郝惠東

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 長(zhǎng)治 510030)

0 引言

隨著當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械的不斷發(fā)展與進(jìn)步,其制造的智能化與科學(xué)化在實(shí)際應(yīng)用中起到至關(guān)重要的作用。一部制造精度優(yōu)良的插秧機(jī)可以大大提升其插秧效率與整機(jī)的使用壽命。為此,從能控機(jī)理出發(fā),針對(duì)插秧機(jī)的核心部件展開數(shù)控加工的方法分析,并利用合理有效的加工執(zhí)行方案,對(duì)其核心部件進(jìn)行加工裝配,以期達(dá)到良好的整機(jī)作業(yè)效果。圖1為某型號(hào)插秧機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)示意圖。由圖1可知：在預(yù)設(shè)定的軌跡路線控制下,插秧機(jī)通過各部件的協(xié)調(diào)組合,完成了插秧動(dòng)作,整體美觀整潔、運(yùn)作高效。

圖1 插秧機(jī)作業(yè)示意圖Fig.1 Working schematic diagram of the transplanter

1 工作原理及組成

高性能的插秧機(jī)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)的高度融合,其工作原理主要描述為：在發(fā)動(dòng)機(jī)提供源動(dòng)力的條件下,送秧機(jī)構(gòu)通過秧苗的傳遞送至插秧機(jī)構(gòu),插秧機(jī)構(gòu)以一致的插秧力將秧苗植入土中,從而保證后期的存活率與秧苗間距,完成一次插秧動(dòng)作。插秧機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、行走部、插秧部及其附屬部件組成。表1為擬進(jìn)行數(shù)控加工方法分析的插秧機(jī)核心部件及相關(guān)參數(shù)。其中,插秧深度、插秧速度、橫縱取苗量為衡量插秧機(jī)作業(yè)效率的主要指標(biāo)。在額定的工作能力下,插秧機(jī)各部件的準(zhǔn)確配合可為插秧機(jī)工作效率提升提供技術(shù)基礎(chǔ)。

表1 插秧機(jī)核心部件及參數(shù)Table 1 Main components and parameters of the transplanter

2 能控機(jī)理構(gòu)建

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

針對(duì)插秧機(jī)送秧機(jī)構(gòu)、分插機(jī)構(gòu)中起連接作用的主軸部件及傳遞作用的插植臂部件,結(jié)合數(shù)控加工原理,從能效控制角度分析,并考慮工藝參數(shù)對(duì)能控與時(shí)間的影響因素,建立插秧機(jī)數(shù)控加工能控機(jī)理數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中vc—機(jī)床切削速度;

f—機(jī)床進(jìn)給量;

ap—切削深度;

n—主軸轉(zhuǎn)速;

fz—所在傳動(dòng)軸的單位齒進(jìn)給量;

ae—切削寬度;

SEC—加工總比能值;

Tp—總加工時(shí)間;

fv—機(jī)床進(jìn)給速度;

η—機(jī)床功率有效系數(shù);

Fc—主切削力;

Fs—主軸剛度允許的最大切削力;

La—刀具的前角;

Ca—刀具的后角;

[Ra]—待加工部件允許的最大粗糙度。

針對(duì)插秧機(jī)各工序組件與工作狀態(tài)的關(guān)系,形成如表2所示的加工工步能耗狀態(tài)。針對(duì)基本能耗組件、與工步無關(guān)的組件、與工步相關(guān)的組件、主軸及進(jìn)給軸5大組件給出能耗運(yùn)行狀態(tài),以Y表示能耗處于運(yùn)行狀態(tài),以N表示能耗處于非運(yùn)行狀態(tài)。其中,接近與遠(yuǎn)離工步下的能耗一致,且多數(shù)處于能耗運(yùn)行,加工工步、輔助工步能耗均較大,主要包含必要與非必要環(huán)節(jié),本課題針對(duì)非必要環(huán)節(jié)進(jìn)行能控優(yōu)化分析。

2.2 物理模型建立

插秧機(jī)核心部件加工的材料選取與尺寸參數(shù)對(duì)于數(shù)控加工執(zhí)行的有效性起關(guān)鍵作用,為更加準(zhǔn)確地選取相適應(yīng)的數(shù)控加工方法,筆者利用三維軟件UG得到插秧機(jī)執(zhí)行部件裝配后的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖,如圖2所示。設(shè)置合理的刀具與加工工藝路線,直觀方便地仿真加工插秧機(jī)核心部件,可預(yù)知數(shù)控加工過程的能耗量,并基于能控機(jī)理進(jìn)一步調(diào)整實(shí)體工件加工制造的參數(shù)與路線,從而實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)整機(jī)加工裝配的最佳。

