[发明专利]一种基于牛磨牙几何特征的胶体磨机磨头仿生设计方法

说明书

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。

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。