蔣 浩

(長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130033)

0 引言

采棉機(jī)是一種集采摘、清選、輸送于一體的自動(dòng)采摘機(jī)具，隨著棉花種植業(yè)的發(fā)展，其構(gòu)造及功能不斷進(jìn)步。國(guó)內(nèi)外學(xué)者均相繼對(duì)其展開(kāi)技術(shù)研究，總體而言，分為水平式與垂直式兩種。機(jī)械化采摘棉花的原理主要通過(guò)機(jī)械代替人工依靠帶齒摘錠將棉桃中的棉花取出，采摘機(jī)各部件制造與互相裝配精度的好壞決定了采棉機(jī)的作業(yè)效果。為進(jìn)一步優(yōu)化采摘機(jī)的部件工作銜接與配合性，提高采棉機(jī)的采摘效果，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字控制加工工藝?yán)碚?，從選擇合理的數(shù)控加工方法及路線角度出發(fā)，針對(duì)采棉機(jī)的核心部件展開(kāi)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

1 采棉機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

機(jī)械化的采棉機(jī)在現(xiàn)代液壓與電氣功能相結(jié)合的基礎(chǔ)上，按照其工作需求及采摘棉花的物理特性進(jìn)行結(jié)構(gòu)與功能實(shí)現(xiàn)，主要包括棉花收集裝置、采摘核心裝置、風(fēng)力輸送裝置及籽棉分離裝置等，整機(jī)內(nèi)部的操控系統(tǒng)由機(jī)械液壓與電氣線路共同組成，其外觀如圖1所示。為保證采棉機(jī)各關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)優(yōu)化的合理性，其采棉型號(hào)根據(jù)棉花的物理特性(如品種、密度、高度)、種植的行距和株距、棉花在進(jìn)入采棉機(jī)內(nèi)部的受力狀況等參數(shù)而定。圖2為采棉機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖。在CAN總線應(yīng)用層協(xié)議的條件下，通過(guò)人機(jī)交互界面、嵌入式控制及核心算法實(shí)現(xiàn)采棉控制參數(shù)的獲得，同時(shí)可保證采棉機(jī)各部件工作過(guò)程中工藝的協(xié)調(diào)監(jiān)控。

圖1 采棉機(jī)外觀圖Fig.1 The appearance figure of the cotton-picking machine

圖2 采棉機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖Fig.2 The composition block diagram of monitoring system of the cotton-picking machine

2 數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)

2.1 采棉機(jī)核心部件

摘錠為采棉機(jī)的核心部件之一，在進(jìn)行采摘過(guò)程中，由多個(gè)摘錠并排進(jìn)行采棉，每個(gè)摘錠配備耐磨銅套和防塵罩等，在進(jìn)行機(jī)械加工過(guò)程中對(duì)各部分的尺寸與配合具有較高的精度要求。摘錠的形狀建模在三維環(huán)境下根據(jù)實(shí)際情況按比例繪制成型(見(jiàn)圖3)，為提高數(shù)控加工的高加工成功率，在ANSYS分析軟件中進(jìn)行材質(zhì)、約束與承受載荷等給定，得出接近實(shí)際采棉效果的參數(shù)值及位置關(guān)系，為數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖3 采棉機(jī)采摘裝置三維模型Fig.3 3D model of the picking device of cotton-picking machine

采棉機(jī)凸輪結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)在采棉過(guò)程中避免形成共振，對(duì)可能受到的共振區(qū)域進(jìn)行模態(tài)分析?？紤]工作狀態(tài)，得出響應(yīng)頻率，從而確定薄弱區(qū)域主要在凸輪的螺孔連接處及受力嚙合區(qū)，作為后續(xù)凸輪的數(shù)控加工工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)的參考。相關(guān)頻率如表1、表2所示。

表1 采棉機(jī)凸輪自由模態(tài)下的固有頻率數(shù)據(jù)Table 1 Frequency data of the cam of cotton-picking machine under the free model

表2 采棉機(jī)凸輪約束模態(tài)下的固有頻率數(shù)據(jù)Table 2 Frequency data of the cam of cotton-picking machine under the restrain model

2.2 數(shù)控加工工藝

依據(jù)數(shù)控加工操作基礎(chǔ)理論，在加工方法、加工刀具、切削參數(shù)為目標(biāo)的前提下，建立工藝信息模型庫(kù)，同時(shí)設(shè)定提取與映射方法，通過(guò)一系列多方對(duì)比，形成制造特征工藝重組與優(yōu)化的數(shù)控加工工藝。

采棉機(jī)結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 采棉機(jī)結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 Flowchart of the structured process design on the cotton-picking machine

通過(guò)工藝模型建立、NC加工工藝設(shè)計(jì)、工序模型及三維標(biāo)注、結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)形成并進(jìn)行三維加工仿真，確定誤差在設(shè)計(jì)要求可控范圍內(nèi)，最終進(jìn)行采棉機(jī)關(guān)鍵部件的實(shí)體NC編程與加工。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