表2 插秧機(jī)部件在加工工步中的能耗狀態(tài)Table 2 Energy consumption state of the transplanter components in processing steps

圖2 插秧機(jī)執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Movement schematic diagram of the performing components of the transplanter

2.3 加工方法分析

依據(jù)能控?cái)?shù)學(xué)模型對(duì)加工方法進(jìn)行分析,結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn),將各工步提煉為符合加工精度要求的有向序列PMF(加工方案)為

mWS1→nWS2→lWS3→kWS4

(2)

式中WS1—粗加工工步;

WS2—半精加工工步;

WS3—精加工工步;

WS4—其他必要加工工步;

m,n,l,k—參數(shù)值,取0或者1。

按照上述方法進(jìn)行特征有序加工,相鄰工步之間允許插入其他加工動(dòng)作,共同執(zhí)行完成插秧機(jī)核心部件的數(shù)控加工,以滿足后期各部件的組裝與作業(yè)要求。

進(jìn)行插秧機(jī)核心部件的數(shù)控加工,各項(xiàng)工藝參數(shù)的能控優(yōu)化形成系統(tǒng)科學(xué)的體系管理,數(shù)控加工方法分析從數(shù)據(jù)采集、信息處理與用戶界面3個(gè)層面進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化：采集能控考慮機(jī)床功率的最大化和加工時(shí)間控制的準(zhǔn)確性;信息處理考慮能耗信息、機(jī)床設(shè)備、刀具、工藝及工件的相關(guān)信息,通過優(yōu)化目標(biāo)與算法實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工方法選擇的最優(yōu)性;用戶執(zhí)行考慮工藝制定、傳遞與變更的實(shí)時(shí)性等,從而最終達(dá)到最佳的能控優(yōu)化數(shù)控加工方案。

針對(duì)數(shù)控機(jī)床在加工過程中最佳工藝參數(shù)設(shè)定環(huán)節(jié),形成插秧機(jī)核心部件加工參數(shù)設(shè)計(jì)流程簡(jiǎn)圖,如圖3所示。通過核心算法優(yōu)化確保符合加工要求,得出與之相匹配的最佳參數(shù)組合,屬于能控消耗的體現(xiàn),基于能控機(jī)理的數(shù)控加工,數(shù)控機(jī)床執(zhí)行系統(tǒng)、潤(rùn)滑輔助、能控顯示的設(shè)備啟動(dòng)消耗必不可少,通過設(shè)計(jì)優(yōu)化緊湊合理的工序與參數(shù),最大限度降低銑削加工過程的能耗,確保程序、工件及刀具的配合科學(xué)化。

以機(jī)床在進(jìn)行數(shù)控加工過程中的耗能構(gòu)成(見圖4)為前提,從待機(jī)功率消耗、空載功率消耗、切削功率及附加載荷功率等方面多次論證,以各加工工序所定目標(biāo)為基準(zhǔn),在工藝參數(shù)選定條件下進(jìn)行加工程序編制,以G/M方式表示。此處給出加工程序指令片段：

…

O0001

N10 G92 X0 Y0 Z100.

N15 G90 G17 G00 Z100.

N20 M03 S1231

N30 G01 X0 Y-40 F305.7

N31 Z15.

…

N320 S1107

N325 G00 X0 Y0 Z100.

N330 X0 Y-26.

N335 G01 Z-4.0 F305.7

N340 X65.

N345 Y45.

N350 X105.

N335 Y-25.

N360 G00 X60 Y-25.

N365 G01 Z-7.8 F305.7

N370 Y45.

N375 X115.

N380 Y-25.

