籽棉回潮率自動測量裝置的設(shè)計

王夢+坎雜+李成松+王麗紅+趙毅兵

摘要：目前新疆運棉車內(nèi)籽棉回潮率主要依靠人工利用手持式籽棉回潮儀進(jìn)行測量，測量效率低、勞動強(qiáng)度大。設(shè)計了1種運棉車內(nèi)籽棉回潮率自動測量裝置，介紹了其結(jié)構(gòu)特點及工作原理，該裝置為實現(xiàn)運棉車內(nèi)籽棉回潮率的自動化、智能化測量奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：籽棉回潮率；測量裝置；機(jī)械裝置；控制系統(tǒng)；設(shè)計

中圖分類號：S226.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1002-1302（2014）11-0428-03

2013年新疆維吾爾自治區(qū)棉花總產(chǎn)量高達(dá)340萬t，已占據(jù)全國半壁江山，棉花收入占新疆農(nóng)民收入的35%左右，在南疆某些棉花主產(chǎn)縣甚至占到50%～70%。籽棉收購作為棉花產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)，對穩(wěn)定棉花市場、保護(hù)棉農(nóng)利益、保障市場供應(yīng)具有重要作用。籽棉通常采用運棉車裝載至棉花加工廠，運棉車內(nèi)籽棉回潮率是交易雙方關(guān)注的焦點。目前籽棉回潮率基本依靠人工利用手持式籽棉回潮儀進(jìn)行測量，這種測量方式存在以下問題：每次僅能對單點數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，需要多次采集求平均，采集時間長、效率低；勞動強(qiáng)度大，采集深度低，運棉車內(nèi)部數(shù)據(jù)難以采集[1-2]。本研究設(shè)計了一種運棉車內(nèi)籽棉回潮率自動測量裝置，旨在為促進(jìn)籽棉交易自動化、智能化發(fā)展提供依據(jù)。

1整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

將數(shù)據(jù)采集儀器安裝在籽棉回潮率自動測量裝置上，在該裝置的帶動下可以實現(xiàn)運棉車內(nèi)籽棉回潮率多點多層次[LL]自動化測量，因此該裝置需要在三維空間里實現(xiàn)x、y、z方向的往復(fù)直線運動，該裝置包括機(jī)械裝置、控制系統(tǒng)2個部分。機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)目前新疆地區(qū)普遍使用的運棉車結(jié)構(gòu)，機(jī)械系統(tǒng)有頂層、側(cè)面2個工作面，接下來以頂層工作面為例闡釋機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)及工作原理。機(jī)架1是機(jī)械裝置的支撐部件，x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)2安裝于機(jī)架1的頂層，通過軸承銷與球面軸承連接；y方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)3安裝于x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)2上，通過軸承銷與球面軸承連接；z方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)4安裝于y方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)3上，通過螺栓連接，各部件間均方便組裝及拆卸，由電機(jī)提供動力，每個方向的運動調(diào)整機(jī)構(gòu)均配有若干電機(jī)。該裝置利用絲杠螺母機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動，以傳遞運動為主，類似機(jī)床工作臺的進(jìn)給絲杠，即電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動，從而帶動含有傳動螺母的其他傳動部件運動，將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，具有速度快、可連續(xù)工作等特點。

工作時，運棉車停置于機(jī)架1正下方，電機(jī)提供動力輸入，橫梁5、支座6、卡具7分別屬于x、y、z方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)中的一部分，x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)2使橫梁5沿縱梁x方向作雙向直線運動；y方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)3使支座6沿橫梁y方向作雙向直線運動；z方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)4使卡具7沿垂直z方向作雙向直線運動，從而帶動數(shù)據(jù)采集儀器在三維空間里自由動作（圖2）。

2機(jī)械裝置關(guān)鍵部件的設(shè)計

根據(jù)新疆運棉車的結(jié)構(gòu)及尺寸，機(jī)架設(shè)計為龍門桁架式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，由21根長短不一的方鋼組成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可確保運棉車順利從機(jī)架下方通過。為方便運輸、組裝、拆卸，各方鋼間采用固定板及螺栓連接，機(jī)架在整個工作過程中起到支撐作用。

2.1x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)

