采棉機核心部件數(shù)控加工工藝設計優(yōu)化

蔣 浩

(長春職業(yè)技術學院，長春 130033)

0 引言

采棉機是一種集采摘、清選、輸送于一體的自動采摘機具，隨著棉花種植業(yè)的發(fā)展，其構造及功能不斷進步。國內外學者均相繼對其展開技術研究，總體而言，分為水平式與垂直式兩種。機械化采摘棉花的原理主要通過機械代替人工依靠帶齒摘錠將棉桃中的棉花取出，采摘機各部件制造與互相裝配精度的好壞決定了采棉機的作業(yè)效果。為進一步優(yōu)化采摘機的部件工作銜接與配合性，提高采棉機的采摘效果，結合現(xiàn)代數(shù)字控制加工工藝理論，從選擇合理的數(shù)控加工方法及路線角度出發(fā)，針對采棉機的核心部件展開設計與優(yōu)化。

1 采棉機結構及工作原理

機械化的采棉機在現(xiàn)代液壓與電氣功能相結合的基礎上，按照其工作需求及采摘棉花的物理特性進行結構與功能實現(xiàn)，主要包括棉花收集裝置、采摘核心裝置、風力輸送裝置及籽棉分離裝置等，整機內部的操控系統(tǒng)由機械液壓與電氣線路共同組成，其外觀如圖1所示。為保證采棉機各關鍵部件設計優(yōu)化的合理性，其采棉型號根據(jù)棉花的物理特性(如品種、密度、高度)、種植的行距和株距、棉花在進入采棉機內部的受力狀況等參數(shù)而定。圖2為采棉機監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖。在CAN總線應用層協(xié)議的條件下，通過人機交互界面、嵌入式控制及核心算法實現(xiàn)采棉控制參數(shù)的獲得，同時可保證采棉機各部件工作過程中工藝的協(xié)調監(jiān)控。

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

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

2 數(shù)控加工工藝設計

2.1 采棉機核心部件

摘錠為采棉機的核心部件之一，在進行采摘過程中，由多個摘錠并排進行采棉，每個摘錠配備耐磨銅套和防塵罩等，在進行機械加工過程中對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)實際情況按比例繪制成型(見圖3)，為提高數(shù)控加工的高加工成功率，在ANSYS分析軟件中進行材質、約束與承受載荷等給定，得出接近實際采棉效果的參數(shù)值及位置關系，為數(shù)控加工工藝設計提供理論依據(jù)。

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

采棉機凸輪結構應當在采棉過程中避免形成共振，對可能受到的共振區(qū)域進行模態(tài)分析?？紤]工作狀態(tài)，得出響應頻率，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)化設計的參考。相關頻率如表1、表2所示。

表1 采棉機凸輪自由模態(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)控加工操作基礎理論，在加工方法、加工刀具、切削參數(shù)為目標的前提下，建立工藝信息模型庫，同時設定提取與映射方法，通過一系列多方對比，形成制造特征工藝重組與優(yōu)化的數(shù)控加工工藝。

采棉機結構化工藝設計流程如圖4所示。

圖4 采棉機結構化工藝設計流程圖Fig.4 Flowchart of the structured process design on the cotton-picking machine

通過工藝模型建立、NC加工工藝設計、工序模型及三維標注、結構化工藝設計形成并進行三維加工仿真，確定誤差在設計要求可控范圍內，最終進行采棉機關鍵部件的實體NC編程與加工。

2.3 優(yōu)化設計模型

在多目標優(yōu)化設計理論基礎上，根據(jù)采棉機核心部件的數(shù)控加工工藝質量要求，保證各要素間的關聯(lián)性與關鍵參數(shù)變化范圍，在工藝成本經(jīng)濟的條件下建立目標函數(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個參數(shù)特性；

ej—第j個參數(shù)要素；

Z—加工工藝參數(shù)改進度；

yi—qi的參數(shù)改進度；

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)特性的相對重要度；

wj—參數(shù)要素的相對重要度；

wij—關聯(lián)系數(shù)。

3 加工試驗

3.1 給定參數(shù)

對采棉機關鍵部件結構優(yōu)化，給定采摘裝置數(shù)控加工參數(shù)，如表3所示。外廓、滾筒及相應的導流板是關鍵控制點，合理的參數(shù)設置使得采棉機的組裝部件牢固、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

對核心部件應用模塊化數(shù)控加工工藝設計理念，通過加工元定義、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設定等項目逐一進行。圖5為采棉機摘錠加工工藝流程簡圖，主要包括定位、粗加工、精加工及精銑與磨削工藝。過程中需要控制給定參數(shù)和工序先后順序。

粗加工精度過濾可表示為

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，進行仿真驗證數(shù)控加工工藝優(yōu)化的可行性。進入數(shù)控加工環(huán)境調節(jié)下開始仿真前的參數(shù)設置，如圖6所示。參數(shù)設置正確可大大縮短仿真的重復性與無效性。

圖5 采棉機摘錠加工工藝流程簡圖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

……

此過程需保證所建模型與導入仿真軟件具有可匹配性與兼容性，失真度小。圖7為擬設計優(yōu)化的采棉機核心部件進行數(shù)控加工仿真的簡要流程。生成刀具軌跡與生成關鍵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)約時間與人工成本，為后期實體加工提供參考。

圖7 采棉機加工仿真簡要流程Fig.7 Brief process of machining simulation of cotton-picking machine

4 結論

通過對采棉機的結構組成與工作原理的深入理解，確定核心部件并進行數(shù)控加工工藝設計。在模塊參數(shù)化數(shù)控加工理論基礎上，建立優(yōu)化設計模型，對采棉機的采摘頭、凸輪及其他核心部件進行實體建模，并設定條件展開加工仿真，可有效降低直接對核心部件進行數(shù)控加工的誤差率。此設計思路可為其他相似農(nóng)用機具的設計優(yōu)化提供一定的參考。