籽棉回潮率自動測量裝備的試驗研究

王夢　劉克毅　坎雜　李成松　王麗紅

摘 要：為探索籽棉回潮率自動測量裝備的工作性能，結(jié)合前期虛擬樣機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能分析，完成了籽棉回潮率自動測量裝備物理樣機的搭建；按照整機操作規(guī)程，以單車測量時間和測量精度為試驗指標，進行了整機性能試驗研究，試驗結(jié)果表明：單車測量時間為228秒，測量精度為98.9%，該裝備的研究對提高測量效率、減輕勞動強度，實現(xiàn)籽棉回潮率的自動化和智能化測量具有重要意義。

關(guān)鍵詞：籽棉回潮率；測量裝備；試驗研究

棉花作為新疆的支柱產(chǎn)業(yè)，對于新疆的經(jīng)濟建設(shè)具有重要推動作用和戰(zhàn)略意義。籽棉收購作為棉花產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)，對于穩(wěn)定棉花市場、保障市場供應(yīng)具有重要作用。已采收的籽棉通過運棉車裝載運送至棉花加工廠進行交易，其回潮率的測量是籽棉貿(mào)易結(jié)算的重要依據(jù)，影響著交易雙方的經(jīng)濟利益，是交易雙方關(guān)注的焦點。但目前此過程的進行還依靠人工利用手持式籽棉回潮儀進行測量，存在的以人力為主、測量數(shù)據(jù)人為誤差大、測量方法不夠規(guī)范、勞動強度大、自動化信息化程度低等問題，制約了新疆棉花加工廠籽棉交易自動化和智能化的發(fā)展。因此，研究一種籽棉回潮率自動測量裝備，可多點多層次的測量籽棉回潮率，并具有對采集的數(shù)據(jù)進行記錄、統(tǒng)計、儲存等功能，是籽棉回潮率自動化測量的發(fā)展方向之一。本研究根據(jù)前期設(shè)計的籽棉回潮率自動測量裝備，完成了物理樣機的搭建，并進行試驗研究，驗證了理論設(shè)計的可行性，確定了整機工作性能參數(shù)，為進一步完善和優(yōu)化裝備奠定了一定基礎(chǔ)。

1 整機工作原理

籽棉回潮率自動測量裝備包括機械系統(tǒng)（機械裝置極其控制系統(tǒng)）和信息管理系統(tǒng)，機械系統(tǒng)用于裝卡回潮率采集儀器，并帶動其在三維空間里自由動作，實現(xiàn)采集儀器的隨機定位；信息管理系統(tǒng)用于采集儀器測量結(jié)果的顯示、統(tǒng)計、儲存和查詢等，實現(xiàn)測量結(jié)果的信息化管理；從而集成一套能夠快速測量多點、多層次運棉車內(nèi)籽棉回潮率的自動測量裝備，可以降低人力測量所引起的誤差，實現(xiàn)運棉車內(nèi)籽棉回潮率的自動化測量。

工作時，運棉車合理停至于機械裝置（圖1）下方——運行機械裝置控制系統(tǒng)人機操作界面（圖2）——點擊總開關(guān)（設(shè)備通電，準備啟動）——點擊開始測量按鈕（系統(tǒng)產(chǎn)生X、Y方向上運動的隨機值，并賦予PLC，實現(xiàn)X、Y方向的隨機運動，X、Y方向運行完畢后，Z方向上開始定量運動，從而使回潮率采集儀器插入運棉車內(nèi)，進行數(shù)據(jù)采集）——系統(tǒng)停頓30秒（即Z方向運動完畢，籽棉回潮率采集儀器插入運棉車內(nèi)，運行信息管理系統(tǒng)（圖3），點擊采集數(shù)據(jù)——點擊數(shù)據(jù)采集界面的開始采集按鈕（圖4）——測量結(jié)果通過藍牙傳輸至信息管理管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集界面，后續(xù)可進行統(tǒng)計、保存、查詢、打印等操作）——測量儀器從運棉車內(nèi)抽出，設(shè)備歸為初始狀態(tài)，運棉車開出機械裝置，完成本次運棉車籽棉回潮率的測量，等待下次測量，設(shè)備操作流程如圖5。

2 物理樣機的實現(xiàn)

籽棉回潮率自動測量裝備物理樣機的實現(xiàn)，主要包括機械裝置及其控制系統(tǒng)的搭建。機械裝置的機架采用80×80×5的型鋼制成，絲杠采用45號鋼制成，螺母采用35號鋼制成，其余零部件采用普通碳鋼制成，驅(qū)動電機采用Y系列三相異步電動機Y90S-4：額定功率1.1千瓦、滿載轉(zhuǎn)速1400轉(zhuǎn)/分鐘、額定轉(zhuǎn)矩2.3牛米，減速器采用微型蝸輪蝸桿減速器NMRV-063-7.5-DZ1-Y1.1KW-4P-B1：中心距為63毫米、速比為7.5、單輸出形式。根據(jù)Solidworks設(shè)計模型，輸出機械裝置工程圖紙，進行零部件的加工制作，在此基礎(chǔ)上完成了機械裝置的安裝、調(diào)試。

