林 源
(長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)春 130033)
自動(dòng)打捆機(jī)作為一種農(nóng)作物后續(xù)收獲機(jī)具,主要用于玉米秸稈、牧草等桿狀作物的收攏與堆集。該機(jī)具的廣泛應(yīng)用可大大減輕作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高農(nóng)作物的撿拾處理效率。查閱資料顯示,當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者多數(shù)集中于利用各類組合功能,將打捆作業(yè)與其他粉碎、分類、包膜等實(shí)現(xiàn)多功能集合,但對(duì)于打捆核心結(jié)構(gòu)的性能更提升研究較少。為此,筆者在數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的基礎(chǔ)上,通過(guò)分析打捆原理,識(shí)別自動(dòng)打捆機(jī)的關(guān)鍵自由曲面,從部件精準(zhǔn)加工的源頭出發(fā)展開(kāi)研究,以提升自動(dòng)打捆機(jī)的安裝與實(shí)地作業(yè)精度。
打捆機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由喂入、輸送、打捆及后期卸載等裝置組成,打捆形式分為圓形與方形,各部件間動(dòng)作的相互協(xié)調(diào)一致性及有效銜接度共同保證自動(dòng)打捆系列動(dòng)作的實(shí)現(xiàn),如圖1所示。圖2為自動(dòng)打捆機(jī)核心控制裝置簡(jiǎn)圖。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下,PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)統(tǒng)籌分配,通過(guò)指令傳遞至變頻裝置、位置與速度等調(diào)整與檢測(cè)單元進(jìn)行作業(yè)分解。
對(duì)打捆壓縮機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵自由曲面進(jìn)行識(shí)別與加工工藝分析,尺寸的配合度可避免喂料與卸料執(zhí)行的堆積或堵塞。表1給出打捆機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)。其關(guān)鍵部件數(shù)控加工遵循功能實(shí)現(xiàn)性及結(jié)構(gòu)合理性原則。
圖1 自動(dòng)打捆機(jī)外觀圖Fig.1 The appearance figure of the automatic bundling machine
圖2 自動(dòng)打捆機(jī)控制裝置簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of the control device of the automatic bundling machine
表1 自動(dòng)打捆機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)Table 1 Related technical parameters of the automatic bundling machine
選取打捆部件的特定自由曲面,建立三維物理模型,如圖3所示。模型建立的準(zhǔn)確性決定算法的穩(wěn)定性與可行性,在擬合精度保證的基礎(chǔ)上,充分考慮自由曲面的臨界相對(duì)曲率變化范圍,通過(guò)適合的插補(bǔ)算法對(duì)曲面進(jìn)行網(wǎng)格劃分,直線段與圓弧段同步進(jìn)行插補(bǔ)擬合,實(shí)現(xiàn)自由曲面的光滑行與連續(xù)性。
圖3 打捆機(jī)關(guān)鍵自由曲面三維模型Fig.3 3D model of the key free surface of bundling machine
針對(duì)自動(dòng)打捆機(jī)關(guān)鍵自由曲面進(jìn)行數(shù)控加工,采用STEP-NC接口將曲面信息發(fā)送至CNC系統(tǒng);在高速進(jìn)給的加工環(huán)境中,不同刀具軌跡的規(guī)劃對(duì)于加工有不同程度的誤差,應(yīng)實(shí)時(shí)考慮相鄰曲面位置刀具點(diǎn)的相對(duì)距離及加工工件與刀具的接觸關(guān)系、刀具接觸點(diǎn)的計(jì)算、參數(shù)點(diǎn)及動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系不斷調(diào)整。由圖4得
(1)
(2)
(3)
圖4 數(shù)控加工殘余高度示意Fig.4 Schematic diagram of the residual height on the NC machining
根據(jù)關(guān)鍵自由曲面特征,在主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量及切削功率等約束條件下,建立理論函數(shù)模型,即
(4)
fmin≤f≤fmax
進(jìn)行自由曲面的數(shù)控加工處理,從插補(bǔ)精度、刀具路徑、切削刀具、加工順序及CNC程序編制5個(gè)方面逐一按照加工工藝要求選擇。圖5為數(shù)控加工曲面刀具實(shí)際切削誤差的示意圖。結(jié)合加工實(shí)際與誤差形成原理,給出打捆機(jī)關(guān)鍵自由曲面的誤差補(bǔ)償原理,如圖6所示。通過(guò)數(shù)據(jù)測(cè)量,對(duì)位置控制點(diǎn)進(jìn)行平滑處理,從而匹配球面半徑補(bǔ)償、誤差分析與路徑補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)曲面擬合的誤差補(bǔ)償。
1.編程軌跡 2.切削軌跡 3.刀具實(shí)際切削軌跡
圖6 自動(dòng)打捆機(jī)關(guān)鍵自由曲面誤差補(bǔ)償原理簡(jiǎn)圖Fig.6 Schematic diagram of error compensation principle of the key free surface of the bundling machine