由圖3可知，x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)前后左右結(jié)構(gòu)基本對稱，只有一端安裝電機(jī)減速器組、鏈傳動組。鏈傳動組2的主動鏈輪通過鍵與電機(jī)減速器組1輸出軸直接相連，從動鏈輪通過鍵與絲杠組2直接相連；球面軸承組5外置于橫梁4兩端的下方，橫梁與機(jī)架連接；傳動螺母6置于橫梁的兩端，通過螺栓固定，絲杠組3與傳動螺母6配合裝配。工作時，電機(jī)提供動力輸入，并通過鏈輪組將動力均勻傳動給絲杠組，絲杠組通過橫梁內(nèi)置的傳動螺母，推動橫梁沿x方向做往復(fù)直線運動。

2.1.1絲杠螺母機(jī)構(gòu)

絲杠螺母機(jī)構(gòu)共有4種基本傳動形式，如圖4所示，本裝置采用第2種即絲杠轉(zhuǎn)動、螺母移動的傳動形式，其特點是結(jié)構(gòu)緊湊、絲杠剛性較好、工作行程大，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛，但需要限制螺母的轉(zhuǎn)動，故需導(dǎo)向裝置[3-4]。

為減小絲杠旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量，絲杠組3由兩根絲杠組成，通過聯(lián)軸器連接，與傳動螺母組成絲杠螺母機(jī)構(gòu)，如圖5所示，機(jī)架縱梁充當(dāng)導(dǎo)向裝置，是x方向運動過程中主要的傳動機(jī)構(gòu)。根據(jù)實際測量需求及整機(jī)測量時間（控制在4min左右），選擇螺距為12mm的梯形螺紋絲杠，傳動螺母與絲杠配合選擇，可達(dá)到較高的傳動效率。

2.1.2球面軸承組

如圖6所示，球面軸承組由軸承1、軸承銷2、鎖緊螺母3、下板4、上板5、連接板6、連接軸銷7組成，球面軸承組通過連接板、連接軸銷、螺栓跟橫梁連接。連接軸銷使球面軸承組在安裝時減少了約束，便于安裝且具有調(diào)整作用，當(dāng)絲杠螺母結(jié)構(gòu)與球面軸承組在運動過程中出現(xiàn)相對偏移時，連接軸銷可在一定程度上調(diào)整球面軸承組的偏移量，減少絲杠受扭曲的程度；球面軸承與機(jī)架側(cè)梁的接觸方式為線面接觸，工作時可及時調(diào)整接觸線，減少運行阻力。

2.2y方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)

y方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖7所示，安裝于x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)上，主要由電機(jī)減速器組1、絲杠組2、支座3、球面軸承組4、傳動螺母5組成。電機(jī)減速器組1安裝于橫梁的一端，絲杠組2與減速器輸出端口直接相連，支架3通過球面軸承組4與橫梁（圖3）連接，球面軸承組4的上板與支架3焊接，傳動螺母5通過連接板、螺栓與球面軸承組4相連。工作時，電機(jī)驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動含有螺母的支座沿y方向做往復(fù)直線運動。y方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)的絲杠組2與x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)的絲杠組原理和結(jié)構(gòu)相同，含有2根絲杠，以橫梁充當(dāng)導(dǎo)向裝置；球面軸承組4也與x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)的球面軸承組（圖6）原理及結(jié)構(gòu)相同。

2.3z方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)

z方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖8所示，由電機(jī)減速器組1、絲杠2、傳動螺母3、光桿4、直線軸承5、卡具6組成。電機(jī)減速器組1與絲杠2直接相連，傳動螺母3、直線軸承5均內(nèi)置于卡具6，分別與絲杠2、光桿4配合連接，卡具6的一端用來裝卡數(shù)據(jù)采集儀器，光桿4充當(dāng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向裝置。工作時電機(jī)驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動，從而帶動卡具在z方向做往復(fù)直線運動。

3控制系統(tǒng)

機(jī)械裝置的動力主要由電機(jī)提供，因此控制系統(tǒng)主要控制電機(jī)，來實現(xiàn)x、y、z方向的自由運動。本裝置共有12個電機(jī)，頂層工作面與側(cè)工作面各有7、5個。機(jī)械系統(tǒng)電機(jī)序號如圖9所示，控制1號、2號電機(jī)在x方向做往復(fù)直線運動，控制3～6號電機(jī)在y方向做往復(fù)直線運動，控制7～12號電機(jī)在z方向做往復(fù)直線運動。

