一种基于牛磨牙几何特征的胶体磨机磨头仿生设计方法

摘要

本发明公开了一种基于牛磨牙几何特征的胶体磨机磨头仿生设计方法。选取成熟完整的牛牙列，通过三维激光扫描获取牛牙列的点云数据，运用逆向工程软件重构牛牙三维模型。对扫描得到的牛磨牙宏观几何形态进行分析，并通过有限元对磨牙咀嚼过程进行有限元模拟，确定出磨牙上的齿坎特征。对磨牙齿坎特征参数进行提取与表征，根据磨头设计原则和实际加工情况，合理选择提取特征参数的水平，并设计相应的正交试验方案，从而优化设计出最佳仿生磨头。该磨头能有效的降低胶体磨工作温度和作用阻力，提高物料破碎效率及其使用寿命。

说明书

技术领域

本发明属于逆向工程与仿生设计技术领域，具体涉及一种基于牛磨牙几何特征的胶体磨机磨头仿生设计方法。

背景技术

随着我国的粉碎加工工业的发展，胶体磨机作为一种磨制胶体或近似胶体物料的超微粉碎设备，逐渐被人们受认识与使用，目前已广泛应用于食品加工、建筑涂料加工、塑料工业、日用化妆、化学工业、制药加工、印刷、造纸工业、油漆等行业。胶体磨在人们逐步认识和使用中被确定为粉碎加工工业中最优的加工机械设备之一。它具有各种搅拌机、粉碎机、磨浆机的机械性能，且其工作效率高，能耗低。

作为生产中重要的超微粉碎设备，胶体磨机具有应用范围广、功能多等众多优点。同时，也存在着一些缺点：转定子与物料间容易产生较大的热量，工作温度较高，容易使物料变性；磨头工作表面较易磨损，而磨损后，细化效果会显著下降；对应于不同粘性的物料其流量变化很大。因此，胶体磨机的研究与优化改进对于粉碎加工工业具有着非常重大的意义。

经过数亿年的进化，生物体通过自身及外界优胜劣汰的演化，包括牙齿在内的动物进食器官逐步形成了优化的几何形状并具备了优良的生物力学功能，可以在进食过程中降低咬合阻力，提高进食效率，延长使用寿命，这为机械加工工具几何参数及力学性能的优化提供了仿生研究基础。

动物牙齿能在复杂的口腔环境下，在肌肉的驱使下对食物进行切割、挤压和研磨，高效的破碎食物，使动物保证高效进食效率，同时在长期的进食过程中仍保持着其独特的几何特征，具有良好的耐磨性能。现有的胶体磨机通过动磨头和定磨头的高速相对运动，使通过齿面之间的物料受到极大的剪切力及磨擦力，同时又在高频震动，高速旋涡等复杂力的作用下使物料有效的分散、浮化、粉碎、均质。胶体磨机磨头对物料的作用形式与牛牙咀嚼食物的过程非常相似，且其工作环境及材料特性都非常相似。

本发明以工程仿生学理论为基础，选取牛磨牙作为生物原型，提取出牛磨牙咀嚼功能的主要几何特征参数，将其应用到胶体磨机磨头工作面齿槽槽形的仿生设计中，从而设计出一种具有牛磨牙几何结构特征的胶体磨机仿生磨头，以提高其工作效率和使用寿命。

发明内容

本发明的目的是解决目前国内胶体磨动、定磨头与物料间容易产生较大的热量，使物料变性；磨头表面较易磨损，使细化效果显著下降等缺点的问题，提供一种能有效降低胶体磨工作温度、作用阻力，提高其研磨效率及使用寿命的基于牛磨牙几何特征的胶体磨机磨头仿生设计方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于牛磨牙几何特征的胶体磨机磨头仿生设计方法，包括以下步骤：

