自動打捆機(jī)的關(guān)鍵自由曲面數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用

林 源

(長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長春 130033)

0 引言

自動打捆機(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、包膜等實現(xiàn)多功能集合，但對于打捆核心結(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，通過分析打捆原理，識別自動打捆機(jī)的關(guān)鍵自由曲面，從部件精準(zhǔn)加工的源頭出發(fā)展開研究，以提升自動打捆機(jī)的安裝與實地作業(yè)精度。

1 自動打捆機(jī)工作原理

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，各部件間動作的相互協(xié)調(diào)一致性及有效銜接度共同保證自動打捆系列動作的實現(xiàn)，如圖1所示。圖2為自動打捆機(jī)核心控制裝置簡圖。在電機(jī)驅(qū)動下，PLC自動控制系統(tǒng)統(tǒng)籌分配，通過指令傳遞至變頻裝置、位置與速度等調(diào)整與檢測單元進(jìn)行作業(yè)分解。

對打捆壓縮機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵自由曲面進(jìn)行識別與加工工藝分析，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)控加工遵循功能實現(xiàn)性及結(jié)構(gòu)合理性原則。

圖1 自動打捆機(jī)外觀圖Fig.1 The appearance figure of the automatic bundling machine

圖2 自動打捆機(jī)控制裝置簡圖Fig.2 Schematic diagram of the control device of the automatic bundling machine

表1 自動打捆機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)Table 1 Related technical parameters of the automatic bundling machine

2 關(guān)鍵自由曲面加工

2.1 模型建立

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曲率變化范圍，通過適合的插補(bǔ)算法對曲面進(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

針對自動打捆機(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)劃對于加工有不同程度的誤差，應(yīng)實時考慮相鄰曲面位置刀具點(diǎn)的相對距離及加工工件與刀具的接觸關(guān)系、刀具接觸點(diǎn)的計算、參數(shù)點(diǎn)及動態(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

2.2 數(shù)控加工處理

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)控加工曲面刀具實際切削誤差的示意圖。結(jié)合加工實際與誤差形成原理，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。通過數(shù)據(jù)測量，對位置控制點(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.刀具實際切削軌跡

圖6 自動打捆機(jī)關(guān)鍵自由曲面誤差補(bǔ)償原理簡圖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;

……

2.3 數(shù)控加工核心算法

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，實時掌控機(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。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

3 加工試驗

3.1 試驗條件

對關(guān)鍵自由曲面的加工實時監(jiān)控，圖7為打捆機(jī)關(guān)鍵自由曲面加工實時監(jiān)控圖。通過輸入轉(zhuǎn)換為進(jìn)給脈沖，通過CNC編程與伺服控制展開加工，此過程中刀具特征、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，是實現(xiàn)自由曲面數(shù)控加工精準(zhǔn)化的重要環(huán)節(jié)。

對打捆機(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)計提供刀位參考，試驗在切削參數(shù)設(shè)置相同的條件下進(jìn)行。

圖7 打捆機(jī)關(guān)鍵自由曲面加工實時監(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

3.2 試驗分析

進(jìn)行自動打捆機(jī)關(guān)鍵自由曲面數(shù)控加工試驗，通過改變刀具行走路徑記錄數(shù)控切削的長度、空刀路徑及加工時間等指標(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，整體加工時間較常規(guī)加工方法有明顯減少，由4.71min縮短至3.79min；同時，切削長度經(jīng)合理的規(guī)劃與計算，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

4 結(jié)論

1)對自動打捆機(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，通過識別部件關(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。

3)給定符合實際的加工條件，對關(guān)鍵自由曲面的加工實時監(jiān)控，通過改變刀具行走路徑記錄數(shù)控切削的長度、空刀路徑及加工時間等指標(biāo)信息。試驗表明：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。