機械裝置控制系統(tǒng)從PLC、交流接觸器、熔斷器、行程開關(guān)等硬件選擇，到電機控制原理圖、I/O分布與外部接線圖的繪制，以及控制系統(tǒng)實現(xiàn)程序的編寫，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)硬件的搭建。

集成機械裝置及其控制系統(tǒng)，完成籽棉回潮率自動測量裝備物理樣機的搭建（圖6），測量裝備的外形尺寸如表1。

3 試驗研究

3.1 試驗?zāi)康?/p>

試驗研究是機械設(shè)計、加工制作、安裝調(diào)試、改進優(yōu)化必不可少的組成部分之一。籽棉回潮率自動測量裝備的設(shè)計以采集效率高、可靠性高為目的，本次試驗的目的是檢驗籽棉回潮率自動測量裝備的單車測量時間、測量精度等性能參數(shù)是否滿足技術(shù)要求。

3.2 試驗準備與條件

（1）本次試驗所采用的儀器、儀表應(yīng)首先檢驗是否符合試驗所需精度，其次應(yīng)檢驗所用儀器儀表是否合格并在有效的使用期限內(nèi)。測試用主要儀器儀表見表2。

（2）空載（無實物）試驗時應(yīng)保證機械裝置內(nèi)無人員或其他障礙物，以免傷人傷物和損壞設(shè)備。

（3）滿載（有實物）時，滿載運棉車車廂尺寸應(yīng)滿足表3。

（4）對測試期間出現(xiàn)的一切異常現(xiàn)象，均應(yīng)詳細記錄。

（5）試驗條件如表4。

3.3 試驗方法

目前國內(nèi)未見籽棉回潮率自動測量裝備試驗方法行業(yè)標準，本試驗方法的設(shè)計參考GB/T5667-2008《農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)試驗方法》以及GB/T 5262-2008《農(nóng)業(yè)機械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》，同時結(jié)合籽棉回潮率自動測量裝備的結(jié)構(gòu)特點、工作原理、設(shè)計參數(shù)以及作業(yè)性能，制訂籽棉回潮率測量裝備試驗方法。選擇單車測量時間、測量精度作為試驗指標。

3.3.1 單車測量時間 單車測量時間是指本次運棉車從停至于測量裝置下至測量完畢開出測量裝置時所需的時間。該時間影響到裝置是否能滿足實際生產(chǎn)需求，單車測量時間單位為秒。

3.3.2 測量精度 測量精度是指整機采用機械驅(qū)動講采集儀器插入運棉車內(nèi)測量的結(jié)果與手動插入測量存在的差異，測量精度可按式（1）進行計算。

（1）

式中：a為測量精度（%）；A為機械驅(qū)動測量值（%）；A0為手動驅(qū)動測量值（%）。

3.4 試驗結(jié)果分析

在前期空載調(diào)試（圖7），確定整機性能無誤后，進行了測量裝備的驗證試驗（圖8）。

本次驗證性試驗共進行了20組，單車測量時間和測量精度的試驗數(shù)據(jù)如表5和表6。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析計算，可得整機性能參數(shù)（表7）。

試驗結(jié)果表明：（1）集成機械裝置、機械裝置控制系統(tǒng)以及信息管理系統(tǒng)的籽棉回潮率自動測量設(shè)備是切實可行的，且采集效率高、運行可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)運棉車內(nèi)籽棉回潮率多點多層次的測量，提高了采集效率、降低了勞動強度。（2）整機的實際性能指標能夠滿足理論設(shè)計的要求，驗證了理論設(shè)計的可行性。

4 結(jié)論

本研究基于籽棉回潮率自動測量裝備的虛擬樣機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能分析，進行了物理樣機的搭建；為驗證理論設(shè)計的可行性（技術(shù)要求：單車測量時間≤240秒，測量精度≥98%）和整機工作性能參數(shù)的確定，嚴格按照整機操作規(guī)程，以技術(shù)要求的兩個指標為試驗指標，進行了試驗研究，試驗結(jié)果表明：單車測量時間為228秒，測量精度為98.9%，滿足設(shè)計要求，驗證了理論設(shè)計的可行性，為整機性能的進一步優(yōu)化，實現(xiàn)籽棉回潮率的自動化和智能化的測量具有重要意義，為將研究成果最終推向市場奠定了基礎(chǔ)。

基金項目：科技支疆計劃項目（2014AB029）。

作者簡介：王夢（1990- ），女，助教，碩士，從事現(xiàn)代機械設(shè)計的研究。Tel：15899256955，E-mail：727991831@qq.com