運棉車內(nèi)籽棉回潮率主要采用隨機(jī)取點方式進(jìn)行測量，運行精度要求不高，電機(jī)采用750W三相異步交流電機(jī)，減速器為渦輪減速器；為提高系統(tǒng)可靠性，采用PLC來實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及順序動作控制[5]。工作時，1～6號電機(jī)同時動作，PLC給1～6號電機(jī)1個隨機(jī)的時間值，每個電機(jī)按這個時間值運動一定距離，判定1～6號電機(jī)均已運行完畢后，7～12號電機(jī)同時開始動作，每個電機(jī)按一定且相同的時間運行完畢后，停頓30s供數(shù)據(jù)采集儀器測量數(shù)據(jù)，測量完畢后，7～12號電機(jī)反轉(zhuǎn)使數(shù)據(jù)采集儀器抽出回歸原位，隨后1～6號電機(jī)反轉(zhuǎn)回歸原位，至此1次測量過程結(jié)束。

4結(jié)論

本研究設(shè)計的籽棉回潮率自動測量裝置，可一次性對6處回潮率進(jìn)行測量，實現(xiàn)了運棉車內(nèi)籽棉回潮率多點多層次自動化測量，提高了測量效率及自動化程度。

參考文獻(xiàn)：[HJ1.8mm]

[1]張明柱.新技術(shù)在電測器上的應(yīng)用研究[J].中國纖檢，2012（13）：68-69.

[2]張建柱.我國棉花回潮率電測器技術(shù)發(fā)展綜述[J].中國棉花加工，2010（5）：20-22.

[3]孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]翟志恒，葛正浩，張凱凱，等.絲杠螺母驅(qū)動平行四桿升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計與分析[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，30（1）：36-39.

[5]趙中敏，張秋云，楊廣才.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)床電器，2007（2）：37-46.endprint

摘要：目前新疆運棉車內(nèi)籽棉回潮率主要依靠人工利用手持式籽棉回潮儀進(jìn)行測量，測量效率低、勞動強(qiáng)度大。設(shè)計了1種運棉車內(nèi)籽棉回潮率自動測量裝置，介紹了其結(jié)構(gòu)特點及工作原理，該裝置為實現(xiàn)運棉車內(nèi)籽棉回潮率的自動化、智能化測量奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：籽棉回潮率；測量裝置；機(jī)械裝置；控制系統(tǒng)；設(shè)計

中圖分類號：S226.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1002-1302（2014）11-0428-03

2013年新疆維吾爾自治區(qū)棉花總產(chǎn)量高達(dá)340萬t，已占據(jù)全國半壁江山，棉花收入占新疆農(nóng)民收入的35%左右，在南疆某些棉花主產(chǎn)縣甚至占到50%～70%。籽棉收購作為棉花產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)，對穩(wěn)定棉花市場、保護(hù)棉農(nóng)利益、保障市場供應(yīng)具有重要作用。籽棉通常采用運棉車裝載至棉花加工廠，運棉車內(nèi)籽棉回潮率是交易雙方關(guān)注的焦點。目前籽棉回潮率基本依靠人工利用手持式籽棉回潮儀進(jìn)行測量，這種測量方式存在以下問題：每次僅能對單點數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，需要多次采集求平均，采集時間長、效率低；勞動強(qiáng)度大，采集深度低，運棉車內(nèi)部數(shù)據(jù)難以采集[1-2]。本研究設(shè)計了一種運棉車內(nèi)籽棉回潮率自動測量裝置，旨在為促進(jìn)籽棉交易自動化、智能化發(fā)展提供依據(jù)。

1整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

將數(shù)據(jù)采集儀器安裝在籽棉回潮率自動測量裝置上，在該裝置的帶動下可以實現(xiàn)運棉車內(nèi)籽棉回潮率多點多層次[LL]自動化測量，因此該裝置需要在三維空間里實現(xiàn)x、y、z方向的往復(fù)直線運動，該裝置包括機(jī)械裝置、控制系統(tǒng)2個部分。機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)目前新疆地區(qū)普遍使用的運棉車結(jié)構(gòu)，機(jī)械系統(tǒng)有頂層、側(cè)面2個工作面，接下來以頂層工作面為例闡釋機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)及工作原理。機(jī)架1是機(jī)械裝置的支撐部件，x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)2安裝于機(jī)架1的頂層，通過軸承銷與球面軸承連接；y方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)3安裝于x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)2上，通過軸承銷與球面軸承連接；z方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)4安裝于y方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)3上，通過螺栓連接，各部件間均方便組裝及拆卸，由電機(jī)提供動力，每個方向的運動調(diào)整機(jī)構(gòu)均配有若干電機(jī)。該裝置利用絲杠螺母機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動，以傳遞運動為主，類似機(jī)床工作臺的進(jìn)給絲杠，即電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動，從而帶動含有傳動螺母的其他傳動部件運動，將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，具有速度快、可連續(xù)工作等特點。