在多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)上，根據(jù)采棉機(jī)核心部件的數(shù)控加工工藝質(zhì)量要求，保證各要素間的關(guān)聯(lián)性與關(guān)鍵參數(shù)變化范圍，在工藝成本經(jīng)濟(jì)的條件下建立目標(biāo)函數(shù)，即

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

i=1,2,…,m

(7)

鑒于不同的參數(shù)要素的工藝水平要求不同，給定約束條件，即

(8)

j=1,2,…,n

(9)

式中qi—第i個(gè)參數(shù)特性；

ej—第j個(gè)參數(shù)要素；

Z—加工工藝參數(shù)改進(jìn)度；

yi—qi的參數(shù)改進(jìn)度；

xj0—參數(shù)要素目前水平；

xjmin—參數(shù)要素最低水平；

xjmax-參數(shù)要素最高水平；

Δxj—參數(shù)要素水平變化率；

vi—參數(shù)特性的相對(duì)重要度；

wj—參數(shù)要素的相對(duì)重要度；

wij—關(guān)聯(lián)系數(shù)。

3 加工試驗(yàn)

3.1 給定參數(shù)

對(duì)采棉機(jī)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，給定采摘裝置數(shù)控加工參數(shù)，如表3所示。外廓、滾筒及相應(yīng)的導(dǎo)流板是關(guān)鍵控制點(diǎn)，合理的參數(shù)設(shè)置使得采棉機(jī)的組裝部件牢固、采摘效果最佳，各部件使用壽命在參數(shù)匹配條件下得到優(yōu)化。

表3 采棉機(jī)采摘裝置數(shù)控加工參數(shù)Table 3 NC machining parameter of the picking device of the cotton-picking machine

對(duì)核心部件應(yīng)用模塊化數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)理念，通過(guò)加工元定義、工藝路徑規(guī)劃、匹配工序模型、讀取加工元信息、創(chuàng)建加工操作與刀具軌跡自動(dòng)設(shè)定等項(xiàng)目逐一進(jìn)行。圖5為采棉機(jī)摘錠加工工藝流程簡(jiǎn)圖，主要包括定位、粗加工、精加工及精銑與磨削工藝。過(guò)程中需要控制給定參數(shù)和工序先后順序。

粗加工精度過(guò)濾可表示為

SR(FQ,FC)=1,TR(FC)?D(FQ)

SR(FQ,FC)=0,其它

精加工精度過(guò)濾可表示為

SR(FQ,FC)=1，

SR(FQ,FC)=0，其它

3.2 數(shù)控編程及仿真

確定工藝路線及加工方法后，進(jìn)行仿真驗(yàn)證數(shù)控加工工藝優(yōu)化的可行性。進(jìn)入數(shù)控加工環(huán)境調(diào)節(jié)下開(kāi)始仿真前的參數(shù)設(shè)置，如圖6所示。參數(shù)設(shè)置正確可大大縮短仿真的重復(fù)性與無(wú)效性。

圖5 采棉機(jī)摘錠加工工藝流程簡(jiǎn)圖Fig.5 Schematic the process flow diagram of the spindle of cotton-picking machine

圖6 數(shù)控加工仿真參數(shù)設(shè)置Fig.6 Parameter setting of the numerical control machining simulation

給出部分程序代碼：

……

N10G90G54G00Z100.000

N12S500M03

N14X112.000Y3.104Z100.000

N16Z10.500

N18G01Z0.500F1000

……

N1284Y10.508

N1286X41.494

N1288Z10.000F2000

N1290G00Z100.000

N1292M05

N1294M30

……

此過(guò)程需保證所建模型與導(dǎo)入仿真軟件具有可匹配性與兼容性，失真度小。圖7為擬設(shè)計(jì)優(yōu)化的采棉機(jī)核心部件進(jìn)行數(shù)控加工仿真的簡(jiǎn)要流程。生成刀具軌跡與生成關(guān)鍵G代碼是優(yōu)化數(shù)控加工工藝后的成果，前后工序的一致與銜接為加工仿真節(jié)約時(shí)間與人工成本，為后期實(shí)體加工提供參考。

圖7 采棉機(jī)加工仿真簡(jiǎn)要流程Fig.7 Brief process of machining simulation of cotton-picking machine

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)采棉機(jī)的結(jié)構(gòu)組成與工作原理的深入理解，確定核心部件并進(jìn)行數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)。在模塊參數(shù)化數(shù)控加工理論基礎(chǔ)上，建立優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，對(duì)采棉機(jī)的采摘頭、凸輪及其他核心部件進(jìn)行實(shí)體建模，并設(shè)定條件展開(kāi)加工仿真，可有效降低直接對(duì)核心部件進(jìn)行數(shù)控加工的誤差率。此設(shè)計(jì)思路可為其他相似農(nóng)用機(jī)具的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一定的參考。