采棉機摘錠鉤齒群快速成型方法研究

余松林，劉海初，黃 勇，王 宏

（新疆工程學院工程技能實訓學院，新疆 烏魯木齊 830023）

1 引言

棉花產(chǎn)業(yè)在我國農(nóng)牧業(yè)中占有舉足輕重的地位，隨著農(nóng)業(yè)機械裝備的發(fā)展，機械采摘是目前棉花采摘的主要手段［1］。據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，新疆種植近1000萬畝棉花幾乎實現(xiàn)了機械采摘。摘錠是采棉機的核心零部件，它不僅決定籽棉采摘率，還決定棉花采摘過程中的脫棉率。目前在新疆生產(chǎn)建設兵團擁有大型采棉機約2000臺，每臺采棉機通常配置約2800根摘錠［2］。由于摘錠工作環(huán)境惡劣，常因為鉤齒磨損、鉤齒折斷或頭部斷裂而失效，導致更換頻繁需求量大［3-4］。

摘錠制造工藝過程復雜，錐齒輪相對于鉤齒部分使用壽命長，便于再制造。為了降低成本，部分企業(yè)將錐齒部分設計成可拆卸式，但鉤齒群加工仍然是摘錠加工的難題。文獻［3］對采棉機摘錠進行了逆向反求設計和五軸加工仿真研究，五軸加工中心摘錠光桿銑齒雖然精度高，但是生產(chǎn)成本高，只有一個工位，加工效率低。文獻［4］對摘錠的加工工藝進行了深入研究并對其夾具結構進行了設計，銑齒分度通過定位銷完成，加工效率和精度也很難保證。

這里通過對摘錠鉤齒群加工工藝分析，提出摘錠鉤齒群快速成型機理，建立摘錠成型刀具模型和機床模型，并采用Robotic toolbox和NX10.0驗證了模型建立的正確性和鉤齒群快速成型的可行性，為摘錠錐齒部分實現(xiàn)再制造，鉤齒群實現(xiàn)快速成型的加工方式提供了理論依據(jù)和技術支撐。

2 摘錠鉤齒成型工藝分析

鉤齒是摘錠工作的關鍵部位，工作中經(jīng)常因為鉤齒的磨損和折斷而導致摘錠失效，因此對摘錠鉤齒群的成型研究至關重要。摘錠整體輪廓細長，頭部成錐形，鉤齒群相對軸線成120°圓周均布，如圖1所示。

圖1 摘錠示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Spindle

由局部放大圖A可知，鉤齒是由兩側拔模角度不等的斜槽與豎槽交匯而成，因此研究鉤齒群成型等同于研究斜槽豎槽的加工。摘錠整體輪廓細長，成型過程中會因為剛度差而出現(xiàn)振動，直接影響鉤齒群的成型精度，若先加工豎槽，材料的去除會使得摘錠的剛性更差，斜槽的加工精度和加工效率更難保證，因此先加工斜槽比先加工豎槽更合理。

2.1 斜槽成型工藝分析

斜槽截面輪廓較小，兩側不等的拔模角度決定了不能采用常規(guī)刀具加工。從加工精度和加工效率綜合考慮采用圖2所示的鋸片銑刀鋸齒側面角度與斜槽兩側拔模角度保持一致的成型法較為合理［5］。由于摘錠具有鉤齒多，前傾角同向，齒距相等的特征，若只對每個鉤齒逐個加工，會出現(xiàn)多次進退刀，非切削路徑過長，加工效率較低。經(jīng)綜合分析，采用圖3所示刀片間隔與鉤齒齒距相等的刀片組一次成型較為合理。成型刀片組首先與摘錠頭部接觸，隨后依次切入，整個切削過程始終保持（1～3）個刀片工作。采用此成型法，讓待加工材料保留在零件裝夾一側，刀片組中相鄰刀片逐漸切入切出，不僅可以挺好加工效率，還可以減小加工過程中摘錠的變形量和切削過程中刀片和工件突然接觸產(chǎn)生的震動，有利于提高刀具使用壽命和工件加工質量［6］。

圖2 斜槽切削分析示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Chute Cutting Analysis Chute