工作時，運棉車停置于機(jī)架1正下方，電機(jī)提供動力輸入，橫梁5、支座6、卡具7分別屬于x、y、z方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)中的一部分，x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)2使橫梁5沿縱梁x方向作雙向直線運動；y方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)3使支座6沿橫梁y方向作雙向直線運動；z方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)4使卡具7沿垂直z方向作雙向直線運動，從而帶動數(shù)據(jù)采集儀器在三維空間里自由動作（圖2）。

2機(jī)械裝置關(guān)鍵部件的設(shè)計

根據(jù)新疆運棉車的結(jié)構(gòu)及尺寸，機(jī)架設(shè)計為龍門桁架式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，由21根長短不一的方鋼組成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可確保運棉車順利從機(jī)架下方通過。為方便運輸、組裝、拆卸，各方鋼間采用固定板及螺栓連接，機(jī)架在整個工作過程中起到支撐作用。

2.1x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)

由圖3可知，x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)前后左右結(jié)構(gòu)基本對稱，只有一端安裝電機(jī)減速器組、鏈傳動組。鏈傳動組2的主動鏈輪通過鍵與電機(jī)減速器組1輸出軸直接相連，從動鏈輪通過鍵與絲杠組2直接相連；球面軸承組5外置于橫梁4兩端的下方，橫梁與機(jī)架連接；傳動螺母6置于橫梁的兩端，通過螺栓固定，絲杠組3與傳動螺母6配合裝配。工作時，電機(jī)提供動力輸入，并通過鏈輪組將動力均勻傳動給絲杠組，絲杠組通過橫梁內(nèi)置的傳動螺母，推動橫梁沿x方向做往復(fù)直線運動。

2.1.1絲杠螺母機(jī)構(gòu)

絲杠螺母機(jī)構(gòu)共有4種基本傳動形式，如圖4所示，本裝置采用第2種即絲杠轉(zhuǎn)動、螺母移動的傳動形式，其特點是結(jié)構(gòu)緊湊、絲杠剛性較好、工作行程大，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛，但需要限制螺母的轉(zhuǎn)動，故需導(dǎo)向裝置[3-4]。

為減小絲杠旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量，絲杠組3由兩根絲杠組成，通過聯(lián)軸器連接，與傳動螺母組成絲杠螺母機(jī)構(gòu)，如圖5所示，機(jī)架縱梁充當(dāng)導(dǎo)向裝置，是x方向運動過程中主要的傳動機(jī)構(gòu)。根據(jù)實際測量需求及整機(jī)測量時間（控制在4min左右），選擇螺距為12mm的梯形螺紋絲杠，傳動螺母與絲杠配合選擇，可達(dá)到較高的傳動效率。

2.1.2球面軸承組

如圖6所示，球面軸承組由軸承1、軸承銷2、鎖緊螺母3、下板4、上板5、連接板6、連接軸銷7組成，球面軸承組通過連接板、連接軸銷、螺栓跟橫梁連接。連接軸銷使球面軸承組在安裝時減少了約束，便于安裝且具有調(diào)整作用，當(dāng)絲杠螺母結(jié)構(gòu)與球面軸承組在運動過程中出現(xiàn)相對偏移時，連接軸銷可在一定程度上調(diào)整球面軸承組的偏移量，減少絲杠受扭曲的程度；球面軸承與機(jī)架側(cè)梁的接觸方式為線面接觸，工作時可及時調(diào)整接觸線，減少運行阻力。

