采棉頭異形凸輪精準(zhǔn)定位工裝的研制及應(yīng)用

劉暢

（中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南長沙 410100）

0 引言

自20世紀(jì)40年代以來，高端采棉機(jī)研制的核心技術(shù)一直被美國、前蘇聯(lián)以及巴西等少數(shù)國家掌握。雖然近20多年來，我國采棉機(jī)研制技術(shù)也取得了不小的進(jìn)步，但與國外技術(shù)相比，還存在一定差距[1]。另外，隨著我國高端農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)水平的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)“制造強(qiáng)國”戰(zhàn)略目標(biāo)，深入研究高效、智能化棉花收獲機(jī)，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化采棉機(jī)取代進(jìn)口產(chǎn)品，是彌補(bǔ)國家技術(shù)短板、解決農(nóng)業(yè)裝備卡脖子問題的重要舉措。

采棉頭作為采棉機(jī)的主要工作部件，是采摘系統(tǒng)的核心部件。采摘系統(tǒng)中摘錠末端作業(yè)時(shí)的運(yùn)行軌跡比較復(fù)雜[2]。由于每個(gè)采棉頭上的一組大小異形凸輪（圖1）是采棉頭傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝基準(zhǔn)，因而其裝配時(shí)的定位精度，直接決定摘錠末端作業(yè)時(shí)的運(yùn)行軌跡。

圖1 大小凸輪結(jié)構(gòu)形式

另外，采棉頭箱體是采棉頭的主體結(jié)構(gòu)，由鈑金件組焊或裝配而成，其結(jié)構(gòu)緊湊，空間尺寸復(fù)雜，且大小異形凸輪獨(dú)自依附在每個(gè)采棉頭箱體上，因此采棉頭箱體的制造精度會(huì)直接影響大小異形凸輪的安裝位置精度，從而間接決定采摘系統(tǒng)中摘錠末端在作業(yè)時(shí)的運(yùn)行軌跡。因此，采棉頭箱體制造精度及大小異形凸輪裝配的定位精度，對采棉頭的采摘效率、可靠性起著至關(guān)重要的作用。因此研制一種可檢驗(yàn)采棉頭箱體制造精度，并實(shí)現(xiàn)大小異形凸輪裝配精準(zhǔn)定位的工裝迫在眉睫。

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1 工裝設(shè)計(jì)方案

1.1 工裝結(jié)構(gòu)

如圖2，采棉頭異形凸輪精準(zhǔn)定位工裝主要組成包括固定旋帽、錐形上定位盤、粗圓柱銷、三角定位盤、大異形曲臂盤、細(xì)圓柱銷、圓形支撐套、通用芯軸、錐形下定位盤、校驗(yàn)定位套、卡環(huán)盤以及小異形曲臂盤。

圖2 異形凸輪精準(zhǔn)定位工裝結(jié)構(gòu)

1.2 工裝定位方法

采棉頭箱體上蓋板與下底板兩者是異形凸輪精準(zhǔn)定位工裝的定位基準(zhǔn)。上蓋板與下底板兩者制造精度及組裝成采棉頭箱體后的相對位置精度，均須符合設(shè)計(jì)要求，這是異形凸輪精準(zhǔn)定位工裝能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的的前提。

因此，異形凸輪精準(zhǔn)定位工裝自身具備檢測、校驗(yàn)上蓋板與下底板兩者組裝成采棉頭箱體后的綜合效果是否滿足設(shè)計(jì)要求的功能必不可少，在工裝方案設(shè)計(jì)時(shí)，已將其融合到一起。將異形凸輪精準(zhǔn)定位工裝安裝至采棉頭箱體上，詳細(xì)安裝方式如圖3。

圖3 異形凸輪精準(zhǔn)定位工裝安裝方式

首先，將錐形下定位盤安裝至下底板脫棉盤總成軸承座安裝孔中，讓通用芯軸貫穿至上蓋板脫棉盤調(diào)節(jié)裝置安裝孔中，然后安裝錐形上定位盤，由于錐形下定位盤、錐形上定位盤與安裝孔均為錐面接觸，具有自定心作用，當(dāng)其找正后，使用固定旋帽將三者連接。

其次，使用粗圓柱銷、細(xì)圓柱銷穿過大小凸輪基準(zhǔn)孔，并配合圓形支撐套將大小凸輪與大異形曲臂盤、小異形曲臂盤實(shí)現(xiàn)定位連接，形成小部件，如圖4。

圖4 大小凸輪定位連接方式

隨后，將通用芯軸貫穿至上蓋板、下底板各自前后摘錠筒安裝孔中，從下往上依次安裝第二步中組裝的小部件、卡環(huán)盤、校驗(yàn)定位套，然后從上往下安裝三角定位盤，調(diào)整位置合適后，使用固定旋帽將其連接。

