件以每一条曲线为准，分别获取五条曲线点云图中各点坐标值；再利用MATLAB软件将各曲线上的点拟合为方程，表达出五个曲线拟合方程。
进一步地，所述五条曲线拟合方程满足如下条件：
x1的取值范围为-32～-16mm(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)；
x2的取值范围为-32～-16mm(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)；
x3的取值范围为-32～-14mm(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)；
x4的取值范围为-32～-14mm(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)；
x5的取值范围为-30～-12mm(即该范围内取端点值，端点范围内的任意值皆可)；
其中x1、x2、x3、x4、x5均表示为曲面的纵截面参数。
进一步地，所述圆弧的半径R的范围为80mm，圆弧对应圆心角为105°。
进一步地，所述五条曲线拟合方程拟合的曲线与曲线之间的宽度均相同，其中宽度范围为10毫米。
一种基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构根据相应的应用需要等比例放大不同的倍数应用在农机具触土部件上，例如安装在铧式犁上作为犁铧3，与犁托1)、犁壁2)组成犁体，如图3所示；
实施例2：如图1-3所示，一种基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构及构建方法与实施例1基本相同，其不同之处在于：
进一步地，所述圆弧的半径R的范围为60mm，圆弧对应圆心角为90°。
进一步地，所述五条曲线拟合方程拟合的曲线与曲线之间的宽度均相同，其中宽度范围为8毫米。
实施例3：如图1-3所示，一种基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构及构建方法与实施例1基本相同，其不同之处在于：
进一步地，所述圆弧的半径R的范围为100mm，圆弧对应圆心角为120°。
进一步地，所述五条曲线拟合方程拟合的曲线与曲线之间的宽度均相同，其中宽度范围为12毫米。
上述根据实际拟合出的曲面，纵截面长度合理，横截面宽度合理，本发明的仿生曲面结构作为仿生曲面犁铧触土部件应用于实际时触土部件插入土壤能力强，工作阻力小，并且减小了犁体曲面对土壤的破坏程度。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (10)
1.一种基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构，其特征在于：所述仿生曲面结构以五条曲线拟合方程拟合一个曲面，曲面一端以一段圆弧为横截面截取，曲面另一端光滑连接而成；五条曲线拟合方程分别为：
y1＝0.0003943x1 4+0.05131x1 3+2.327x1 2+45.93x1+364.9；
y2＝0.0008876x2 4+0.09806x2 3+3.918x2 2+68.458x2+471.1；
y3＝0.0001187x3 4+0.019x3 3+0.9285x3 2+19.14x3+171.5；
y4＝0.0003826x4 4+0.04088x4 3+0.1562x4 2+26.38x4+195.6；
y5＝0.009708x5 4+0.4157x5 3+8.885x5 2+495.55x5+446.1。
2.根据权利要求1所述的基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构，其特征在于：所述五条曲线拟合方程满足如下条件：
x1的取值范围为-32～-16mm；
x2的取值范围为-32～-16mm；
x3的取值范围为-32～-14mm；
x4的取值范围为-32～-14mm；
x5的取值范围为-30～-12mm；
其中x1、x2、x3、x4、x5均表示为曲面的纵截面参数。
3.根据权利要求2所述的基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构，其特征在于：所述圆弧的半径R的范围为60mm至100mm，圆弧对应圆心角为90°至120°。
4.根据权利要求1所述的基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构，其特征在于：所述五条曲线拟合方程拟合的曲线与曲线之间的宽度均相同，其中宽度范围为8～12毫米。
5.一种基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构的构建方法，其特征在于：所述构建方法具体为：
基于逆向工程技术与仿生学理论，以砂鱼蜥背部体表形态为原型获取点云并提取多条背部曲线，选取背部五条平行等宽的曲线，将曲线轨迹拟合为方程式；
最终以一段圆弧为横截面截取且将五个方程式拟合的曲面光滑连接，进行组合完成仿生曲面结构的构建。
6.根据权利要求5所述的基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构的构建方法，其特征在于：其中选取的五条曲线的拟合方程分别为：
y1＝0.0003943x1 4+0.05131x1 3+2.327x1 2+45.93x1+364.9；
y2＝0.0008876x2 4+0.09806x2 3+3.918x2 2+68.458x2+471.1；
y3＝0.0001187x3 4+0.019x3 3+0.9285x3 2+19.14x3+171.5；
y4＝0.0003826x4 4+0.04088x4 3+0.1562x4 2+26.38x4+195.6；
y5＝0.009708x5 4+0.4157x5 3+8.885x5 2+495.55x5+446.1。
7.根据权利要求6所述的基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构的构建方法，其特征在于：仿生曲面结构是利用imageware软件将砂鱼蜥背部曲面扫描出点云图像，在整个砂鱼蜥背部点云图中选取一条背部最高的曲线，以最高曲线为中间线，向两边扩10mm，获得第二和第三条曲线，同理，向左右两边再次扩大10mm，获取第四条和第五条曲线，删除噪声点，保存点云图；利用AutoCAD软件以每一条曲线为准，分别获取五条曲线点云图中各点坐标值；再利用MATLAB软件将各曲线上的点拟合为方程，表达出五个曲线拟合方程。
8.根据权利要求6所述的基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构的构建方法，其特征在于：所述五条曲线拟合方程满足如下条件：
x1的取值范围为-32～-16mm；
x2的取值范围为-32～-16mm；
x3的取值范围为-32～-14mm；
x4的取值范围为-32～-14mm；
x5的取值范围为-30～-12mm；
其中x1、x2、x3、x4、x5均表示为曲面的纵截面参数。
9.根据权利要求8所述的基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构的构建方法，其特征在于：所述圆弧的半径R的范围为60mm至100mm，圆弧对应圆心角为90°至120°。
10.根据权利要求6所述的基于逆向工程技术的农机具触土部件仿生曲面结构的构建方法，其特征在于：所述五条曲线拟合方程拟合的曲线与曲线之间的宽度均相同，其中宽度范围为8～12毫米。
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