2.2y方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)

y方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖7所示，安裝于x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)上，主要由電機(jī)減速器組1、絲杠組2、支座3、球面軸承組4、傳動螺母5組成。電機(jī)減速器組1安裝于橫梁的一端，絲杠組2與減速器輸出端口直接相連，支架3通過球面軸承組4與橫梁（圖3）連接，球面軸承組4的上板與支架3焊接，傳動螺母5通過連接板、螺栓與球面軸承組4相連。工作時，電機(jī)驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動含有螺母的支座沿y方向做往復(fù)直線運動。y方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)的絲杠組2與x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)的絲杠組原理和結(jié)構(gòu)相同，含有2根絲杠，以橫梁充當(dāng)導(dǎo)向裝置；球面軸承組4也與x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)的球面軸承組（圖6）原理及結(jié)構(gòu)相同。

2.3z方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)

z方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖8所示，由電機(jī)減速器組1、絲杠2、傳動螺母3、光桿4、直線軸承5、卡具6組成。電機(jī)減速器組1與絲杠2直接相連，傳動螺母3、直線軸承5均內(nèi)置于卡具6，分別與絲杠2、光桿4配合連接，卡具6的一端用來裝卡數(shù)據(jù)采集儀器，光桿4充當(dāng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向裝置。工作時電機(jī)驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動，從而帶動卡具在z方向做往復(fù)直線運動。

3控制系統(tǒng)

機(jī)械裝置的動力主要由電機(jī)提供，因此控制系統(tǒng)主要控制電機(jī)，來實現(xiàn)x、y、z方向的自由運動。本裝置共有12個電機(jī)，頂層工作面與側(cè)工作面各有7、5個。機(jī)械系統(tǒng)電機(jī)序號如圖9所示，控制1號、2號電機(jī)在x方向做往復(fù)直線運動，控制3～6號電機(jī)在y方向做往復(fù)直線運動，控制7～12號電機(jī)在z方向做往復(fù)直線運動。

運棉車內(nèi)籽棉回潮率主要采用隨機(jī)取點方式進(jìn)行測量，運行精度要求不高，電機(jī)采用750W三相異步交流電機(jī)，減速器為渦輪減速器；為提高系統(tǒng)可靠性，采用PLC來實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及順序動作控制[5]。工作時，1～6號電機(jī)同時動作，PLC給1～6號電機(jī)1個隨機(jī)的時間值，每個電機(jī)按這個時間值運動一定距離，判定1～6號電機(jī)均已運行完畢后，7～12號電機(jī)同時開始動作，每個電機(jī)按一定且相同的時間運行完畢后，停頓30s供數(shù)據(jù)采集儀器測量數(shù)據(jù)，測量完畢后，7～12號電機(jī)反轉(zhuǎn)使數(shù)據(jù)采集儀器抽出回歸原位，隨后1～6號電機(jī)反轉(zhuǎn)回歸原位，至此1次測量過程結(jié)束。

4結(jié)論

本研究設(shè)計的籽棉回潮率自動測量裝置，可一次性對6處回潮率進(jìn)行測量，實現(xiàn)了運棉車內(nèi)籽棉回潮率多點多層次自動化測量，提高了測量效率及自動化程度。

參考文獻(xiàn)：[HJ1.8mm]

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[3]孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]翟志恒，葛正浩，張凱凱，等.絲杠螺母驅(qū)動平行四桿升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計與分析[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，30（1）：36-39.

[5]趙中敏，張秋云，楊廣才.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)床電器，2007（2）：37-46.endprint

摘要：目前新疆運棉車內(nèi)籽棉回潮率主要依靠人工利用手持式籽棉回潮儀進(jìn)行測量，測量效率低、勞動強(qiáng)度大。設(shè)計了1種運棉車內(nèi)籽棉回潮率自動測量裝置，介紹了其結(jié)構(gòu)特點及工作原理，該裝置為實現(xiàn)運棉車內(nèi)籽棉回潮率的自動化、智能化測量奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：籽棉回潮率；測量裝置；機(jī)械裝置；控制系統(tǒng)；設(shè)計

中圖分類號：S226.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1002-1302（2014）11-0428-03

2013年新疆維吾爾自治區(qū)棉花總產(chǎn)量高達(dá)340萬t，已占據(jù)全國半壁江山，棉花收入占新疆農(nóng)民收入的35%左右，在南疆某些棉花主產(chǎn)縣甚至占到50%～70%。籽棉收購作為棉花產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)，對穩(wěn)定棉花市場、保護(hù)棉農(nóng)利益、保障市場供應(yīng)具有重要作用。籽棉通常采用運棉車裝載至棉花加工廠，運棉車內(nèi)籽棉回潮率是交易雙方關(guān)注的焦點。目前籽棉回潮率基本依靠人工利用手持式籽棉回潮儀進(jìn)行測量，這種測量方式存在以下問題：每次僅能對單點數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，需要多次采集求平均，采集時間長、效率低；勞動強(qiáng)度大，采集深度低，運棉車內(nèi)部數(shù)據(jù)難以采集[1-2]。本研究設(shè)計了一種運棉車內(nèi)籽棉回潮率自動測量裝置，旨在為促進(jìn)籽棉交易自動化、智能化發(fā)展提供依據(jù)。