圖3 斜槽成型示意圖Fig.3 Helical Tooth Cutting Schematic Diagram

2.2 豎槽加工工藝分析

三個豎槽相對于軸線成圓周陣列，加工方法相同，如圖4（a）所示。豎槽由側面和底平面兩個要素構成，底平面與摘錠中心層共面，最大寬度約1mm，側面最大高度約3mm。針對此輪廓用采用立銑刀平面加工較為合理，豎槽切削加工示意圖，如圖4（b）所示。刀具從摘錠的頂端圓弧切入至摘錠加工裝夾端，這種切削路徑可以讓待加工材料始終保持在裝夾端，一定程度上保持摘錠剛性，降低切削過程中的振動。

圖4 豎槽加工分析示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Vertical Groove Machining

3 刀具與機床設計

3.1 刀具設計

通過對鉤齒群成型工藝分析可知，斜槽加工需要采用專用刀具才能保證加工精度和加工效率。斜槽加工刀具結構示意圖，如圖5所示。刀片組中刀片間距需要與鉤齒齒距保持一致，可以在刀片3端面設計凸臺，確保刀片間距與鉤齒齒距相等。刀片組采用鍵5與刀桿6鏈接，由于刀桿鍵槽加工時會在臺階處會產(chǎn)生與鍵槽銑刀等半徑的圓角，鍵連接時矩形鍵不能完全置入，在臺階處則需裝配一個厚度大于鍵槽圓角半徑的工藝墊片4。為了防止加工過程中因切削振動導致刀片松動或竄動，需通過螺帽1和彈簧墊片2緊固刀片組，確保刀片組與刀桿連接安全可靠。刀桿6與標準刀柄7錐度配合，螺栓8 通過刀柄7端面沉頭孔將刀桿和刀柄連接，拉釘9通過螺紋連接刀柄8最終實現(xiàn)如圖5（b）所示裝配。

圖5 斜齒加工刀具示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Helical Tooth Machining Tool

3.2 機床設計

提高采棉機摘錠制造裝備的自動化程度是保證摘錠加工質量和生產(chǎn)效率的關鍵，控制成型刀具的姿態(tài)是保證摘錠加工精度的必要條件。由鉤齒群成型工藝分析可知，鉤齒群成型采用傳統(tǒng)制造工藝需要臥銑和立銑兩道工序才能完成，不但加工效率低而且制造精度差。由鉤齒群幾何特征分布可知，夾持摘錠夾具應該具備分度功能，成型刀具軸線與水平面和摘錠軸向同時保證一定的傾斜角度，由以上分析構思出一種摘錠鉤齒群快速成型機床模型，通過雙主軸和多工位機床實現(xiàn)與機器人協(xié)同，提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率，如圖6所示。

圖6 機床工作機理分析示意圖Fig.6 Schematic Diagram of the Mechanism Analysis of Machine Tool

3.2.1 機床工作機理

機床的工位數(shù)決定機床的設計難度和機械手完成零件卸裝的緩沖時間。結合摘錠鉤齒群成型的單位時間和零件的裝拆時間及機器人工作范圍確定為四工位較為合適。為了實現(xiàn)摘錠鉤齒群多工位快速定位和一次成型，設計如圖6 放大圖A所示，通過控制C軸，D軸，E軸的關節(jié)角度保證成型刀軸S2的加工姿態(tài)，X、Y、Z三個線性軸保證可變軸S2的定位與走刀，B軸分度依次完成三組鉤齒群的成型加工。S2加工完1 號和2 號工位斜槽后，經(jīng)線性軸軸聯(lián)動快速定位后，由主軸S1協(xié)同B軸分度分別完成1 號和2 號三個豎槽的加工。1 號和2 號工位成型結束，E軸快速旋轉180°，按照同樣的工藝過程實現(xiàn)對3 號和4 號工位的零件加工。主軸S1在加工3 號和4 號工位摘錠豎槽的同時，帶浮動夾頭的機械手則可完成1 號和2 號工位的零件拆裝工作。

3.2.2 回轉工作臺技術要求及結構設計

為了提高鋰電池充電的快速性、效率以及消除鋰電池充電過程中極化關系導致溫升過高等問題,提出了基于田口法的鋰電池快速充電的方法。通過正交實驗優(yōu)化以及建立模糊控制器得出五階電流的優(yōu)化值、去極化脈沖的幅值以及正負脈沖的間隔時長,最終消除極化負脈沖產(chǎn)生的寬度以及時機,從而實現(xiàn)鋰電池的快速充電,并通過實驗對該方法的有效性進行驗證。