…

3 能控加工試驗(yàn)

3.1 條件設(shè)置

進(jìn)行插秧機(jī)核心部件的能控加工試驗(yàn)。圖5為能控系統(tǒng)下的插秧機(jī)部件數(shù)控加工裝置,配備了具有準(zhǔn)確實(shí)時(shí)反映加工信息與加工狀態(tài)的能控系統(tǒng),在滿足加工工藝要求和加工機(jī)床的客觀前提下,設(shè)定約束條件。

圖5 能控系統(tǒng)下的插秧機(jī)部件數(shù)控加工裝置Fig.5 CNC machining equipment for the transplanter parts under the energy control system

對(duì)于機(jī)床參數(shù)與刀具參數(shù)提出如下要求：

1)機(jī)床主電機(jī)功率在2.2kW以上;

2)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速范圍為2 000～280 000r/min;

3)機(jī)床進(jìn)給速度為1～6 500mm/min;

4)加工刀具的最大直徑12mm;

5)加工刀具的螺旋角為30°等。

3.2 過程分析

通過數(shù)控加工,在總加工時(shí)間一致的情況下,利用控制面板變換加工工藝參數(shù)組合,主軸轉(zhuǎn)速變換范圍選取1 300～1 600r/min,進(jìn)給量控制在0.20～0.30mm/z之間,切削深度范圍選取0.6～1.2mm得到如表3所示的總比能數(shù)據(jù)。經(jīng)計(jì)算可知：理論模型建立正確,且在數(shù)控加工試驗(yàn)條件下所得能效SEC與理論計(jì)算值的誤差控制在±2%范圍內(nèi),表明基于能控機(jī)理加工插秧機(jī)核心部件采取數(shù)控加工方法具有可行性。

表3 不同工藝參數(shù)組合下的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Energy consumption state of the transplanter components in processing steps

為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)控加工方法的合理性,選取整體能耗、加工精度和整體能效作為評(píng)價(jià)指標(biāo),經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到如表4所示的插秧機(jī)核心部件(旋轉(zhuǎn)主軸)數(shù)控加工能效評(píng)價(jià)一覽表。

表4 插秧機(jī)核心部件數(shù)控加工的能效評(píng)價(jià)Table 4 Energy efficiency evaluation of NC machining on core components of the transplanter

在加工精度以百分比為衡量標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換條件下,整體能耗由能控機(jī)理應(yīng)用前的4 751.25kJ降低至4 365.10kJ,整體能效則由能控機(jī)理應(yīng)用前的4.17J/mm3提升至4.81J/mm3,數(shù)控加工方法指導(dǎo)下部件加工效率改善效果明顯。

另一方面,從加工物料去除率MRR角度考慮,記錄加工數(shù)據(jù),形成能控機(jī)理下插秧機(jī)部件數(shù)控加工效率與物料去除率MRR之間的關(guān)系曲線,主要選取切削加工時(shí)段與刀具更換時(shí)段的能耗值進(jìn)行分析,得出加工總的能量消耗Etotal與總的加工比能值SEC的變化趨勢(shì)。由圖6可知：整體的SEC隨著MRR增大不斷降低,兩者成負(fù)相關(guān);而Etotal的變化與Ecutting和Etc的大小有關(guān),呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì),說明數(shù)控加工工藝與參數(shù)的控制與調(diào)整對(duì)于能效最優(yōu)化有重要的影響。

圖6 能控機(jī)理下插秧機(jī)部件數(shù)控加工效率與MRR的關(guān)系變化Fig.6 Relation changes between CNC machining efficiency and MRR of the transplanter components under the energy control mechanism

4 結(jié)論

1) 通過掌握插秧機(jī)各部件的組成及工作原理,結(jié)合當(dāng)前較為先進(jìn)的能控機(jī)理,建立插秧機(jī)核心部件數(shù)控加工的能控?cái)?shù)學(xué)模型,并利用UG軟件得出插秧機(jī)核心部件的裝配加工物理模型。

2) 深層次進(jìn)行數(shù)控加工方法對(duì)比分析,從各加工工步順序,對(duì)加工能耗進(jìn)行構(gòu)成梳理,并對(duì)加工路線進(jìn)行合理規(guī)劃。進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)控加工試驗(yàn),選取物料去除率、切削能耗、換刀能耗與加工總比能值進(jìn)行關(guān)系分析,得出基于能控機(jī)理的加工方法可行。

3) 從能耗與能效控制機(jī)理角度,對(duì)插秧機(jī)的數(shù)控加工過程進(jìn)行分析,可為插秧機(jī)提高制造精度提供新的思路,亦對(duì)其他重要農(nóng)業(yè)機(jī)具的設(shè)計(jì)制造提供參考。