1整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

將數(shù)據(jù)采集儀器安裝在籽棉回潮率自動測量裝置上，在該裝置的帶動下可以實現(xiàn)運棉車內(nèi)籽棉回潮率多點多層次[LL]自動化測量，因此該裝置需要在三維空間里實現(xiàn)x、y、z方向的往復(fù)直線運動，該裝置包括機(jī)械裝置、控制系統(tǒng)2個部分。機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)目前新疆地區(qū)普遍使用的運棉車結(jié)構(gòu)，機(jī)械系統(tǒng)有頂層、側(cè)面2個工作面，接下來以頂層工作面為例闡釋機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)及工作原理。機(jī)架1是機(jī)械裝置的支撐部件，x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)2安裝于機(jī)架1的頂層，通過軸承銷與球面軸承連接；y方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)3安裝于x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)2上，通過軸承銷與球面軸承連接；z方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)4安裝于y方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)3上，通過螺栓連接，各部件間均方便組裝及拆卸，由電機(jī)提供動力，每個方向的運動調(diào)整機(jī)構(gòu)均配有若干電機(jī)。該裝置利用絲杠螺母機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動，以傳遞運動為主，類似機(jī)床工作臺的進(jìn)給絲杠，即電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動，從而帶動含有傳動螺母的其他傳動部件運動，將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，具有速度快、可連續(xù)工作等特點。

工作時，運棉車停置于機(jī)架1正下方，電機(jī)提供動力輸入，橫梁5、支座6、卡具7分別屬于x、y、z方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)中的一部分，x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)2使橫梁5沿縱梁x方向作雙向直線運動；y方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)3使支座6沿橫梁y方向作雙向直線運動；z方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)4使卡具7沿垂直z方向作雙向直線運動，從而帶動數(shù)據(jù)采集儀器在三維空間里自由動作（圖2）。

2機(jī)械裝置關(guān)鍵部件的設(shè)計

根據(jù)新疆運棉車的結(jié)構(gòu)及尺寸，機(jī)架設(shè)計為龍門桁架式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，由21根長短不一的方鋼組成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可確保運棉車順利從機(jī)架下方通過。為方便運輸、組裝、拆卸，各方鋼間采用固定板及螺栓連接，機(jī)架在整個工作過程中起到支撐作用。

2.1x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)

由圖3可知，x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)前后左右結(jié)構(gòu)基本對稱，只有一端安裝電機(jī)減速器組、鏈傳動組。鏈傳動組2的主動鏈輪通過鍵與電機(jī)減速器組1輸出軸直接相連，從動鏈輪通過鍵與絲杠組2直接相連；球面軸承組5外置于橫梁4兩端的下方，橫梁與機(jī)架連接；傳動螺母6置于橫梁的兩端，通過螺栓固定，絲杠組3與傳動螺母6配合裝配。工作時，電機(jī)提供動力輸入，并通過鏈輪組將動力均勻傳動給絲杠組，絲杠組通過橫梁內(nèi)置的傳動螺母，推動橫梁沿x方向做往復(fù)直線運動。

2.1.1絲杠螺母機(jī)構(gòu)

絲杠螺母機(jī)構(gòu)共有4種基本傳動形式，如圖4所示，本裝置采用第2種即絲杠轉(zhuǎn)動、螺母移動的傳動形式，其特點是結(jié)構(gòu)緊湊、絲杠剛性較好、工作行程大，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛，但需要限制螺母的轉(zhuǎn)動，故需導(dǎo)向裝置[3-4]。

為減小絲杠旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量，絲杠組3由兩根絲杠組成，通過聯(lián)軸器連接，與傳動螺母組成絲杠螺母機(jī)構(gòu)，如圖5所示，機(jī)架縱梁充當(dāng)導(dǎo)向裝置，是x方向運動過程中主要的傳動機(jī)構(gòu)。根據(jù)實際測量需求及整機(jī)測量時間（控制在4min左右），選擇螺距為12mm的梯形螺紋絲杠，傳動螺母與絲杠配合選擇，可達(dá)到較高的傳動效率。