待誤差與路徑確定,進(jìn)行關(guān)鍵自由曲面數(shù)控程序的編制與調(diào)試,此處給出部分補(bǔ)償代碼:
……
G21G90G54;
M03S500;
G05P10000;
G06.2K0.0X0.0Y150.0F500.0;
K0.0X125.0Y180.0;
K0.0X250.0Y180.0;
K0.0X375.0Y120.0;
K0.333X500.0Y120.0;
K0.667X625.0Y150.0;
K1.0;
K1.0;
K1.0;
K1.0;
G05P0;
G91G28Z0.0;
G28X0.0Y150.0;
M30;
……
進(jìn)行自由曲面的數(shù)控加工,鑒于數(shù)控系統(tǒng)的封閉性與工件不可逆轉(zhuǎn)性,實(shí)時(shí)掌控機(jī)床各坐標(biāo)軸的位置指令,按照預(yù)期設(shè)定目標(biāo),進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。此處列出約束條件的核心算法:
prepare the tool path
while (not end of the tool path) do
compute the intersection of the intervals
if ( intersection is empty) then
while (not the end of the dichotomy) do
j=floor( jmax+jmin)/2)
……
sj+1=smax
end if
end while
對(duì)關(guān)鍵自由曲面的加工實(shí)時(shí)監(jiān)控,圖7為打捆機(jī)關(guān)鍵自由曲面加工實(shí)時(shí)監(jiān)控圖。通過(guò)輸入轉(zhuǎn)換為進(jìn)給脈沖,通過(guò)CNC編程與伺服控制展開(kāi)加工,此過(guò)程中刀具特征、材料特征、主軸轉(zhuǎn)速及背吃刀量等關(guān)鍵參數(shù)的控制與調(diào)整決定加工精度的高低,是實(shí)現(xiàn)自由曲面數(shù)控加工精準(zhǔn)化的重要環(huán)節(jié)。
對(duì)打捆機(jī)關(guān)鍵自由曲面的材料選取C6061合金,導(dǎo)入關(guān)鍵自由曲面曲率分析軟件,獲取曲率分布圖,如圖8所示。根據(jù)自由曲面彎曲位置為數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)提供刀位參考,試驗(yàn)在切削參數(shù)設(shè)置相同的條件下進(jìn)行。
圖7 打捆機(jī)關(guān)鍵自由曲面加工實(shí)時(shí)監(jiān)控圖Fig.7 Processing real-time monitoring chart of the key free surface of the bundling machine
圖8 打捆機(jī)關(guān)鍵自由曲面曲率分布圖Fig.8 The curvature distribution chart of the key free surface of the bundling machine
進(jìn)行自動(dòng)打捆機(jī)關(guān)鍵自由曲面數(shù)控加工試驗(yàn),通過(guò)改變刀具行走路徑記錄數(shù)控切削的長(zhǎng)度、空刀路徑及加工時(shí)間等指標(biāo)信息,進(jìn)行加工性能與優(yōu)越性比較,詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)前述所建立的理論優(yōu)化數(shù)控加工方法,整體加工時(shí)間較常規(guī)加工方法有明顯減少,由4.71min縮短至3.79min;同時(shí),切削長(zhǎng)度經(jīng)合理的規(guī)劃與計(jì)算,由1 821.59mm縮短至1 546.23mm,空刀路徑由245.32mm縮短至86.12mm,關(guān)鍵曲面數(shù)控加工優(yōu)化效果明顯。
表2 關(guān)鍵自由曲面數(shù)控加工不同刀具路徑下的指標(biāo)對(duì)比Table 2 The indexes comparison of the NC machining different tool path of the key free surface
圖9為打捆機(jī)關(guān)鍵自由曲面加工刀具的路徑走式圖。該自由曲面最優(yōu)刀具路徑在Master CAM專業(yè)數(shù)控軟件中通過(guò)給定相適應(yīng)的加工參數(shù)獲得,與傳統(tǒng)的直線加工、平行銑削加工方法相比,刀具運(yùn)動(dòng)路徑更為合理,且提升數(shù)控加工工作效率12%左右。
圖9 打捆機(jī)關(guān)鍵自由曲面加工刀具路徑圖Fig.9 Processing tool path diagram chart of the key free surface of the bundling machine
1)對(duì)自動(dòng)打捆機(jī)原理及構(gòu)成進(jìn)行分析,在打捆機(jī)控制裝置組成與部件協(xié)調(diào)作業(yè)的基礎(chǔ)上,通過(guò)識(shí)別部件關(guān)鍵自由曲面,根據(jù)數(shù)控加工的特點(diǎn)及刀具運(yùn)動(dòng)規(guī)律,建立一種數(shù)控加工優(yōu)化模型。
2)進(jìn)行自由曲面的數(shù)控加工處理,對(duì)位置控制點(diǎn)進(jìn)行平滑處理,進(jìn)而進(jìn)行誤差補(bǔ)償,融入數(shù)控核心控制算法,編制加工程序進(jìn)行仿真試驗(yàn)。
3)給定符合實(shí)際的加工條件,對(duì)關(guān)鍵自由曲面的加工實(shí)時(shí)監(jiān)控,通過(guò)改變刀具行走路徑記錄數(shù)控切削的長(zhǎng)度、空刀路徑及加工時(shí)間等指標(biāo)信息。試驗(yàn)表明:在外界參數(shù)條件控制下,本文提出的優(yōu)化加工路徑具有一定可行性,可為相似曲面數(shù)控加工提供思路與參考。