摘要：万寿菊采收时间是7月上旬—9月下旬，一般每隔7～10天采收1次，由于是分批次采收，导致其机械化程度低。为了提高摘花梳齿部件的机械性能，通过逆向工程软件和点云处理软件对摘花梳齿进行逆向建模，利用SolidWorks Simulation软件进行有限元分析，优化模型的应变分布与变形情况，有效提高摘花梳齿结构性能，为农业机械关键部件设计优化提供新思路。

　　关键词：逆向建模；三维扫描；机构优化；摘花梳齿

　　近年来，甘肃因地制宜发展特色产业，种植万寿菊，增加农民收入，助力乡村振兴。全省种植分布在武威、张掖、天水、陇南、平凉、庆阳等地，主要种植有孔雀草-曙光、迪斯科等品种四。万寿菊采收时间是7月上旬—9月下旬，一般每隔7~10天采收1次，由于是分批次采收，导致其机械化程度低。国内常见的主要有梳齿式采摘机，范浩杰等研制了梳齿式万寿菊采摘机，通过旋转的梳齿对万寿菊进行连续采摘2。王梦熊发明了一种叉挑式花朵摘取机构及花朵采摘机，通过传送带上间隔装有多个排叉采摘花朵3。为此，下面对万寿菊采摘机的关键部件摘花梳齿进行了逆向建模与结构优化，降低花朵损伤、提高采摘效果。

　　1逆向建模技术

　　逆向建模技术是一种通过对实物模型进行数据采集、处理、分析，然后重建出该实物的数字化三维模型的技术。利用三维扫描仪，对实物进行扫描，获取物体表面的点云数据，处理点云数据，采用曲面拟合、多边形建模等方法重建三维模型，为后续的设计改进、逆向工程等提供基础。

　　2摘花梳齿逆向建模

　　2.1三维扫描

　　清洁摘花梳齿表面，去除附着的灰尘、油污，保证扫描表面干净，以获得清晰准确的扫描数据。使用手持式3D扫描仪对摘花梳齿进行扫描，缓慢、平稳地移动扫描仪，尽量保持扫描仪与梳齿表面垂直。通过多角度扫描确保获取完整数据，对复杂结构与过渡区域重点扫描，避免数据遗漏。扫描完成后，得到stl格式的点云数据，见图1。

　　2.2点云数据处理

　　将获取的点云数据在Geomagic Wrap软件中打开，对扫描得到的点云数据进行删除钉状物、减少噪音、平滑等操作，以消除扫描过程中可能产生的误差和干扰。将不同角度获取的点云数据进行配准和对齐，以确保它们在空间中的一致性。

　　2.3逆向建模与验证

　　在Geomagic Design X软件中导入处理后的点云数据，利用追加平面，重构零件中的平面区域，利用面片草图设置，投影出零件的横截面图形，基于此进行拉伸。对重构得到的模型进行优化处理(填补孔洞、平滑表面、调整细节等),以提高模型的准确性。对逆向建模得到的摘花梳齿模型进行验证和评估，确保满足预期要求和精度标准。

　　3结构优化

　　3.1网格划分

　　在solidworks中打开梳齿模型，点击“Simula-tion”插件按钮，进入分析环境，右键点击“材料”,选择“应用材料到所有”,从材料库中选择“钢材”,设置为静应力分析。再进行网格划分设置，网格划分大小为2 mm,设置好网格参数后，点击“预览"按钮，在模型上预览网格划分效果，点击“确定”按钮，正式生成网格。

　　3.2静应力分析

　　采摘机行进至万寿菊采摘时，随着采摘机的前进，梳齿围绕中心轴旋转，在旋转过程中与花朵接触，通过梳齿的运动将花朵从花托与茎秆连接位置断开，实现采摘。梳齿摘花方式是利用冲击力将花朵摘下4,采摘机的前进速度和梳齿的绕主动轴的旋转速度决定了梳齿对万寿菊采摘作用力的大小，同时还受到生长阶段、环境条件、品种差异等影响。在进行仿真分析时，花朵对梳齿的力选择为20N。完成设置后，点击算例树中的“运行此算例”按钮，进行有限元计算，可通过不同的颜色表示不同的应力大小，查看应力集中区域，见图2。

　　仿真结果显示，摘花梳齿的最大应力小于材料的屈服强度，则在静态载荷下结构不会发生塑性变形。

　　3.3轻量化设计

　　轻量化设计是一种在保证产品性能、功能、安全性的前提下，尽可能降低产品重量的设计方法，达到降低成本并提升产品的整体性能。从静应力分析结果看，摘花梳齿可以通过选用轻质高强材料和尺寸优化(改变厚度)等方面进行轻量化设计，在满足强度和刚度要求的前提下，使结构重量最轻。

　　对摘花梳齿再次进行优化仿真，材料选择“铝合金",能满足摘花梳齿基本的强度要求，还具有良好的加工性能。对厚度进行设置，通过有限元分析软件，模拟梳齿在实际工作中的受力情况，逐步改变厚度尺寸参数，观察应力、应变、变形情况。在保证梳齿不发生过度变形的前提下，找到能满足性能要求的最小尺寸，见图3。

　　结果表明，优化后的摘花梳齿结构质量比原结构减轻68.9%,确保在实现轻量化的同时，摘花梳齿仍能满足强度、刚度、稳定性等性能要求。

　参考文献：

　　[1]于书健.甘肃省陇东地区万寿菊种植气候适应性研究[J].中国农学通报，2024,40(2):97-101.

　　[2]范浩杰，亚森江·白克力，宋玲.梳齿式万寿菊采摘机的设计[J].新疆农机化，2023(4):16-19.

　　[3]王梦熊.一种叉挑式花朵摘取机构及花朵采摘机[P].甘肃省：CN202221203164.0,2022-11-08.

　　[4]姬长英，王春香，顾宝兴，等.手推式杭白菊梳齿摘花机结构设计与试验[J].农业机械学报，2016,47(7):143-150,142.