2.1.2球面軸承組

如圖6所示，球面軸承組由軸承1、軸承銷2、鎖緊螺母3、下板4、上板5、連接板6、連接軸銷7組成，球面軸承組通過連接板、連接軸銷、螺栓跟橫梁連接。連接軸銷使球面軸承組在安裝時減少了約束，便于安裝且具有調(diào)整作用，當(dāng)絲杠螺母結(jié)構(gòu)與球面軸承組在運動過程中出現(xiàn)相對偏移時，連接軸銷可在一定程度上調(diào)整球面軸承組的偏移量，減少絲杠受扭曲的程度；球面軸承與機(jī)架側(cè)梁的接觸方式為線面接觸，工作時可及時調(diào)整接觸線，減少運行阻力。

2.2y方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)

y方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖7所示，安裝于x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)上，主要由電機(jī)減速器組1、絲杠組2、支座3、球面軸承組4、傳動螺母5組成。電機(jī)減速器組1安裝于橫梁的一端，絲杠組2與減速器輸出端口直接相連，支架3通過球面軸承組4與橫梁（圖3）連接，球面軸承組4的上板與支架3焊接，傳動螺母5通過連接板、螺栓與球面軸承組4相連。工作時，電機(jī)驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動含有螺母的支座沿y方向做往復(fù)直線運動。y方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)的絲杠組2與x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)的絲杠組原理和結(jié)構(gòu)相同，含有2根絲杠，以橫梁充當(dāng)導(dǎo)向裝置；球面軸承組4也與x方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)的球面軸承組（圖6）原理及結(jié)構(gòu)相同。

2.3z方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)

z方向運動調(diào)整機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖8所示，由電機(jī)減速器組1、絲杠2、傳動螺母3、光桿4、直線軸承5、卡具6組成。電機(jī)減速器組1與絲杠2直接相連，傳動螺母3、直線軸承5均內(nèi)置于卡具6，分別與絲杠2、光桿4配合連接，卡具6的一端用來裝卡數(shù)據(jù)采集儀器，光桿4充當(dāng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向裝置。工作時電機(jī)驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動，從而帶動卡具在z方向做往復(fù)直線運動。

3控制系統(tǒng)

機(jī)械裝置的動力主要由電機(jī)提供，因此控制系統(tǒng)主要控制電機(jī)，來實現(xiàn)x、y、z方向的自由運動。本裝置共有12個電機(jī)，頂層工作面與側(cè)工作面各有7、5個。機(jī)械系統(tǒng)電機(jī)序號如圖9所示，控制1號、2號電機(jī)在x方向做往復(fù)直線運動，控制3～6號電機(jī)在y方向做往復(fù)直線運動，控制7～12號電機(jī)在z方向做往復(fù)直線運動。

運棉車內(nèi)籽棉回潮率主要采用隨機(jī)取點方式進(jìn)行測量，運行精度要求不高，電機(jī)采用750W三相異步交流電機(jī)，減速器為渦輪減速器；為提高系統(tǒng)可靠性，采用PLC來實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及順序動作控制[5]。工作時，1～6號電機(jī)同時動作，PLC給1～6號電機(jī)1個隨機(jī)的時間值，每個電機(jī)按這個時間值運動一定距離，判定1～6號電機(jī)均已運行完畢后，7～12號電機(jī)同時開始動作，每個電機(jī)按一定且相同的時間運行完畢后，停頓30s供數(shù)據(jù)采集儀器測量數(shù)據(jù)，測量完畢后，7～12號電機(jī)反轉(zhuǎn)使數(shù)據(jù)采集儀器抽出回歸原位，隨后1～6號電機(jī)反轉(zhuǎn)回歸原位，至此1次測量過程結(jié)束。

4結(jié)論

本研究設(shè)計的籽棉回潮率自動測量裝置，可一次性對6處回潮率進(jìn)行測量，實現(xiàn)了運棉車內(nèi)籽棉回潮率多點多層次自動化測量，提高了測量效率及自動化程度。

參考文獻(xiàn)：[HJ1.8mm]

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[3]孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2006.

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[5]趙中敏，張秋云，楊廣才.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)床電器，2007（2）：37-46.endprint