完成上述三步，異形凸輪精準(zhǔn)定位工裝已基本安裝完成，滿足檢測、校驗(yàn)條件，具體方法如下。首先將校驗(yàn)定位套往上推，使其不落入下底板前后摘錠筒安裝孔中，再微調(diào)第三步中通用芯軸的偏斜角度，使其能將大異形曲臂盤、小異形曲臂盤兩者U型孔卡入至第一步中的通用芯軸上，然后將校驗(yàn)定位套從通用芯軸上滑下，若其能自由落入下底板前后摘錠筒安裝孔中，則可判斷采棉頭箱體制造精度符合設(shè)計(jì)要求，否則不合格。

最后，在采棉頭箱體制造精度符合設(shè)計(jì)要求的前提下，進(jìn)行采棉頭異形大小凸輪精準(zhǔn)定位，其包括水平定位、中心定位及相位角定位，具體方法如下。

使異形凸輪精準(zhǔn)定位工裝處于圖3安裝狀態(tài)時(shí)，將百分表分別安裝至第三步中兩根通用芯軸上，使表針接觸大異形曲臂盤和小異形曲臂盤下表面，依次轉(zhuǎn)動(dòng)通用芯軸，記錄此過程中百分表調(diào)動(dòng)數(shù)據(jù)，然后計(jì)算出大小凸輪上平面調(diào)平所需墊片，將大小凸輪與基準(zhǔn)A、B的垂直度分別控制在0.5 mm以內(nèi)，即實(shí)現(xiàn)水平定位。

圖5 水平定位圖示

使異形凸輪精準(zhǔn)定位工裝處于圖3安裝狀態(tài)時(shí)，通過大小凸輪與大異形曲臂盤、小異形曲臂盤實(shí)現(xiàn)定位連接，將大小凸輪虛擬中心點(diǎn)轉(zhuǎn)化為大異形曲臂盤、小異形曲臂盤的中心點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)大小凸輪水平定位后，也實(shí)現(xiàn)了大小凸輪虛擬中心點(diǎn)相對于各自基準(zhǔn)點(diǎn)的精準(zhǔn)定位，如圖6。

圖6 大小凸輪虛擬中心定位圖示

使異形凸輪精準(zhǔn)定位工裝處于圖3安裝狀態(tài)時(shí)，大小凸輪各自兩組基準(zhǔn)孔中心點(diǎn)與第一步中各自對應(yīng)通用芯軸的中心點(diǎn)連線形成的夾角，即為大小凸輪安裝相位角，在實(shí)現(xiàn)大小凸輪水平定位后，即實(shí)現(xiàn)了相位角的精準(zhǔn)定位，如圖7。

圖7 大小凸輪相位角定位圖示

2 工裝效果驗(yàn)證

目前采棉頭異形凸輪精準(zhǔn)定位工裝使用效果如何，很難直接通過測量檢測出來，只能借助兩個(gè)方面進(jìn)行綜合驗(yàn)證，具體方法如下。

2.1 采棉頭調(diào)試試驗(yàn)臺檢驗(yàn)

為了及時(shí)驗(yàn)證采棉頭作業(yè)時(shí)的可靠性，我們自主研制開發(fā)了采棉頭調(diào)試試驗(yàn)臺，主要包括試驗(yàn)臺機(jī)架、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)及上位機(jī)系統(tǒng)，如圖8。

圖8 采棉頭調(diào)試試驗(yàn)臺

使用采棉頭調(diào)試試驗(yàn)臺在廠內(nèi)模擬棉花采摘工況，通過數(shù)據(jù)采集傳感器實(shí)時(shí)記錄采棉頭在不同旋轉(zhuǎn)速下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩、電流、功率及采棉頭自身運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪音、關(guān)鍵部件的溫度等數(shù)據(jù)，且同步傳輸至上位機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采棉頭數(shù)字化檢測、調(diào)試。

通過采棉頭調(diào)試試驗(yàn)臺，采集到大量采棉頭運(yùn)轉(zhuǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)，然后將導(dǎo)出數(shù)據(jù)輸入至電腦專用軟件上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并結(jié)合理論計(jì)算、行業(yè)標(biāo)桿產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)及實(shí)地作業(yè)時(shí)棉花的采摘效果，總結(jié)出不同轉(zhuǎn)速下采棉頭關(guān)鍵參數(shù)試驗(yàn)參考值，如表1。

表1 不同轉(zhuǎn)速下采棉頭關(guān)鍵參數(shù)試驗(yàn)參考值

通過對比上述表格中關(guān)鍵參數(shù)參考值，可直觀、高效地檢測新生產(chǎn)的采棉頭各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)是否合適，為判定采棉頭質(zhì)量是否合格提供了理論依據(jù)。

在使用了異形凸輪精準(zhǔn)定位工裝組裝好的采棉頭中，隨機(jī)抽取5組，分別在采棉頭調(diào)試試驗(yàn)臺上連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)4h，第1、2小時(shí)采棉頭轉(zhuǎn)速為300r/min，第3小時(shí)采棉頭轉(zhuǎn)速為500 r/min，第4小時(shí)采棉頭轉(zhuǎn)速為800 r/min，在此過程中每間隔20min自動(dòng)采集一次數(shù)據(jù)，最后將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將分析結(jié)果繪制成曲線圖，如圖9。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下時(shí)間與采棉頭關(guān)鍵參數(shù)的曲線關(guān)系