S1、获取完整牛磨牙表面的点云数据；

S2、对步骤S1中获取的大量点云数据进行预处理，对预处理后的点云数据进行封装处理，并创建磨牙多边形模型和网格，然后建立牛磨牙列的三维实体模型；

S3、对牛牙列咀嚼过程进行模拟分析，确定出在咀嚼过程中牛磨牙的齿坎特征；

S4、对牛磨牙的齿坎特征的尺寸参数进行提取，并与仿生应用对象进行类比优化，采用齿坎的几何形态优化磨头的齿槽结构；

S5、根据设计原则和实际加工情况，合理的选取步骤S4中得到的牛磨牙的齿坎特征尺寸参数水平，并设计相应的正交试验方案。

优选地，所述步骤S1中，获取完整牛磨牙表面的点云数据是通过扫描生长时间在四年以上的成熟牛的完整恒齿牛牙列得到。

优选地，所述步骤S2中对点云数据的处理与曲面重构，建立的牛磨牙列模型的建模误差小于0.05毫米。

优选地，所述步骤S2中建立建立牛磨牙列的三维实体模型还包括以下分步骤：

S21、运用逆向工程软件geomagic studio按照特定的方式对大量点云数据进行对齐、合并、噪音去除、数据精简等预处理，排除在扫描时捕获的多余的或错误的数据；

S22、对预处理后的点云数据进行封装处理，创建多边形化的磨牙初始模型，再经过三角形删除、光滑曲面、填充孔和边修补技术等多边形化处理，获得质量良好的磨牙多边形模型，为生成NURBS曲面奠定基础；

S23、通过探测轮廓线、探测曲率、编辑轮廓线等轮廓线处理，构造曲面片、松弛曲面片、移动曲面片等曲面片处理，以及栅格处理和NURBS曲面处理，最终以NURBS曲面为基础构建拟合曲面，将磨牙的多边形模型转化为理想的曲面模型，建立牛磨牙列的三维实体模型。

优选地，所述步骤S3中，确定出在咀嚼过程中牛磨牙的齿坎特征时，对牛磨牙牙冠的显著特征进行去除，然后对比修改牛磨牙牙冠特征前后仿真结果中作用应力及应力分布范围的差异，从而确定牛磨牙的主要功能特征。

优选地，所述步骤S4中，在对胶体磨机磨头的仿生优化中，采用齿坎槽的几何形态优化磨头的齿槽结构，用牙齿齿坎尖端面的齿星弧面来优化磨头的工作端面，用齿坎尖的几何结构来优化磨头的工作侧面和工作刃，用齿坎张角和齿坎侧面倾角来优化齿槽形状，用齿坎尖角来优化磨头工作面齿的螺旋角，用齿坎次尖的几何结构来优化磨头齿槽底面。

优选地，所述步骤S5中，齿坎模型的特征尺寸参数包括左螺旋角、右螺旋角、压力角、齿坎齿尖和弧形端面，其中尺寸参数的优化范围为：左螺旋角和右螺旋角分别取值为10°、20°、30°、40°、50°，压力角取值为+13°、+3°、0°、-3°、-13°，齿坎次尖存在为1尖底，齿坎次尖不存在为0平底、弧形端面存在为1，弧形端面不存在为0；在此基础上，运用混合正交表设计正交试验方案。

优选地，所述步骤S5以工作温度、作用阻力以及作用应力为检测优化效果的评价标准，利用有限元分析计算验证正交试验方案，得出最优仿生优化参数组合，设计最优的胶体磨仿生优化磨头。

本发明的有益效果是：

1、本发明所提供基于牛磨牙几何特征的胶体磨仿生磨头，运用高精度的三维激光扫描仪对完整的成熟牛牙列进行扫描，获取完整牛牙列的大量点云数据，采用逆向工程软件对点云数据进行数据预处理和曲面重构，建立牛牙三维模型，再通过有限元分析法，对牛磨牙牙冠的显著特征进行去除，对比修改牛磨牙牙冠特征前后仿真结果的差异，从而确定牛磨牙的主要功能特征；提取牛磨牙主要的功能几何特征，以牙齿齿坎尖端面的齿星弧面来优化磨头的工作端面，以齿坎尖的几何结构来优化磨头的工作侧面和工作刃，以齿坎次尖的几何结构来优化磨头齿槽底面，从而建立胶体磨机磨头仿生模型；根据设计原则和实际加工情况，合理的选取所提取特征参数的水平，并设计相应的正交试验，仿真对比仿生前后的磨头模型的工作温度、作用阻力以及作用应力等，得出最优仿生优化参数组合，设计最优的胶体磨仿生优化磨头，使仿生磨头的优化效果更加的明显。