四工位回轉工作臺是摘錠鉤齒群快速成型機床的關鍵，四工位回轉工作臺設計如圖6放大圖C所示，采用蝸輪蝸桿副和齒輪副，結構簡單緊湊、減振性好、傳動平穩(wěn)、自鎖性能好、定位精度高。伺服電機將動力通過聯(lián)軸器傳遞給蝸桿，蝸輪蝸桿副實現(xiàn)第一級減速，再通過蝸輪前后端的齒輪副實現(xiàn)第二級減速將動力分別傳遞到各工位。

F軸主要實現(xiàn)快速定位，如圖6放大圖D所示，伺服電機與蝸桿聯(lián)結，通過渦輪蝸桿副將動力傳遞給回轉工作臺。這種傳動鏈設計結構簡單、響應快速快，蝸輪蝸桿實現(xiàn)自鎖，充分滿足回轉軸F軸的使用要求。

3.2.3 機床三自由度可變軸運動學模型建立

可變軸S2主要實現(xiàn)斜槽成型，成型刀具的加工姿態(tài)需要回轉軸C軸、D軸和E軸控制，鉤齒群的幾何特征決定了成型刀具加工的姿態(tài)。令水平面，斜槽底面與槽底垂直面三平面相交線所成的夾角為α，斜槽相對軸線的斜角為γ，如圖7所示，刀具末端P（Px，Py，Pz）點坐標相對于世界坐標系O0X0Y0Z0依次繞X軸旋轉-90°，繞Z軸旋轉-δ，繞Y軸旋轉-ε，最后平移（Px，Py，Pz）可得到刀具成型姿態(tài)［8］。

圖7 刀具位姿示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Cutter Posture

根據(jù)圖7所示空間幾何關系，經(jīng)計算可得：

P（Px，Py，Pz）點坐標相對于世界坐標O0X0Y0Z0的變換矩陣如下：

圖8 可變軸坐標變換示意圖Fig.8 Variable Axis Coordinate Transform Sketch

4 仿真驗證

4.1 機床三自由度運動學仿真驗證

由式（1）、式（2）可得：δ=38.7，ε=6.0956。定義刀具末端相對世界坐標位置：

將參數(shù)代入（4）可得：

將數(shù)據(jù)導出可得刀具處于加工姿態(tài)時，C軸、D軸、E軸的角度分別為：

代入（4）式得：

對比可知在仿真驗證過程，根據(jù)給定姿態(tài)先逆解再正解，會出現(xiàn)計算誤差累積，但最終計算結果與給定位姿矩陣基本保持一致。

圖9 角度變化曲線Fig.9 Angle Change Curve

4.2 鉤齒群成型仿真驗證

通過NX10.0完成了機床和刀具建模，通過運動仿真模塊創(chuàng)建連桿，分別定義S1軸、S2軸、A軸、B軸、C軸、D軸、E軸、F軸，齒輪、蝸輪、蝸桿為旋轉副，X軸、Y軸、Z軸定義為滑動副，運動副定義，如圖10所示。

圖10 運動副定義Fig.10 Definition of Kinematic Pair

根據(jù)摘錠鉤齒群成型工藝定義驅動函數(shù)，刀具切削毛坯的過程就是干涉的過程。通過運動仿真的干涉功能實現(xiàn)刀具與毛坯干涉，經(jīng)布爾運算求解可得仿真加工零件。斜槽仿真加工干涉過程，如圖11所示。

圖11 仿真干涉Fig.11 Slot Simulation Interference

摘錠斜槽和豎槽仿真干涉模型，如圖12、圖13 所示。經(jīng)測量，仿真干涉成型三維模型與原模型尺寸完全一致，進一步驗證了機床和刀具設計的正確性，鉤齒群成型工藝合理性。

圖12 斜槽仿真干涉Fig.12 Slot Simulation Interference

圖13 豎槽仿真干涉Fig.13 Vertical Groove Simulation Interference

5 總結

分析了摘錠鉤齒群的成型工藝，提出了全新的鉤齒群快速成型方法，并建立刀具模型，機床模型和機床三自由度可變軸運動學模型，并通過Robotic toolbox 和NX10.0 仿真驗證得出以下結論：

（1）采用鋸片銑刀組成型摘錠鉤齒群是提高摘錠鉤齒群加工精度和效率的有效途徑；

（2）三自由度可變軸和固定軸分別對斜齒群和豎槽成型的制造工藝合理可行；

（3）基于刀具工作姿態(tài)，建立了正確的三自由度可變軸控制刀具運動學模型，機床模型和刀具模型設計合理，為后續(xù)研究奠定了理論基礎。