從圖9（a）可知，轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)矩范圍為18.2～24.3N·m；轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)矩范圍20.9～23.7 N·m；轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)矩范圍24.2～26.3 N·m。對比表1可知，均小于不同轉(zhuǎn)速下采棉頭關(guān)鍵參數(shù)試驗(yàn)參考值。另外，在相同轉(zhuǎn)速下，隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間延長，轉(zhuǎn)矩弱有下降并趨于穩(wěn)定，因?yàn)殡S著磨合時(shí)間延長，阻力變小。

從圖9（b）可知，轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，電流范圍為20.4～22.5 A；轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，電流范圍為21.7～22.9 A；轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，電流范圍為21.4～24A。對比表1可知，均小于不同轉(zhuǎn)速下采棉頭關(guān)鍵參數(shù)試驗(yàn)參考值。另外，在相同轉(zhuǎn)速下，電流變化趨勢也是弱有下降，與轉(zhuǎn)矩變化基本一致。

從圖9（c）可知，轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，功率范圍為3.6～5.6kW；轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，功率范圍為7.1～8.5kW；轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，功率范圍為13.6～14.6kW。對比表1可知，均小于不同轉(zhuǎn)速下采棉頭關(guān)鍵參數(shù)試驗(yàn)參考值。而且，從圖9（c）曲線變化趨勢可知，磨合導(dǎo)致阻力變小，功率消耗也隨之下降。

從圖9（d）可知，轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，錐齒箱溫度范圍為19.4～29.2℃；轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，錐齒箱溫度范圍為28.4～34.1℃；轉(zhuǎn)速為800r/min時(shí)，錐齒箱溫度范圍為34.1～41.1℃。對比表1可知，均小于不同轉(zhuǎn)速下采棉頭關(guān)鍵參數(shù)試驗(yàn)參考值。

從圖9（e）可知，轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，中間輪溫度范圍為16.2～23.7℃；轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，中間輪溫度范圍為21.5～27.5℃；轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，中間輪溫度范圍為25.1～29.9℃。對比表1可知，均小于不同轉(zhuǎn)速下采棉頭關(guān)鍵參數(shù)試驗(yàn)參考值。

從圖9（f）可知，轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，噪音范圍為91.6～94.4 dB；轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，噪音范圍為95.6～97.7 dB；轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，噪音范圍為101.1～103.6dB。對比表1可知，均小于不同轉(zhuǎn)速下采棉頭關(guān)鍵參數(shù)試驗(yàn)參考值。

綜上所述，隨機(jī)抽取的5組采棉頭，在采棉頭調(diào)試試驗(yàn)臺上采集的不同轉(zhuǎn)速下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩、電流、功率及采棉頭自身運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪音、關(guān)鍵部件的溫度等數(shù)據(jù)，均在參考值范圍內(nèi)，且一致性非常好。

2.2 銅套磨損量檢驗(yàn)

將上述5組采棉頭分別安裝至5臺采棉頭調(diào)試試驗(yàn)臺上，均設(shè)定試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為800 r/min，然后啟動(dòng)試驗(yàn)臺，連續(xù)不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)500h。試驗(yàn)完畢，將摘錠桿轉(zhuǎn)臂上的銅套拆卸（圖10），并隨機(jī)抽取8個(gè)銅套，檢測其外徑值。

圖10 銅套與凸輪相對位置關(guān)系圖

摘錠桿轉(zhuǎn)臂上銅套直徑設(shè)計(jì)值為38.15 mm，公差下限為0，公差上限為+0.05 mm。正常設(shè)計(jì)要求采棉頭在試驗(yàn)臺上運(yùn)轉(zhuǎn)500 h后，銅套外圓面磨損量不得大于0.38 mm，從而可得出磨損后，銅套直徑的合格區(qū)應(yīng)為37.72～38.15 mm。

從每組采棉頭上隨機(jī)抽取的8個(gè)銅套，依次對應(yīng)編號為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#，5組采棉頭共計(jì)40個(gè)銅套。采用游標(biāo)卡尺測量40個(gè)銅套的直徑，然后將所有數(shù)據(jù)繪制成分布圖，如圖11。

圖11 作業(yè)500 h后銅套直徑測量值分布

從圖11可知，40個(gè)銅套直徑測量值均分布在合格區(qū)，且靠近設(shè)計(jì)上限，即每組采棉頭銅套的磨損量均遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)限定值0.38 mm。因而，可知銅套在大小異形凸輪中高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，基本沿著設(shè)計(jì)軌跡線運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)順暢，無卡滯、憋勁。

3 結(jié)論

該設(shè)計(jì)方案提供了一種直觀、高效檢測校驗(yàn)采棉頭箱體制造精度，并可對采棉頭大小異形凸輪進(jìn)行精準(zhǔn)定位的工裝，使采摘系統(tǒng)摘錠末端作業(yè)時(shí)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了采棉頭采摘系統(tǒng)在作業(yè)時(shí)的高效性和可靠性。同時(shí)該工裝結(jié)構(gòu)精巧、操作簡單，減少了采棉頭不合格品的產(chǎn)生，大幅提高了生產(chǎn)效率、降低了制造成本。