2、本发明能有效改善目前胶体磨由于转子定子和物料间高速摩擦，易产生较大的热量，使被处理物料变性，磨头工作表面较易磨损，从而导致细化效果会显著下降等问题。

3、本发明的仿生磨头能有效的降低胶体磨工作温度和作用阻力，提高其破碎效率和使用寿命，为进一步研究胶体磨仿生设计奠定基础。

附图说明

图1是本发明磨牙齿坎剖面轮廓图示意图；

图2是本发明胶体磨机仿生优化磨头的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1和图2所示，本发明提供的一种基于牛磨牙几何特征的胶体磨机磨头仿生设计方法，包括以下步骤：

S1、获取完整牛磨牙表面的点云数据。

在本实施例中，利用高精度的三维扫描仪对成熟完整牛磨牙列进行三维扫描，获取完整磨牙表面的点云数据。而获取完整牛磨牙表面的点云数据是通过扫描生长时间在四年以上的成熟牛的完整恒齿牛牙列得到。成熟牛的恒齿牛牙列牙冠特征较为完整，使仿生所需的数据更加的精准。

S2、对步骤S1中获取的大量点云数据进行预处理，对预处理后的点云数据进行封装处理，并创建磨牙多边形模型和网格，然后建立牛磨牙列的三维实体模型。

对点云数据的处理与曲面重构，建立的牛磨牙列模型的建模误差小于0.05毫米。对点云数据进行预处理采用的是逆向工程软件，例如：利用geomagic studio软件对在步骤S1中获取的大量点云数据进行预处理，然后对预处理后的点云数据进行封装处理。再创建磨牙多边形模型和网格；最终通过NURBS曲面构建拟合曲面，建立牛磨牙列的三维实体模型。其中软件geomagic studio和NURBS曲面为现有技术，在本实施例中为实现特定功能而采用。

磨牙三维模型的创建具体过程如下：

S21、运用逆向工程软件geomagic studio对大量点云数据进行对齐、合并、噪音去除、数据精简等预处理，排除在扫描时捕获的多余的或错误的数据。

S22、对预处理后的点云数据进行封装处理，创建多边形化的磨牙初始模型，再经过三角形删除、光滑曲面、填充孔和边修补技术等多边形化处理，获得质量良好的磨牙多边形模型，为生成NURBS曲面奠定基础。

S23、通过探测轮廓线、探测曲率、编辑轮廓线等轮廓线处理，构造曲面片、松弛曲面片、移动曲面片等曲面片处理，以及栅格处理和NURBS曲面处理，最终以NURBS曲面为基础构建拟合曲面，将磨牙的多边形模型转化为理想的曲面模型，建立牛磨牙列的三维实体模型。

所有的点云的处理、多边形化处理和曲面重构，均要保证最终的重构牛牙模型的建模误差小于0.05mm。

S3、对牛牙列咀嚼过程进行模拟分析，确定出在咀嚼过程中牛磨牙的齿坎特征。

确定出在咀嚼过程中牛磨牙的齿坎时，对牛磨牙牙冠的显著特征进行去除，然后对比修改牛磨牙牙冠特征前后仿真结果中作用应力及应力分布范围的差异，从而确定牛磨牙的主要功能特征。本实施例中对牛牙列咀嚼过程进行模拟分析采用的软件为有限元分析软件ABAQUS，通过有限元分析软件所得到的结果更加准确。

