自動打捆機的關(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

自動打捆機作為一種農(nóng)作物后續(xù)收獲機具，主要用于玉米秸稈、牧草等桿狀作物的收攏與堆集。該機具的廣泛應(yīng)用可大大減輕作業(yè)人員的勞動強度，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，識別自動打捆機的關(guān)鍵自由曲面，從部件精準加工的源頭出發(fā)展開研究，以提升自動打捆機的安裝與實地作業(yè)精度。

1 自動打捆機工作原理

打捆機的結(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為自動打捆機核心控制裝置簡圖。在電機驅(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)整與檢測單元進行作業(yè)分解。

對打捆壓縮機構(gòu)的關(guān)鍵自由曲面進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 自動打捆機外觀圖Fig.1 The appearance figure of the automatic bundling machine

圖2 自動打捆機控制裝置簡圖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，通過適合的插補算法對曲面進行網(wǎng)格劃分，直線段與圓弧段同步進行插補擬合，實現(xiàn)自由曲面的光滑行與連續(xù)性。

圖3 打捆機關(guān)鍵自由曲面三維模型Fig.3 3D model of the key free surface of bundling machine

針對自動打捆機關(guān)鍵自由曲面進行數(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的相對距離及加工工件與刀具的接觸關(guān)系、刀具接觸點的計算、參數(shù)點及動態(tài)坐標系不斷調(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

進行自由曲面的數(shù)控加工處理，從插補精度、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，給出打捆機關(guān)鍵自由曲面的誤差補償原理，如圖6所示。通過數(shù)據(jù)測量，對位置控制點進行平滑處理，從而匹配球面半徑補償、誤差分析與路徑補償，實現(xiàn)曲面擬合的誤差補償。

1.編程軌跡 2.切削軌跡 3.刀具實際切削軌跡

圖6 自動打捆機關(guān)鍵自由曲面誤差補償原理簡圖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，實時掌控機床各坐標軸的位置指令，按照預(yù)期設(shè)定目標，進行進給運動。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為打捆機關(guān)鍵自由曲面加工實時監(jiān)控圖。通過輸入轉(zhuǎn)換為進給脈沖，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)控加工精準化的重要環(huán)節(jié)。

對打捆機關(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)置相同的條件下進行。

圖7 打捆機關(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

進行自動打捆機關(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信息，進行加工性能與優(yōu)越性比較，詳細數(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)對自動打捆機原理及構(gòu)成進行分析，在打捆機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)控加工的特點及刀具運動規(guī)律，建立一種數(shù)控加工優(yōu)化模型。

2)進行自由曲面的數(shù)控加工處理，對位置控制點進行平滑處理，進而進行誤差補償，融入數(shù)控核心控制算法，編制加工程序進行仿真試驗。

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。