在确定在咀嚼过程中牛磨牙的主要功能特征时，首先对整个完整牙列的宏观几何特征进行初步分析，得出牛牙列中变化最明显的几何特征是牛牙的齿坎和牙尖特征，初步确定齿坎和牙尖为磨牙的主要功能征。

其次，将初步确定的齿坎和牙尖特征从牛磨牙牙冠上进行逐步地去除，创建两种新的牛磨牙对比模型，运用有限元分析软件ABAQUS对牛牙列咀嚼过程进行模拟分析，对比其仿真结果中的作用应力大小及其应力分布范围等。结果显示磨牙牙冠上齿坎和牙尖的存在均有利于牙齿对食物的破碎，但相比于牙尖对咀嚼破碎食物的影响，齿坎的影响更为明显，从而确定牛磨牙牙冠面上的牛磨牙功能特征为齿坎。

S4、对牛磨牙的齿坎特征的尺寸参数进行提取，并与仿生应用对象进行类比优化，采用齿坎的几何形态优化磨头的齿槽结构。

采用三维软件SolidWorks对牛磨牙的齿坎特征的尺寸参数进行提取，在对胶体磨机磨头的仿生优化中，采用齿坎槽的几何形态优化磨头的齿槽结构，其中齿坎张角标记为C、齿坎侧面倾角标记为B，提取齿坎张角C和齿坎侧面倾角B来优化齿槽形状(即法向压角α)，提取齿坎尖角来优化磨头工作面齿的螺旋角β，其中法向压角为α，螺旋角为β。

齿坎是一个V型(或U型)的几何结构，齿坎尖可以看作是左右两个不同方向的螺旋角组合而成的一个尖点，用来优化磨头工作面齿形螺旋角组合，使得磨头工作面齿形显得很尖锐，能更轻松的破碎物料。将齿星弧面标记为A，齿坎次尖标记为D，用牙齿齿坎尖端面的齿星弧面A来优化磨头的工作端面，用齿坎尖的几何结构来优化磨头的工作侧面和工作刃，用齿坎次尖D的几何结构来优化磨头齿槽底面。

将原始的胶体磨磨头工作面矩形齿槽，优化为工作面齿槽截面槽形为有一段圆弧连接的等腰梯形，但这个等腰梯形的下底边被优化为向内凸起的三角尖底。

S5、根据设计原则和实际加工情况，合理的选取步骤S4中得到的牛磨牙的齿坎特征尺寸参数水平，并设计相应的正交试验方案。

胶体磨机磨头的仿生特征尺寸参数包括左螺旋角、右螺旋角、压力角、齿坎齿尖和弧形端面，考虑到螺旋角过大会导致齿槽和齿的过度扭曲，使得齿槽空间过小，齿的真实宽度过小，磨头齿的刚度降低，左螺旋角和右螺旋角分别取值为10°、20°、30°、40°、50°。参考车刀的结构，车刀的刀尖越尖锐，切削物料越容易，同时考虑到磨头齿的刚度和齿槽空间的大小，压力角取值不易过大，压力角取值为+13°、+3°、0°、-3°、-13°。用齿坎次尖的几何结构来优化磨头齿槽底面，取齿坎尖处截面上齿坎次尖轮廓简图，即三角形凸起，齿坎次尖存在为1尖底，齿坎次尖不存在为0平底。用牙齿齿坎尖端面的齿星弧面来优化磨头的工作端面，同样取齿坎尖处截面上齿星圆弧，在本实施例中只取了两个水平，弧形端面存在为1，弧形端面不存在为0。

根据取优化特征参数的因素与水平，合理地设计相应混合正交试验，以工作温度、作用阻力以及作用应力等为检测优化效果的评价标准，利用有限元分析计算验证正交试验方案，通过直观分析法和方差分析法得出最优仿生优化参数组合，即：压力角-13°、左螺旋角为50°，右螺旋角为40°、同时存在弧面与尖底的优化，设计最优的胶体磨机仿生优化磨头，如图2所示。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。